DE1814430A1

DE1814430A1 - Kuehlungs- und Abdichtanordnung fuer eine Gasturbinen-Rotorschaufel

Info

Publication number: DE1814430A1
Application number: DE19681814430
Authority: DE
Inventors: Carlstrom Lawrence Arthur; Farrell William Miller
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-12-21
Filing date: 1968-12-13
Publication date: 1969-07-24
Also published as: FR1599371A; GB1231450A; US3490852A; NL6817051A; CH494344A

Description

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Kühlungs- und Abdichianordnung für eine Gasturbinen-Rotorschaufel

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in KühlungsanOrdnungen für Turbomaschinen, insbesondere für die mit Schaufeln versehenen Rotoren derartiger Maschinen, wie z.B. Gasturbinen.

Bei Turbomaschinen, wie z.B. Gasturbinen, die für laufend steigende Betriebstemperaturen gebaut werden, erlangt die Kühlung kritischer Teile, insbesondere in dem Rotor, eine immer wichtiger werdende Bedeutung. Es sind verschiedene Projekte vorgeschlagen worden, um die gewünschte Kühlung der Rotor-Laufschaufein zu bewirken. Zu diesen Vorschlägen gehörte auch die Verwendung von Dampf, Luft und Wasser für diesen Zweck. Einer der Vorteile für die Verwendung von Luft liegt in der Tatsache, daß sie in einem Gasturbinenkreislauf leicht verfügbar ist. Ein Gasturbinenkompressor verbraucht jedoch einen großen Teil der Maschinenleistung und

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deshalb ist es wünschenswert, daß jede Verwendung dieser komprimierten Luft, sei es nun für die Verbrennung oder die Kühlung oder für irgendeinen anderen Zweck, in einem leckdichten System vorgenommen wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, für eine Gasturbinen-Rotorschaufel einen Weg für die Kühlluftströmung zu schaffen, der während des Betriebes praktisch leckdicht ist.

Kurz gesagt, wird die Aufgabe gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung durch eine Gasturbinenschaufel gelöst, die in ein Gasturbinenrad mit einer Luftkammer unter dem Schaufelansatz eingespundet ist. Die Zentrifugalkraft der Rotorschaufel erzeugt einen baulich bedingten abdichtenden Kontakt zwischen der Schaufel und den Schwalbenschwänzen des Rades. An einem Ende der Kühlkammer befindet sich ein Dichtstück, das auf ähnliche Weise durch die Zentrifugalkraft in einer abdichtenden Lage gehalten ist. Das andere Ende der Kammer ist durch eine Kühlstromplatte begrenzt, die in radialer Dichtstellung durch die Zentrifugalkraft und in axialer Dichtstellung durch ihre eigene Federwirkung oder durch die Zentrifugalkraft vorgespannt ist.

V/eitere Merkmale, Vorteile und Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung werden anhand,der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen einer erfindungsgemäßen Ausführungsform näher erläutert .

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teiles des.Gasturbinenrotors und zeigt die Zähne des Rades und die Schaufeln.

Fig. 2 zeigt einen axialen Schnitt der Rotorstufe nach Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Schnittes entlang der Linie III-III in Fig. 2.

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Pig. h Ist ein Vergrößertes Schnittbild und zeigt ein Detail aus Fig. 3·

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Details.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht des kombinierten Schaufelschwalbenschwanzes und des Schwalbenschwanzes der Schaufelabdeckplatte und zeigt ein erfindungsgemäßes Merkmal.

Fig. 7 ist eine Detailzeichnung und zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Merkmales.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Gasturbinen-Rotorlaufrades 2, von dem eine Kette von Rotorzähnen 4 bearbeitet ist. Die Zähne sind schwalbenschwanzförmig, so daß sie die passenden Schwalbenschwanzansatzstücke 6 der Rotorschaufeln 8 aufnehmen. Am Unterteil eines jeden Schaufelansatzes befindet sich eine axial verlaufende Kühlmittelkammer 1O₃ die durch die Schaufelansätze und durch die Radzähne 4 begrenzt wird.

Es sei nun auf die Fig. 2 und 3 gemeinsam Bezug genommen. Auf jeder Stirnfläche der Rotorschaufeln 8 ist eine Abdeckplätte 12 gezeigt, die von der Schwalbenschwanzbasis oder dem Ansatzteil 6 bis zu dem Flügelteil der Schaufel verläuft. Die Abdeckplatte 12a auf einem Ende der Schaufel weist eine Verlängerung 120 auf, durch die die Abdeckplatte bis zur Tiefe des Zahnraumes 10 vorspringt und für eine ununterbrochene oder bündig abschließende Oberfläche auf dieser Seite des Rotorrades sorgt. Das heißt, die Enden der Radzähne 4 und die Stirnfläche des Vorsprunges 120 bilden eine bündige Oberfläche, um die Spaltreibung (win<dage) inntierhalb der Turbine zu vermindern, die anderenfalls infolge der Sehwalbenschwanzöffnuggen bei 10 entstehen würde. Die Abdeckplatte 12 auf dem gegenüberliegenden Ende der Schaufel 8 weist den gleichen Schwalbenschwanzumriß auf wie die Schaufelschwalbenschwänze 6.

Die Rotorschaufeln 8 und die Schwalbenschwanzteile 6 enthalten

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durch diese hindurchführende radiale Kanäle 14, die an ihren radialen Innenenden mit der Kühlkammer 10 in Verbindung stehen. Diese Kühlkammer 10 ist an ihrem einen Ende durch ein Abdichtstück 16 abgeschlossen, das in radialer Richtung aus einer Nut 18 in dem Rotorrad 2 vorspringt und während des Betriebes mit dem Flansch 20, der sich von der Abdeckplatte 12a in einer axialen Richtung erstreckt, ein radiales Gegenlager besitzt. (Das Endabdichtstück 16 ist in Fig. 5 getrennt dargestellt.)

Gegenüber dem Dichtstück 16 verläuft eine Platte 22 für die Kühlmittelströmung entlang der Stirnfläche des Rotorrades radial nach außen. Diese Strömungsplatte 22 begrenzt mit dem Rad 2 einen Kanal für die radiale Strömung der Kühlluft. Weiterhin ist diese Platte auf einem elastischen Material hergestellt, etwa becherförmig und für einen axialen Kontakt mit dem Rad 2 und den Schaufelabdeckplatten 12 vorgespannt. Somit biegt sich die Platte 22 sowohl in axialer Richtung infolge der Vorspannung, als auch in radialer Richtung infolge der Zentrifugalkraft, um eine Abdichtung mit dem Rotorrad 2 und der Schaufelabdeckplatte 12 zu bewirken. In einer axialen Richtung verläuft das Rotorrad 2 ein wenig außerhalb der Abdeckplatten 12 oder über diese hinaus. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die axiale Vorspannung der Kühlstromplatte 22 gegen das Rotorrad 2 ohne Beeinträchtigung durch die Abdeckplatten 12 gegeben ist. Diese Anordnung ist in Fig. 4 dargestelt.

Das Rotorrad weist auf dem Umfang eine Schulter 24 auf. Eine ähnliche Schulter 26 besitzen die Schaufelabdeckplatten 12, so daß die Schultern 24 und 26 in dem zusammengebauten Rotor eine praktisch kreisförmige Einheit bilden. Die Schulter 24 auf dem Rad weist jedoch einen etwas größeren Durchmesser als die Schultern 26 auf den Abdeckplatten auf. Damit wird sichergestellt, daß die radiale Vorspannung der Kühlstromplatte 22 gegenüber den Schultern 26 der Abdeckplatte ohne Beeinträchtigung durch die Radschultern 24 besteht. Diese Anordnung ist ebenfalls in Fig. 4 dargestellt.

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Aus Pig. 2 ist zu entnehmen, daß die Schaufelschwalbenschwänze, wenn sie durch die Zentrifugalkraft gegen die Rad-Schwalbenschwänze gedrückt werden, mit diesen bei den Punkten 28 eine oder mehrere Abdichtungen bilden. Die unterste dieser Dichtflächen 28 befindet sich in dem gleichen radialen Abstand wie die Dichtfläche zwischen dem Dichtstück 16 und dem Plansch 20 der Abdeckplatte, und ebenfalls in der gleichen radialen Entfernung wie die dichtende Verbindung zwischen der Kühlstromplatte 22 und den Schultern 26 der Abdeckplatte. Die Wirkung dieser Anordnung der Dichtlinien auf dem gleichen Radius liegt darin, daß eine vollständige Abdichtung um den Umfang der Schaufels chwalbenschvianze oder dem Basisteil 6 herum gebildet ist, so daß die Kühlkammer 10 im wesentlichen leckdicht ist. In Fig. 6, die.einen Teil der Schaufelbasis zeigt, deuten die gestrichelten Linien die Abdichtungslinien zwischen dem Schaufelansatz und dem Dichtteil 16 auf der Rückseite, zwischen dem Schaufelansatz und der Kühlstromplatte 22 an der Vorderseite und zwischen den Schaufelschwalbenschwänzen und den Radschwalbenschwänzen auf jeder Seite an. Schließlich muß dann ein Kühlstromkanal geschaffen werden, der zu der Kühlkammer 10 führt. Diese ist nach allen Richtungen gegen alle Leckstellen praktisch abgedichtet, so daß die Strömung von der Kühlkammer nur durch die richtigen Kühlkanäle 14 verläuft.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, in der ein Abstandsstück 30 zwischen den aufeinander folgenden Rotorrädern 2 angeordnet ist. An dem Abstandsstück 30 ist eine schräge oder konische Oberfläche 32 herausgearbeitet, an die sich die Kühlstromplatte 22 anlehnt. Die axiale Vorspannung der Stromplatte 22 gegen die Radschultern 2k resultiert verständlicherweise während des Betriebes aus der Zentrifugalwirkung der Platte 22 auf die Schräge oder konische Oberfläche 32.

Es ist also eine verbesserte Schaufelkühlung und Dichtanordnung für eine Gasturbine beschrieben worden, die für einen Luftkanal 'sorgt, um eine Turbinenschaufel mit einer sehr geringen Luft-

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lecktage zu kühlen. Mit der Verwendung dieser Anordnung kann deshalb eine wirtschaftliche Verwendung von Luft als Kühlmittel realisiert werden.

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Claims

- 7 Patentansprüche :

1. Kühlungs- und Abdichtanordnung für eine Gasturbinenrotorschaufel einschließlich eines Rotorrades mit zahlreichen, um das Rad herum eingespundeten Schaufeln, die zusammen mit dem Rad unter den Basisteilen der Schaufeln Kühlkammern bilden, wobei die Kammern mit durch die Schaufeln führenden Kühlkanälen und mit einer Kühlmittelquelle in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß zahlreiche Dichtstücke (16) in einer auf dem Umfang in radialer Richtung verlaufenden Nut (13) angeordnet sind, jedes Dichtstück (16) in Radialer Richtung über eine der Kühlkammern (10) ausgebreitet ist, so daß ein Ende dieser Kühlkammer schließbar ist, das Dichtstück (16) an einem axial verlaufenden Flansch (20) ein radiales Gegenlager besitzt, auf der den Dichtteilen (16) gegenüberliegenden Seite des Rotorrades (2) eine elastische Kühlstromplatte (22) angeordnet ist, die mit dem Rotorrad einen kreisförmigen Raum für den Kühlstrom bildet, daß ferner die Kühlstromplatte (22) eine konkave Konfiguration besitzt, federnd gegen die Radseite vorgespannt ist und mit einem axial verlaufenden Plansch (26) ein radiales Gegenlager aufweist, und schließlich die Berührungsflächen der Dichtstücke (16), der Kühlstromplatte (22) mit den Flanschen (26) und einer der Schaufelschwalbenschwänze mit dem Rad alle einen im werfsentliehen gleichen radialen Abstand aufweisen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem axialen Ende einer jeden Rotorschaufel in ihrem Schwalbenschwanzbereich eine Abdeckplatte (12,12a) angeordnet ist, die auf ähnliche Weise schwalbenschwanzförmig ist wie das Rotorrad (2), und sich die axial verlaufenden Flansche (20,26) von diesen Abdeckpiatten (12,12a) erstrecken.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die elastische Kühlstromplatte (22) um die Achse des Rotorrades (2) herum im allgemeinen

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becherförmig ist und in einer axialen Richtung gegen die Rotorradzähne federnd vorgespannt ist.

4. Anordnung nach Anspruch I₉ 2, oder 3» dadurch ge kennzeichnet , daß zwischen den aufeinanderfolgenden Rotorrädern (2) ein Abstandsstück (30) angeordnet ist, das eine koaxiale konische Oberfläche (32) bildet, und die Kühlstromplatte (22) innerhalb und gegenüber dieser konischen Oberfläche (32) angeordnet ist, so daß die Zentrifugalkraft die
Kühlstromplatte während des Betriebes in eine axiale Berührung mit den Zähnen des Rotorrades drückt.

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