DE602004000527T2

DE602004000527T2 - Verfahren zur Kühlung von heissen Turbinenbauteilen mittels eines teilweise in einem externen Wärmetauscher gekühlten Luftstromes und so gekühltes Turbinentriebwerk

Info

Publication number: DE602004000527T2
Application number: DE602004000527T
Authority: DE
Inventors: Laurent Palmisano; Laurent Jablonski
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: FR2858358B1; RU2332579C2; EP1503061B1; RU2004123223A; DE602004000527D1; CA2475404C; FR2858358A1; UA80962C2; US7000404B2; ES2262102T3; US20050022535A1; CA2475404A1; EP1503061A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbostrahltriebwerke und genauer gesagt auf das Gebiet der Kühlung der wärmsten Elemente der Turbostrahltriebwerke.
Bemerkenswerte Fortschritte wurden bei den Turbostrahltriebwerken hinsichtlich der Verringerung des Treibstoffverbrauchs und der Erhöhung der spezifischen Leistung dank der Verbesserung des thermodynamischen Zyklus erzielt.
Diese Verbesserung wurde insbesondere durch Erhöhung des Drucks der Luft zur Versorgung der Brennkammer und durch Erhöhung der Temperatur am Eingang der Turbine erreicht.
Jedoch erfordert die Erhöhung der Temperatur am Eingang der Turbine eine kräftige Abkühlung der Schaufeln des Verteilers und der Schaufeln der ersten Stufe der Hochdruckturbine, welche den Hochdruckverdichter antreibt, wobei diese Schaufeln die Teile sind, die den höchsten Temperaturen sowie hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Diese Abkühlung wird im allgemeinen dadurch vollzogen, daß eine Menge von unter Druck stehender Luft aus der letzten Stufe des Hochdruckverdichters entnommen wird und daß die heißen Bereiche belüftet werden.
Bei den modernen Turbostrahltriebwerken, die ein hohes Verdichtungsverhältnis aufweisen, führen die durch den Verdichter erzeugten hohen Drücke, die für den thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors günstig sind, zu einer beträchtlichen Erhöhung der Temperatur der in die Brennkammer gelieferten Luft. Diese Erhöhung der Temperatur am Ausgang des Verdichters erfordert eine Erhöhung der Luftentnahmemenge, die für die Kühlung der Hochdruckturbine erforderlich ist, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad verschlechtert wird.
Um diesen Nachteil zu beheben, ist bereits vorgeschlagen worden, die Menge an entnommener Luft in einem Wärmetauscher zu kühlen, dessen Kühlfluid aus frischer Luft, die aus dem Sekundärstrom entnommen wird, oder aus einem anderen Fluid, Treibstoff oder Öl besteht.
Das Dokument US 5 581 996 sieht eine Entnahme von Luft aus dem Strom des Diffusors am Eingang der Brennkammer vor. Diese entnommene Luft wird in einem Wärmetauscher abgekühlt„ der sich radial außerhalb der Brennkammer befindet, kehrt anschließend über die Schaufeln des Verteilers, die auf diese Weise gekühlt werden, zur Motorinnenseite zurück und dient der Kühlung der radial inneren Teile der Brennkammer sowie eventuell der Schaufeln der ersten Stufe der Turbine.
Dieses Dokument stellt den der Erfindung nächstliegenden Stand der Technik dar, da es die Kühlung des ersten Rades der Turbine durch eine Entnahme von Luft am Ausgang des Diffusors vorsieht, die in einem Wärmetauscher gekühlt und nach dem Abkühlen über die Schaufeln des Verteilers strömt.
Da jedoch die Entnahme von Luft in dem radial äußeren Bereich des Austrittsstroms des Verdichters erfolgt, besteht die Gefahr, daß der Austauscher durch herumgeschleuderten Staub zugesetzt wird. Des weiteren strömt die abgekühlte Luft über die Schaufeln des Verteilers und dient der Kühlung der Wände dieser Schaufeln. Dies kommt durch eine Erwärmung sowie durch eine Verringerung der Menge der Luft zum Ausdruck, die anschließend verwendet wird, um die Schaufeln der Turbine zu kühlen.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben und eine Menge frischerer Luft zu liefern, um die beweglichen Schaufeln oder Laufschaufeln der Turbine zu kühlen.
Die Erfindung betrifft folglich ein Verfahren zur Lieferung von Kühlluft in die heißen Teile eines Turbostrahltriebwerks, das von stromaufwärts nach stromabwärts einen Verdichter, einen Diffusor, eine Brennkammer, einen Verteiler und eine den Verdichter antreibende Turbine umfaßt, Verfahren, nach dem eine Luftmenge aus dem durch den Verdichter gelieferten Luftstrom entnommen wird, diese in einem radial außerhalb der Brennkammer gelegenen Wärmetauscher gekühlt und radial nach innen durch die festen Schaufeln des Verteilers geleitet wird, und das bewegliche Rad der Turbine belüftet wird.
Gemäß der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Luftmenge aus dem Bereich des Kammerbodens entnommen wird, der den Diffusor umgibt, und daß die festen Schaufeln des Verteilers durch eine zweite, am Kammerboden entnommene Luftmenge belüftet werden.
Da die Kühlluft in dem Bereich des Kammerbodens entnommen wird, welcher den Diffusor umgibt, enthält diese Luft somit eine geringere Menge an Partikeln, was das Verschmutzen oder Zusetzen des Wärmetauschers begrenzt. Da die Schaufeln des Verteilers durch eine zweite, am Kammerboden entnommene Luftmenge gekühlt werden, erwärmt sich außerdem die gekühlte Luft während sie durch den Verteiler strömt weniger und erfährt in diesem Teil keine Entnahme.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird unter der Brennkammer ein Teil der gekühlten Luftmenge kanalisiert, der über den Verteiler zur letzten Stufe des Verdichters gelangt, um deren Hohlraum zu belüften.
Diese Anordnung ermöglicht, die Lebensdauer des Hochdruckverdichters zu erhöhen, insbesondere in Turbostrahltriebwerken für den militärischen Einsatz, die während kurzer Zeiten sehr heftigen Drehzahlen ausgesetzt sein können.
Die Erfindung betrifft auch ein Turbostrahltriebwerk das von stromaufwärts nach stromabwärts einen Verdichter, einen Diffusor, eine Brennkammer, einen Verteiler und eine den Verdichter antreibende Turbine umfaßt, und das einen ersten Kühlkreis umfaßt, der Mittel zur Entnahme von Luft aus dem durch den Verdichter gelieferten Strom, einen Wärmetauscher, der radial außerhalb der Brennkammer gelegen ist, sowie Mittel aufweist, um die gekühlte Luft durch die festen Schaufeln des Verteilers zu leiten, um das bewegliche Rad der Turbine zu belüften, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmemittel die Luftmenge aus dem Bereich des Kammerbodens entnehmen, welcher den Diffusor umgibt, und daß es weiterhin einen zweiten Kreis für die Kühlung der festen Schaufeln des Verteilers aufweist, die Luft aus dem Kammerboden entnehmen.
Vorteilhafterweise weist dieses Turbostrahltriebwerk ferner unter der Kammer eine Rohrleitung auf, um einen Teil der Menge zuzuführen, der über den Verteiler zur letzten Stufe des Verdichters gelangt.
Weitere Vorteile sowie Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden, als Beispiel gegebenen Beschreibung hervorgehen, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt, in denen:
1 eine teilweise und schematische Darstellung des Hochdruckkörpers sowie der Brennkammer eines Turbostrahltriebwerks mit erfindungsgemäßen Mitteln zur Kühlung der heißen Bereiche zeigt; und
2 1 ähnlich ist und eine Ausführungsvariante der Rohrleitung für den Transport eines Bruchteils der gekühlten Luftmenge zur letzten Stufe des Hochdruckverdichters zeigt.
Die Zeichnungen zeigen teilweise den Hochdruckkörper eines Turbostrahltriebwerks mit der Achse X, das stromaufwärts einer ringförmigen Brennkammer 2 einen Rotor des Verdichters 3 aufweist, von dem lediglich die letzte Stufe dargestellt ist und der mittels einer Welle 4 über einen Rotor der Turbine 5 angetrieben wird, von der lediglich das erste bewegliche Rad dargestellt ist.
Herkömmlicherweise umfaßt die letzte Stufe des Rotors des Verdichters 3 einen Kranz mit beweglichen Schaufeln oder Laufschaufeln 6, dessen Aufgabe es ist, den in einem ringförmigen Kanal zirkulierenden Primärstrom F1 zu komprimieren, und der stromaufwärts eines festen Kranzes mit Leitschaufeln 7 angeordnet ist, welcher den Primärstrom F1 in die Brennkammer 2 durch einen Diffusor 8 liefert.
Die ringförmige Brennkammer 2 ist durch eine radial innere Wand 9, die radial außerhalb eines Innengehäuses 10 gelegen ist, und durch eine radial äußere Wand 11, die radial innerhalb eines Außengehäuses 12 gelegen ist, begrenzt.
Die Wände 9 und 11 schließen sich am Eingang eines Verteilers 13, der eine Vielzahl von Leitschaufeln 14 aufweist, welche die beweglichen Schaufeln oder Laufschaufeln 15 des ersten beweglichen Rades 16 des Rotors der Turbine 5 beaufschlagen, an das Innengehäuse 10 bzw. an das Außengehäuse 12 an.
Ein Teil des über den Diffusor 8 gelieferten Luftstroms F1 dient der Verbrennung des Treibstoffs, der über in 1 nicht dargestellte Einspritzdüsen in die Brennkammer 2 geliefert wird. Ein weiterer Teil dieser Luft umströmt die Wände 9 und 11 der Brennkammer 2 und dient der Kühlung dieser Wände, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sowie der Gehäuse 10 und 12, bevor er über sogenannte Dilutionsbohrungen in die Kammer 2 eingeleitet wird oder der Kühlung der Turbinenstatoren und der Turbinenrotoren dient.
Die Aufgabe des Diffusors 8 besteht darin, die Strömungsgeschwindigkeit des Primärstroms F1 zu verringern und dadurch dessen Druck am Eingang der Brennkammer 2 zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine Entnahme von Luft F2 am Boden der Kammer in einem Bereich 20, der den Diffusor 8 umgibt. Die Menge F2 wird über wenigstens eine Leitung 21 radial nach außen geleitet, durchläuft einen Wärmetauscher 22 und kehrt über Kanäle 23, die in den Schaufeln 14 des Verteilers 13 ausgebildet sind, radial zur Innenseite des Motors zurück, um in einen Raum 24 zu gelangen, der unter dem Verteiler 13 angeordnet ist, von wo aus ein Teil der Luftmenge F2 zu Einspritzdüsen 25, die im stromaufwärtigen Flansch 27 des ersten beweglichen Rades 16 der Turbine ausgebildeten Löchern 26 gegenüberliegen, geleitet wird, um dieses Rad 16 und insbesondere die Schaufeln 15 dieses Rades zu kühlen.
Der andere Teil der Menge F2, die in den Raum 24 eingespritzt wird, kann dazu dienen, andere Elemente unter der Kammer 2 und insbesondere den Hohlraum der letzten Stufe des Hochdruckverdichters 3 zu kühlen.
Zu diesem Zweck verbindet eine feste Rohrleitung 30 den Raum 24 mit dem Bereich 31, der die Scheibe der letzten Stufe des Verdichters 3 und das die Leitschaufeln 7 tragende Innengehäuse 33 voneinander trennt. Diese Rohrleitung 30 kann vorteilhafterweise ringförmig und rotationssymmetrisch um die Achse X ausgebildet sein sowie radial außen durch das Innengehäuse 10 und radial innen durch einen Ring 34 begrenzt sein, wie dies in 2 dargestellt ist. Sie könnte auch von einer Vielzahl von Leitungen gebildet sein, die sich in Richtung stromaufwärts erstrecken und die um die Achse X verteilt sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, das in 1 gezeigt ist, werden die Schaufeln 14 des Verteilers 13 über einen zweiten Kühlkreis 40 gekühlt, der eine Luftmenge F3 aus dem stromabwärtigen Bereich des Raumes entnimmt, der die Außenwand 11 und das Außengehäuse 12 voneinander trennt, wobei diese Luftmenge F3 Kanäle 41 durchströmt, die in der Wand der Leitschaufeln 14 ausgebildet und von den Kanälen 23 getrennt sind, und über Öffnungen an den Außenseiten der Schaufeln 14, insbesondere an den Eintrittskanten und an den Austrittskanten ausmündet.
Dank dieser letzten Anordnung erfolgt keinerlei Entnahme aus dem Strom F2, um die Schaufeln 14 des Verteilers 13 zu kühlen, wobei dieser Verteiler 13 im wesentlichen durch den Strom F3 gekühlt wird, und der Strom F2 erfährt bei Durchströmen der Schaufeln 14 eine geringere Erwärmung.
Das Kühlfluid, das in dem Wärmetauscher 22 eingesetzt wird, kann Luft sein, die mittels einer Schöpfkelle aus dem Sekundärstrom des Turbostrahltriebwerks entnommen wird. Es kann auch die Luft zur Kontrolle des Turbinenspiels oder das Öl der hinteren Räume als Kältequelle und eventuell der Treibstoff, mit welcher die Brennkammer 2 versorgt wird, verwendet werden.
In dem Fall, in dem die Kältequelle des Austauschers 22 aus dem Sekundärstrom eines mit einem Gebläse ausgestatteten zweirotorigen Turbostrahltriebwerks entnommen wird, kann die Luftmenge in den Flugphasen, in denen der Austauscher nicht mehr erforderlich ist, beispielsweise im Reiseflug, reguliert werden.
Das Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für die Turbostrahltriebwerke bestimmt, bei denen das Gesamtverdichtungsverhältnis hoch ist. Es findet auch bei den Turbostrahltriebwerken für den zivilen Einsatz Anwendung, also bei zweirotorigen Turbostrahltriebwerken, Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerken, die mit Gebläsen mit hohem Nebenstromverhältnis ausgestattet sind, bei denen der Druck der in die Brennkammer 2 gelieferten Luft während der Phase des Abhebens 30 bar erreichen kann. Bei diesen Turbostrahltriebwerken kann die Temperatur der verdichteten Luft 700°C erreichen, und ein Abkühlen der bei dieser Temperatur entnommenen Luft ist während der gesamten Dauer der kritischen Phase des Abhebens erforderlich. Bei Reiseflugleistung sinkt die Temperatur der verdichteten Luft um etwa 300°C, und das Abkühlen der entnommenen Luft in dem Wärmetauscher 22 ist nicht mehr erforderlich, was den Gesamtwirkungsgrad des Motors bei dieser Drehzahl verbessert.

Claims

Verfahren zur Lieferung von Kühlluft in die heißen Teile eines Turbostrahltriebwerks, das von stromaufwärts nach stromabwärts einen Verdichter (3), einen Diffusor (8), eine Brennkammer (2), einen Verteiler (13) und eine den Verdichter (3) antreibende Turbine (5) umfaßt, Verfahren, nach dem eine Luftmenge (F2) aus dem durch den Verdichter (3) gelieferten Luftstrom (F1) entnommen wird, diese in einem radial außerhalb der Brennkammer (2) gelegenen Wärmetauscher (22) gekühlt und radial nach innen durch die festen Schaufeln (14) des Verteilers (13) gerichtet wird, und das bewegliche Rad (16) der Turbine (5) belüftet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftmenge (F2) aus dem Bereich (20) des Kammerbodens entnommen wird, der den Diffusor (8) umgibt, und daß die festen Schaufeln (14) des Verteilers (13) durch eine zweite, am Kammerboden entnommene Luftmenge (F3) belüftet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Brennkammer (2) ein Teil der Luftmenge (F2) kanalisiert wird, der über den Verteiler (13) zur letzten Stufe des Verdichters (3) gelangt, um deren Hohlraum zu belüften.
Turbostrahltriebwerk, das von stromaufwärts nach stromabwärts einen Verdichter (3), einen Diffusor (8), eine Brennkammer (2), einen Verteiler (13) und eine den Verdichter (3) antreibende Turbine (5) umfaßt, und das einen ersten Kühlkreis umfaßt, der Mittel zur Entnahme von Luft aus dem durch den Verdichter (3) gelieferten Strom (F1), einen Wärmetauscher (22), der radial außerhalb der Brennkammer (2) gelegen ist, sowie Mittel aufweist, um die gekühlte Luft durch die festen Schaufeln (14) des Verteilers (13) zu leiten, um das bewegliche Rad (16) der Turbine (5) zu belüften, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmemittel die Luftmenge (F2) aus dem Bereich (20) des Kammerbodens entnehmen, welcher den Diffusor (8) umgibt, und daß es weiterhin einen zweiten Kreis (40) für die Kühlung der festen Schaufeln (14) des Verteilers (13) aufweist, der Luft aus dem Kammerboden entnimmt.
Turbostrahltriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner unter der Kammer (2) eine Rohrleitung (30) aufweist, um einen Teil der Luftmenge (F2) zuzuführen, der über den Verteiler (13) zur letzten Stufe des Verdichters (3) gelangt.