DE4018316C2 - Vorrichtung zum Zuführen von Hochdruck-Kühlluft zu den Laufschaufeln einer Turbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zuführen von Hochdruck-Kühlluft zu den Laufschaufeln einer Turbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der GB 2 018 362 A bekannt.

Der Luftstrom, der aus der Hochdruckstufe des Verdichters einer Strömungsmaschine, zum Beispiel eines Gasturbinen­ triebwerks, abgegeben wird, wird durch einen Vordiffusor dem Verbrennungssystem des Triebwerks zugeleitet. Ein Teil dieses Hochdruckluftstroms tritt in die Brennkammer des Triebwerks ein, und ein weiterer Teil dieses Stroms wird durch den Vordiffusor in einen ringförmigen Brennkammerin­ nenkanal geleitet, der durch das Brennkammerinnengehäuse und das innere Flammrohr gebildet wird. Dieser Teil des Hochdruckluftstroms, der durch den Brennkammerinnenkanal strömt, wird zum Kühlen der Brennkammer benutzt, um Verdün­ nungsluft in die Brennkammer stromabwärts von deren Brenn­ stoffeinspritzvorrichtung zu leiten und Kühlluft für die Laufschaufeln der Turbine des Triebwerks zur Verfügung zu stellen.

In vielen Gasturbinentriebwerkskonstruktionen sind Abzapf­ öffnungen in dem hinteren Teil des Brennkammerinnenkanals gebildet, das heißt im wesentlichen stromabwärts von dem Eingang des Brennkammerinnenkanals, und diese stromabwärtigen Ab­ zapföffnungen bilden einen Weg für den Strom von Hochdruck­ luft zu den Laufschaufeln der Turbine, um dieselben zu küh­ len. Es ist beobachtet worden, daß Druckverluste innerhalb der Brennkammerinnenkanäle, die stromabwärtige Abzapföffnungen ha­ ben, aufgrund der Bildung eines beträchtlichen Ausmaßes an Turbulenz innerhalb des Brennkammerinnenkanals nahe des Eingangs oder Einlasses desselben erzeugt werden. Es wird angenommen, daß der Hochdruckluftstrom aus dem Verdichter in den Einlaß des Brennkammerinnenkanals eintritt und in einen Strom relativ hoher Geschwindigkeit längs des inneren Flammrohres, welches die äußere Wand des Brennkammerinnen­ kanals bildet, und in einen umlaufenden, turbulenten Luft­ strom längs des Brennkammerinnengehäuses, das die innere Wand des Brennkammerinnenkanals bildet, aufgeteilt wird. Diese Aufteilung oder Trennung des Luftstroms und die Er­ zeugung eines beträchtlichen Bereiches turbulenter Strömung hindert den Luftstrom daran, die gesamte Querschnittsabmes­ sung zwischen der inneren und der äußeren Wand des Brenn­ kammerinnenkanals zu überspannen, bis sich der Luftstrom relativ weit stromabwärts von dem Eingang des Brennkamme­ rinnenkanals bewegt hat. Zu der Zeit, zu der der Luftstrom sich "aufgefüllt" oder zwischen der inneren und der äußeren Wand des Brennkammerinnenkanals ausgedehnt hat, sind in diesem Hochdruckstrom Druckverluste erzeugt worden. Infol­ gedessen sind die Diffusionsluft aus dem Brennkammerinnen­ kanal, die in die Brennkammer strömt, und die Kühlluft, die aus den stromabwärtigen Abzapföffnungen in dem Brennkammerinnenka­ nal zu den Turbinenlaufschaufeln strömt, beide auf Druck­ werten, die niedriger als erwünscht sind und den spezifi­ schen Brennstoffverbrauch des Gasturbinentriebwerks nach­ teilig beeinflussen können.

Es ist zwar aus der eingangs genannten GB 2 018 362 A bekannt, Abzapföffnungen stromaufwärts in dem Brennkammerinnenkanal anzuordnen, aber dort werden in den Brennkammerinnenkanal hineinragende Verlängerungs­ stücke benutzt, um die Strömung durch die Abzapföffnungen zu leiten. Diese Verlängerungsstücke behindern aber ihrerseits die Strömung und erzeugen Turbulenzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs geannten Art so auszugestalten, daß in dem Brennkammerinnenkanal die Turbulenzen und Druckverluste wesentlich reduziert sind, um Verdünnungsluft vergleichsweise hohen Druckes der Brennkam­ mer und Hochdruckkühlluft den Turbinenlaufschaufeln der Strömungsmaschine zuzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch wiedergegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich die Hochdruckluftströmung, die aus dem Verdichter und dem Vordiffusor in den Brennkammerinnenkanal abgegeben wird, wieder an die innere Wand des Brennkammerinnenkanals "anlegt", das heißt sich im wesentlichen über die gesamte Querschnittsabmessung oder -höhe des Brennkammerinnenkanals an einer vorderen Stelle längs desselben erstreckt. Dadurch wird die Größe des Bereiches von Turbulenz oder Wirbeln in­ nerhalb des Brennkammerinnenkanals wesentlich verringert, wodurch Druckverluste innerhalb des Brennkammerinnenkanals reduziert werden. In vorteilhafter Weise reduziert der vertikale Teil der L-förmigen Stufe jeder Abzapföffnung die Höhe oder Querabmessung des Brenn­ kammerinnenkanals in Richtung vorderhalb derselben, das heißt dieser Teil des Brennkammerinnenkanals stromaufwärts von den vorderen Abzapföffnungen ist in der Höhe oder Quer­ abmessung kleiner als der Teil des Brennkammerinnenkanals stromabwärts von oder hinter den vorderen Abzapföffnungen.

Diese Reduktion der Höhe oder Querabmessung des Brennkamme­ rinnenkanals stromaufwärts von den vorderen Abzapföffnungen tendiert hier auch dazu, den Hochdruckluftstrom zu veran­ lassen, sich schneller an die innere Wand des Brennkamme­ rinnenkanals anzulegen oder sich schneller zu derselben zu erstrecken und so Turbulenz und Druckverluste innerhalb des Brennkammerinnenkanals zu reduzieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Strömungsmaschine mit vorderen Ab­ zapföffnungen in dem Brennkammer­ innenkanal, und

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Teils des Brennkammerinnenkanals, die die Auswirkung auf die hin­ durchgehende Luftströmung durch die Plazierung der Abzapföffnungen am vorderen Ende desselben veran­ schaulicht.

In Fig. 1 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerks 10 gezeigt. Das Gasturbinentriebwerk 10 weist einen Verdichter 12, ein Verbren­ nungssystem 14 und eine Turbine 16 auf, welche den Verdich­ ter 12 antreibt. Außenluft, die in das Triebwerk 10 ein­ tritt, wird am Anfang durch die Drehung der Fanschaufeln verdichtet, die mit einem Fanrotor (nicht dargestellt) ver­ bunden sind, welcher eine Niederdruckluftströmung erzeugt, die in zwei Ströme aufgeteilt wird, und zwar in einen Man­ telstrom und in einen Grundtriebwerksstrom. Der Grundtrieb­ werksstrom wird in dem Verdichter 12 unter Druck gesetzt und anschließend in dem Verbrennungssystem 14 zusammen mit Brennstoff hoher Energie gezündet. Dieser Gasstrom hoher Energie strömt dann durch die Turbine 16, um den Verdichter 12 anzutreiben.

Der Verdichter 12 weist einen Rotor 18 auf, der eine Anzahl von Rotorstufen 20 hat, die eine Anzahl von einzelnen Lauf­ schaufeln 22 tragen. Der Verdichter 12 hat eine Gehäusekon­ struktion 24, die die äußeren Begrenzungen des Verdichter­ luftströmungsweges bildet, und enthält eine Konstruktion zum Befestigen einer Anzahl von Leitschaufeln 26, die in einzelnen Stufen zwischen jeder Stufe der Laufschaufeln 22 ausgerichtet sind.

Die Verdichtergehäusekonstruktion 24 bildet eine ringför­ mige Öffnung 28 unmittelbar stromaufwärts von einer der Zwischenstufen der Laufschaufeln 22 zum Abzapfen von Zwi­ schenstufenluft aus dem Inneren des Verdichters 12. Diese Zwischenstufenabzapfluft wird einem ringförmigen Sammelraum 30 zugeführt, der die Verdichtergehäusekonstruktion 24 um­ gibt. Eine ausführliche Beschreibung des ringförmigen Sam­ melraums 30 und der Verdichtergehäusekonstruktion 24 findet sich in der US-PS 35 97 106 der Anmelderin.

Unmittelbar stromabwärts von der letzten Stufe der Verdich­ terlaufschaufeln 22 ist ein Diffusor-Auslaßleitschaufelguß­ stück 32 vorgesehen, das eine Kaskade von Verdichterauslaß­ leitschaufeln 34 aufweist, um die Verdichteraustrittsströ­ mung einem Vordiffusor 36 zuzuführen, der eine innere und eine äußere Diffusorwand 38 bzw. 40 hat. Die innere und die äußere Diffusorwand 38, 40 bilden den stromabwärtigen Strö­ mungsteil des Diffusorgußstücks 32, das weiter insgesamt konisch geformte, abstehende Arme 42 und 44 aufweist. Der Arm 42 ist durch Schrauben 46 mit dem stromabwärtigen Ende der Verdichtergehäusekonstruktion 24 verbunden, und der Arm 44 ist durch Schrauben 48 mit dem Brennkammeraußengehäuse 50 verbunden, das Abstand von dem äußeren Flammrohr 53 hat, um einen äußeren Brennkammerkanal 52 zu bilden. Das Brenn­ kammeraußengehäuse 50 trägt einen Befestigungsblock 54 für eine Zündvorrichtung 56 des Verbrennungssystems 14 und au­ ßerdem einen Brennstoffeinspritzvorrichtungsblock 58, der durch eine Brennstoffleitung 60 mit der Brennstoffein­ spritzvorrichtung 62 des Verbrennungssystems 14 verbunden ist.

Gemäß dem unteren Teil von Fig. 1 weist das Diffusorguß­ stück 32 außerdem einen insgesamt konisch geformten Arm 64 auf, der durch Schrauben 66 an einem stationären Ummante­ lungsteil 68 einer Dichtung 70 befestigt ist. Dieser Arm 64 bildet einen Teil eines Brennkammerinnenkanals 72, der durch ein Brennkammerinnengehäuse oder eine innere Wand 74 und durch ein inneres Flammrohr oder eine äußere Wand 76 gebildet wird. Die innere Wand 74 ist durch die Schrauben 66 an ihrem vorderen Ende mit der stationären Ummantelung 68 und dem Arm 64 verbunden. Das hintere Ende der inneren Wand 74 ist durch den stationären Ummantelungsteil 77 einer Dichtung 78 gehaltert, welche an dem inneren Triebwerksge­ häuse 80 befestigt ist. Die äußere Wand 76 des Brennkammer­ innenkanals 72 ist mit einer Brennkammerverkleidung 82 an ihrem vorderen Ende verbunden und mittels Schrauben 84 an ihrem hinteren Ende an einem Tragarm 86 befestigt, der durch die innere Wand 74 des Brennkammerinnenkanals 72 ge­ haltert ist.

Ein Luftstrom relativ hohen Druckes wird von der Hochdruck­ stufe des Verdichters 12 über den Vordiffusor 36 abgegeben, wo er auf drei separate Strömungswege aufgeteilt wird. Ein Teil des Luftstroms tritt in die Brennkammer 88 ein, und der übrige Teil des Stroms wird in zwei Luftströme aufge­ teilt. Ein Luftstrom 92 tritt in den Brennkammerinnenkanal 72 ein, und der andere Luftstrom strömt durch den äußeren Brennkammerkanal 52.

Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 2 strömt der einen hohen Druck aufweisende Luftstrom 92, der in den Brennkammerinnenkanal 72 geleitet wird, durch eine Mündung oder einen Einlaß 94, welcher durch die Brennkammerverklei­ dung 82 und die innere Wand 38 des Vordiffusors 36 gebildet wird. Der Brennkammerinnenkanal 72 nach der Erfindung ist besonders so ausgelegt, daß ein glatter und relativ turbu­ lenzfreier Strömungsweg für den Hochdruckstrom 92 erzeugt wird, um die Ablösung dieses Luftstroms 92 zu reduzieren und so Druckverluste innerhalb des Brennkammerinnenkanals 72 zu minimieren. Das wird erfindungsgemäß durch das Vorse­ hen von mehreren gegenseitigen Umfangsabstand aufweisenden, vorderen Abzapföffnungen 96 erreicht, die in der inneren Wand 74 des Brennkammerinnenkanals 72 gebildet sind und von denen eine in Fig. 2 gezeigt ist. Eine ringförmige, L-för­ mige Stufe 98 ist in der inneren Wand 74 des Brennkammerin­ nenkanals 72 gebildet und hat eine sich vertikal erstrec­ kende Wand 100 und eine diese schneidende horizontale Wand 102. Die L-förmige Stufe 98 bildet den vorderen Rand jeder Abzapföffnung 96 und weist in Richtung nach hinten.

Der Hochdruckluftstrom 92, der durch den Brennkammerinnen­ kanal 72 strömt, ist in Fig. 2 schematisch als eine Reihe von Druck/Geschwindigkeit-Profilen 92a, 92b und 92c in auf­ einanderfolgenden stromabwärtigen Positionen innerhalb des Brennkammerinnenkanals 72 dargestellt. Der Hochdruckluft­ strom aus dem Verdichter 12 tritt am Anfang in den Brenn­ kammerinnenkanal 72 über dessen Einlaß 94 ein und bildet einen Luftstrom 92a, der in einem Bereich zwischen einer Teilungsstromlinie 104 und der äußeren Wand 76 des Brenn­ kammerinnenkanals 72 konzentriert ist. Diese Teilungsstrom­ linie 104 erstreckt sich von dem Einlaß 94 des Brennkamme­ rinnenkanals 72 zu dem hinteren Rand 105 der vorderen Ab­ zapföffnungen 96. Die Teilungsstromlinie 104 hat Abstand von einer Vermischungsgrenzlinie 106, die sich von dem Ein­ laß 94 des Brennkammerinnenkanals 72 zu einem Anlegepunkt 108 erstreckt, der an der inneren Wand 74 des Brennkamme­ rinnenkanals 72 zwischen den vorderen Abzapföffnungen 96 und seinem Einlaß 94 angeordnet ist. Der schraffierte Bereich 110 zwischen der Teilungsstromlinie 104 und der Vermi­ schungsgrenzlinie 106 repräsentiert denjenigen Teil des Luftstroms 92, der in die Abzapföffnungen 96 gesaugt und anschließend zu den Laufschaufeln 112 der Turbine 16 zur Kühlung geleitet wird (vgl. die Pfeile in Fig. 1). Ein wei­ terer Teil des Luftstroms 92, der in den Brenn­ kammerinnenkanal 72 eintritt, bildet einen Bereich 114 tur­ bulenter Luftströmung, der sich zwischen der Vermischungs­ grenzlinie 106 und der inneren Wand 74 des Brennkammerin­ nenkanals 72 am vorderen Ende desselben erstreckt.

Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der Plazierung der Abzapföffnungen 96, welche den Laufschaufeln 112 der Tur­ bine 16 Hochdruckluft zuführen, in einer vorderen Position in bezug auf den Einlaß 94 des Brennkammerinnenkanals 72. Die Auswirkung des Anordnens der Abzapföffnungen 96 in die­ ser Position besteht darin, daß die Größe des Niederdruck­ turbulenzbereiches 114 begrenzt wird und somit Druckverlu­ ste innerhalb des Brennkammerinnenkanals 72 reduziert wer­ den, indem der Hochdruckluftstrom 92 gezwungen wird, sich wieder an die innere Wand 74 des Brennkammerinnenkanals 72 an einem Anlegepunkt 108 anzulegen, der so nahe wie möglich bei dem Einlaß 94 des Brennkammerinnenkanals 72 ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 hat der Hochdruckluftstrom 92a an einer Stelle, die dem Einlaß 94 des Brennkammerinnenkanals 72 am nächsten ist, eine relativ hohe Geschwindigkeit, was durch die Länge der Pfeile 122 dargestellt ist, und einen reduzierten Druck aufgrund des Kontakts mit dem Turbulenz­ bereich 114. Zum Verringern der Druckverluste ist es wich­ tig, daß sich der Hochdruckluftstrom 92 vollständig zwi­ schen der inneren und der äußeren Wand 74, 76 des Brennkam­ merinnenkanals 72 in einer Entfernung stromabwärts von des­ sen Einlaß 94 erstreckt, die so kurz wie möglich ist.

Der innere Teil des Hochdruckstroms 92a ist in Kontakt mit dem Turbulenzbereich 114, legt sich dann aber wieder an die innere Wand 74 in dem Anlegepunkt 108 an und bildet einen Strom 92b mit verringerter Geschwindigkeit und erhöhtem Druck. Dieses Wiederanlegen des Hochdruckstroms 92b erfolgt in dem Anlegepunkt 108 wegen des Vorhandenseins der Abzapf­ öffnungen 96 an dem vorderen Ende des Brennkammerinnenka­ nals 72. Wenn die Abzapföffnungen 96 an dem hinteren Ende des Brennkammerinnenkanals 72 angeordnet wären, wie es bei anderen Strömungsmaschinenkonstruktionen der Fall ist, würde sich der Anlegepunkt 108 beträchtlich stromabwärts von der in Fig. 2 gezeigten Stelle befinden und einen viel größeren Turbulenzbereich 114 erzeugen und daher beträcht­ lich größere Druckverluste in dem Hochdruckstrom 92 verur­ sachen. Die Luftströmung geht weiter stromabwärts und bil­ det einen Strom 92c, der einen höheren Druck und eine nied­ rigere Geschwindigkeit als der Strom 92a oder der Strom 92b hat. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 nimmt die Geschwindig­ keit des Luftstroms ab und der Druck zu, wenn der Luftstrom gezwungen wird, sich an die innere Wand 74 des Brennkamme­ rinnenkanals 72 in dem Punkt 108 anzulegen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 tritt der Hochdruckstrom 92, der durch den Brennkammerinnenkanal 72 strömt, durch die Abzapföffnungen 96 aus und strömt durch eine Öffnung 124 in der Dichtung 78 zu den Laufschaufeln 112 der Turbine 16. Ein Teil des Stroms 92 tritt außerdem aus dem Brennkam­ merinnenkanal 72 über Verdünnungsöffnungen (nicht darge­ stellt) in der äußeren Wand 76 aus, um innerhalb der Brenn­ kammer 88 Verdünnungsluft zur Vereinigung mit dem durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung 62 gelieferten Brennstoff zur Verfügung zu stellen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Zuführen von Hochdruck-Kühlluft zu den Laufschaufeln einer Turbine (16) einer Strömungsmaschine, die einen Verdichter (12) und eine zwischen dem Verdichter (12) und der Turbine (16) angeordnete Brennkammer (88) aufweist, enthaltend:
eine innere Ringwand (74) und in radialem Abstand dazu eine äußere Ringwand (76), die einen radial innen an der Brennkammer (88) angrenzenden Brennkammerinnenkanal (72) bilden, dessen Einlaß (94) mit dem Auslaß des Verdichters (12) in Verbindung steht und von diesem einen Hochdruckluftstrom (92) empfängt,
mehrere Abzapföffnungen (96) in der inneren Ringwand (74) des Brennkammerinnenkanals (72), die an dem stromauf­ wärtigen Abschnitt der inneren Ringwand (74) auf ihrem Umfang im Abstand zueinander angeordnet sind und durch die wenigstens ein Teil der Luftströmung aus dem Brennkammer­ innenkanal (72) abzapfbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß an dem stromaufwärtigen Rand der Abzapföffnungen (96) eine Stufe (98) in der inneren Ringwand (74) derart ausgebildet ist, daß der Strömungsquerschnitt des Brennkammerinnenkanals (72) stromaufwärts der Stufe (98) kleiner ist als unmittelbar stromabwärts der Stufe (98), wobei sich im Betrieb stromab­ wärts des Einlasses (94) des Brennkammerinnenkanals (72) nahe der inneren Ringwand (74) ein Turbulenzgebiet (114) ausbildet und die Strömung stromaufwärts der Stufe (98) zum Anliegen an die Ringwand (74) gebracht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (98) L-förmig ist und eine radial verlaufende Wand (100) sowie eine damit verbundene, axial verlaufende Wand (102) aufweist.