DE1210254B

DE1210254B - Gasturbinentriebwerk mit gekuehlten Turbinen-laufschaufeln

Info

Publication number: DE1210254B
Application number: DER34747A
Authority: DE
Inventors: Harry Hartley Malley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1962-03-26
Filing date: 1963-03-21
Publication date: 1966-02-03

Description

Gasturbinentriebwerk mit gekühlten Turbinenlaufschaufeln Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk, dessen im Inneren der Turbinenschaufeln angeordnete Kühlluftkanäle durch die in der Arbeitsmittelströmung unmittelbar stromaufwärtigen hohlen Leitschaufeln hindurch von der Kühlluftquelle versorgt werden.
Bei einer bekannten Kühleinrichtung dieser Art für Gasturbinen wird das Kühlmittel von einem das Turbinengehäuse umgebenden Ringraum in Parallelströmen durch hohl ausgebildete Leitschaufelreihen radial nach innen in die Räume zwischen den Laufrädern und den Leitschaufelträgern geführt. Beim Durchtritt durch die hohlen Leitschaufeln wird hierbei jedoch unvermeidlich das Kühlmittel auf Temperaturen erwärmt, die eine wirksame nachfolgende Kühlung der Laufschaufeln ausschließen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist ein Gasturbinentriebwerk der eingangs genannten Bauart gemäß der Erfindung in der Weise ausgebildet, daß die Külluftversorgung durch einen Teil der die Leitschaufeln jeweils in einem von der Leitschaufelhülse unter Bildung eines Zwischenraumes allseits beabstandeten Kanal durchströmenden Kühlluftmenge geschieht, deren anderer Teil aus dem Kanal in den Zwischenraum und von da in die Arbeitsmittelströmung austritt. Der Kanal, beispielsweise ein radial durch die Leitschaufel geführtes Rohr, ist durch den Zwischenraum thermisch gegenüber der heißen Leitschaufelhülse isoliert, so daß die Temperatur der durch dieses Rohr fließenden Kühlluft nur unbeträchtlich erhöht wird. Diese thermische Isolation bleibt auch während des Betriebes erhalten, weil die die thermische Isolation bewirkende Luft in dem Zwischenraum ständig durch Kühlluft ergänzt wird, die durch den Leitschaufelkühlkanal zugeführt wird.
Es sind zwar bereits Leitschaufeln bei Gasturbinentriebwerken bekannt, in denen ein von der Leitschaufelhülse unter Bildung eines Zwischenraumes allseitig beabstandeter Kanal für die Kühlluftführung angeordnet ist, aus dem die Kühlluft in den Zwischenraum und von da in die Arbeitsmittelströmung austritt. Bei dieser bekannten Anordnung wird jedoch die gesamte über den Kanal zugeführte Luft aus Öffnungen an der Schaufelhinterkante zwecks Kühlung dieser Schaufelenden ausgeblasen und kann demgemäß für die Kühlung der nachfolgenden Laufschaufelkränze nicht wirksam werden. -Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung begrenzt das radial innere Ende der Leitschaufelreihe zusammen mit dem Turbinenrotor einen Abschnitt einer Ringkammer, über die die Leitschäufelkühlkanäle und die Laufschaufelkühlkanäle miteinander in Verbindung stehen. Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Laufschaufelkühlkanäle in an sich bekannter Weise am radial äußeren Schaufelende offen. Da die beiden zuletzt genannten Merkmale an sich bekannt sind, wird hierfür nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch Schutz begehrt.
Zur Verteilung der Kühlluft sowohl vor Eintritt in den Leitschaufelkranz als auch nach Verlassen desselben stehen die Kühlkanäle der Leitschaufelreihe jeweils an ihrem radial inneren und äußeren Ende mit einer gemeinsamen inneren Ringleitung bzw. einer gemeinsamen äußeren Ringleitung in Verbindung. Die innere Ringleitung weist dabei in an sich bekannter Weise Ausströmöffnungen auf, die die hindurchströmende Kühlluft in die Laufschaufelkühlkanäle richten.
Als Kühlluftquelle wird vorzugsweise der Kompressor des Triebwerks benutzt, wie dies ebenfalls an sich bekannt ist.
Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungs= Beispiel der Erfindung, das im folgenden beschrieben wird. Es zeigt F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten Gasturbi-_ -nenstrahltriebwerks, F i g. 2 in größerem Maßstab einen Axialschnitt des Triebwerks im Bereich der Hochdruckturbine.
Das Gasturbinenstrahltriebwerk gemäß F i g. 1 besteht in üblicher Weise aus einem nicht im einzelnen dargestellten Niederdruckkompressor 5, einem Hochdruckkompressor 6, einer Verbrennungsanlage 7, einer Hochdruckturbine 8 und einer Niederdruckturbine 9, die hintereinander in einer ringförmigen Hauptgasleitunb 10 des Triebwerks angeordnet sind. Der Niederdruckkompressor 5 und die Niederdruckturbine 9 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 11 und der Hochdruckkompressor 6 und die Hochdruckturbine 8 werden von einer die Welle 11 umgebenden Hohlwelle 12 getragen.
Die Hochdruckturbine 8 weist zwei Stufen, nämlich den Turbinenrotor 14 und den Turbinenrotor 15, auf, zwischen denen ortsfest Leitschaufeln 17 angeordnet sind, die am radial äußeren Ende am äußeren Gehäuse 18 .der Leitung 10 befestigt sind. Die Leitschaufel 17 ist hohl ausgebildet und die Leitschaufelhülse, deren Vorderkante mit 20 und deren Hinterkante mit 21 bezeichnet ist" umgibt unter Belassung eines Zwischenraumes ein Rohr 22, das den Leitschaufelkühlkanal bildet. Dieses Rohr 22 weist in den Zwischenraum 23 mündende öffnungen 25 auf und in der Nähe der Schaufelhinterkante 21 sind schräg gerichtete Kühlluftaustrittsöffnungen 27 ausgebildet, durch die ein Teil der Kühlluft in den Hauptkanal l0 austritt.
Das Gehäuse 18 ist unter Belassung einer äußeren Ringleitung 31 von einem äußeren Ringgehäuse 30 umschlossen. Diese äußere Ringleitung 31 steht über ein Rohrstück 32 mit dem Leitschaufelkühl anal 22 in Verbindung. Die äußere Ringleitung 31 wird, wie in F i g. 1 schematisch dargestellt, über ein Rohr 34 vom Kompressor 6 mit Kühlluft gespeist.
Eine innere Ringleitung 38 ist zwischen zwei ringförmig verlaufenden Bauteilen 36, 37 am radial inneren Ende der Leitschaufeln 17 ausgebildet. Diese innere Ringleitung 38 steht über ein Rohrstück 39 mit dem Leitschaufelkühlkanal22 in Verbindung.
Zwischen dem ringförmigen Bauteil 37 und einem die Turbinenrotoren 14, 15 verbindenden Wellenabschnitt 41 liegt eine Labyrinthdichtung 42. Eine weitere Ringkammer 44 wird stromoberseitig und radial innen durch Abschnitte 'der ringförmigen Bauteile 36, 37, stromunterseitig durch die Vorderfläche 50 des Schaufelfußes 51 und radial außen durch Ringschultern 46 bzw. 47 von Leitschaufelkram bzw. Turbinenrotor 15 begrenzt. Die Schaufeln 48 des Turbinenrotors 15 besitzen je einen sich in Radialrichtung erstreckenden Laufschaufelkühlkanal49, der über eine Öffnung in der Vorderfläche 50 der Schaufelwurzel 51 mit der kingkammer 44 in Verbindung steht.
Die innere Ringleitung 38 steht mit der Ringkammer 44 über Öffnungen 54 in Verbindung, die auf dem gleichen Radius liegen, wie die nach den Leitschaufelkühlkanälen führenden Öffnungen der Vorderfläche 50 des Schaufelfußes. Die Öffnungen 54 stehen demgemäß den Öffnungen im Schaufelfuß gegenüber.
in F i g. 2 ist strichliert eine weitere Ausgestaltung angedeutet. Danach ist an dem ringförmigen Bauteil 36 vor den Öffnungen 54 ein weiterer ringförmiger Bauteil 55 angebracht, der stromunterseitig mit Auslaßöffnungen 57 ausgestattet ist, deren Äehsen gegenüber der Triebwerksachse geneigt sind, um die durch die Öffnungen, strömende Luft ohne wesentliche Druckverluste infolge der Rotation des Turbinenläufers in die Einlaßöffnungen der Laufschaufelkühlkanäle 491 zu leiten.
Während - des Betriebes wird Druckluft vom Kompressor 6 über die Rohrleitung 34 abgezapft und der äußeren Ringleitung 31 zugeführt. Von dieser äußeren Ringleitung 31 wird die Kühlluft über die Rohre 32 radial nach innen und nach den Leitschaufelkühlkanälen 22 geleitet. Aus diesen Kanälen tritt die Kühlluft zum Teil über die Öffnungen 25 in den Zwischenraum 23 innerhalb der Leitschaufelhülse ein und über die Bohrungen an der Schaufelhinterkante in den Hauptgaskanal unter Kühlung dieser Hinterkante aus. Der Rest der Kühlluft gelangt aus den Leitschaufelkühlkanälen 22 über die Rohrstücke 39 in die innere Ringleitung 38 und aus dieser über die Öffnungen 54 entweder unmittelbar in die Ringkammer 44 oder über die in dem weiteren Ringbauteil SS vorgesehenen Öffnungen 57.
Aus der Ringkammer 44 gelangt die Kühlluft in die Laufschaufelkühlkanäle 49 und kühlt die Laufschaufeln 48.
Die Luft in dem Zwischenraum 23 bildet eine Wärmeisolation für .das Rohr 22, so daß nur ein geringer Wärmeanteil von der Leitschaufelhülse nach innen abströmt und die dem Laufsehaufelkühlkanal49 zugeführte Luft sehr kühl ist. Die Leitschaufelkühlkanäle 22 können in beliebiger Weise ausgebildet sein, um die Kühlung der Schaufeln mit der angestrebten Temperaturverteilung zu erreichen. Das Rohr 34 kann mit einem Absperrventil ausgestattet sein, das beispielsweise automatisch derart arbeitet, daß die Schaufeln nur dann gekühlt werden, wenn ihre Temperatur eine bestimmte Höhe erreicht oder überschritten hat. ' Es kann ferner in der Rohrleitung 34 ein Wärmeaustauscher vorgesehen sein, um die vom Kompressor abgezapfte Luft zu kühlen.

Claims

Patentanspräche: 1. Gasturbinentriebwerk, dessen im Innern der Turbinenschaufeln angeordnete Kühlluftkanäle durch die in der Arbeitsmittelströmung unmittelbar stromaufwertigen hohlen Leitschaufeln hindurch von der Kühlluftquelle versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftversorgung durch einen Teil der die Leitschaufeln (17) jeweils in einem von der Leitschaufelhülse unter Bildung eines Zwischenraumes (23) allseits beabstandeten Kanal (22) durchströmenden Kühlluftmenge geschieht, deren anderer Teil aus dem Kanal (22) in den Zwischenraum (23) und von da in die Arbeitsmittelströmung austritt.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das radial innere Ende der Leitschaufelreihe zusammen mit dem Turbinenrotor (15) einen Abschnitt einer Ringkammer (44) begrenzt, über die die Leitschaufelkühlkanäle (22) und die Laufschaufelkühlkanäle (49) miteinander in Verbindung stehen.
3. Triebwerk nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufelkühlkanäle (49) am radial äußeren Schaufelende offen sind.
4. Triebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (22) der Leitschaufelreihe (17) jeweils an ihrem radial inneren und äußeren Ende mit einer gemeinsamen inneren Ringleitung (38) bzw. einer äußeren Ringleitung (31) in Verbindung stehen.
5. Triebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Ringleitung (38) Ausströmöffinungen (54 bzw. 57) aufweist, die die hindurchströmende Kühlluft in die Laufschaufelkühlkanäle (49) richten.
6. Triebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftquelle der Kompressor (6) des Triebwerks ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1106 557, 1080 352, 1043 718; französische Patentschrift Nr. 1021265; britische Patentschriften Nr. 884 409, 800 602.