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