DE3638961A1 - Gasturbinentriebwerk mit einem hochdruckverdichter - Google Patents
Gasturbinentriebwerk mit einem hochdruckverdichterInfo
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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.
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