DE3638961A1 - Gasturbinentriebwerk mit einem hochdruckverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenstrahltriebwerk, mit einem Hochdruckverdichter, dessen Rotor im wesent­ lichen als Hohlwelle ausgeführt ist, wobei die Hohlwelle hinter der letzten Laufradscheibe des Hochdruckverdichters einen konisch sich verjüngenden Abschnitt aufweist und mit einer Anordnung zur Kühlung des Hochdruckverdichters durch Luftzufuhr vom Niederdruckverdichter.

Aus dem Prospekt CFM 2074/11/84 der Firma SNECMA-SCN, welcher einen Axialschnitt eines Gasturbinenstrahltrieb­ werks zeigt, sind Hochdruckverdichter dieser Art bekannt, wobei die Kühlung des Verdichters durch einen vom Nieder­ druckverdichter abgezweigten und im Spalt zwischen den Hochdruckverdichterscheiben und der Niederdruckverdichter- Turbinenwelle entlangführenden Luftstrom erfolgt, welcher stromabwärts eine Turbinenlagerkammer kühlt. Dabei ist die Kühlwirkung jedoch für die radial äußeren Bereiche der Verdichterscheiben gering. Dadurch kommt es insbeson­ dere in den Scheiben der letzten Verdichterstufen moderner hochverdichtender Triebwerke infolge eines großen radialen Temperaturgradienten zu großen Bauteilspannungen, die dadurch entstehen, daß die Scheiben außen von dem warmen Verdichterhauptstrom und innen von der Kühlluft umspült werden.

Durch die hierdurch und durch Fliehkräfte bedingten Span­ nungen werden die Verdichterscheiben stark beansprucht, weshalb man die letzten Stufen des Hochdruckverdichters aus hochwarmfesten Nickellegierungen herstellt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß wegen der großen Dichte der Nickellegierungen der Verdichter hohes Gewicht hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaf­ fen, welche die Kühlung auch der äußeren Bereiche der thermisch hochbeanspruchten Verdichterbauteile ermöglicht, so daß deren thermische Spannungen vermindert werden und die Bauteile aus Leichtmetallwerkstoffen hergestellt wer­ den können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der folgenden Merkmale erreicht:

• a) Ein konisches Hitzeschild ist radial außerhalb des konisch sich verjüngenden Abschnitts der Hohlwelle an der Rotorscheibe der letzten Verdichterstufe und strom­ abwärts an der Hohlwelle befestigt;
• b) die Hohlwelle ist nahe der stromabwärts liegenden Hitze­ schildbefestigung mit über dem Umfang verteilten radia­ len Bohrungen versehen, durch welche die vom Nieder­ druckverdichter kommende Kühlluft in den ringförmigen Hohlraum einströmen kann;
• c) die Rotorscheibe der letzten Hochdruckverdichterstufe ist nahe dem äußeren Rand mit axialen Bohrungen ver­ sehen, welche von der im Hohlraum befindlichen Kühlluft durchströmt werden;
• d) das ringförmige Hitzeschild überdeckt den gesamten Schaufelfußbereich der hintersten Verdichterschaufeln, erstreckt sich radial nach außen bis zu den Füßen der Schaufeln.

Der Vorteil des Hitzeschildes besteht darin, daß die letz­ te Verdichterscheibe und die konische Hohlwelle von einer zu starken Aufheizung durch die vorbeiströmenden heißen Verdichtergase bewahrt werden. Zur Kühlung dieser Bau­ teile wird ferner ein zirkulierender Kühlluftstrom durch den ringförmigen Hohlraum zwischen Hohlwelle und Hitze­ schild geführt, welcher aufgrund des durch die Radiendif­ ferenz zwischen Zu- und Austrittsöffnungen hervorgerufe­ nen Fliehkraftfeldes nach radial außen und anschließend in den Raum zwischen den zwei letzten Verdichterscheiben gefördert wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung wäre, das Hitzeschild nach innen gekrümmt auszuführen, so daß eine Abstützung des Hitzeschildes gegenüber der Fliehkraftbeanspruchung möglich ist. Da im ringförmigen Hohlraum ein geringerer Druck herrscht als radial außerhalb des Hitzeschildes, wirkt diese Druckdifferenz zusätzlich der Fliehkraftbean­ spruchung entgegen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß auf der äußeren Seite des konisch geform­ ten Teils der Hohlwelle mehrere in axialer Richtung ver­ laufende, über dem Umfang verteilte schaufelartige Rippen angebracht sind. Dadurch wird die Zirkulation der Kühl­ luft verstärkt. Außerdem erhöht sich die Kühlwirkung durch die vergrößerte Oberfläche der Hohlwelle.

Zweckmäßigerweise sind die Rippen in Umfangsrichtung ge­ krümmt, um die Förderwirkung zu erhöhen, so daß die Luft mit ausreichendem Überdruck den Hohlraum verlassen kann. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß nur ein nahe der Rotorscheibe befindlicher Abschitt der Hohlwelle vom ringförmigen Hitzeschild umgeben ist. Hier­ durch ließe sich der Temperaturgradient über dieser Rotor­ scheibe vermindern und das Hitzeschild könnte mit einer Gleitfläche für eine am Brennkammergehäuse befestigte Umfangsdichtung versehen werden. So würde verhindert, daß heiße Gase in den Hohlraum zwischen Hohlwelle und Brenn­ kammergehäuse eindringen und in diesem Bereich die Tempe­ ratur unzulässig ansteigt.

Am Beispiel der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungs­ formen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Axialschnitt des hinteren Hochdruckverdichter­ teils und der zur Hochdruckturbine führenden Hohlwelle mit dem erfindungsmäßigen Hitzeschild,

Fig. 2 die gleiche Anordnung mit erfindungsmäßiger Rip­ pen,

Fig. 3 eine schematische axiale Ansicht der konischen Hohlwelle mit Rippen,

Fig. 4 die gleiche Anordnung mit dem auf den vorderen Hohlwellenbereich beschränkten Hitzeschild.

Gemäß Fig. 1 ist an der letzten Rotorscheibe 3 des Hoch­ druckverdichters 2 eine zunächst konisch sich verjün­ gende, dann zylindrisch verlaufende Hohlwelle 1 befestigt, welche stromabwärts mit einer nicht dargestellten Hoch­ druckturbine gekoppelt ist. Hinter den Verdichterschau­ feln 8 der hintersten Rotorscheibe 3 ist ein zu einer nicht dargestellten Brennkammer gehöriges Innengehäuse 11 angeordnet. Radial innen befindet sich eine Welle 16, die einen nicht dargestellten Niederdruckverdichter mit einer ebenfalls nicht dargestellten Niederdruckturbine koppelt. Ein Hitzeschild 4 ist am radial äußeren Rand der Rotor­ scheibe 3 so befestigt, daß es bis an den Fußbereich der Verdichterschaufeln 8 heranreicht und auf diese Weise die Rotorscheibe 3 von hinten gänzlich gegenüber dem vorbei­ fließenden Heißgasstrom des Hochdruckverdichters 2 ab­ schirmt. Stromabwärts ist das Hitzeschild 4 am zylindri­ schen Teil der Hohlwelle 1 befestigt. In der Nähe der hinteren Hitzeschildbefestigung 13 ist die Hohlwelle 1 mit über den Umfang verteilten Bohrungen 5 versehen, die dem Eintritt der Kühlluft in den ringförmigen Hohlraum 6 dienen. Die hinterste Rotorscheibe 3 ist nahe dem äußeren Rand mit über den Umfang verteilten axialen Bohrungen 7 versehen, welche den Hohlraum 6 mit dem Raum zwischen den letzten zwei Rotorscheiben 3, 14 verbinden.

Wie anhand Fig. 2 verdeutlicht, kann der konisch sich verjüngende Teil der Hohlwelle 1 außen mit schaufelartigen Rippen 9 versehen sein. Dabei können, wie in Fig. 3 veran­ schaulicht, die Rippen 9 in Umfangsrichtung gekrümmt sein.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Hitze­ schild 4 nur den vorderen Teil der Hohlwelle 1 und den äußeren Teil der Rotorscheibe 3 abschirmt. Dabei ist auf dem Hitzeschild 4 eine Gleitfläche 10 für eine am Innen­ gehäuse 11 befestigte Umfangsdichtung 12 vorgesehen.

Die Hohlwelle 1 ist mit über dem Umfang verteilten Boh­ rungen 5 a versehen, die den zwischen Hohlwelle 1 und Hitze­ schild 4 liegenden ringförmigen Hohlraum 6 mit dem inner­ halb der Hohlwelle 1 liegenden Raum verbindet. Über axiale Bohrungen 7 ist der Hohlraum 6 mit dem Raum zwischen den Rotorscheiben 3, 14 verbunden.

Claims (6)

1. Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Hochdruckverdichter, dessen Rotor im wesentlichen als Hohlwelle ausgeführt ist, wobei die Hohlwelle hinter der letzten Laufradscheibe des Hochdruckverdichters einen konisch sich verjüngenden Abschnitt aufweist, und mit einer Anordnung zur Kühlung des Hochdruckverdichters durch Luftzufuhr vom Niederdruck­ verdichter, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Ein konisches Hitzeschild (4) ist radial außerhalb des konisch sich verjüngenden Abschnitts der Hohlwelle (1) an der Rotorscheibe (3) der letzten Verdichterstufe und stromabwärts an der Hohlwelle (1) befestigt;
• b) die Hohlwelle (1) ist nahe der stromabwärts liegenden Hitzeschildbefestigung (13) mit über dem Umfang ver­ teilten radialen Bohrungen (5) versehen, durch welche die vom Niederdruckverdichter kommende Kühlluft in den ringförmigen Hohlraum (6) einströmen kann;
• c) die Rotorscheibe (3) der letzten Hochdruckverdichter­ stufe ist nahe dem äußeren Rand mit axialen Bohrungen (7) versehen, welche von der im Hohlraum (6) befind­ lichen Kühlluft durchströmt werden;
• d) das ringförmige Hitzeschild (4) überdeckt den gesamten Schaufelfußbereich (15) der hintersten Verdichter­ schaufeln (8), erstreckt sich radial nach außen bis zu den Füßen der Schaufeln (8).

2. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Hitzeschild (4) nach innen gekrümmt ist.

3. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der äußeren Seite des konisch geformten Teils der Hohlwelle (1) mehrere in axialer Rich­ tung verlaufende, über den Umfang verteilte schaufelartige Rippen (9) angebracht sind.

4. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rippen (9) in Umfangsrichtung ge­ krümmt sind.

5. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein nahe der Rotorscheibe (3) befindlicher Abschnitt der Hohlwelle (1) vom ringförmigen Hitzeschild (4) umgeben ist.

6. Gasturbinenstrahltriebwerk nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Hitzeschild (4) mit einer Gleit­ fläche (10) versehen ist, auf der eine am Innengehäuse (11) befestigte Umfangsdichtung (12) läuft.