DE2920193A1

DE2920193A1 - Kuehlluftzufuehrungsanordnung fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2920193A1
Application number: DE19792920193
Authority: DE
Inventors: David Omri Davies
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-05-20
Filing date: 1979-05-18
Publication date: 1979-11-22
Also published as: FR2426159A1; DE2920193C2; JPS54158509A; IT1112922B; US4265590A; IT7922830A0

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

^w ¥-- Dipl.-Phys.Dr.Tino Haibach

Oipl.-Ing. Rainer Feidkarnp

D-8000 Münohen 2 · Kaufingerstraße β · Telefon (0 89) 24 02 75 - Telex S 29 513 wakfti d

18. Mal 1979

Unt»r Z«ldh«n: 16 630 · K/Ap

Anmelders Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnungs KUhlluftzufUhrungsanordnung für

ein Gasturbinentriebwerk:

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Die Erfindung bezieht sieh auf eine Kühlluftzuführungsanordnung für ein Gasturbinentriebwerk.

Gasturbinentriebwerke werden häufig mit gekühlten Turbinen und anderen gekühlten Abschnitten versehen. Die Kühlung wird normalerweise durch Kühlluft bewirkt, die vom Kompressor des Triebwerks dem betreffenden Bereich zugeführt wird. Es ist gelegentlich vorteilhaft, diese Kühlluft in zwei Abschnitte mit unterschiedlichem Druck aufzuteilen, und diese beiden Teile werden unterschiedlichen Bereichen des Rotors zugeführt, und sie werden durch Dichtungen getrennt voneinander gehalten.

Ein derartiges Kühlsystem ist in der GB-PS 12 82 142 bzw. der gleichlautenden US-PS J56 35 586 beschrieben.

Die Dichtung zwischen diesen beiden Räumen stellt natürlich eine potentielle Quelle von Wirkungsgradverlust dar, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion zu schaffen, bei der die Wirksamkeit der Dichtung verbessert werden kann, ohne den Aufbau beträchtlich zu komplizieren bzw. kann eine einfachere Dichtung benutzt werden, die durch die Erfindung eine erhöhte Wirksamkeit erhält.

Gemäß der Erfindung ist ein Kühlluftsystem für ein Gasturbinentriebwerk, das einen Rotor und eine Hochdruckkühlluftquelle enthält, in der Weise ausgebildet, daß erste Kanäle eine erste Kühlluftströmung nach einem ersten Raum des Rotors gelangen lassen, wobei der Druck auf einen ersten Druck erniedrigt wird, der kleiner ist als der Förderhochdruck, daß zweite Kanäle eine zweite Kühlluftströmung nach einem zweiten Raum des Rotors liefern, und den Druck auf einen zweiten Druckwert erniedrigen, der geringer ist als der erste Druck-

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wert, daß Dichtungen vorgesehen sind, die die Kühlluftströmung mit dem ersten Druck daran hindern,"von dem ersten Raum nach dem zweiten Raum zu gelangen, daß die Dichtmittel einen Teil des zweiten Kanalsystems umfassen, indem wenigstens ein Teil der zweiten Kühlluftströmung so gerichtet wird, daß er gegen den Leckstrom in der Dichtung wirkt, so daß der Leckstrom vermindert und gleichzeitig der Druck der zweiten Druckluftströmung der Kühlluft vermindert wird.

Falls erforderlich, kann die gesamte unter niedrigerem Druck stehende Luft gegen die Leckströmung gerichtet werden, um diese Leckströmung zu vermindern. Stattdessen kann auch nur ein Teil der Luft auf diese Weise ausgenutzt werden. Der Rest der Luft kann über geeignete getrennte Düsen nach dem zweiten Raum geleitet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Rotor ein Turbinenrotor und die Kühlluft wird dem Rotor zugeführt, derart daß sie schließlich die Schaufeln erreicht, die vom Rotor getragen werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. I eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Kühlluftführung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht durch den Turbinenbereich des Triebwerks,in dem die Kühlluftzuführungseinrichtung nach der Erfindung angeordnet ist;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

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Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Gehäuse 10, Kelches einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinriöhtung und eine turbine 13-trägt* Das Gehäuse XO bildet an seinen} etromabwärtigen Ende eine Schubdüse 1Λ. Das Triebwerk arbeitet in herkömmlicher Weise, und die Luft wird vom Kompressor 11 angesaugt* verdichtet und der Verbrennungseinrichtung 12 zugeführt * wo die Luft mit Brennstoff vermischt und verbrannt wird* Die auf diese Weise erzeugten Heißgase treiben die Turbine 1? an» die Ihrerseits den Kompressor 11 antreibt. Die verbleibenden Röstgase werden durch die Schubdüse 14 ausgelassen* um einen Antriebssohub zu erzeugen.

Wegen der hohen Temperaturen der Gase im Verbrennungssystem ist es notwendig* die Turbine 13 auf die die Heißgase auf treffen, zu kühlen. Hierbei wird diese Kühlung dadurch bewirkt, daß Hochdruckluft vom Förderende des Kompressors 11 abgezweigt wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich* bilden das innere Gehäuse 15 des Verbrennungssystems 12 und ein weiteres Gehäuse 16*das Innerhalb des Gehäuses 15 gelagert ist* einen Ringkanal durch den die Luft von einer Abzapföffnung 17 strömen kann, und diese Öffnung YJ ermöglicht eine Abzapfung von Luft von der Innenwand des Verbrennungebereichs 12.

Fig. 1 zeigt im einzelnen die Anordnung, durch die die Hochdruckförderung der Kühlluft nach der Turbine erfolgt. Das innere Gehäuse 15 des Verbrennungssystems 1st an einem Flansch 18 angebaut, der bei diesem Ausführungsbeispiel von der DÜsenleitsohaufel 19 nach innen vorsteht. Das zweite innere Gehäuse 1st über einen im Querschnitt U-förmigen Dichtungsring 20 mit einem Hing 21 verbunden, der Verwirbelungsmittel aufweist, die die Kühlluft die zwischen den Gehäusen 15 und 16 abfließt, zu veranlassen eine Winkelgeschwindigkeit anzunehmen.,die etwa der Winkelgeschwindigkeit der Turbinenscheibe 22 entspricht.

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ORIGINAL INSPECTED

Die Pfeile 23 kennzeichnen diese Kühlluftströmung. Die Verwirbelungsschaufeln 21 können getrennte Düsen oder Schaufeln oder Kaskaden von Schaufeln aufweisen. Die Verwirbelungsmittel

21 und die Abmessungen der verschiedenen in Betracht kommenden Kanäle sind so gewählt, daß der Druck, der durch diesen ersten Kanal dem ersten Ringbereich 24 benachbart zur Turbinenscheibe

22 gelieferten Luft groß genug ist um die kritischeren Stellen des Schaufelkühlsystems zu speisen, aber der Druck ist beträchtlich kleiner als der Hochdruck am stromabwärtigen Ende des Kompressors 11.

Von der Turbinenscheibe 22 steht ein ringförmiger Dichtungsflansch 25 vor, der Dichtungslippen 26 aufweist, die axial in das Innere des Ringes 20 einstehen und einen Leckstrom der Luft von dem Ringraum nach innen verhindern.

Diese Kühlluft, die durch die Verwirbelungsmittel 21 hindurchgetreten ist, tritt in eine Reihe von Kanälen 27 in der Scheibe 22 ein und wird demgemäß den Kühlkanälen 28 zugeführt, die in jeder Turbinenschaufel 29 ausgebildet sind.

Ein zweiter Anteil der Hochdruck-Kühlluft, die zwischen den Gehäusen 15 und 16 abströmt, fließt wie durch die Pfeile 30 angegeben, nach einer Stelle radial außerhalb dieser Verwirbelungsmittel 21. Ein Fortsatz 31 des Flansches 18 ist mit im Winkel angestellten Schlitzen 32 versehen, die zweite Kanäle bilden, durch die Kühlluft abfließen kann. Der Fortsatz 31 steht nach den äußeren Rändern der Verwirbelungsmittel 21 vor und bildet einen Ringkanal, in den ein Dichtflansch 33 von der Scheibe 22 einsteht. Von diesem Flansch 33 stehen Dichtlippen 34 vor, die am Aufbau 31 angreifen, um eine herkömmliche Lippendichtung zu bilden.

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Der Raum außerhalb dieser Dichtung, der zwischen dem Flansch 18, dem Portsatz 31 und den Schaufeln 29 eingeschlossen liegt, bildet einen zweiten Ringraum 35, in den die Kühlluft aus den Schlitzen 32 fließen kann. Der Druck der Luft in dem Raum 35 wird durch Wahl von Größe und Winkel der Kanäle 32 so eingestellt, daß er geringer ist als der Druck im Raum 24. Daher bilden die Dichtlippen 34 zusammen mit dem Plansch 33 eine Dichtung, die einen Leckstrom von dem Raum 24 nach dem Raum 35 verhindert oder wenigstens vermindert.

Diese mechanischen Dichtungen sind wie bekannt, Problemen in Bezug auf Herstellungstoleranzen und Abnutzungserscheinungen unterworfen, und es besteht infolge dessen eine Gefahr, daß die Dichtung nicht mehr so wirksam ist wie dies erwünscht wäre. Daher sind die Schlitze 32 in einer solchen Richtung angestellt, daß die Kühlluftströmung eine Bewegungskomponente erhält, die jener des Leckstromes durch die Dichtung entgegengesetzt gerichtet ist. Auf diese Weise wirkt die Kühlluftströmung der Leckströmung entgegen und verbessert den Wirkungsgrad der Dichtung bevor die Luft in den Ringraum 34 abströmt.

Das Gesamtdruckverhältnis zwischen dem Raum, zwischen den Gehäusen 15 und 16 und dem Raum 35 ist beträchtlich größer als jenes zwischen den Räumen 24 und 35, und es ist gerade diese Differenz in den Druckverhältnissen, die die Möglichkeit schaffte daß die Schlitze 32 als wirksame aerodynamische Dichtung arbeiten.

Die Kühlluftströmung aus dem Raum 35 tritt dann in die Schaufeln 29 über öffnungen 36 in den Flanken der Schaufelfüße ein. Diese öffnungen 36 lassen die Luft in ein System von Kanälen 37 einfließen, um diesen Niederdruckteil der Schaufel zu kühlen.

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Die Grenze zwischen dem höheren Druck und dem niederen Druck der Kühllufträume (erste und zweite Räume), die durch die Dichtung 33 und den Aufbau 31 gebildet werden, wird hinsichtlich der Wirksamkeit dadurch verbessert, daß die Strömung der Luft 30 durch diese Schlitze 32 benutzt wird. Da die durch diese Schlitze strömende Luft danach die Schaufeln in irgendeiner Weise kühlen muß, bewirkt die Benutzung der Luft zwecks Verbesserung der Dichtung keinen zusätzlichen nachteiligen Einfluß auf die Luftströmung im Triebwerk. Dadurch, daß die Dichtung 33 einfacher gestaltet werden kann, ergibt sich eine Verbesserung im Hinglick auf Kosten und Gewicht, oder stattdessen wird es möglich, einen höheren Wirkungsgrad bei einer bereits wirksamen Dichtung zu erhalten. Je nach der speziellen Auslegung des Triebwerks kann genügend Druck verfügbar sein, um die Kühlluft, die durch die Schlitze 32 hindurchtritt, einer Vorverwirbelung zu unterziehen, indem geeignete flache Wirbelschaufeln in den Schlitzen angeordnet werden. Die äußere Oberfläche des sich drehenden Dichtungselementes 33 ist als einfacher Durchmesser angegeben, jedoch arbeitet das System auch wenn die Schlitze 32 in zwei geeignete Lippen fördern, die in diesem Element ausgebildet sind. Ein Ausführungsbeispiel, bei welchem dieses System benutzt wird, ist in Pig. 3 dargestellt.

Der hauptsächliche Aufbau des Triebwerks nach Fig. 3 ist jenem nach Fig. 2 gleich und die Beschreibung der Fig. 3 wird daher auf jene Merkmale beschränkt, die unterschiedlich sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Dichtkörper 40, der dem Dichtkörper 33 nach Fig. 2 entspricht, mit zwei ringförmigen Dichtlippen 41 versehen, die von der äußeren Oberfläche vorstehen. Dies kann mit der ebenen zylindrischen äußeren Oberfläche der Dichtung 33 verglichen werden. Die Schlitze 42, die den Schlitzen 32 nach Fig. 2 entsprechen, schaffen die Möglichkeit, daß ein Teil der Kühlluft durch sie

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abströmt, um die Dichtung zwischen den Lippen 41 einzutreten.

Der dritte Unterschied liegt in der Ringanordnung von Verwirbelungsmitteln 43 in dem Flansch 44,der dem Flansch 18 nach Fig. 2 entspricht. Die Verwirbelungsmittel 43 lassen die Luft in den Raum 45 eintreten, der dem Raum 35 nach Fig. 2 entspricht. Es ist klar, daß nur ein Teil der Luft, der in den Raum 45 einströmt, durch die Schlitze 42 abfließt. Der Rest, und dies kann der Hauptanteil sein, tritt durch die Verwirbelungsmittel 43 hindurch. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine relativ geringere Menge von Luft durch die Schlitze 42 geführt, und diese ist in der Lage die notwendige verbesserte Wirksamkeit der Dichtung 40 zu bewirken.

Die Erfindung kann auch für andere Anwendungen benutzt werden. Sie ist nicht notwendigerweise auf Turbinen beschränkt, obgleich diese gegenwärtig das Hauptanwendungsgebiet darstellen, die eine Kühlung erfordern. Das Verfahren der Erfindung kann auch benutzt werden, um die Dichtung zwischen Räumen unterschiedlichen Druckes im Kühlsystem zu verbessern, die nicht von den Ringräumen gebildet werden, die zwischen Rotor und Stator liegen, wie dies oben beschrieben wurde„

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Claims

Patentansprüche

Kühlluftzuführungsanordnung für ein Gasturbinentriebwerk, welches einen Rotor, eine unter Hochdruck stehende Kühlluftquelle und erste Kanäle aufweist, die eine erste Strömung von Kühlluft nach einem ersten Raum des Rotors leiten, während zweite Kanäle eine zweite Strömung von Kühlluft nach einem zweiten Raum des Rotors leiten und Dichtungsmittel vorgesehen sind, die eine Kühlluftströmung von dem ersten nach dem zweiten Raum verhindern,

dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kanäle (21) den Druck der ersten Kühlluftströmung auf einen ersten Druckwert erniedrigen der kleiner ist als der Förderhochdruck, und daß die zweiten Kanäle (32, 43,42) den Druck der zweiten Kühlluftströmung auf einen zweiten Druckwert erniedrigen, der unter dem ersten Druckwert liegt, und daß die Dichtungen(34,31,41) einen Teil der zweiten Kanäle (32,42) einschließen, in denen wenigstens ein Teil der zweiten Kühlluftströmung so gerichtet wird, daß er gegen die Leckströmung in der Dichtung fließt, derart daß die Leckströmung vermindert und gleichzeitig der Druck in der zweiten Kühlluftströmung vermindert wird.
2. Kühlluftzuführungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zweite Kühlluftströmung (30) veranlaßt wird, gegen den Leckstrom zu strömen.

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3. Kühlluftzuführungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der zweiten Kühlluftströmung veranlaßt wird, gegen die Leckströmung zu fließen und daß der Rest durch getrennte Düsen (43) dem zweiten Raum des Rotors zugeführt wird.
4. Kühlluftzuführungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jener Teil der zweiten Strömung (30),die gegen die Leckströmung gerichtet ist, durch die Düsen (32,42) nach hinten geneigt gegenüber die Leckströmung angestellt wird.
5. Kühlluftzuführungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzei chnet, daß die Düsen (32,42) außerdem eine Verwirbelungsbewegung auf die Luft aufprägen, und zwar in der gleichen Richtung wie die Drehung des Rotors verläuft,
6. Kühlluftzuführungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kanäle Düsen (43) umfassen, die eine in Umfangsrichtung verlaufende Wirbelbewegung der zweiten Luftströmung aufprägen.
7. Kühlluftzuführungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kanäle Düsen (21) aufweisen, die eine in Umfangsrichtung verlaufende Wirbelbewegung auf die erste Luftströmung aufprägen.

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8„ KühlluftZuführungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) ein Turbinenrotor ist, der Rotorschaufeln (22) trägt, und daß die Kühlluft nach den Turbinenrotorschaufeln strömt, um diese zu kühlen.
9. Kühlluftzuführungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Raum des Rotors einen ringförmigen Bereich (35) benachbart zum Umfang des Rotors umfaßt, und daß der erste Raum des Rotors einen ringförmigen Bereich (24) unmittelbar innerhalb des zweiten Raumes umfaßt,,

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