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Turbinenrotoraufbau Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen
des Turbinenrotoraufbaus und insbesondere auf verbesserte Einrichtungen zur Kühlung
der Turbinenschaufeln.
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Bei der gegenwärtigen Auslegung von Gasturbinentriebwerken wird die
Verwendung von extrem hohen Betriebstemperaturen berücksichtigt, um den geforderten
Leistungsbedarf zu befriedigen, wie: es bei Flugzeugen 'der Fall st,'- wobei eine
geringe Brennstoffverbrauchsrate und/oder -ein -hohes .Verhältnis -von Schub zu
Gewicht die wesentlichen Faktoren sind. Dies hät-nicht nur `zur Entwicklung von
Metallegierungen geführt, die derart extremen Temperaturen widerstehen können, sondern
ferner auch zur Verwenrng ei-
ner Luftkühlung zur Tierabsetzung: der Tempe-raturen..der Tur-
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binenrotorschaufeln, damit diese eine annehmbare Betriebs- |
lebensdauer.erhalten, wenn sie derart hohen.Temperaturen --- |
ausgesetzt sind; Diese Kühlung der Ttxrbinenschaute-ln- ist
v.,on.. -, |
groseer Bedeutung und wenn die Kühlungskapazität nur-gering-- |
vermindert:.wird,: kann dies zu einer Zerstörung der Turbinen-
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schaufeln durch: -Überhitzung führen, -- |
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine der Hauptursachen. |
der Unwirksamkeit der Kühlung auszuschalten und insbesondere |
Einrichtungen zu schaffen, um-die Möglichkeit,zu verhindern.. |
oder wenigstens auf ein Minimum herabzusetzen, dass sich Schmutz |
oder andere Fremdstoffteilchen in Kühlkanälen sammeln und=diese |
Verstopfung, welche in Turbinenschaufeln als Kühleinrichtungen |
vorgesehen-sind, . so dass-das Volumen der Kühlluftströmung
und |
deshalb auch der Wärmeübertragungskoeffizient dieser Kanäle |
für grosse-Zeitperioden unter den meisten, wenn nicht sogar |
unter allen Betriebsbedingungen, konstant gehalten; werden
kann. |
Die kritische. Natur dieser Parameter ergibt sich aus der Tat- |
lache, dass.diese Kühlkanäle-oft*einen.Durchmesser von
0,10 Z.11 |
oder sogar-noch-weniger-haben.- |
Den - - |
vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen., dass das Pro- |
blem der Überhitiung von Turbinenschaufeln in grossem Ausmass |
dadureh-gelöst-wurde, dass Einrichtungen vorgesehen sind,'um Druckkühlluft
durch langgestreckte radiale Kanäle in den Schaufeln selbst hindurchzuleiten. Diese
Kühlluft wird dem Axial-Strömungskompressor entnommen, der üblicherweise einen Teil
derartiger Triebwerke bildet. Obwohl sehr häufig Einrichtungen vorgesehen werden,
mit denen grössere Schmutzteilchen oder Flüssigkeit oder andere feste Fremdstoffteilchen
aus der in den Kompressor eintretenden Luft herausgefiltert werden, verbleiben dennoch
kleinere Teilchen in der Kühlluft und zwar auch dann, wenn sich diese Kühlluft bereits
eine beträchtliche Strecke vom Kompressor zur Turbine hin bewegt hat. Es besteht
aber auch die Möglichkeit, dass Schmutzteilchen,-die aus dem Triebwerk selbst stammen,
von der Kühlluft mitgeführt werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass sogar
Teilchen mit einer Grösse in der Grössenordnung eines Mikrons sehr schnell die Luftströmung
und den Wärmeübertragungskoeffizienten derartiger Bohrung herabsetzen können und
dies kann in vielen Fällen zu kritischen tberhitzungen führen.
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Gemäss der Erfindung ist ein Vielstufen-Turbinenrotor vorgesehen,
der ein erstes und zweites Rotorrad aufweist, welche axial voneinander getrennt
sind, wobei diese Rotorräder an ihren Umfängen Turbinenschaufeln tragen und wobei
die Turbinenschaufeln des ersten Rotorrades radiale Kühlungsbohrungen
aufweisen
und wobei eine Kammer zwischen den Rädern vorgesehen ist, die ein Ritzeschild aufweist,welches
sich zwischen den Rädern in der Nähe der Umfänge der Räder erstreckt und wobei die
Kammer Öffnungen aufweist, damit Druckluft in die Kammer eingeleitet werden kann
und wobei ein Kanal von der Kammer zu den Bohrungen der Schaufeln vorgesehen ist
und wobei der Eingang zum Kanal im radialen Abstand innerhalb des benachbarten Abschnittes
des Hitzeschildes vorgesehen ist, so dass der Schmutz, der mit der Luft in die Kammer
eingeführt wird, zum Eingang zum Kanal hingezogen wird und gegen den Ritzeschild
abgesetzt wird, wobei sich das Hitzeschild im radialen Abstand ausserhalb vom-Kanaleintritt
befindet. Zusätzlich kann dieser Kanal eine ringförmige Kammer aufweisen, die teilweise
im Abstand radial ausserhalb des Eintrittes zu den Kühlungsbohrungen angeordnet
ist, wobei der Kanal eine gewundene Bahn durch die Kammer begrenzt, so dass feine
Schmutzteilchen durch die Zentrifugalkraftim auswärts angeordneten Abschnitt der
ringförmigen Kammer abgelagert werden.
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Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung
erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Turbinenrotors,
der erfindungsgemäss ausgebildet ist,
Fig. 2. eine Längsschnittansicht
im vergrösserten Mass.- -stab eines Turbinenrotors und einer Schaufelwurzel, wobei
die Kühlkanäle in der Turbinenschaufel dargestellt sind, Fig. 3 eine Schnittansicht
in vergrössertem Masstab,-genommen längs der Linie III-III der Fig. 1 und -Fig.
4 eine perspektivische Ansicht des Turbinenrotors, wobei Teile im Schnitt dargestellt
sind.
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Es sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Der Turbinenrotör weist ein erstes
Turbinenrad 10 auf, welches an einer nicht darge-@ stellten welle eines Gasturbinentriebwerkes
befestigt ist., Ein zweites Rotorrad 12 ist mittels eines geflanschten Ringes 14
und mittels Schraubenbolzen 16 und 18 am ersten Rotorrad montiert. Die Schraubenbolzen
16 halten weiterhin eine Luftdichtung 19. Die Turbinenschaufeln 2U sind im Abstand
voneinander um den Umfang des Rades 10 herum montiert und die Turbinenschaufeln
22 sind im Abstand voneinander um den Umfang des Turbinenrades 12 herum montiert.
Der beschriebene Turbinenrotor ist ein zweistufiger Turbinenrotor, wobei die Verbrennungsgase
zuerst die Schaufeln 20 antreiben und dann durch einen Leitkranz 24 hindurchgehen,
und danach die Schaufeln
22 der zweiten Stufe antreiben. Ein Hitzeschild
25 ist.-vorgesehen, welches die Strömung der Verbrennungsgase vonder ersten zur
zweiten Stufe leitet.
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Die Verbrennungsgase, die durch die Schaufeln 20 hindurchgehen, haben
extrem hohe Temperaturen, während die Verbrennungsgase, die durch den Leitkranz
24 und die Schaufeln 22 der zweiten Stufe hindurchgehen, geringere Temperaturen
aufweisen und zwar wegen der Energie, die den Gasen beim Antrieb der ersten Stufe
entnommen wurde. Die Schaufeln der ersten Stufe und manchmal auch die Schaufeln
der zweiten Stufe einer mehrstufigen Turbine sind deshalb üblicherweise die einzigen
Teile, die eine Kühlung benötigen; um eine Überhitzung zu vermeiden.
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Jede der Schaufein 20 (Fig. 4) weist-an der Basis eine Platte 26 und
eine gewellte Wurzel 28 auf. Diese Wurzel wird von einem entsprechend geformten
Schlitz 30 im Rotorrad 10 aufgenommen. Ein Einspannring 32 und ein Einspannflansch
34, der integral mit dem Hitzeschild 25 ausgebildet ist, sind an beiden Seiten des
Rades 10 mittels Bolzen 36 befestigt! die sich durch Verlängerung der Schlitze 30
im Abstand unterhalb der -Wurzeln 28 hindurcherstrecken, um die Schaufeln am Turbinenrad
zu befestigen. Die Schaufeln 22 sind in gleicher Weise am Turbinenrad 12 befestigt-.
Jede Schaufel 22 weist eine gewellte
Wurzel 37 auf, die in einem
entsprechenden Schlitz sitzt, Der Ritzeschild 28 weist einen zweiten integralen
Flansch 39 auf, der in Kombination mit einem Einspannring 41, der mittels Bolzen
43 befestigt ist, die Schaufeln 22 hält.
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Jede der Schaufeln 20 weist eine Anzahl von in Längsrichtung sich
erstreckenden Bohrungen .38 auf, die radial zum Rad 10 verlaufen. Diese Bohrungen
haben einen relativ kleinen Durchmesser und erstrecken sich von der Wurzel 28 bis
zum anderen Ende der Schaufel. Kühlluft' die durch diese Bohrungen 38 hindurchgeleitet
wird, wird dem nicht dargestellten Kompressor des Gasturbinentriebwerkes entnommen
und wird zu einer Ringkammer 40 (Fig. i) geführt, von wo aus die Luft durch Bohrungen
42 in dem Rad 10 hindurchgeht und in eine Kammer 44 eintritt, die durch die Räder
10 und 12.und den Torsionsring 14 und dem Ritzeschild 25 begrenzt wird, Die Kammer
44 wird auf diese Weise mit Druckluft gespeist-und die Luft geht dann durch Bohrungen
46 (Fig. 4) im Flansch 34 hindurch und tritt dann in eine zweite Kammer 48 ein,
die durch eine Umfangsnut in der radialen Seite des Einspannringes 34 gebildet wird.
Es ist ein Spiel an der Basis jeder Wurzel 28 vorhanden, damit die Kühlluft aus
der Kammer 48 in die Bohrungen 38 gelangen kann,
Die Luft
und die in dieser enthaltenen Fremdstoffteilchen erhalten eine hohe Drehgeschwindigkeit,
wenn diese durch die Kammer 44 hindurchgeht. Dadurch wird eine Zentrifugalkraft
erzeugt, die bewirkt, dass die schweren Schmutzteilchen nach aussen gezogen werden
und zwar in den ausgesparten Abschnitt 50 (Fig. 2) des Hitzeschildes 25 hinein,
wobei sich dieser ausgesparte Abschnitt radial ausserhalb des Eintrittes zu den
Bohrungen 36 befindet. Dieser Aufbau dient in wirksamer Weise als Schmutzabscheider,
so dass die Luft, die durch die Bohrungen 46 hindurchgeht, im wesentlichen frei
von Schmutzteilchen ist, die sonst die Bohrungen 38 verstopfen könnten. Diese induzierte
Rotation der Kühlluft Wird in grossem Ausmass dadurch erhalten, dass diese Luft
durch die axial sich erstreckenden Bohrungen 42 hindurchgeleitet wird, wenn
diese Luft in die Kammer 44 gelangt. Es ist ebenfalls eine relativ geringe Strömungsrate
durch die Kammer 44 vorhanden, die weiterhin die induzierte Drehung der Kühlluft
erhöht.
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Obwohl die Schmutzabscheidung, die durch die beschriebene Ausbildung
des Hitzeschildes erzielt wird, sehr wirksam ist, sichert die Kammer 48 weiterhin,
dass die Luft, die in die Kühlbohrungen 38 eintritt, praktisch schmutzfrei ist.
Es sei bemerkt, dass, wie Fig. 4 zeigt, die Bohrungen 46 gegenüber den Wurzelaufnahmeschlitzen
30 seitlich versetzt sind. Luft,
die durch die Bohrungen 46 hindurch
in die Kammer 48 strömt, muss dann seitlich strömen und dann nach innen, um die
Basis der Wurzeln 28 und die Eintrittsöffnungen der Kühlbohrungen 38 zu erreichen.
Beim Strömen durch diese gewundene-Strömungsbahn wirkt die Zentrifugalkraft auf
jedes Schmutzteilchen ein, welches in der Luft verblieben ist-und diese Einwirkung
wird durch den gewundenen Bahn noch verstärkt und der Schmutz wird gegen die Aussenseite
der Kammer 48(Fig. 2) gedrückt und dort wird dieser Schmutz in einer Tasche gesammelt,
die im Abstand ausserhalb der Baäis der wurzeln 28-angeordnet ist. Diese zweite
Schmutzsammlung ist insbesondere wirksam, um Teilchen in der Grössenordnung von
Mikron auszuschalten und diese Ausschaltung ist erforderlich, um eine hohe Kühlwirkung
erzielen_zu könriene Es sei bemerkt, dass der Einspannring 32 und der Flansch 34
ringförmige Dichtungsflächen 52, 54 (Fig, 4) haben, die sich gegen das Rad 10 anlegen
und die über den Eingriffslinien der nach aussen weisenden Oberflächen der Wurzeln
28 und der ent-' sprechenden Oberflächen der Schlitze 30 liegen, wie es bei x dargestellt
ist. Wenn das Rad rotiert, werden diese Wurzeloberflächen durch die Zentrifugalkraft
in dichte Dichtungsanlage gegen die gegenüberliegenden Oberflächen der Schlitze
gezogen. Dadurch, dass die Dichtungsoberflächen 52, 54 an den Rädern in diesen
Bereichen anliegen, wird eine Leckströmung der Kühlluft wixksamerweise verhinderte