DE102008029528A1

DE102008029528A1 - Vorrichtung zur Gasführung zwischen Rotorscheiben eines Verdichters

Info

Publication number: DE102008029528A1
Application number: DE102008029528A
Authority: DE
Inventors: Susanne Pösl; Jürgen Dr. Kraus; Hans Zimmermann
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-06-21
Filing date: 2008-06-21
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Offenbart wird eine Vorrichtung zur Gasführung zwischen Rotorscheiben eines Verdichters von einem radial äußeren Raum zu einem radial inneren Raum. Bevorzugt wird die Vorrichtung für Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, eingesetzt, bei denen Luft aus dem Verdichter entnommen und dem Wellenraum zugeführt werden soll. Gemäß der Erfindung wird Gas über eine Durchführung aus dem radial äußeren Raum in einen radial inneren Raum eingeleitet und dort mittels eines Leitapparates weiter nach innen geführt. Erfindungsgemäß weist der Leitapparat mindestens zwei vorstehende Leitelemente auf, die an gegenüberliegenden Positionen der beiden benachbarten Rotorscheiben vorgesehen sind und so bemessen sind, dass zwischen diesen ein vorbestimmter Spalt verbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasführung zwischen Rotorscheiben eines Verdichters. Bei Turbinen, z. B. Flugtriebwerken, kann es erwünscht sein, aus einem äußeren Bereich der Turbine Gas radial nach innen in einen inneren Bereich oder Raum zu leiten. Im Falle einer Gasturbine, z. B. eines Flugzeugtriebswerks, kann es wünschenswert sein, Kühlluft aus dem Verdichter zu entnehmen und diese zwischen den Rotorscheiben zum Wellenraum hin zu leiten, von wo sie radial zu den Turbinenscheiben strömt, um deren Temperaturgradienten positiv zu beeinflussen. Die Luft benötigt dabei einen bestimmten Mindestdruck, um die Verluste auf dem Weg zu den Turbinenscheiben zu überwinden. Große Druckverluste treten dabei vor allem in dem rotierenden Raum zwischen den Verdichterscheiben auf, da die Luft in Umfangsrichtung beschleunigt wird und somit anfängt zu rotieren, wodurch sich ein freier Wirbel bildet, der einen entsprechend hohen Druckverlust mit sich bringt.
Um die Ausbildung derartiger freier Wirbel in dem genannten Raum zu verhindern, wurden im Stand der Technik kranzförmig angeordnete Röhren vorgesehen, die vom Ringraum bis kurz vor den Wellenraum reichen. Derartige Anordnungen sind aus den Dokumenten US 3 398 881 , US 2003/0101730 und US 6 648 592 bekannt.
Eine weitere Lösung findet sich im Dokument GB 2 207 465 , in dem vorgeschlagen wird, mittels Flügeln bzw. Leitelemente, die integral an den Rotorscheiben vorgesehen sind, die Strömung zu beeinflussen und die Ausbildung von Wirbeln zu vermindern. Die hier vorgesehenen Leitelemente erstrecken sich in radialer Richtung über einen großen Bereich des Ringraums. In axialer Richtung weisen die Leitelemente dage gen nur eine relativ geringe Erstreckung auf, die nicht über die axiale Erstreckung der Scheibennabe hinausgeht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gasführung zwischen Rotorscheiben eines Verdichters von einem radial äußeren Raum zu einem radial inneren Raum zu schaffen, die in wirkungsvoller Weise die Ausbildung von freien Wirbeln verhindert und den Druckverlust im Strömungsweg wirksam reduziert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß Anspruch 1 weist die Vorrichtung in einem radial innen liegenden Raum einen Leitapparat auf, der mindestens zwei vorstehende Leitelemente aufweist, die an gegenüberliegenden Positionen der beiden benachbarten Rotorscheiben vorgesehen sind und so bemessen sind, dass zwischen diesen ein vorbestimmter Spalt verbleibt. Durch das Vorsehen zweier gegenüberliegender Leitelemente an gegenüberliegenden Rotorscheiben, die so bemessen sind, dass zwischen diesen nur ein bestimmter relativ kleiner Spalt verbleibt, wird die Ausbildung freier Wirbel wirksam verhindert. Das nach innen strömende Gas wird sehr weitgehend durch die gegenüberliegenden Leitelemente kanalisiert und die Ausbildung freier Wirbel behindert. Entsprechend stellt sich auf dem Weg der Gasführung in radialer Richtung gesehen von außen nach innen nur ein relativ geringer Druckverlust ein, der bspw. bei einer Gasturbine gewährleistet, dass Kühlluft aus dem Verdichter hinreichend in geeigneter Weise zu den Turbinenscheiben strömen kann, um deren Temperatur gradienten positiv zu beeinflussen.
Vorteilhaft sind die Leitelemente so gestaltet, dass sich der Spalt exakt in radialer Richtung erstreckt. Es ist jedoch auch eine abweichende Gestaltung möglich, so dass sich der Spalt zur radialen Richtung geneigt erstreckt. Eine derartige Gestaltung kann Vorteile bei der Luftführung haben, bringt im Allgemeinen jedoch eine erhöhte Wirbelbildung mit sich.
Bei den meisten Anwendungen hat sich eine Spaltbreite von maximal 30%, bevorzugt jedoch unter 20%, der Kavitätsbreite zwischen den Rotorscheiben bewährt. Als Kavitätsbreite wird die Breite des sich zwischen den Rotorscheiben ergebenden Ringraums verstanden. Diese Breite kann über die radiale Erstreckung, insbesondere im Bereich der Scheibennaben, variieren. In diesem Fall sollte die Spaltbreite so bemessen sein, dass die genannte Bedingung im mittleren Bereich des Ringraums erfüllt wird.
Zweckmäßig sind an den Rotorscheiben mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Leitelemente vorgesehen, so dass sich zwischen diesen Leitelemente Kanäle ausbilden, in denen die Strömung weitgehend wirbelfrei nach innen geleitet werden kann.
Die Leitelemente können eine unterschiedliche Länge aufweisen, wie auch der Querschnitt der Leitelemente unterschiedlich gestaltet sein kann. Dabei können auch einzelne Leitelemente über ihren Querschnitt unterschiedliche Gestaltung aufweisen, sich bspw. zum Leitelementende hin verjüngen.
Gegenüberliegende Leitelemente können unterschiedlich gestaltet sein, insbesondere um gewünschte Spaltformen, die von einer in radialen Richtungen parallelen Orientierung abweichen, zu realisieren. Selbstverständlich können die eingesetzten Leitelemente auch eine identische Geometrie aufweisen. Welche Gestaltung zu bevorzugen ist, hängt grundsätzlich vom Einsatzgebiet ab und ist ggf. durch Versuche zu klären, um das optimale Strömungsverhalten des zu führenden Gases im Hinblick auf eine möglichst laminare und möglichst wirbelfreie Strömung zu erzielen.
Die Anzahl der an einer Rotorscheibe vorgesehenen Leitelemente hängt in großem Umfang von der Größe der Rotorscheiben und der sich zwischen diesen ausbildenden Ringräumen ab. Im Allgemeinen haben sich Anordnungen mit vier bis siebzehn Leitelemente pro Rotorscheibe, die in gleichmäßigem Abstand über den Umfang verteilt sind, bewährt. Zweckmä ßig sind die Leitelemente radial innen von der Scheibennabe abgesetzt. Ebenso hat sich ein Absetzen der Leitelemente radial außen von der Rotorscheibe nach innen bewährt. Vorteilhaft sind die Leitelemente am Übergang zur Rotorscheibe verrundet, wobei Verrundungsradien zwischen 0,5 und 5 mm gute Ergebnisse zeigen, um eine möglichst spannungsfreie Konstruktion zu ermöglichen.
Hinsichtlich der Gestaltung der Leitelemente hat sich ein Verhältnis der Länge der Leitelemente in radialer Richtung zu ihrer Höhe als Erstreckung in axialer Richtung von etwa 1 bis 3 bewährt. Die Höhe der Leitelemente zu ihrer Breite sollte ein Verhältnis von etwa 8 bis 15 betragen. Hinsichtlich der Querschnittsgestaltung der Leitelemente können je nach Gas und Gasströmungsgeschwindigkeit unterschiedliche Gestaltungen vorteilhaft sein, um das Entstehen freier Wirbel zu unterdrücken. Hinsichtlich vorteilhafter Gestaltungen haben sich je nach Einsatzzweck Leitelemente mit einer nicht konstanten Wandstärke, insbesondere einer Verjüngung zur Spitze hin, bewährt. Weiterhin können gute Ergebnisse mit einer Verdickung im mittleren Bereich erzielt werden.
Auch Leitelementgeometrien mit einer an ihrem radial äußeren Ende vorgesehenen Aussparung in Form einer Abflachung oder Abrundung können vorteilhaft im Sinne der Herstellbarkeit sein.
Vorteilhaft erstrecken sich die Leitelemente in axialer Richtung über die axiale Erstreckung der Nabe der Rotorscheibe hinaus, so dass zwischen diesen tatsächlich nur ein sehr geringer axialer Spalt verbleibt.
Die Leitelemente können integral mit der Rotorscheibe hergestellt sein oder als separate Elemente mit diesen fest verbunden werden. Die beanspruchte Vorrichtung ist sowohl für konventionelle mit eingesteckten Leitelemente versehene als auch für integral beschaufelte Scheiben an (IBRs bzw. Blisks) geeignet. Die Leitelemente können aus geschmiedetem Material bestehen. Die endgültige Form der Leitelemente kann mittels eines materialabtragenden Verfahrens, vorzugsweise mittels Fräsen oder durch elektrochemisches Präzisionsbearbeiten (PECM) oder einer Kombination aus beidem, hergestellt werden.
Die Erfindung wird folgend näher anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Gasführung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Querschnitt durch die Rotorscheiben.
2 zeigt eine Variante als zweites Ausführungsbeispiel.
3 zeigt die Leitelemente der Vorrichtung an der Rotorscheibe in der Draufsicht.
4 zeigt eine Variante gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
5 zeigt ein Leitelement in dreidimensionaler Darstellung.
6 zeigt ein Leitelement im Querschnitt und
7 zeigt eine Variante eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In 1 ist ein Abschnittsbereich zweier gegenüberliegender Rotorscheiben eines Turbinentriebwerks dargestellt. Im radial äußeren Bereich der Rotorscheiben 1 befindet sich der Verdichterbereich 2, in dem die einströmende Luft zur Verbrennung verdichtet wird. Um Luft zu Kühlzwecken in den radial inneren Bereich der Rotorscheiben 1 abzuleiten, ist in einem der Rotoren eine Durchführung 3 vorgesehen. Das Vorsehen entsprechender Bohrungen oder Durchtrittsöffnungen, um komprimierte Luft aus dem Verdichter ins Innere des Triebwerks zu leiten, ist aus der GB 2 207 465 bekannt und dort weiter beschrieben. Derartige Gestaltungen können auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden.
Durch die beschriebene Durchführung 3 tritt komprimierte Luft aus dem Verdichter in den Ringraum 4 zwischen den benachbarten Rotorscheiben 1 ein. Zur Vermeidung von Wirbeln in diesem Ringraum 4 sind im mittleren Bereich des Ringraums 4 Leitelemente 7 an den gegenüberliegenden Rotorscheiben 1 vorgesehen. Beide Leitelemente 7 stehen von den Rotorscheiben 1 in axialer Richtung des Triebwerks nach innen in den Innenraum vor und sind so bemessen, dass lediglich ein in radialer Richtung ausgebildeter Spalt 5 zwischen diesen verbleibt. Diese Leitelemente 7 bilden den eigentlichen Leitapparat zur Leitung der Luftströmung vom Verdichterbereich 2 in den radial inneren Bereich des Triebwerks. Die Luft strömt durch die durch die Leitelemente 7 gebildeten Kanäle radial nach innen in den inneren Bereich 6 des sich zwischen den Rotorscheiben 1 befindenden Raums.
Die Leitelemente 7, die über den Umfang der Rotorscheiben 1, wie gut aus 3 zu ersehen, verteilt und beabstandet angeordnet sind, bilden somit sich radial nach innen verengende Kanäle, die Wirbelbildung und Druckverlust der durchströmenden Luft vermindern.
Wie gut aus 1 zu ersehen, sind die Übergänge der Leitelemente 7 zum Hauptkörper der Rotorscheiben 1 verrundet ausgeführt, so dass aufgrund der abgerundeten Bereiche 8 hohe Spannungen vermieden werden.
2 zeigt eine Variante eines zweiten Ausführungsbeispiels, bei der die gegenüberliegenden Leitelemente 7 nicht identisch ausgebildet sind, sondern bei der das in der Zeichenebene rechte Leitelement 7b an seiner radial äußeren Ecke mit einer Abflachung 9 versehen ist. Hierdurch erhält der Spalt 5 im oberen Bereich eine trichterartige Gestalt, die vorteilhaft im Sinne der Herstellbarkeit sein kann.
4 zeigt weiterhin eine Variante in der Draufsicht auf die Rotorscheibe 1, bei der unterschiedlich lange Leitelemente 7a und 7c zum Einsatz kommen. Hierdurch wird der durch die nebeneinander angeordneten Leitelemente sich ergebende Kanal für die durchströmende Luft im Eintrittsbereich, also dem radial äußeren Bereich der Rotorscheiben 1, offener gestaltet, was bei bestimmten Anwendungen strömungstechnische Vorteile hat.
5 zeigt ein Leitelement in dreidimensionaler Darstellung. Mit Länge L wird dabei die Länge des Leitelements in radialer Richtung der Rotorscheiben 1 bezeichnet, mit Höhe H die axiale Erstreckung von der Fläche der Rotorscheibe 1 weg in den Ringraum 4 hinein und mit der Breite B die Breite des Leitelements, die auch als Stärke des Leitelements bezeichnet werden kann. Gut zu ersehen ist aus dieser Figur weiterhin die Verrundung 10 des Leitelements, die auch hinsichtlich des Übergangs von der eigentlichen Leitelementfläche in die Oberfläche der Rotorscheibe 1 einen kontinuierlichen Übergang gewährleistet, um Spannungen so weit wie möglich zu reduzieren.
6 zeigt das Leitelement gemäß 5 im Querschnitt. 7 zeigt eine Variante mit sich zum in axialer Richtung befindlichen Leitelementende hin verjüngenden Querschnitt, was schwingungstechnische Vorteile haben kann, fertigungstechnisch jedoch mit höherem Aufwand verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 3398881 [0002]
- US 2003/0101730 [0002]
- US 6648592 [0002]
- GB 2207465 [0003, 0024]

Claims

Vorrichtung zur Gasführung zwischen Rotorscheiben (1) eines Verdichters von einem radial äußeren Raum (2) zu einem radial inneren Raum (6), wobei das Gas über eine Durchführung (3) aus dem radial äußeren Raum (2) in einen radial weiter innen liegenden Raum eindringt und dort mittels eines Leitapparates weiter nach innen geleitet wird, der zumindest an einer Rotorscheibe (1) vorgesehen ist und zumindest ein vorstehendes Leitelement (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat mit mindestens zwei vorstehenden Leitelemente (7) versehen ist, die an gegenüberliegenden Positionen der beiden benachbarten Rotorscheiben (1) vorgesehen sind und so bemessen sind, dass zwischen diesen ein vorbestimmter Spalt (5) verbleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) so gestaltet sind, dass sich der Spalt (5) exakt in radialer Richtung erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) so gestaltet und bemessen sind, dass der Spalt (5) eine Breite von maximal 30%, bevorzugt unter 20% der Kavitätsbreite zwischen den Rotorscheiben (1) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Rotorscheibe (1) mehrere beabstandete Leitelemente (7) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich gestaltete Leitelemente (7) gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) eine identische Geometrie aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Rotorscheibe (1) vier oder mehr Leitelemente (7) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Rotorscheibe (1) bis zu siebzehn Leitelemente (7) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) radial innen von der Scheibennabe abgesetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) radial außen von der Rotorscheibe (1) abgesetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) am Übergang zur Rotorscheibe (1) verrundet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verrundungsradius zwischen 0,5 und 5 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Leitelemente (7) zu ihrer Höhe ein Verhältnis von etwa 1 bis 3 bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, dass die Höhe der Leitelemente (7) zu ihrer Breite ein Verhältnis von etwa 8 bis 15 bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) eine nicht konstante Wandstärke aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) eine Verdickung der mittleren Breite aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) eine Verjüngung zur Spitze hin aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze der Leitelemente (7) verrundet ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) an ihren radial äußeren Enden eine Aussparung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (7) aus geschmiedetem Material gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültige Form der Leitelemente (7) mittels eines materialabtragenden Verfahrens geschaffen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der Leitelemente (7) über die axiale Erstreckung der Nabe der Rotorscheibe (1) hinaus geht.