DE2447006A1

DE2447006A1 - Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2447006A1
Application number: DE19742447006
Authority: DE
Inventors: Bryan Robert Pearce; Walter James Powell
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-10-05
Filing date: 1974-10-02
Publication date: 1975-04-10
Also published as: IT1021693B; GB1488481A; US3959966A; FR2246733A1; DE2447006C2; FR2246733B1; JPS50116810A

Description

PATBIfTiSW A IyT

. ing. R. MOLZEK A U O a B U U G

PHILIPPINE-WELSEK-sa'HASSB 14

TILIiroiic »1375

R«893

Augsburg, den 1. Oktober

Rolls-Royce (197D Limited_s Norfolk House_s St, James's Square,

London SWlY IiJS₈ England

Gas turbinentriebwerk

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammeranordnung _s die einen durch eine radial innere Kanalwandung und eine radial äußere Kanalwandung begrenzten ringförmigen Auslaßkanal aufweist, weiter mit einem Düsenschaufe!kranz mit einer radial inneren Düsen-

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wandung und einer radial äußeren Düsenwandung, wobei die stromaufwärtige Stirnseite der äußeren Düsenwandung der stromabwärt igen Stirnseite der äußeren Auslaßkanalwandung gegenüberliegt j, ferner mit einem Auslaßkanal.verlängerungsteil, das mit-seinem stromaufseitigen Ende stromauf der stromabwärt igen Stirnseite der äußeren Auslaßkanalwandung an dieser befestigt ist und dessen stromabseitiges Ende nahe dem stromab sei tigen Ende der äußeren Kanalwandung gelegen ist und einen größeren Durchmesser als die Yer» bindungsstelle mit der äußeren Kanalwandung besitzt „ .und mit einer Tragkonstruktion sowie mit die stromabseitigen Enden des Verlängerungsteils und der äußeren Kanalwandung mit der Tragkonstruktion verbindenden Elementen,

Ein Gasturbinentriebwerk dieser Bauart ist aus der GB-PS 1 086 432 bekanntο

Die Abdichtung zwischen den genannten Stirnseiten der äußeren Kanalwandung und der äußeren Düsenwandung erfolgt im wesentlichen durch Sieherstellung eines nur geringen Abstands zwischen diesen beiden Teilen,» Es wurde jedoch mit Hilfe von Röntgenaufnahmen während des Betriebs eines solchen Triebwerks festgestellt, daß sich diese beiden Stirnseiten während des ErwärmungsVorgangs vom

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kalten Zustand zum Betriebszustand des Triebwerks voneinander zu entfernen suchen, wodurch die Abdichtwirkung geringer wird_e

Wie später noch im einzelnen beschrieben wird, hängt diese Ab st an ds vergrößerung zwischen den beiden genannten Stirnseiten von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Verlangerungsteils, von denen das stromaufseitige Ende das wärmere ist, und vom Unterschied der Durchmesser dieser beiden Enden ab« Bei manchen Triebwerken, insbesondere bei verhältnismäßig kleinen Triebwerken, sind diese Unterschiede so groß, daß eine wesentliche Verschlechterung der Abdichtung eintritt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Triebwerk der eingangs dargelegten Art Maßnahmen zur Beibehaltung einer ausreichenden Abdichtung zwischen der äußeren Auslaßkanalwandung und der äußeren Düsenwandung innerhalb eines größeren Temperaturbereiches zu treffen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Triebwerk gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,

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daß Mittel zur Kühlung des stromaufseitigen Endes des Verlangerungsteils vorgesehen sind» daß weiter die Verbindungsstelle zwischen dem Verlängerungsteil und der äußeren Auslaßkanalwandung so weit stromauf der stromabwärtigen Stirnseite der äußeren Kanalwandung gelegen ist, daß zu dieser Stirnseite hin ein Temperaturanstieg gegeben ist₉ und daß die äußere Kanalwandung zu ihrer stromäbseitigen Stirnseite hin konvergent ausgebildet ist.

Die Kühlung des stromaufseitigen Endes des Verlängerungsteils begrenzt die stromaufwärtige Wärmedehnung des Verlängerungsteils und dadurch die Auseinanderbewegung der beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten der äußeren Auslaßkanalwandung und der äußeren Düsenwandung« Die konvergente Form der äußeren Kanalwandung und der Temperaturanstieg zu deren stromabseitigem Ende hin begünstigen die stromabseitige Wärmedehnung dieser Kanalwandung, wodurch sich deren stromabseitiges Ende d©r gegenüberliegenden Stirnseite der äußeren Düsenwandung anzunähern sucht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird

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nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben» Es zeigen:

Pig, I einen Äxialschnitt durch einen

Teil eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt

aus Figo I₅ und

Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene III-III

in Fig_e 2„

Gemäß den Zeichnungen weist das Triebwerk in strömungstechnischer Reihenschaltung einen Verdichter 10, eine ringförmige Brennkammer 11 mit einem im allgemeinen konvergenten Auslaßkanal 12, einen Düsenschaufelkranz 13 und eine Axialturbine 14 auf_e Die Verdiehterausgangsluft gelangt durch einen Kanal 15 zwischen der Brennkammer 11 und einem diese umgebenden Gehäuse 16 in die Brennkammer hinein«

Die Düsens chaufe In 13 weisen jeweils eine äußere Düsenwandung 17 auf, die an ihrem stromabseitigen Ende

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mit einem Ansatz 18 versehen ist, und eine öffnung eines zylindrischen,, den Düsensehaufe!kranz umgebenden Verlängerungsteils 20 der Brennkammer 11 eingreift. Die Anordnung ist so getroffen₉ daß der axiale Druckabfall über den Düsenschaufeln die Brennkammer in stromabwärtiger Richtung gegen eine Anlagefläche 21 an einem Turbinengehäuse 22 drängt© Das auf die Düsenschaufeln wirkende Drehmoment wird dadurch aufgenommen, daß die Ansätze und das Gehäuäe 22 bei 23 ineinander greifen»

Das Verlängerungsteil 20. erstreckt sich von einer Verbindungsstelle 24 mit dem Auslaßkanal 12 aus. Die Verbindungsstelle 24 liegt stromauf der stromaufwärtigen Stirnfläche der. äußeren Düsenwandung 17s Der Auslaßkanal 12 weist eine äußere Wandung 2o auf, die sich ebenfalls von der Verbindungsstelle 2 4 aus erstreckt und eine der Stirnfläche 25 der Düsenwandung 1? gegenüberliegende stromabseitige Stirnfläche 26A besitzt» Ein kleines Stück stromauf der Verbindungsstelle 24 ist eine ringförmige Anordnung von Bohrungen 27 vorgesehen, durch welche Luft zwecks Bildung eines Kühlfilms 28 an der Innenfläche des Kanals 12 zugeführt wird. Das Verlängerungsteil 20 ist mit Bohrungen 29 versehen, durch welche ein Luftstrom 30 zwecks Kühlung des Verlängerungs-

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teils und danach der Düsenschaufeln hindurchtritt.

Die beschriebene Anordnung macht es möglich, daß die Konstruktion des Kanals 12 und der angrenzenden Teile den Temperaturbereich von beispielsweise 50O⁰C bewältigen kann, welchem sie beim übergang vom kalten Triebwerkszustand zur Betriebstemperatur .des Triebwerks ausgesetzt ist, und daß insbesondere ein Spalt 31 geschlossen wird, der im kalten Betriebszustand des Triebwerks zwischen den beiden Stirnflächen 25 und 26A vorhanden ist« Dieser Spalt ist im wesentlichen zur Erleichterung der Montage und zur Ermöglichung von Pertigungstoleranzen notwendig, jedoch führt er im Betrieb zu einem Kühlluftverlust, da eine Verbindung zwischen dem Gehäuse 16 und dem Inneren des Verlangerungsteils gegeben ist*

Es leuchtet ein, daß die, die Größe des Spaltes 31 beeinflussenden Komponenten die Wandung 26, das Verlange rungs teil 20 und die Düsenschaufeln 13 sind, und daß die Anordnung dieser Komponenten so gewählt ist, daß sich der Spalt 31 schließt, wenn sich diese Komponenten infolge des Übergangs vom kalten Zustand zum Betriebszustand axial dehnen. Zwecks Bestimmung der Auswirkung dieser Dehnungen auf den genannten Spalt kann die

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Fläche 21 als ortsfester Bezugspunkt betrachtet werden, da sowohl das Verlängerungsteil 20 als auch die Düsenschaufeln an dieser Fläche des Gehäuses 22 festgelegt sind» Bei Erwärmung dehnen sich die Düsenwandungen 17 und das Verlängerungsteil 20 in stromaufwärtiger Richtung von der Fläche 21 weg und die Wandung 26 dehnt sich von der Verbindungsstelle 2¹I aus stromabwärts· In der Vergangenheit beherrschte die Dehnung des Verlängerungsteils 20 die Gesamtwärmedehnung in dem Sinne, daß sich eine den Spalt 31 vergrößernde resultierende Dehnung ergab* Dies war den Umständen zuzuschreiben, daß das stromaufseitige End© des Verlängerungsteils 20, das heißt die Verbindungsstelle 24, heißer als das der Fläche 21 benachbarte stromabseitige Ende ist, da die Verbindungsstelle 2.H salt den Verbrennungsprodukten in Berührung steht, und daß das stromaufseitige Ende einen kleineren Durchmesser hat« Das Verlängerungsteil ist tatsächlich ©in durefo ©in© Linie A₉ die unter einem

ff*

Winkel O auf Axialdichtung tfei?Muft₉ definierter Konus« Me Beiaaimg des Konus 1st durch drei Komponenten bestimmt« Die erste Komponente ist Äe aoraale Axialkomponente, durch welche <äas ¥OTltfrig©fmgsteil lediglich verlängert »irde BIe zweite Somporaente ist die Radialkomponente und hier muß der Kegelwinkel und die Temperaturdifferenz

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zwischen den beiden Enden des Verlange rungs teils 20 berücksichtigt werden₀

Bei Erwärmung vergrößert sich der Durchmesser des heißeren Endes relativ zu demjenigen des kälteren Endess im Sinne einer Verminderung des Winkels Sa wodurch das heißere Ende in einer Richtung B₀ welche eine Axialkomponente besitzt,) gedehnt wird® Das Auftreten diesel³ letzteren Axialkomponente stellt" eine beträchtliche Vergrößerung der erstgenannten Axialkoraponente dar_e Durch die Erfindung wird diese Vergrößerung der Axialdehnung beseitigt, indem das stromaufseitige End© des Verlängerungsteils 20 so gekühlt wird_s daß die Temperatur des Verlängerungsteils über seine gesamt© Länge gleichförmig bleibt· Zu diesem Zweck besitzen die Bohrungen 27 und einen so großen Durchmesser^ daß ausreichend viel Luft an der Verbindungsstelle 2k vorbeiströmtß damit deren Temperatur diejenige des übrigen Verlängerungsteils nicht übersteigt.

Die erwähnte Verstärkungswirkung, die ein Nachteil

des Verlängerungsteils war_s wird nunmehr jedoch bei der Wandung 26 in vorteilhafter Weise ausgenutzt« Die Bohrungen 27 sind so bemessen_s daß die Kühlwirkung des

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durch sie hindurchtretenden Luftströmen auf den Weg zum ■stromabwärtigen Ende des Wandung 26 verschwindet„ d_eh₀ daß sich der Film 28 mit den Verbrennungsprodukten vermischt _s so daß das stromabseitige Ende der Wandung 26 beträchtlich heißer als die Verbindungsstelle 2H WiPd₀ Außerdem ist die Wandung 26 konisch ausgebildet_s so daß sie in stromabwärtiger Richtung konvergent ist, wie durch den Winkel ot- angedeutet ist© Polglich tritt die oben erwähnte weiter© Ajdalkomponente auf _s welche die Verengung des Spaltes 31' begünstigt©"

te den radial inneren Enden der Düsenschaufeln 15 sind Düse wandungen 32 angeordnet^ die aiii ihren stromabseitigen Esdtem bei 521 mit inen-Ring 33 verbunden sind® Mähe fea stromaufseitigen Enden dar Düsenschaufeln ist der Kanal 12 mittels eines Ansatzes 3^ und eines Flanse!i©£ 35 sät dem King 33 verbundene Der Kanal 12 weist; einen Teil 3ß Hiit einer· 3tromabwärtigen Stirnssite 3βΑ auf_s weleli !©totere der stroraaufwärtigen ring-■förmigen Stirnfläche 37 gegenüberliegt _s die durch die Gesamtheit der Düs@nwandungen 32 gebildet ist. Der Ansat25 3¹* ragt an einer ¥erbindungsstelle 3B von dem Teil 36 weg« Im Kanal 12 und dem Ansatz 34 sind Kühl-'luftbohrungen 39 und 40 zur Bildung eines Kühlfilms 4i und einer KühlluftStrömung 42 zu den Düsenschaufeln

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vorgesehen» Im vorliegenden Fall und im Gegensatz zu den Gegebenheiten beim Teil 26 ist der Winkel ^3 des Teils 36 unvermeidbar so groß, daß eine verhältnismäßig höhere Temperatur an dem der Fläche 37 zugewandten Ende des Teils 36 auftritt_β was au einer Erweiterung eines Spalts 43 führen würde· Zur Beherrschung dieser Situation ist das Teil 36 axial kurz im Verhältnis zum Ansatz 34 ausgebildet und der Ansatz 34 ist konisch und divergiert stromabwärts unter einem Winkel λλ,« Infolge dieses Winkels geführt die mit Bezug auf den Flansch 35 an der Verbindungsstelle 38 höhere Temperatur zu einer Verengung, des Spalts 43. Der Abstand zwischen der Verbindungsstelle 38 und den Bohrungen 39 .ist so groß gewählt ₉ daß. sichergestellt ist, daß der Kühlfito 41 beim Erreichen der Verbindungsstelle 38 bereits verstört ist, so daß die Verbindungsstelle 38 trotz der Kühlwirkung der durch die Bohrungen 34 hindurehtretenden Strömung die genannte, bezüglich des Plansehe® 35 höhere Temperatur . · beibehalten kann« Eb@nfa.lls iafoige 4er Zerstörung des Sühlfilms 41 ist ein möglishex* Temperaturanstieg,von der Verbindungsstelle zw Fläche 3βΑ hin bq klein, daß die Auswirkung des Winkels β de ι? Wirkung 4»b Winkele m/ nicht wesentlich entgegenwirken kann.

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Die Erfindung ist nicht auf ringförmige Brennkammern beschränkt. Anstelle der einzigen ringförmigen Brennkammer 11 kann eine ringförmige Anordnung einzelner Brennkammern vorgesehen sein, die jedoch einen ringförmigen Auslaßkanal wie beispielsweise der Kanal 12 aufweisen, über den die mit den Einlaßdüsenschaufeln in der oben beschriebenen Weise zusammenwirken*

Die Düsenwandungsteile 17 der Düsenschaufeln 13 bilden einen aus Segmenten zusammengesetzten Wandungsring· Ebenso ist ein segmentierter Wandungsring durch die Düsenwandungen 32 gebildet. Alternativ dazu können die Düsenwandungen als ununterbrochene Ringe ausgebildet sein.

Die obige Beschreibung ermöglicht dem Fachmann die Ausführung der Erfindung mit Hilfe bekannter Verfahren und Mittel, So ist beispielsweise bei einer gegebenen Grundkonstruktion der Winkel O und die Länge der Linie A durch die mechanische Auslegung des Triebwerks festgelegt. Die Temperatur der die Brennkammer umgebenden Luft und die Temperatur der verschiedenen Stellen der Brennkammer und der benachbarten Komponenten sind bekannte Triebwerksdaten, Die Temperaturdifferenz zwischen der

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Verbindungsstelle 2k und dem stromabwärtigen Ende des VerlängerungsteiIs 20 ist folglich ebenfalls bekannt oder leicht bestimmbar« Die Wärmedehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe sind ebenfalls bekannt. Die Bestimmung der Bewegung der Verbindungsstelle 2k relativ zur Fläche 21 bei einem Temperaturanstieg stellt daher eine einfache Rechnung dar. Selbstverständlich ist die gesamte stromaufwärtige Dehnung umso kleiner, je kleiner der Winkel 6 ist. Erscheint die stromaufwärtige Dehnung zu groß und kann der Winkel (S nicht durch eine Konstruktionsänderung vermindert werden, so muß die Verbindungsstelle 2k gekühlt werden»

Es kann angenommen werden, daß die Bohrungen 29 bereits vorhanden sind, um Kühlluft zu den Düsenschaufeln zuzuführen, so daß eine gewisse Kühlwirkung auf das Verlängerungsteil bereits vorhanden ist, jedoch hat die Kühlluft aus dem gleichen Grund unmittelbaren Zugang zum Spalt 31, und wenn dieser Spalt übermäßig groß ist, wird den diesen Schaufeln keine ausreichende Kühlluftmenge zugeführt. Die beste Möglichkeit zur Überwindung dieser Schwierigkeit liegt in der Verwendung der Kühlluftbohrungen 27. Es ist aus empirischen oder anderen Daten allgemein bekannt, wie ein Kühlluftfilm mit bestimmter

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Kühlwirkung erzeugt wird, so daß dem Fachmann die Wahl von Größe und Abstand der Kühlluftbohrungen und der Entfernung dieser Bohrungen von der Verbindungsstelle 24 keine Schwierigkeiten bereitet, um einen die Temperatur der Verbindungsstelle 24 um einen gegebenen Wert herabsetzenden Kühlfilm 2 8 zu erzeugen.

Reicht die Kühlung durch den Kühlfilm 28 nicht aus, können die Bohrungen 29 zwecks Vergrößerung der Kühlwirkung des Filmes 28 vergrößert werden. Was die Wirkung des Winkels cL betrifft, so entsprechen die hier zu treffenden Maßnahmen denjenigen, die im Zusammenhang mit dem Verlängerungsteil 20 erörtert worden sind. Selbstverständlich ist die gesamte Axialdehnung der Wandung 26 umso größer, je größer der Winkel oC ist.

Außerdem ist der Temperaturanstieg zur Fläche 26A hin um so größer und der Winkel 6 des Verlängerungsteils 20 ist um so kleiner, je weiter die Verbindungsstelle 24 stromauf der Fläche 26A gelegen ist.

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Claims

Patentansprüche

ί 1.) Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammeranordnung, die einen durch eine radial innere Kanalwandung und eine radial äußere Kanalwandung begrenzten ringförmigen Auslaßkanal'aufweist, weiter mit einem Düsenschaufe!kranz mit einer radial inneren Düsenwandung und einer radial äußeren Düsenwandung, wobei die stromaufwärt ige Stirnseite der äußeren Düsenwandung der stromabwärtigen Stirnseite der äußeren Auslaßkanalwandung gegenüberliegt, ferner mit einem Auslaßkanalverlängerungsteil, das mit seinem stromaufseitigen Ende stromauf der stromabwärtigen Stirnseite der äußeren Auslaßkanalwandung an dieser befestigt ist und dessen stromabseitiges Ende nahe dem stromabseitigen Ende der äußeren Kanalwandung gelegen ist und einen größeren Durchmesser als die Verbindungsstelle mit der äußeren Kanalwandung besitzt, und mit einer Tragkonstruktion sowie mit die stromabseitigen Enden des Verlängerungsteils und der äußeren Kanalwandung mit der Tragkonstruktion verbindenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (27, 29) zur Kühlung des stromaufseitigen Endes des Verlängerungsteils (20) vorgesehen sind, daß weiter die Verbindungsstelle

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zwischen dem Verlängerungsteil und der äußeren Auslaßkanalwandung so weit stromauf der stromabwärtigen Stirnseite (26A) der äußeren Kanalwandung (26) gelegen ist, daß zu dieser Stirnseite hin ein Temperaturanstieg gegeben ist, und daß die äußere Kanalwandung zu ihrer stromabseitigen Stirnseite hin konvergent ausgebildet ist.

2, Triebwerk nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kühlmittel in der äußeren Kanalwandung (26) stromauf der genannten Verbindungsstelle (24) vorgesehene Kühlluftbohrungen (27) aufifeisen, die mit einer außerhalb der Brennkammer gelegenen Kühlluftquelle in Verbindung stehen, so daß von außerhalb der äußeren Kanalwandung zuströmende Kühlluft an der Innenfläche der äußeren Kanalwandung einen Kühlflilm (28) herstellt,

3· Triebwerk nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch im Verlangerungsteil (20) vorgesehene Kühlluftbohrungen (29) durch welche Kühlluft in das Innere des Verlängerungsteils eintritt,

4, Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

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dadurch gekennzeichnet, daß die innere Düsenwandung (32) mit der Tragkonstruktion (33) verbindende Mittel (32A) vorgesehen sind, daß weiter das stromaufseitige Ende der inneren Düsenwandung an einer Verbindungsstelle (38) stromauf der stromabwärtigen Stirnseite der radial innneren Kanalwandung (36) mit dieser verbunden ist, und daß das stromabseitige Ende (35) der inneren Düsenwandung auf einem Durchmesser, der größer als derjenige der eben erwähnten Verbindungsstelle (38) ist, mit der Tragkonstruktion verbunden ist_e

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