DE2913548A1

DE2913548A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2913548A1
Application number: DE19792913548
Authority: DE
Inventors: David Alexander Campbell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-04-06
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1979-10-18
Also published as: US4291531A; FR2422036A1; DE2913548C2; IT1111236B; IT7921628A0; JPS55131531A; FR2422036B1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

if Dipl.-Ing. Günther Koch

2913548 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: ^. April 1979

Unser Zeichen· 16 589 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Gasturbinentriebwerk

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk.

Moderne Gasturbinentriebwerke benutzen normalerweise einen Anteil der vom Kompressor des Triebwerks verdichteten Luft, um verschiedene heiße Teile des Triebwerks stromab der Brennkammer zu kühlen. Insbesondere muß normalerweise die erste Stufe der Turbinenrotorschaufeln gekühlt werden. Es ist dabei üblich, diese Kühlluft vom stromabwärtigen Ende des Hoehdruckkompressors des Triebwerks abzuzapfen. Dies ist zweckmäßig, weil dort ein Spalt an der Stelle zwischen dem sich drehenden und dem statischen Aufbau besteht und der Luftdruck genügend hoch ist, um die notwendige Kühlfunktion ausüben zu können, und um ein Eindringen in den Heißgasstrom des Triebwerks zu ermöglichen. Außerdem liefert die Kühlluft einen Kühleffekt auf die Welle, die die Hochdruckturbine mit dem Hochdruckkompressor verbindet.

Weil moderne Turbinenkühlsysteme im hohen Maße eine Filmkühlung bewirken ist es notwendig, daß die Kühlluft unter hohem Druck steht. Es ist außerdem wesentlich, daß die Kühlluft eine Temperatur hat, die so niedrig als möglich ist, d.h. sie sollte vorher möglichst nicht zur Abkühlung eines dazwischen liegenden Aufbaus, beispielsweise zur Kühlung der Wellen tienutzt worden sein.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, bei dem die Kühlluft an einer Stelle abgenommen wird, wo der Druck niedriger ist als am stromabwärtigen Ende des Kompressors, wobei außerdem die benachbarte Welle gekühlt wird.

Die Erfindung geht aus von einem Gasturbinentriebwerk mit einem Kompressor einer Verbrennungseinrichtung und einer luftgekühlten Turbine. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein anfänglicher Diffusorabschnitt für die vom Kompressor komprimierte Luft vorgesehen wird, wobei Kompres-

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sor und Turbine antriebsmäßig durch eine Welle verbunden werden, und es ist ein Kanal vorgesehen, um die Kühlluft aus dem Hauptströmungskanal des Triebwerks an einer Stelle abzuziehen, die wenigstens auf einem Stück des Weges längs des Diffusorabschnitts nach der Turbine liegt, und es ist wenigstens eine öffnung im Kanal vorgesehen, um einen Teil der Kühlluft nach vorn um die Außenseite der Welle strömen zu lassen, um diese zu kühlen.

Vorzugsweise besteht ein Spalt zwischen dem stromabwärtigen Ende des Rotors des Kompressors und dem benachbarten statischen Aufbau, und der Teil der Kühlluft kann sich mit der Hauptluftströmung des Triebwerks durch den Spalt wieder vereinigen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Teil der Kühlluft vom Hauptteil der Kühlluft benachbart zur Turbine getrennt und strömt in Gegenrichtung zur anfänglichen Strömungsrichtung der Kühlluft ab.

Der Anteil der Kühlluft wird vorzugsweise durch Düsen verwirbelt, um der Luft etwa die gleiche Winkelgeschwindigkeit aufzuprägen wie die Welle besitzt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Gasturbinentriebwerks;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Schnittansicht des Verbrennung« bereichs des Triebwerks nach Fig. Ij

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Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung.

Figur 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit Frontfan. Dieses weist ein Kerntriebwerk 10 auf, welches nach dem Ausführungsbeispiel eine einzige Welle im Kernbereich aufweist, jedoch auch zwei konzentrische Wellen besitzen kann, so daß das gesamte Triebwerk ein Dreiwellen-Triebwerk ist. Das Kerntriebwerk 10 weist einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12, eine Turbine 13 und eine Schubdüse 14 in Strömungsrichtung hintereinander auf. Der Kompressor 11 und die Turbine 13 sind durch eine Antriebswelle 15 verbunden.

Die Arbeitsweise des Kerntriebwerke ist die übliche, und dabei verdichtet der Kompressor 11 Luft, die vom Fan vorverdichtet ist und dann mit Brennstoff vermischt und in der Verbrennungseinrichtung 12 verbrannt wird. Die hieraus resultierenden heißen Gase treiben die Turbine 13 an, die ihrerseits den Kompressor 11 über die Welle 15 treibt und die restlichen heißen Gase treiben die nicht dargestellte Fanturbine und strömen durch die Düse 14 ab, um hierbei einen Antriebsschub zu erzeugen. Die Fanturbine treibt den Fan über eine Fanwelle (nicht dargestellt) an, die durch das hohle Innere der Welle 15 geführt ist.

Weil die Turbine 13 der Wirkung der sehr heißen Gase aus der Verbrennungseinrichtung 12 ausgesetzt wird, ist es nötig, die am stärksten beaufschlagten Teile der Turbine zu kühlen. Die Kühlluft, die diese Funktion durchführt, wird von der vom Kompressor 11 verdichteten Luft abgezapft und aus Fig. 2 ist im einzelnen ersichtlich, wie dies geschehen kann.

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Da Figur 2 ist das stromabwärtige Ende des Kompressors 11 in weiteren Einzelheiten dargestellt und der Kompressor weist die herkömmliche abwechselnde Anordnung von Rotorschaufeln 16 und Statorschaufeln 17 auf. Die Rotorschaufeln werden von der Jeweiligen Rotorscheibe 18 getragen, die einstückig mit der Antriebswelle 15 hergestellt ist, oder mit dieser fest verbunden ist. Die Statorschaufeln 17 werden von einem Gehäuseteil 19 getragen. Die stromabwärtige Gruppe von Rotorschaufeln 16 und die Rotorscheibe 18 bilden das stromabwärtige Ende des Kompressors und ein Spalt 20 ist zwischen diesem stromabwärtigen Ende und einem inneren Gehäuse 21 vorgesehen. Eine Stufe von Auslaßlextschaufeln 22 wird zwischen den Gehäusen I9 und 21 unmittelbar stromab des Spaltes 20 und der letzten Stufe der Rotorschaufeln 16 getragen.

Stromab der Stufe der Auslaßleitschaufeln 22 können die Gehäuse 19 und 21 derart divergieren, daß ein Diffusorabschnitt gebildet wird, und so dazwischen ein relativ großer Raum entsteht, in dem die Brennkammer 23 angeordnet ist. Weil die Brennkammer keinen relevanten Bestandteil der Erfindung darstellt, wird diese hierbei im einzelnen nicht beschrieben, aber es ist ersichtlich, daß diese Brennkammer von der Ringbauart ist.

Das Innengehäuse 21 ist mit einem Einlaß 24 versehen, der zwischen einem Fortsatz 25 und dem zylindrischen Abschnitt des Gehäuses unmittelbar stromab der Grenze der Divergenz ausgebildet ist. In den Einlaß 24 eintretende Luft kann durch öffnungen 26 nach der Innenseite des Gehäuses 21 strömen. Ein zweites Innengehäuse 27 ist im Abstand von dem zylindrischen Abschnitt des Gehäuses 21 angeordnet. Das zweite Gehäuse 27 ist bei dieser Ausführungsform mit Versteifungsringen 29 versehen, die verhindern, daß das Gehäuse deformiert

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Die Ringkammer 28 bildet einen Kanal für die Kühlluft, die durch den Einlaß 24 und die Öffnungen 26 strömt, und der Kanal leitet diese Luft innerhalb des Triebwerks nach der Turbine 15.

Die Turbine 13 besitzt in herkömmlicher Weise eine Turbinenscheibe 30, die die Türbinenrotorschaufeln 31 trägt. Weil die Rotorschaufeln Jl den Heißgasen ausgesetzt sind, die aus der Brennkammer 23 über die Düsenleitschaufeln 32 austreten ist es notwendig, diese Schaufeln 3I zu kühlen. Um diese Kühlung zu bewirken, läßt man die in der Kammer 28 abströmende Luft am stromabwärtigen Ende der Kammer durch eine Reihe von Wirbelschaufeln 33 in eine Kammer 34 abströmen, die durch Flansche 35 und 26 von der Scheibe 30 definiert ist und gegenüber dem Aufbau benachbart zu den Wirbelschaufeln 33 abgedichtet ist. Die Wirbelschaufeln 33 sind so ausgebildet, daß der Kühlluft eine der Winkelgeschwindigkeit der Scheibe 30 entsprechende Winkelgeschwindigkeit aufgeprägt wird, wie dies bekannt ist. Die Kühlluft aus der Kammer 34 kann dann durch Kanäle 37 in der Scheibe 30 und demgemäß nach den Schaufelfüßen der Schaufeln 3I abströmen. Die Luft kann dann in ein System von Kühlkanälen 38 in jeder Schaufel eintreten, um eine Kühlung zu bewirken und ein Anteil dieser Luft wird über Filmkühllöcher in der Schaufeloberfläche dem Gasstrom des Triebwerks wieder zugeführt. Auch diese Kühlkanäle sind im einzelnen nicht dargestellt, weil ihre Ausbildung und Form für die Erfindung nicht wichtig ist.

Nicht alle Kühlluft, die in die Kammer 28 eintritt, strömt durch die Wirbelschaufeln 33, um die Schaufeln 3I zu kühlen. Ein Anteil der Luft, und zwar normalerweise der geringere Anteil, strömt durch eine zweite Gruppe von Wirbelschaufeln 39,

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die unmittelbar innerhalb des Flansches 35 angeordnet sind. So lassen die Wirbelschaufeln Luft in die Kammer 40 einströmen, die zwischen dem zweiten Innengehäuse 27 und der Antriebswelle 15 ausgebildet ist. Diese Luft strömt in Gegenrichtung zu der Luft in der Kammer 28, die gemäß der Zeichnung von rechts nach links fließt.

Es ist klar, daß es möglich ist diesen Anteil der Luft durch einfache Löcher strömen zu lassen, oder stattdessen könnte ein Anteil der Luft benutzt werden, der durch die Wirbelschaufeln 33 verbirbelt ist.

Die Wirbelschaufeln 39 sind so angeordnet, daß der Luft die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit aufgeprägt wird, die vergleichbar ist mit der Winkelgeschwindigkeit der Welle 15 und bei ihrem Vorbeiströmen an der Welle kühlt die Luft diesen Aufbau.

Es ist ersichtlich, daß die Kammer 40 vollständig abgedichtet ist, außer am Einlauf, der von den Wirbelschaufeln 39 gebildet ist und mit Ausnahme des Spaltes 20, der einen Austritt für die Kühlluft bildet. Die Luft strömt demgemäß von den Wirbelschaufeln 39 nach dem Spalt 20, wo eine Wiedervereinigung mit dem Hauptluftstrom des Triebwerks erfolgt.

Wegen der Auslaßleitschaufeln 22 und wegen des Diffusorabschnitts zwischen den Gehäusen 21 und I9 wird der statische Druck der Luft, die vom Kompressor 11 verdichtet wurde, erhöht und der Druck der Luft am Einlaß 24 wird beträchtlich größer als am Spalt 20. Es besteht daher ein genügend hoher Druck, um eine Zirkulation der Luft vom Einlaß 24 durch die Wirbelschaufeln 39 und auf dem Weg über den Kanal 40 nach dem Spalt 20 zu bewirken. Die Kühlluft, die durch die Wirbelschaufeln 33 strömt, steht unter einem höheren Druck als es dann

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der Fall wäre, wenn die Luft vom Spalt 20 abgezapft würde und dies bedeutet·zusammen mit der Tatsache, daß die Luft nicht zur Kühlung einer Welle 15 benutzt wurde, daß die Qualität der die Schaufeln 31 erreichenden Luft beträchtlich verbessert ist.

Figur 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform. Der Kompressor 11 ist dem Aufbau nach Figur 2 gleich, und auch die Brennkammer 23 und die Auslaßleitschaufeln 22 sowie die Gehäuse 19 und 21, die Welle I5 und die Turbinenschaufeln 3I.

In diesem Falle unterscheidet sich jedoch das zweite innere Gehäuse etwas vom Gehäuse 27 nach Fig. 2. In Fig. 3 ist ein Innengehäuse 41 mit Vorverwirbelungsdüsen 42 vorgesehen, die einen Anteil der längs der Kammer 43 abströmenden Luft benachbart zur Welle 15 und durch den Spalt 20 fließen lassen . Ein Dichtungskörper 43 wird von der Welle I5 getragen und arbeitet mit einem zweiten Dichtungskörper 44 zusammen, der von dem zweiten inneren Gehäuse 41 getragen wird, um den Bereich zwischen dem Gehäuse 41 und der Welle 15 in eine stromaufwärt ige Kammer 44 bzw. eine stromabwärtige Kammer 45 aufzuteilen. Das Gehäuse 41 endet in einer Scheidewand 46, aber ein weiteres Gehäuse 47 erstreckt sich nach einer Stelle benachbart zur Turbinenscheibe 48, um einen Kanal 49 zu bilden, der eine Fortsetzung des Kanals 43 darstellt. Die Kanäle 50 lassen die Kühlluft vom Kanal 43 nach dem Kanal 49 strömen, und die Wirbelschaufeln 5I bewirken, daß die Kühlluft von der Kammer 49 in den stromabwärtigen Teil der Kammer 45 eintritt. Dieser Abschnitt der Kammer 45 liegt benachbart zur Scheibe 48 und es sind Kanäle 52 im Aufbau benachbart zu der Scheibe angeordnet, die diese Kühlluft in die Schaufelfüße der Schaufeln 3I eintreten lassen und sie auf diese Weise in die Kanäle 38 gelangen lassen.

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Bei dieser Ausführungsform, die im Prinzip und ihrer Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 2 entspricht, bewirken jedoch Dichtungen 4;5 und 44, daß die Kühlluft, die durch die Wirbeldüsen 42 hindurchtritt, nur den stromaufwärtigen Teil der Welle 15 zwischen dem Kompressor 11 und den Dichtungen 43 und 44 kühlt. Der stromabwärtige Teil der Welle 15 wird durch den kleinen Anteil von Luft gekühlt, der in die Kammer 45 durch die Wirbelschaufel 49 eintritt und dann zwischen den Dichtungen 4j5 und 44 als Leckstrom abschließt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Hochdruckluft ausgenutzt, die in dem anfänglichen Teil des Verbrennungssystems einer Diffusorwirkung unterworfen wurde, und es wird gewährleistet, daß die Kühlluft für die Rotorschaufeln nicht vorher zur Wellenkühlung angewadnt wurde. Bei beiden Ausführungsbeispielen vermindert die Rückführung der Wellenkühlluft nach der Haupttriebwerksluftströmung am Spalt 20 die Triebwerksverluste infolge Drosselung dieser Sekundärluftströmung.

Es sind verschiedene Abwandlungen gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel möglich. Insbesondere ist es möglich, anstelle einer einstufigen Turbine und einer einstufigen Kernturbine ein Mehrwellentriebwerk mit mehreren Kompressoren und Turbinen zu benutzen. Tatsächlich ist es für ein Mehrwellentriebwerk noch wichtiger, eine Kühlung für die Welle I5 von außen her zu bewirken. Im Falle eines Mehrwellentriebwerks ist es normalerweise zu bevorzugen, die Welle zu kühlen, die die auf niedrigstem Druck stehenden Bauteile verbindet. Obgleich der Einlaß 24, der von dem Teil 25 gebildet wird, eine sehr wirksame Möglichkeit bietet die erforderliche Luft abzuzapfen, ist es auch möglich, einen einfachereren Aufbau zu benutzen, z.B. Perforationslöcher im Gehäuse 21. Der Zweck wird am besten erreicht, indem Luft benutzt wird, die gerade

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am stroraabwärtigen Ende des Diffusorsystems strömt, jedoch kann es auch zweckmäßig sein, die Luft an einer Stelle abzuzapfen, die weiter stromauf liegt. So bilden die Auslaßleitschaufeln 22 eine Art Diffusor und es kann in gewissen Fällen zweckmäßig sein, die Kühlluft unmittelbar stromab dieser Schaufeln anzuzapfen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kühlluft, die den Schaufeln 31 zugeführt wird, in zwei Abschnitte aufzuteilen, und zwar einen mit einem hohen Druck und einen mit einem niedrigen Druck, wobei diese unterschiedlichen Drücke durch unterschiedliche Behandlung der einzigen Luftmasse erhalten werden.

Die Luft, die vom Gehäuse 21 abgezapft wird, könnte auch in mehrere getrennte Rohre im Bereich der Gasturbine abströmen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-lng. C u rt Wal I ach Dipl.-lng. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 4₀ April 1979

Unser Zeichen: 16 589 - K/Ap

Patentansprüche

Gasturbinentriebwerk mit einem Kompressor, einer Brennkammer und einer luftgekühlten Turbine, bei der das Verbrennungssystem einen anfänglichen Diffusorabschnitt für die vom Kompressor verdichtete Luft aufweist, und Kompressor und Turbine antriebsmäßig durch eine Welle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlluftkanal (28,43) Kühlluft von der Hauptströmung des Triebwerks an einer Stelle (24) abzapft, die wenigstens auf einem Teil des Weges längs des Diffusorabschnitts (21) nach der Turbine (30,48) liegt, und daß wenigstens eine Öffnung (39,41) in dem Kanal (28,43) vorgesehen ist, um einen Teil der Kühlluft nach vorn über die Außenseite der Welle (15) zwecks Kühlung abfließen zu lassen.
2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem stromabwärtigen Ende (16,18) des Rotors des Kompressors (11) und dem benachbarten statischen Aufbau (21) ein Spalt (20) angeordnet ist, und daß der Teil der Kühlluft sich wieder mit dem Hauptluftstrom des Triebwerks durch den Spalt (20) vereinigen kann.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Öffnungen (39,42) eine Verwirbelungseinrichtung aufweist, die die Wellenkühlluft in der gleichen Richtung verwirbelt, in der die Drehung der Welle (15) stattfindet.
4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungsvorrichtung getrennte Düsen (42) aufweist, die in eine Richtung derart weisen, daß die Wellenkühlluft eine Bewegungskomponente tangential bezüglich der Welle (15) erhält.
5. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungsvorrichtung einen Kanal zwischen zwei im Winkel angestellten Schaufeln (39) aufweist, um der Wellenkühlluft eine Bewegungskomponente aufzuprägen, die tangential bezüglich der Welle (15) verläuft.
6. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Öffnung (39) des Kanals (28) benachbart zur Turbine (30) liegt, so daß die Wellenkühlluft im wesentlichen die gesamte Länge der Welle (15) kühlt.

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7. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Öffnung (42) des Kanals (43) auf einem Teil des Weges längs des Kanals (43) derart liegt, daß die Wellenkühlluft nur den vorderen Abschnitt der Welle (15) kühlt, während der Rest der Welle durch die Hauptströmung der Kühlluft gekühlt wird.
8. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (43), ein innerer Kanal,der zwischen dem Innengehäuse (21) der Verbrennungseinrichtung (12) liegt und ein weiteres Ringgehäuse (27,41) innerhalb des Gehäuses gelagert sind.
9. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (28,43) in Wirbeldüsen (33*51) endet, die die Kühlluft verwirbeln bevor sie in die Turbine (30,48) abfließt.
10. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kompressoren vorgesehen sind, von denen jeder über eine Welle mit einer entsprechenden Turbine verbunden ist, und daß die Wellenkühlluft nur auf die Welle (15) einwirkt, die den Hochdruckkompressor (11) mit der Hochdruckturbine (30,48) verbindet.

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