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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die
Gasturbinentriebwerkskühlung.
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Hochleistungs-Gasturbinentriebwerke erfordern
Kühldurchlässe und Kühlflüsse, um die Zuverlässigkeit und den
Lebensdauerzyklus von einzelnen Komponenten innerhalb des
Triebwerks sicherzustellen. Beispielsweise werden zur
Verbesserung von Brennstoffverbrauchscharakteristiken
Triebwerke bei höheren Temperaturen betrieben als den
physikalischen Eigenschaftsgrenzen der Materialien, aus
denen die Motorkomponenten aufgebaut sind. Diese höheren
Temperaturen erodieren Triebwerkskomponenten und
verringern die Komponentenlebensdauer, wenn sie nicht
kompensiert werden. Kühldurchlässe werden verwendet, um einen
Kühlmittelfluß wie beispielsweise Luft durch solche
Triebwerkskomponenten zu leiten, um die hohe Temperatur
der Komponenten zu verringern und die Lebensdauer der
Komponenten durch Begrenzung der Temperatur auf ein
Niveau zu verlängern, welches mit den Materialeigenschaften
von solchen Komponenten zusammenpaßt.
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Herkömmlicherweise wird ein Teil der komprimierten Luft
aus dem Triebwerkskompressorabschnitt abgeleitet, um
diese Komponenten zu kühlen. Somit ist die von dem
Kompressor- bzw. Verdichterabschnitt abgeleitete Luftmenge
gewöhnlicherweise begrenzt, um sicherzustellen, daß der
Hauptteil der Luft für die Triebwerksverbrennung bleibt,
um nützliche Arbeit auszuführen.
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Wenn die Betriebstemperaturen der Triebwerke gesteigert
werden, um den Wirkungsgrad und die Leistung zu steigern,
werden entweder mehr Kühlung von kritischen Komponenten
oder eine bessere Verwendung der Kühlluft erforderlich.
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Verschiedene Anordnungen zur Verwendung von Kühlluft zur
Steigerung der Zykluslebensdauer und der Zuverlässigkeit
sind verfügbar. US-A-4 292 008 offenbart ein
Kühlflußsystem. Das System weist eine luftgekühlte Turbinenschaufel
auf, in der Kühlluft von einem Hohlraum durch einen
Durchlaß zur Wurzel der intern gekühlten Motorschaufeln
eintritt. Ein Teil der Kühlluft wird durch sich in
Längsrichtung erstreckenden gleichförmigen Durchlaß in der
Scheibe zwischen der Wurzel der Schaufel und der Scheibe
geliefert. Das enge Gebiet mit konstantem Querschnitt des
Freiraums zwischen dem Tannenbaum- bzw.
Verzweigungsdurchlaß (fir tree passage) in der Scheibe und der
Schaufelwurzel ist klein und gleichförmig und sieht einen
extrem hohen lokalen
Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten durch den Durchlaß vor. Ein gleichförmiger Durchlaß
hat eine Steigerung der Wärmeübertragung zur Folge, die
mit dem hohen Turbulenzenniveau am Einlaß assoziiert ist,
sah jedoch keine gleichförmige Scheibenringtemperatur
entlang der Axiallänge der Scheibe vor.
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Eine weitere Anordnung zur Anwendung von Kühlluft zur
Steigerung der Zykluslebensdauer und Zuverlässigkeit ist
in US-A-4 668 162 offenbart. Bei diesem Patent weist ein
Kühlsystem eine Düsen- und Abdeckungsanordnung mit einer
Vielzahl von Durchgangsdurchlässen auf, um Kühlluft durch
die Düse zu übertragen bzw. zu leiten, und einen
getrennten Durchlaß, der eine Düsenabdeckungsinnenkühlung
vorsieht. Aus einem Reservoir unter der Düse ist eine
Viel
zahl von Durchlässen vorgesehen, und zwar damit die
Kühlluft in ein Gebiet unter den Turbinenschaufeln austritt,
und um das heiße Hauptstromgas vor dem Erreichen des
Motors zu puffern.
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EP-A-0 043 300 offenbart eine Turbinenanordnung, die eine
Scheibe mit einer ersten Seite, mit einer zweiten Seite,
einem Außenumfang mit einer Vielzahl von Schlitzen darin
aufweist, die sich axial zwischen der ersten Seite und
der zweiten Seite erstrecken, und eine Vielzahl von
Schaufeln mit einem Wurzelteil, der in entsprechenden
Schlitzen der Vielzahl von Schlitzen positioniert ist;
und dabei bildet die Beziehung des Schlitzes zum
Wurzelteil einen Hohlraum, der sich durch die Scheibe
erstreckt, um den Durchlaß von Luft von der ersten Seite
zur zweiten Seite zu gestatten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine solche
Anordnung dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum einen im
allgemeinen sinkenden Querschnitt von der ersten Seite
der Scheibe zur zweiten Seite der Scheibe hat.
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In den beigefügten Zeichnungen stellen die Figuren
folgendes dar:
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Fig. 1 eine Schnittseitenansicht eines Teils eines
Gasturbinentriebwerks, welches die vorliegende
Erfindung verkörpert;
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Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der
Fig. 1, die die vorliegende Erfindung
verkörpert;
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Fig. 3 eine vergrößerte Bildansicht aufgenommen durch
einen Teil einer Turbinenrotoranordnung entlang
der Linie 3-3 der Fig. 2;
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Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht der
Verbindung, die eine Turbinenschaufel an einem
Turbinenrotor anbringt, und zwar aufgenommen bei der
Linie 4-4 der Fig. 3;
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Fig. 5 eine vergrößerte, teilweise geschnittene
Ansicht einer alternativen Schlitz- und
Wurzelkonfiguration; und
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Fig. 6 eine vergrößerte teilweise geschnittene Ansicht
einer alternativen Schlitz- und
Wurzelkonfiguration.
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Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein nicht vollständig gezeigtes
Gasturbinentriebwerk 10 aufgeschnitten worden, um ein
Kühlluftliefersystem 12 zur Kühlung von Komponenten eines
Turbinenabschnittes 14 des Triebwerkes zu zeigen. Das
Triebwerk 10 weist ein Außengehäuse 16 auf, einen
Brennerabschnitt 18, einen Kompressor- bzw.
Verdichterabschnitt 20 und einen Kompressorauslaßraum 22, der
strömungsmittelmäßig das Luftliefersystem 12 mit dem
Brennerabschnitt 18 verbindet. Der Luftraum 22 wird teilweise
definiert durch das Außengehäuse 16 und eine mehrstückige
innere Wand 24, die teilweise den Brennerabschnitt 18
umgibt. Der Kompressorabschnitt 20 weist eine Vielzahl von
drehbaren Schaufeln 26 auf, die an einer sich in
Längsrichtung erstreckenden Mittelwelle 28 angebracht sind,
und zwar angetrieben durch eine Vergasungsturbine 29.
Eine Vielzahl von Kompressorstatorschaufeln 30 erstreckt
sich vom Außengehäuse 16 und ist axial zwischen drehbaren
Schaufelreihen positioniert. Der Kompressorabschnitt 20
ist ein mehrstufiger Axialkompressor, obwohl nur eine
einzige Stufe gezeigt wird. Der Brennerabschnitt 18 weist
eine ringförmige Brennkammer 32 auf, die innerhalb des
Raums 22 durch eine Vielzahl von Trägern 33 getragen
wird, von denen nur einer gezeigt ist. Eine Vielzahl von
Brennstöffdüsen 34 (von denen eine gezeigt ist) ist in
dem Raum 22 am Ende der Brennkammer 32 nahe dem
Kompressorabschnitt 20 positioniert. Der Turbinenabschnitt 14
weist die Vergasungsturbine 29 auf, die teilweise
innerhalb einer integralen Düsen- und Abdeckungsanordnung 38
der ersten Stufe angeordnet ist. Die Anordnung 38 weist
eine Vielzahl von einzelnen Düsen- und Abdeckungsgliedern
39 auf und wird von der Mittelwelle 28 durch eine Reihe
von thermisch variierten Massen 40 getragen, die
angeordnet sind, um ein schnelles thermisches Anwachsen bzw.
eine Ausdehnung während der Aufheizung und Abkühlung von
solchen Massen 40 zu verhindern. Die Massen 40 sind an
einer Lagergehäuseanordnung 46 angebracht. Ein
Düsentraggehäuse 48 ist innerhalb des Außengehäuses 16 angebracht
und ist an dem Gehäuse 16 durch eine Vielzahl von nicht
gezeigten Bolzen bzw. Schrauben und Dübeln oder Stiften
angebracht.
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Wie weiter in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, weist die
Vergasungsturbine 29 eine Turbinenrotoranordnung 50 auf,
und zwar mit einem Rotor oder einer Scheibe 52 darin. Die
Scheibe 52 besitzt eine Breite, die axial zwischen einer
ersten Seite 54 und einer zweiten Seite 56 definiert ist.
Der Rotor 50 weist weiter einen Außenumfang 58 auf. Eine
Vielzahl von Schlitzen 60, von denen nur einer gezeigt
ist, ist radial im Außenumfang 58 positioniert und
erstreckt sich axial gleichförmig um eine Mittellinie 62
zwischen der ersten Seite 54 und der zweiten Seite 56
innerhalb der Breite. Jeder der Vielzahl von Schlitzen 60
besitzt eine voreingerichtete Konfiguration.
Beispielsweise besitzt jeder der Schlitze 60 bei dieser Anwendung
eine allgemeine Tannenbaum- bzw.
Verzweigungskonfiguration oder einen entsprechenden Querschnitt und weist eine
Vielzahl von Berührungsoberflächen 64 und Raumoberflächen
66 auf. Die Konfiguration oder der Querschnitt des
Tannenbaum- bzw. Verzweigungsschlitzes 60 an der ersten
Seite 54 besitzt eine voreingerichtete Querschnittsfläche
wie durch die Umrandung 68 bezeichnet, die symmetrisch um
die Mittellinie 62 beabstandet ist. Die zweite Seite 56
des Tannenbaum- bzw. Verzweigungsschlitzes 60 besitzt ein
voreingerichtetes Querschnittsgebiet, und zwar wie durch
die Umrandung 70 bezeichnet, die symmetrisch um die
Mittellinie 62 beabstandet ist. Das voreingerichtete
Querschnittsgebiet an der ersten Seite 54 ist größer als das
voreingerichtete Querschnittsgebiet an der zweiten Seite
56. Anders gesagt hat die Konfiguration von jedem der
Schlitze 60 durch die Breite zwischen der ersten Seite 54
und der zweiten Seite 56 eine verjüngte Kontur nur an dem
Raumoberflächen 66, wie in dem geschnittenen Teil der
Fig. 4 gezeigt.
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Die Turbinenrotoranordnung 50 weist weiter eine Vielzahl
von Schaufeln 74 auf, die entfernbar innerhalb von
entsprechenden der Vielzahl von Schlitzen 60 positioniert
sind. Jede der Vielzahl von Schaufeln 74 weist einen
Wurzelteil 76 auf, und zwar mit einer voreingerichteten
Breite, die zwischen einer ersten Seiten 78 und einer
zweiten Seite 80 definiert ist. Sowohl die erste Seite 78
als auch die zweite Seite 80 haben eine im allgemeinen
flache Konfiguration. Der Querschnitt der Wurzel 76, die
sich über die Breite von der ersten Seite 78 zur zweiten
Seite 80 erstreckt, besitzt im allgemeinen eine
Tannenbaum- bzw. Verweigungskonfiguration 82. Die Tannenbaum-
bzw. Verzweigungskonfiguration 82 ist von herkömmlicher
Konstruktion, ist symmetrisch um die Mittellinie 62 an
sowohl der ersten Seite 78 als auch der zweiten Seite 80,
hat einen konstanten Querschnitt von der ersten Seite 78
zur zweiten Seite 80 und weist eine Vielzahl von
Vorsprüngen 84 mit einer Vielzahl von Berührungsoberflächen
86 und einer Vielzahl von daran definierten beabstandeten
Oberflächen 88 auf. In der montierten bzw.
zusammengebauten Position weist die Turbinenanordnung 50 einen Raum
oder Hohlraum 90 auf, der zwischen dem Schlitz 60 der
Scheibe 52 und der Wurzel 76 der Schaufel 74 angeordnet
ist. Aufgrund der Konstruktion des Schlitzes 60 und des
Wurzelteils 76 der Schaufel 74 besitzt der Hohlraum 90
eine größere Querschnittsfläche nahe der ersten Seite 54
des Schlitzes 60 als nahe der zweiten Seite 56 des
Schlitzes 60. Somit hat der Hohlraum 90 eine im
allgemeinen verjüngte oder konische Kontur oder Form. Der
Hohlraum 90 wird im allgemeinen zwischen den Raumoberflächen
88 an der Tannenbaum- bzw. Verzweigungskonfiguration 82
des Wurzelteils 76 der Schaufeln 74 und den
Raumoberflächen 66 der Schlitze 60 geformt. Der Hohlraum 90 ist
verjüngt (axial zusammenlaufend von der ersten Seite 54 der
Scheibe zur zweiten Seite 56 der Scheibe) und zwar
zwischen der Scheibe 52 und der Schaufelwurzel 76.
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Wie klarer in Fig. 2 gezeigt besitzt das
Kühlluftliefersystem Mittel 92 zum Vorsehen eines
Strömungsmittelflußpfades 94, der den Kompressorauslaßraum 22 mit dem
Turbinenabschnitt 14 verbindet. Während des Betriebes ist ein
Strömungsmittelfluß, der durch die Pfeile 96 bezeichnet
wird, in dem Strömungsmittelflußpfad 94 verfügbar. Bei
dieser Anwendung weisen die Mittel 92 zum Vorsehen eines
Strömungsmittelflußpfades 94 eine Vielzahl von internen
Durchlässen 100 innerhalb des Triebwerks 10 auf, durch
die der Fluß von Kühlströmungsmittel 96 geleitet wird.
Beispielsweise ist ein Teil der internen Durchlässe 100
zwischen dem Lagergehäuse 46 und dem Brennkammerträger 33
angeordnet. Die Brennkammer 32 ist radial in
beabstandeter Beziehung innerhalb des Raumes 22 angeordnet und
besitzt ein Spiel bzw. eine Beabstandung dazwischen, damit
der Fluß des Kühlströmungsmittels dadurch läuft. Der
Flußpfad 94 für den Fluß des Kühlströmungsmittels 96
weist weiter eine Vielzahl von Durchlässen 104 in den
variierten Massen 40 auf. Die Vielzahl von Durchlässen 104
verbindet die internen Durchlässe 100 mit dem Hohlraum
90, der zwischen der Turbinenscheibe 52 und der Wurzel 76
der Schaufeln 74 angeordnet ist.
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Eine alternative Turbinenrotoranordnung 50' ist in Fig.
5 gezeigt. Die Scheibe 52 weist eine Vielzahl von
Schlitzen 60 mit einer im allgemeinen glockenmundartigen bzw.
glockenöffnungsartigen Konfiguration auf, und jede Wurzel
76 der Vielzahl von Turbinenschaufeln 74 besitzt eine
Knochenkonfiguration. Als eine weitere Alternative ist
ein Lager 110 zwischen der Scheibe 52 und der einzelnen
Schaufel 74 angeordnet worden. Wie zuvor besprochen
bildet die Beziehung zwischen jedem der Schlitze 60 und der
Schaufel 74 und/oder dem Lager 110 den Hohlraum 90, der
zwischen jedem der Schlitze 60 in der Scheibe 52 und dem
Wurzelteil 76 der Schaufeln 74 angeordnet ist. Wiederum
aufgrund der Konstruktion des Schlitzes 60 und des
Wurzelteils 76 der Schaufel 74 besitzt der Hohlraum 90 eine
größere Querschnittsfläche nahe der ersten Seite 54 des
Schlitzes 60 als nahe der zweiten Seite 56 des Schlitzes
60. Zumindest ein Teil des Hohlraums 90 ist verjüngt
(axial zusammenlaufend von der ersten Seite 54 der
Scheibe zur zweiten Seite 56 der Scheibe) und zwar zwischen
der Scheibe 52 und der Schaufelwurzel 76.
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Eine weitere alternative Rotoranordnung 50" ist in Fig.
6 gezeigt. Die Scheibe 52 weist eine Vielzahl von
Schlitzen 60 mit einer im allgemeinen pfeilstumpfförmigen
Konfiguration auf, und jede Schaufel 76 der Vielzahl von
Turbinenschaufeln 74 besitzt eine im allgemeinen
abgerundete Tannenbaum- bzw. Verzweigungskonfiguration. Als eine
weitere Alternative ist ein zylindrisches Lager 116 mit
einem Führungsglied 118 zwischen der Scheibe 52 und der
einzelnen Schaufel 74 angeordnet. Wie zuvor besprochen
bildet die Beziehung zwischen jedem der Schlitze 60 und
der Schaufel 74 einen Hohlraum 90, der zwischen jedem der
Schlitze 60 in der Scheibe 52 und dem Wurzelteil 76 der
Schaufeln 74 angeordnet ist. Wiederum aufgrund der
Konstruktion des Schlitzes 60 und des Wurzelteils 76 der
Schaufel 74 besitzt der Hohlraum 90 eine größere
Querschnittsfläche nahe der ersten Seite 54 des Schlitzes 60
als nahe der zweiten Seite 56 des Schlitzes 60. Somit hat
der Hohlraum 90 eine im allgemeinen verjüngte Kontur oder
Form. Der Hohlraum 90 wird allgemein zwischen den
Raumoberflächen 88 des Wurzelteils 76 der Schaufeln 74 und
den Raumoberflächen 66 der Schlitze 60 geformt. Der
Hohlraum 90 ist verjüngt (axial zusammenlaufend von der
ersten Seite 54 der Scheibe zur zweiten Seite 56 der
Scheibe) und zwar zwischen der Scheibe 52 und der
Schaufelwurzel 76. Irgendeine Konfiguration des Schlitzes 60 und die
kombinierte Konfiguration des Wurzelteils 76 der Schaufel
74 kann verwendet werden, um den Hohlraum 90 zu bilden,
und zwar mit einer im allgemeinen verjüngten
Querschnittsfläche.
Industrielle Anwendbarkeit
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Im Betrieb steigern die Mittel 92 zum Vorsehen eines
Strömungsmittelflußpfades 94 für das Kühlströmungsmittel
oder Luft aus dem Kompressorabschnitt 20, wie sie im
Liefersystem 12 verwendet wird, den Wirkungsgrad und die
Leistung des Gasturbinentriebwerkes 10, während sie die
Langlebigkeit der innerhalb des Gasturbinentriebwerks 10
verwendeten Komponenten steigern. Die folgende
Betriebsbeschreibung wird auf die Turbine 38 der ersten Stufe
gerichtet sein, jedoch könnte der Kühlbetrieb auf den Rest
der Turbinenstufen in ähnlicher Weise angewandt werden.
Ein Teil der komprimierten Luft vom Kompressorabschnitt
20 wird daraus abgeleitet, wobei der Fluß von
Kühlströmungsmittel gebildet wird, der von den Pfeilen 96
bezeichnet wird, der verwendet wird, um die
Turbinenanordnung 38 zu kühlen. Die Luft tritt aus dem
Kompressorabschnitt 20 in den Kompressorauslaßraum 22 aus und tritt
in einen Teil des Strömungsmittelflußpfades 94 ein. Somit
tritt der von den Pfeilen 96 bezeichnete Fluß von
Kühlluft in die internen Durchläse 100 ein und in die
Vielzahl von Durchlässen 104 in den variierten Massen 40. Der
Fluß von Kühlluft 96 fährt weiter von einer Vielzahl von
Durchlässen 104 in den Durchlaß 90, der zwischen der
Turbinenschaufel 52 und dem Wurzelteil 76 der Schaufeln 74
angeordnet ist. Während des Betriebes ist die Vielzahl
von Berührungsoberflächen 86 an der Tannenbaum- bzw.
Verzweigungskonfiguration 82 des Wurzelteils 76 und der
Schaufeln 74 in Kontakt mit der entsprechenden einen der
Vielzahl von Berührungsoberflächen 64 der Schlitze 60.
Somit gestatten es der Hohlraum 90, der im allgemeinen
zwischen den Raumoberflächen 88 der Tannenbaum- bzw.
Verzweigungskonfiguration 82 des Wurzelteils 76 der
Schaufeln 74 und den Raumoberflächen 66 der Schlitze 60
geformt wird, daß das Kühlströmungsmittel oder die Luft 96
dorthindurchlaufen. Der verjüngte (axial
zusammenlaufende) Hohlraum 90 zwischen der Scheibe 52 und der
Schaufelwurzel 76 hält eine axial gesteuerte Wärmedisspipations-
bzw. -ableitungsrate der Scheiben/Schaufel-Schnittstelle
entlang der gesamten Länge des axialen Kühlhohlraums 90
aufrecht.
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Somit verhindert das Kühlluftliefersystem 12 das
Eindringen von heißen Leistungs- bzw. Verbrennungsgasen in die
internen Komponenten des Gasturbinentriebwerks 10 und
sieht eine gesteuerte Wärmeableitungsrate zwischen der
Scheibe 52 und der Schaufeln 74 entlang der gesamten
Länge des axialen Kühlhohlraums 90 vor. Darüber hinaus sehen
die Hauptvorteile des verbesserten Turbinenkühlsystems
eine wirkungsvollere Verwendung der Kühlluft vor, die aus
dem Kompressorabschnitt 20 abgeleitet wird, sie steigern
die Komponentenlebensdauer und den Wirkungsgrad des
Triebwerkes und stellen sicher, daß der Hauptteil der
komprimierten Luft für den Haupttriebwerksgasstrom
übrigbleibt.