DE3116923C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlluft-Leiteinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine derartige Kühlluft-Leiteinrichtung ist aus der DE-AS 16 01 664 bekannt.

Dort sind Düsen beschrieben, die in Turbinendrehrichtung gerichtet sind, um die Kühlluft radial nach innen zu beschleunigen und so deren Eintritt in die drehende Welle zu erleichtern. Die Düse führt die Luft durch einfache, durch die Wellenwandung gebohrte Öffnungen. Um die Turbinenschaufeln zu erreichen, muß die Luft durch diese Öffnungen in der Welle und dann radial nach außen zu den heißen Turbinenschaufeln geführt werden.

Dadurch konnte zwar ein gewisser Erfolg erzielt werden, aber es hat sich gezeigt, daß die Kühlluft nach dem Verlassen der Düse in der Turbinenwelle eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweist, die tatsächlich größer ist als die Drehgeschwindigkeit der Turbinenwelle. Das bedeutet, daß die Kühlluft bezüglich der Welle eine Tangentialgeschwindigkeit aufweist. Wenn der Kühlluftstrom sich verlangsamt, um die Öffnungen in der Welle zu passieren, tritt ein großer Druckverlust auf. Dieser stellt einen nicht wiederbringbaren Energieverlust dar. Auch wenn die Luft zu einer Stelle mit geringerem Radius strömt, wie beim Durchgang unter einem Turbinenlaufrad, wird ihre Tangentialgeschwindigkeit sogar noch größer, was mitunter sogar akustische Resonanzen hervorrufen kann. Bei bekannten Turbinen werden flache radiale Schaufeln innerhalb der Turbinenwelle verwendet, um die restliche Tangentialgeschwindigkeit der Kühlluft zu beseitigen. Dadurch können zwar akustische Resonanzen verhindert werden, die aerodynamischen Verluste im Kühlluftstsromsystem werden jedoch damit erhöht. Diese Probleme können nur vermieden werden, indem jegliche überschüssige Tangentialgeschwindigkeit des Kühlluftstromes beseitigt wird, bevor die Luft in die Turbinenwelle eintritt.

Zwar beschreibt die US-A-37 91 758 konvergente Düsen in einer stationären Struktur, um Kühlluft auf in den Turbinenschaufeln ausgebildete Einlaßöffnungen zu richten, die mit divergenten Strömungskanälen in den Turbinenschaufeln in Verbindung stehen. Dort wird aber die Kühlluft ohne eine Entwirbelung in axialer Richtung in die Turbinenschaufeln eingeführt.

Die US-A-41 13 406 beschreibt die Zufuhr von Kühlluft durch eine Vorwirblerdüse in einer stationären Leitschaufel, von der aus die Kühlluft in Öffnungen in der Turbinenwelle geleitet wird. Dabei ist die Vorwirblerdüse so gerichtet, daß die aus ihr austretende Kühlluftströmung keine radiale Komponente hat.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlluft-Leiteinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der nicht-rotierende Kühlluftstrom in den rotierenden Turbinenabschnitt mit einem minimalen Druckverlust und niedrigen Kühllufttemperaturen eingeführt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die umlaufenden Leitschaufeln des gesonderten, mit dem Turbinenabschnitt drehfest verbundenen Entwirblers die Strömungsrichtung des Kühlluftstroms, der aus der Düse in einer Richtung tangential zur Wellenwand beschleunigt wurde, in eine neue Richtung umlenken, die parallel zu den Mittellinien der Wellenöffnung verläuft. Die Schaufeln leiten dadurch den Kühlluftstrom in die sich drehenden Wellenöffnungen, ohne daß dabei ein wesentlicher Druckverlust auftritt und mit einer geringeren resultierenden Kühllufttemperatur.

Zusätzlich sind die Schaufeln mit Durchgängen versehen, die in Strömungsrichtung expandieren, um eine Diffusion der Kühlluft und eine Erhöhung des statischen Druckes zu erreichen. Der Eingangsverlust kann noch durch einen aerodynamisch geformten Einlaß vermindert werden. Dieser verringerte Eingangsverlust in Verbindung mit dem durch die Diffusion rückgewonnenen Druck ermöglicht ein die Verwendung einer Düse mit höherem Druckverhältnis, wodurch der Wirkungsgrad des Systems erhöht und die Kühlluft-Ausgangstemperatur relativ zum Rotor vermindert wird. Die verminderte Kühllufttemperatur erlaubt eine Reduzierung des Kühlluftstromes und verbessert letztlich den Wirkungsgrad des Turbinenkreislaufes.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Teillängsschnitt von einer Kühlluft-Leiteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein typisches Gasturbinen- Flugtriebwerk;

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teiles des Gasturbinen-Triebwerkes mit einem typischen bekannten Kühlluftkanal;

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch Entwirbler entlang der Linie 4-4 in Fig. 1.

In Fig. 2 ist ein Gasturbinen-Flugtriebwerk 10 dargestellt, um die Grundkomponenten und Funktionen des Triebwerkes und einige generelle Aspekte eines Kühlluftstromkanales zu beschreiben. Eine Beschreibung der Grund-Triebwerksfunktionen beginnt mit der in einen Kompressor 12 eintretenden Luft, in dem sie auf einen sehr hohen Druck komprimiert wird, der eine schnelle Verbrennung im weiteren Strömungsweg des Triebwerkes unterstützt. Die hochkomprimierte Luft wird durch einen Kompressorausgang 14 in eine Brennkammer 16 geführt, in der die Luft mit Brennstoff gemischt und das Gemisch gezündet wird. Das gezündete Luft/Brennstoff-Gemisch bildet heiße Verbrennungsgase, die von der Brennkammer 16 in einen Turbinenabschnitt 18 beschleunigt werden. Dort werden diese beschleunigten Verbrennungsgase gegen Turbinenschaufeln 20 gerichtet und drehen diese dadurch mit hoher Geschwindigkeit. Die Turbinenschaufeln 20 sind über Laufräder 22 mit einer Turbinenwelle 24 verbunden, um eine Antriebskraft auf diese zu übertragen. Die Welle 24 kann mechanisch mit einer vom Benutzer gewünschten mechanisch anzutreibenden Maschine verbunden werden. Bei einem typischen Flugzeug- Triebwerk werden die Turbinenwellen verwendet, um sowohl den Kompressor 12 als auch einen (nicht dargestellten) Bläser, der die Luft zur Erzeugung eines Vorwärtsschubes eines Flugzeuges beschleunigt, anzutreiben.

Bekanntlich kann die maximale Antriebsleistung aus den Verbrennungsgasen bei einer bestimmten, thermodynamisch beeinflußten optimalen Temperatur erreicht werden. Jedoch ist die errechnete beste Temperatur so hoch, daß beim Betrieb des Triebwerks in der optimalen Weise die den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzten Maschinenteile schnell zerstört würden. Daher werden gegenwärtig Gasturbinen-Triebwerke bei einer Temperatur betrieben, die etwas unterhalb dem thermodynamisch bestimmten optimalen Niveau liegen.

Bei dem Bemühen, den Triebwerkswirkungsgrad durch höhere Temperaturen zu verbessern, wurden die Bemühungen in letzter Zeit darauf gerichtet, luftgekühlte Turbinenteile im Verbrennungsgasströmungsweg vorzusehen. Diese Bemühungen waren sehr erfolgreich und haben den Wirkungsgrad moderner Gasturbinen-Triebwerke wesentlich verbessert. Die Kühlluft muß jedoch von einer Hochdruckquelle, wie den Triebwerkskompressor 12, abgeführt werden, und jede vom Triebwerkskompressor entnommene Luft stellt einen Verlust an für die Verbrennung zur Verfügung stehender Luft und damit einen Verlust der Maschinenausgangsleistung dar.

Bezüglich dieses störenden Verlustes wurden wesentliche Anstrengungen darauf gerichtet, eine verbesserte Ausnutzung dieser Kühlluft zu finden, so daß weniger Luft aus dem Kompressor 12 entnommen werden muß, um die heißen Turbinenteile zu kühlen.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, in der ein Teil eines bekannten Triebwerkes mit einem internen Kühlluftkanal gezeigt ist. Der Strömungsweg der Kühlluft ist allgemein durch dicke Pfeile angedeutet. Die Kühlluft strömt vom Kompressorausgang (in Fig. 3 nicht gezeigt) zu einem Abschnitt 25, der eine Brennkammerwand 26 umgibt, und schließlich durch eine Turbinenwelle 24 in einen Laufradhohlraum 19. Dies ist ein sehr kritisches Gebiet der Kühlströmung, da die Luft dort gegen die heißesten Turbinenteile, einschließlich einer ersten Reihe von Turbinenschaufeln 30, geführt wird. Die Luft muß auf einem hohen Druck gehalten werden, um in und durch die Schaufeln 20 zu strömen, und der Druck muß größer sein als der Druck der Verbrennungsgase, die die Düsen und Schaufeln umgeben. Da die Verbrennungsgase gerade den Kommpressor 12 und die Brennkammer 16 verlasen haben, weisen sie noch einen bezüglich des restlichen Teiles des Triebwerkes hohen Druck auf.

In diesem kritischen Abschnitt des Kühlluftströmungsweges werden die technischen Schwierigkeiten von strömender Luft in diesem Abschnitt des Triebwerkes weiter verkompliziert, da die Luft von einem nicht rotierenden Abschnitt des Triebwerkes durch die rotierende Welle 24 in den Lufradhohlraum 19 der Turbine strömt. Die Luft muß schnell in Drehrichtung beschleunigt werden, wenn sie, im wesentlichen durch eine Vielzahl von Öffnungen 32 in der Turbinenwellenwand, in die Turbinenwelle 24 eintritt. In dem Abschnitt, in dem die nicht rotierende Luft durch die Öffnungen 32 strömt, können wesentliche Verluste und Druckänderungen auftreten.

Um diese Verluste zu verringern, wird in Kühlluftkanälen des Typs, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, eine Düse 34 angeordnet, die die Kühlluft in der Turbinendrehrichtung beschleunigt. Als Ergebnis dieser Beschleunigung wird die Luft gezwungen, in einer Richtung tangential zum Wellenumfang zu strömen. Wenn die Luft eine Tangentialgeschwindigkeit aufweist, die größer als die der Welle ist, tritt ein großer Druckverlust auf, wenn die Luft durch die Wellenöffnungen strömt. Wenn die Luft in Richtung eines kleineren Radius strömt, wie beim Strömen unter einem Laufrad 22 einer ersten Turbinenstufe, wird ihre Tangentialgeschwindigkeit zusätzlich erhöht, was zu akustischen Resonanzen führen kann. Ein Beseitigen dieser übermäßigen Tangentialgeschwindigkeit vor den Wellenöffnungen könnte diese Situation wesentlich verbessern.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die Kühlluft-Leiteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in dem Abschnitt des Triebwerkes 10 zeigt, in dem die Kühlluft in die Turbinenwelle 24 eintritt. Dort ist ein Entwirbler 36 in dem Teil des Luftströmungsweges angeordnet, wo die Luft in den Kanal 24 eintritt. Die Funktion des Entwirblers 36 ist es, die Strömungsrichtung der Kühlluft aerodynamisch zu ändern und die Luft in die Öffnungen 32 zu leiten. Der Entwirbler 36 reduziert zusätzlich die Drehgeschwindigkeit, so daß diese der Drehgeschwindigkeit der Turbinenwelle 24 angeglichen wird. Der Entwirbler 36 ist direkt mit der Turbinenwelle 24 verbunden und dreht sich in genau der gleichen Weise. Dadurch wird ermöglicht, daß der Entwirbler 36 die Drehgeschwindigkeit der Kühlluft senkt, da er die Luft in die Öffnungen 32 richtet.

Weiterhin können, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, die Durchgänge 38 des Entwirblers 36 eine Querschnittsfläche haben, die sich vom Eingang 40 zum Ausgang 42 erweitert. Diese kontinuierlich expandierenden Durchgänge 38 wirken als Diffusor und wandeln dadurch einen Teil des Staudruckes der Luft in statischen Druck um. Dabei ist wieder zu betonen, daß die Kühlluft in einem Hochdruckbereich der Turbine geleitet wird und daß es sehr wünschenswert ist, den hohen Druck der Kühlluft an dem Punkt, wo sie in die Wellenöffnungen 32 eintritt, zu erhalten. Daher ist es bei dem in Fig. 1 dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel des Entwirblers 36 höchst wünschenswert, die internen Durchgänge 38 zu erweitern und ihnen eine Diffusionsfunktion zu geben.

Es wird im folgenden auf Fig. 4 Bezug genommen, in der die Düse 34, der Entwirbler 36 und die Wellenöffnungen 32 in einer Weise dargestellt sind, daß die Richtwirkungen der Düse 34 und des Entwirblers 36 auf den Kühlluftstrom einfach zu erkennen sind. Der Strömungsweg des Kühlmittels ist dabei durch Pfeile angedeutet. Im Verlaufe dieses Strömungsweges sind die Düsen 34 im wesentlichen in einer Strömungsreihe mit den Eingängen 40 des Entwirblers 36 ausgerichtet, und dessen Ausgänge 42 sind in ähnlicher Weise mit den Wellenöffnungen 32 ausgerichtet. Dadurch wird eine im wesentlichen aerodynamische Strömungsbahn für die Kühlluft gebildet.

Wie bereits festgestellt, muß die Kühlluft aus einer Quelle relativ hohen Luftdruckes im Triebwerk entnommen werden. Eine ideale Stelle ist der Abschnitt 25, der die Wand der Brennkammer umgibt, die gerade stromabwärts vom Kompressorausgang liegt. Diese Luft hat einen sehr hohen Druck und da sie sich gerade stromaufwärts vom Turbinenabschnitt 18 befindet, wird die Einleitung in die Turbinenwelle 24 ermöglicht. Der erste Schritt beim Ablenken der Luft in den Turbinenabschnitt 18 ist die Beschleunigung der Luft in Drehrichtung der Turbine. Wie oben beschrieben, wird dies mittels der Düse 34 erreicht. Es können die verschiedensten Düsen zum Beschleunigen der Luft verwendet werden, deren Arbeitsweise dem Fachmann bekannt ist. Der Grund der Beschleunigung der Kühlluft kann durch Änderung des Düsenaufbaues variiert werden.

Nach dem Durchströmen der Düsenausgänge 44 wird die Luft in die Eingänge 40 des Entwicklers 36 geleitet, der mehrere Leitschaufeln 37 aufweist, die die Durchgänge 38 zum Umlenken des Luftstromes aus der tangentialen Richtung in eine bezüglich der Mittellinien der Durchgänge 32 mehr parallele Richtung bilden.

Die Schaufeln 37 erreichen dies durch Umlenken des Luftstromes radial nach innen und durch gleichzeitiges Umsetzen eines Teils der Tangentialgeschwindigkeit des Luftstromes in eine Geschwindigkeit, die an die Dehgeschwindigkeit der Turbinenwelle 24 angepaßt ist.

Wenn die Luft eine Tangentialgeschwindigkeit aufweist, die die Drehgeschwindigkeit der Turbinenwelle wesentlich überschreitet, so wird die Luft aufgrund der Konstruktion der Entwicklerdurchgänge 38 zusätzlich einer Diffusorwirkung unterworfen, wodurch ein Teil des Einströmungsstaudruckes in statischen Druck umgewandelt und der Eingangsverlust an der Welle reduziert wird. Dieser verminderte Eingangsverlust und die Druckerhöhung durch die Diffusorwirkung ermöglichen ein höheres Druckverhältnis und eine höhere Beschleunigung in der Düse 34. Das höhere Druckverhältnis in der Düse 34 bewirkt eine niedrigere Temperatur am Düsenausgang 44. Die verringerte Kühltemperatur ermöglicht eine Verminderung des Kühlstromes, wodurch der Turbinenwirkungsgrad verbessert wird. Die Reduzierung der Kühllufttemperatur wird durch Umwandlung eines Teils der Energie der der Turbine zugeführten Luft erreicht, wodurch der Wirkungsgrad weiter erhöht wird.

Claims (1)

1. Kühlluft-Leiteinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, das einen Verdichter, eine Brennkammer und einen umlaufenden Turbinenabschnitt aufweist, mit einer Kühlluftversorgung zur Lieferung von Kühlluft in den umlaufenden Turbinenabschnitt durch Öffnungen in dessen Welle und einer Düse zum Richten der Kühlluft radial nach innen und im wesentlichen senkrecht zur Triebwerks-Mittelachse, dadurch gekennzeichnet, daß
   die Düse (34) eine konvergente Düse ist zum Vergrößern der Geschwindigkeit der Kühlluft, die die Düse (34) in einer Richtung im wesentlichen tangential zur Turbinenwelle (24) und in deren Drehrichtung verläßt,
   ein Entwickler (36) direkt mit der Turbinenwelle (24) verbunden ist und mehrere Leitschaufeln (37) aufweist, die Durchgänge (38) bilden, die von der tangentialen Richtung in eine Richtung senkrecht zur Triebwerks-Mittelachse gekrümmt sind, und die

   • - Eingangsabschnitte (40) strömungsmäßig in Reihe mit der die Düse (34) verlassenden Luft zum Einleiten einer Umlenkung der tangentialen Luftströmung in eine radial nach innen gerichtete Luftströmung,
   • - Zwischenabschnitte mit einer fortschreitend zunehmenden Querschnittsfläche für ein fortgesetztes Umlenken der Kühlluftströmung radial nach innen und
   • - Ausgangsabschnitte (42) aufweisen, die strömungsmäßig in Reihe mit den Öffnungen (32) in der Turbinenwelle (24) ausgerichtet sind.