DE3138856C1 - Rotorkuehleinrichtung fuer Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorkühleinrichtung für Gasturbinentriebwerke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Gasturbinentriebwerken wird üblicherweise verdichtete Luft aus einem oder mehreren Verdichtern abgezweigt, um die verschiedenen feststehenden und umlaufenden Bauteile zu kühlen.

Wenn diese Luft zur Kühlung von mit hoher Drehzahl umlaufenden Bauteilen verwendet wird, kann die Reibung zwischen der Luft und den umlaufenden Bauteilen eine beträchtliche Erwärmung dieser Luft verursachen.

Aus der GB-PS 12 17 807 ist es bekannt, daß sich diese Reibungserwärmung der Kühlluft dadurch verringern läßt, daß der Kühlluft ein Drall im Drehsinn des betreffenden umlaufenden Bauteils mitgeteilt wird.

Bei vielen Gasturbinentriebwerkskonstruktionen muß die drallbehaftete Kühlluft durch enge Durchtrittskanäle hindurchpassieren, die zwischen der feststehenden Konstruktion und dem umlaufenden Bauteil gebildet sind, um eine Rezirkulation der Kühlluft in Triebwerksbereiche, in denen eine Kühlluftströmung unerwünscht ist, zu verhindern oder zu verringern.

Es bringt natürlich zahlreiche Vorteile, wenn man die Kühlluft so kühl wie möglich halten und reibungsbedingte Erwärmung vermeiden kann. Beispielsweise lassen sich dadurch niedrigere Umgebungstemperaturen der Bauteile erreichen, so daß sich entweder die verwendeten Werkstoffe mit hinsichtlich ihrer Temperaturfestigkeit größerem Sicherheitsbereich oder billigere, weniger temperaturbeständige Werkstoffe einsetzen lassen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die viskositätsbedingten Widerstandswirkungen auf die drallbehaftete Kühlluft an feststehenden Konstruktionen und Wänden den Kühlluftdrall derart verlangsamen kann, daß die Drallgeschwindigkeit nicht mehr der Winkelgeschwindigkeit der umlaufenden Bauteile entspricht und daher eine reibungsbedingte Erwärmung dieser Kühlluft eintritt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Reibungserwärmung der drallbehafteten Kühlluft durch eine Verringerung des viskositätsbedingten Widerstandes an feststehenden Konstruktionen zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Zur Erzeugung der Luftströmung durch die Luftdurchtrittsöffnungen der feststehenden Wand des Kühlluftringkanals kann Luft unter einem gegenüber dem Kühlluftdruck höheren Druck zu der vom Kühlluftringkanal abgewandten Wandseite der feststehenden Wand zugeleitet werden, so daß diese zugeleitete Luft durch die Luftdurchtrittsöffnungen hindurch in die drallbehaftete Kühlluftströmung eintritt.

Alternativ kann dann die Luftströmung durch die Luftdurchtrittsöffnungen dadurch erzeugt werden, daß auf der vom Kühlluftringkanal abgewandten Wandseite der feststehenden Wand ein Bereich niedrigeren Druckes als dem Kühlluftdruck bereitgestellt wird, so daß ein Teil der drallbehafteten Kühlluftströmung durch die Luftdurchtrittsöffnungen in den Bereich niedrigeren Druckes abströmt.

Die feststehende Wand des Kühlluftringkanals kann als luftdurchlässige Wand aus Metall oder keramischem Werkstoff,.beispielsweise aus perforiertem oder gelochtem Blech oder aus Metallgewebe oder Metallgeflecht oder aus Keramikgewebe hergestellt sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Gasturbinentriebwerk mit einer Rotorkühleinrichtung nach der Erfindung, und

Fig.2 einen Ausschnitt des Triebwerks mit der Rotorkühleinrichtung mehr im einzelnen.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinenflugzeugtriebwerk 10 mit einem einstufigen, als Niederdruckverdichter wirkenden Gebläse 11, das in einem Gebläsekanal 12 angeordnet ist, und einem Basistriebwerk, das in strömungstechnischer Reihenanordnung einen mehrstufigen Hochdruckverdichter 13, eine Brenneinrichtung 14, eine zweistufige Hochdruckturbine 15, eine mehrstufige Niederdruckturbine 16 und ein Strahlrohr 17 aufweist.

Die Hochdruckturbine 15 ist durch eine Welle 17 mit dem Hochdruckverdichter 13 verbunden. Diese Hochdruckwelle 17 ist mit ihrem hinteren Ende in einem Radiallager 18 und am vorderen Ende des Hochdruckverdichters 13 in einem Drucklager 19 gelagert. Die die Niederdruckturbine 16 mit dem Gebläse 11 verbindende

Niederdruckwelle 20 verläuft durch die Bohrung der hohlen Hochdruckwelle 17 hindurch.

Die Radscheibe der ersten Stufe der Hochdruckturbine 15 weist auf ihrer stromaufwärtigen Stirnseite Bauteile 21 auf, die mit Gegenflächen einer benachbarten Dichtungsplatte 22 im Sinne der Bildung von Luftdichtungen zusammenwirken. Die Dichtungsplatte 22 ist an einem segmentierten Eintrittsleitrad 23 angeordnet, das im Außengehäuse 24 der Turbine gehaltert ist. Die inneren Plattformen 25 des Eintrittsleitrads 23 tragen die innere Wand einer ringförmigen Brennkammer 14, deren äußere Wand vom äußeren Brennkammergehäuse 26 getragen wird. Die inneren Plattformen 25 haben zwei radial einwärts ragende Flansche, wobei an dem einen Flansch 24 eine feststehende Wand 28 befestigt ist, die zur gegenseitigen Trennung zweier Kühlluftkanäle dient.

An der Wand 28 ist das innere Brennkammergehäuse 29 angeschraubt. Dieses innere Brennkammergehäuse bildet die innere Begrenzung der Brenneinrichtung 14 und wird stromaufseitig von der Austrittsleit- und Diffusoreinrichtung 30 des Hochdruckverdichters 13 getragen.

Die Dichtungsplatte 22 ist an ihrem Außenumfang mit einer Nut versehen, in welche der andere Flansch 31 der inneren Plattformen 25 des Leitrads 23 eingreift. Weiter weist die Dichtungsplatte 22 zwei Nuten auf, in welche jeweils eine dünne Trennwand 32 bzw. 33 eingreift. Diese Trennwände 32 und 33 ragen von der Radialebene der Dichtungsplatte 22 aus nach vorne und sind mittels Schrauben 34 und Muttern an der feststehenden Wand 28 angeschraubt. Eine Abdeckplatte 35 überdeckt die stromaufwärtige Stirnseite der Radscheibe der ersten Hochdruckturbinenstufe.

Ein Teil der zur Brenneinrichtung 14 geförderten Hochdruckluft wird am stromabwärtigen Ende des Hochdruckverdichters 13 abgezweigt und durch vier voneinander getrennte Strömungswege weitergeleitet. Einer dieser Strömungswege verläuft über die Außenseite der äußeren Brennkammerwand in die Leitschaufein und zu Kühlluftaustrittsbohrungen in der Schaufelvorderkante. Ein zweiter Strömungsweg verläuft über die Außenseite der inneren Brennkammerwand zu den Leitschaufeln 36 und zu in deren Hinterkante gebildeten Austrittsbohrungen.

Der dritte Strömungsweg verläuft zwischen den Wänden 28, 29,32 und 33 zu in der Dichtungsplatte 22 gebildeten Düsen, aus denen die Kühlluft zur Kühlung der Laufschaufeln in das Laufrad ^übertritt und außerdem zur Kühlung der stromaufwärtigen Stirnseite des Laufrads der ersten Hochdruckturbinenstufe dient.

Der vierte Strömungsweg enthält Dralldüsen 38, um der Kühlluftströmung einen Drall im Rotordrehsinn des Hochdruckverdichters 13 mitzuteilen. Die auf diese Weise drallbehaftete Kühlluftströmung strömt zwischen einer feststehenden Wand 39, die an der Wand 28 angeschraubt und am Dralldüsenkranz 38 befestigt ist, und der umlaufenden Hochdruckwelle 17 hindurch, um die Welle 17 zu kühlen. Während die Kühlluft radial einwärts strömt, steigert sich ihre Strömungsgeschwindigkeit, während ihr statischer Druck abnimmt. Die Kühlluft gelangt dann durch große Durchtrittsöffnungen 40 in einen Diffusorkanal 41, der durch zwei konische Wände begrenzt ist, die zusammen einen ringförmigen Diffusor mit radial einwärts weisendem Einlaß und radial auswärts weisendem Auslaß bilden. Eine Bürstendichtung verhindert eine Umgehung des Diffusors 41 durch die Kühlluft. Die aus dem Diffusorkanal 41 austretende Luft gelangt durch radiale Bohrungen im Flansch der Wand 33 zwischen den Schrauben 34 hindurch und tritt durch Düsen 43 in der Dichtungsplatte 22 in einen zwischen den Luftdichtungen befindlichen Bereich aus. Ein Teil der Luft strömt durch Kanäle im Rand der Radscheibe der ersten Hochdruckturbinenstufe zwischen den Schaufelfußen hindurch und tritt durch Düsen 44 an der stromabwärtigen Stirnseite der Radscheibe aus. Ein anderer Teil dient zur Unterstützung der Laufschaufelkühlung. Sodann wird die Luft zur Druckbeaufschlagung der Radscheibenranddichtungen 45 und 46 verwendet.

Gemäß derErfindung sind die feststehende Wand 39 und die Abdeckplatte 35 jeweils mit Durchtrittsöffnungen 47 bzw. 48 versehen, die In Richtung des Dralles der drallbehafteten Luftströmung der Welle 17 und der Wand 39 bzw. zwischen der Radscheibe der ersten Hochdruckturbinenstufe und der Abdeckplatte orientiert sind. Auf der von der drallbehafteten Luftströmung abgewandten Seite der Wand 39 bzw. der Abdeckplatte 35 befindliche Druckluft strömt durch die Durchtrittsöffnungen 47 bzw. 48 hindurch und erzeugt eine Strömung der Grenzschicht zwischen der Wand 39 bzw. der Abdeckplatte 35 und der drallbehafteten Kühlluftströmung im Drehsinn des Dralles, wodurch der viskositätsbedingte Widerstand der drallbehafteten Kühlluftströmung herabgesetzt wird.

Die Durchtrittsöffnungen 47 bzw. 48 können durch in der Wand 39 bzw. der Abdeckplatte 35 hergestellte Bohrungen oder Schlitze gebildet sein, oder die Wand 39 bzw. die Abdeckplatte 35 kann aus perforiertem oder gelochtem Metallblech hergestellt sein. Alternativ dazu kann die Wand 39 bzw. die Abdeckplatte 35 als luftdurchlässige Wand, beispielsweise aus Metallgewebe, Metallgeflecht oder aus keramischen Werkstoffen, hergestellt sein.

Die Erfindung kann auch an anderer Stelle im Triebwerk Anwendung finden. Beispielsweise kann die. feststehende Konstruktion 46 neben der stromabwärtigen Stirnseite der Radscheibe der zweiten Hochdruckturbinenstufe luftdurchlässig ausgebildet und auf ihrer von dieser Radscheibe abgewandten Seite mit Druckluft beaufschlagt sein. -

Ein ähnlicher Effekt wie beim Hindurchblasen von Luft durch die betreffende feststehende Wand kann auch dadurch erzielt werden, daß der Druck auf der von der drallbehafteten Kühlluftströmung abgewandten Seite dieser Wand reduziert und dadurch ein Teil der Kühlluftströmung veranlaßt wird, durch die Durchtrittsöffnungen auszutreten, so daß wiederum die Grenzschicht zu einer Strömungsbewegung im gleichen Drehsinn wie der Drall der Kühlluft veranlaßt wird. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß die von der drallbehafteten Kühlluftströmung abgewandte Wandseite einer anderen Kühlluftströmung ausgesetzt wird, die unter einem niedrigeren statischen Druck als die drallbehaftete Kühlluftströmung steht.

Wie schon erwähnt, sind die Durchtrittsöffnungen 47 und 48 so ausgebildet, daß sie die hindurchtretende Luft in der Richtung des Dralles der Kühlluftströmung führen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Durchtrittsöffnungen 47 und 48 so gestanzt werden, daß ihre Begrenzungen Leitflächen bilden, welche eine Strömung der Luft in der gewünschten Richtung herbeiführen. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß es nicht unbedingt erforderlich ist, die hindurchtretende Luft auf diese Weise zu führen. Es kann auch ausreichen, die Luft in zur Wandfläche etwa senkrechter Richtung

durch die Wand hindurchtreten zu lassen und dadurch eine Art Luftschmierung der Wandfläche herbeizuführen, welche eine Bewegung der Luftgrenzschicht an der Wandfläche in der Richtung des Dralles der Kühlluftströmung begünstigt. Dies wäre bei Verwendung luftdurchlässiger Wände der oben schon erwähnten Art der Fall.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Rotorkühleinrichtung für Gasturbinentriebwerke, mit Mitteln zum Abzweigen einer Kühlluftströmung aus dem Förderstrom des Triebwerksverdichters und zum Erzeugen eines Dralles in dieser Kühlluftströmung mit bezüglich dem zu kühlenden umlaufenden Bauteil gleichem Drehsinn, und.mit einem zwischen dem umlaufenden Bauteil und einer benachbarten feststehenden Wand gebildeten, von der drallbehafteten Kühlluftströmung durchströmten Kühlluftkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Wand (35, 39) mit darin gebildeten Luftdurchtrittsöffnungen (47, 48) versehen ist und eine Luftströmung durch diese Durchtrittsöffnungen hindurch erzeugt wird, welche die Grenzschicht zwischen der drallbehafteten Kühlluftströmung und der Wand in Drallrichtung relativ zur Wand in Bewegung versetzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Strömungskanal abgewandte Seite der feststehenden Wand (35,39) mit gegenüber dem Druck der drallbehafteten Kühlluftströmung höherem Luftdruck beaufschlägt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Strömungskanal abgewandte Seite der feststehenden Wand (35,39) mit gegenüber dem Druck der drallbehafteten Kühlluftströmung niedrigerem Luftdruck beaufschlagt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Wand (35, 39) aus luftdurchlässigem Werkstoff hergestellt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Wand (35,39) aus perforiertem oder gelochtem Blech- bzw. Plattenmaterial hergestellt ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Wand (35, 39) aus Gewebe- oder Geflechtmaterial hergestellt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Wand (35,39) aus keramischem Werkstoff besteht.