DE2119024A1

DE2119024A1 - Kühlvorrichtung für Turbinen

Info

Publication number: DE2119024A1
Application number: DE19712119024
Authority: DE
Inventors: Bruce Roy Riviera Beach; Huber Frank William Palm Beach Gardens; Fla. Branstrom (V.StA.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1970-04-28
Filing date: 1971-04-20
Publication date: 1971-11-11
Also published as: GB1284858A; CA939521A; FR2086406A1

Description

PATENTANWÄLTE 7 1 1 Q Π 9 Λ

DR.-PHIL. α nick;l-d;!.-i>jg. j. dorner ΐν,υ*.**

8 MÖNCHEN 15

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH IO4

TEL. 108 11) 55 5719

München, den 8. April 1971 Anwaltsaktenz.: 14 - Pat. 86

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Connecticut 06108, Vereinigte Staaten von Amerika

Kühlvorrichtung für Turbinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenkonstruktion und insbesondere auf eine verbesserte Kühlvorrichtung für eine Turbine.

Es ist üblich, eine Kühlmittelströmung in die Turbinenlaufschaufeln zu leiten und zu diesem Zweck wird normalerweise Luft vom Kompressor abgezapft.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, mit welcher der Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert und das KUhlmittelvolumen verringert werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Leitung stromabwärts des Lufteinlaufes liegt und einen Kanal zur Abzapfung der Luft aus dem Lufteinlaß aufweist, daß ein Ringkanal sich von der Leitung zu einem Punkt vor einer Turbinenscheibe erstreckt, daß ein erster feststehender ringförmiger Strömungsweg in dem Turbinentriebwerk vorgesehen ist und eine Auslaßöffnung aufweist, der im Abstand zu und auf der vorderen Seite der Turbinenscheibe angeordnet ist und dessen Einlaßöffnung mit dem Ringkanal verbunden ist, daß ein zweiter, umlaufender Strömungsweg sich nach vorne von der Rotorscheibe erstreckt und die freien Enden beider Strömungswege in Bezug zueinander abgedichtet sind, daß in dem ersten feststehenden, ringförmigen Strömungsweg Mittel vorgesehen sind, um die Strömung in die gleiche Richtung wie die Drehrichtung der Turbinenscheibe abzulenken und daß in der Turbinensoheibe Öffnungen vorgesehen sind, welche mit dem drehenden Strömungs-

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weg in Verbindung sind und das Kühlmittel in die Laufschaufeln leiten.

Die Kühlvorrichtung nach der Erfindung benutzt eine Kühlmittelströmung mit niedriger Temperatur und die Abzapfung der Kühlluft ist mit einem minimalen Leistungsverlust verbunden, so daß das Turbinentriebwerk einen maximalen Wirkungsgrad erhält. Das Kühlmittel ,wird durch Düsen entspannt und erhält eine zur Drehrichtung der Turbinenscheibe parallele Strömungsrichtung.

Durch die neue Kühlvorrichtung wird das erforderliche Volumen des Kühlmittels verringert. Die Turbinenleistung wird erhöht, und die Leckströmung an der ersten Turbinenscheibe wird vermindert.

Das erforderliche Kühlmittelvolumen wird vermindert, da die Temperatur des Kühlmittels verringert wird. Die Turbinenleistung wird erhöht, da die Turbinenscheibe das Kühlmittel nicht auf die Drehgeschwindigkeit des Rotors beschleunigen muß, damit es durch die Löcher in der Turbinenscheibe strömt. Die Leckströmung an der ersten Turbinenscheibe wird verringert, da der Druckabfall über der Dichtung kleiner ist.

Die Düsen beschleunigen die Luftströmung und leiten sie in eine tangentiale Richtung,im wesentlichen parallel zu der Drehrichtung

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dor ersten Turbinenscheibe, wodurch der niedrigere Drucl·; υικί ui<; niedrigere Temperatur erreicht v;ird. Durch die Verwitterung ,-.ms Kü*hlluftvolumeris und der Leckströmung T</ird eine cjrfesero r-U--i\c;e Druckluft in dem Kauptrjtro'raungsweg des Triebwerkes zurückschalten.

Ein Ausführuncsbeispicl der Erfindung wird nun an Hand do.: Zeichnungen beschrieben. Ils zeigen:

Γ igur 1 eine Schnitt*;: is icht durch ein Triebwerksgehäuse nit eineiri Diffusor, einer Brennkammer und einer Turbine, welche mit der Kühlvorrichtung nach der Erfindung versehen ist.

Figur 2 eine vergrö'saerte Ansicht nach der Linie 2-2 der Figur 1 wobei die Leitschafeln dargestellt sind, welche die Kü'hlmittelströV mung zu der ersten Turbinenscheibe leiten.

Figur 3 ein Geschwindigkeitsdiagrarnm der relativen Luftgef-.chwindigiceit am Abströmende der Schaufeln und der Umfangsgeschwindig — keit der Scheibe.

In Figur 1 ist ein ringförmiger Diffusor 2 dargestellt, aus welchem d"ie Strömung zu einer Ringbrennkammer Λ gelangt die aus einzelnen !•'Irjrurnrohren 6 besteht. Aus einem Kompressor (nicht dargestellt) gelangt die Strömung r;u den» r.ing^örmigen Einlauf des Diffusorr. 2. Ein geeigneter Kompressor ist in der US-PS Kr. 3.301.526 be£^chrieben. Die a'ussere VJand 8 der Ringbrennkauvr.er ist eine Verlängerung der a'usseren VJand des Diffusors 2. Am Verbindungepunkt der Susseren Diffusorwand und der BrennkaKimerwand Q sind am U_mfang des Triebwerkes zur Festhaltung des vorderen Endes von jedem Flammrohr 6 Stifte 10 vorgesehen. Ein Arm 12 erstreckt sich von jedem Flammrohr nach vcrne und weist öffnungen auf, durch welche ein Stift 10 gefCfhrt ist, der an der Sussorcn F.rermkarr'.nsrwand befestigt ist. Die innere ■","ruid 14 üor ,"reiiiaknir.ia^:: ist eins Yerl£*ncT:z'uvir· der inneren Τ'7-.Λ'] des Diffusors 2. Die innere Wand 14 hat eine zusammenwirkende V7and 15, welche nit. öes: V!'r.nd 14 einen Uingkanr.l 17 bildet, der sich von einem Punkt in der κShe der Auslassöffnung des Diffusors zu dem vorderen Teil der Turbine 11 erstreckt. Abstandsnittel 13 sind vorgesehen, um £ie V7£hc!e 14 und 15 in geeigi.etsm Abstand zu halten.

Dnc hintere Tnde clo.r Susseren Brcerinka-i.T.erv.'a.nd 8 ist rfit C&: i'ussjren V7Diid 15 der Turbine 11 verbund^:.. Mehrere Leitschaufeln 10 crstr^k-

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ken sich von der ä'us Seren Viand 16 nach innen und sind ?ui ihrer! .v~·-- dial inneren Endan.mit einem zusammengesetzten Ring 20 verbunden,. Der zusammengesetzte Ring 20 ist mit dem hinteren Er.de der inneren Wand 14 ober ein Verbindungsstück 20 verbunden. Der Ring 20 hat eine Labyrinthdichtung 22, die aus einem sich nach hinten erstreckenden zylindrischen Toil besteht der reit radial nach innen weisenden Stegen versehen ist. Ein ringförmiges Rohrstück 24 ist radial innerhalb das zylindrischen Teiles 22 vorgesehen und weist eien axial · gerichteten Kanal 26 auf» Der Kanal 26 hat r.iehrere • Le it schaufeln 27, welche die Luft im wesentlichen in axialer Richtung aufnehmen, und sie in einen bestimmten Winkel lenker* v/ie später beschrieben wird.

Der vordere Teil des Rohrstückes 24 ist an dein Susseren Rand mit dem Ring 20 durch einen nach aussen v/eisenden plansch verbunden und ist an dem inneren Rand über ein Verbindungsstück 30 an die Wand 15 angeschlossen. Das Verbindungsstück 30 hat eine zweite Labyrinthdichtung 32, welche sich nach hinton erstreckt und radial innerhalb des RohrStückes 24 liegt. Die Labyrinthdichtung 32 ist

radial
zylindrisch augebildet und mit/nach innen weisenden Stegen versahen. Das Verbindungsstück 23 und das Verbindungsstück 3O g erben ringförmigen Strömungsweg zwischen dem hinteren Ende des Ringkanales 17 und der Einlassöffnung des Kanales 26.

Das hintere Ende von jedem Flammrohr wird durch Flansche 3 und 5 abgestützt, die sich von dem vorderen Teil der Turbine 11 nach vorne erstrecken. Diese Flansche sind mit zusammenwirkenden Teilen an dem hinteren Ende von jedem Flammrohr verbunden. Die Flammrohre können durch geeignete Mittel befestigt werden.

Unmittelbar stromabwärts der Leitschaufeln 18 liegt die erste Stufe eines Turbinenrotors bestehend aus einer Rotorscheibe 40 an welcher Laufschaufeln 42 befestigt sind. Die Rotorscheibe 40 ist an einem ilansch 41 befestigt, welche sich von einer Welle 43 erstreckt, die innerhalb des Triebwerkes djäiend gelagert ist. Die Welle ist an geeigneten Stellen durch übliche Mittel abgedichtet. Die Laufschaufeln können am Rotor in gewünschter Weise befestigt werden, scdass die Kühlmittelströmung in das Schaufe!innere gelangen kann (sieh=Pfeil in rigur 1). Die Rotorscheibe 40 hat eine vor-

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dere Deckplatte 44, die mit dem Rotor und dan Laufscnaufein verbunden int, sowie eine hintere Deckplatte 46, die mit dem Rotor und ck.-rn Laufschaufeln verbunden ist. Die vordere Seite der Deckplatte 44 hat einen Kreisflansch 48, der sich nach vorne erstreckt und zwischen dar Labyrinthdichtung 22 und der ä'usseren Wand des ringförmigen Rohrstückes 241iegt. Der Kreisflansch 48 hat eine Abäiciif.li'che an seiner Susseren Seite, die mit den Stegen der Labyrinthdichtung 22 zusammenwirkt. Ein Ähnlicher Flansch 49 erstreckt sich von der Rotorscheibe 40 nach vorne und eine Seite diesen Flansches wirkt mit den Stegen der Labyrinthdichtung 32 zusammen. Die Flansche 40 und 49 sind in Abstand zu dem Rohrstück 24 angeoitV net und begrenzen einen drehenden, ringförmigen Stro'mungsweg 50.

Mehrere Löcher 52 verbinden den Strö'mungsweg 50 zwischen den Flanschen 48 und 49 an der Rotorscheibe 50 mit dem Abstand zwischen den Deckplatten 44 und 46. Löcher 54 erstrecken sich vom Strömungsweg 50 zwischen den planschen 48 und 49 durch die Rotorscheibe auf die Röckseite derselben. Durch öffnungen (nicht dargestellt) in den Laufschaufelplattformen gelangt die Strömung aus dem Abstand zwischen den Deckplatten 44 und 46 in das Innere der Laufschaufeln 42. Das Strömungsmittel in den Laufschaufeln 42 kann durch öffnungen 56 in dem stromabw&'rts liegenden Ende der Laufschaufeln abströmen.

Stromabwa'rts der ersten Stufe des Turbinenrotors liegt eine zweite Stufe bestehend aus einer Rotorscheibe 60 und Laufschaufeln 62. Die Scheibe 60 ist ebenfalls an dem Flansch 41 angeschlossen. Eine Versteifung 64 verbindet den Susseren Rand von jeder Rotorscheibe und hat mehroB Stege, die sich radial nach aussen von der Versteifung 64 erstrecken und eine Labyrinthdichtung bilden, wie spa'ter beschriften wird. Eine Ringkarnrner 70 wird zwischen den Scheiben 40 und 60 und der Versteifung 64 gebildet. Die Rotorscheibe 60 hat eine vordere Dockplatte 66, die mit der Rotorseheibe und den Laufschaufeln verbunden ist, sowie eine hintere Deckplatte 68, die mit der Rctorscheibß und den Laufschaufeln verbunden ist. Zwischen der Ringkanu-ier 70 und dem Abstand zwischen den Dockplatten 66 und 63 sind Mehrere Löcher 72 vorgesehen. Durch öffnungen (nicht dargestellt ) in den Lauf schaufelplatt formen gelangt das Strö'mungsmit-

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tel aus dem Abstand zwischen ölen Deckplatten 66 und 68 in do-, nere der Laufschaufeln 62. Dan Strömunc;aL*It.tGl in den Lauir-rjhör·.--fein 62 kann durch öffnungen in dom radial besseren Ende der Lo·ο Γ-schaufeln abströmen.

Leitschaufeln 80 erstrecken sich zwischen den Laufschaufeln ^A" und 46 von der ä'ussoren Wand 16 der Turbine 11 nach innen. P:.ci.- e Le its cha u fein* sind an dan Susseren Enden !befestigt und haben an den inneren Enden ein Abdichtuugsstück v/elches Eiife den Stegen aa der Versteifung 64 zusammenwirkt. Stromabwärts der Laufschaufeln 62 s.id Leitschaufeln 90 vorgesehen und zwischen der Deckplatte 63 und der inneren Be f es td.gungs vor richtung der Leitschaufel?! SO iat eine Abdichtung 92 angeordnet.

In dem Flansch 41 sind öffnungen 94 vorgeseaea, sodass die Leck— stro'mung durch die Labyrinthdichtung 32 aaf die Rückseite der Turbinenscheibe 60 und zurück in den Haupsibr&aimgs-tfeg fiiesst..

Eiß ringförmige Leitung 100 ist am vorderen Ende der Brennkammer vorgesehen und hat eine nach vorne weisende rliigf-feiaig® Öffnung IQl, um komprimierte Luft am Ende des Baffesers abzuzapfen. Durch die Anordnung der ringförmigen Öffnung 102 in dar llitte des B:i ffusorströmungsweges erhSlt man die lciflilsibe wa.d sauberste Luft zur Kühlung der Turbine. Die ringförmige Itsifcmg 100 hat an der oberen Seite Vorsprönge 102 und jeder Vor spring ist mit einer öffnung zur Aufnahme der Stifte 10 versehen« Die ringförmige Leitung hat mehrere dünne, hohle Streben 104 um die ringförmige Leitung mit dem vor·= deren Ende des Ringkanales 17 zu verbinden« In der Wand 14 ist eine öffnung 105 angeordnet durch welche die abgezapfte Luft aus dem Inneren von jeder hohlen Strebe in den Ringkanal 17 gelangt.

Hieraus geht hervor, dass die Luft von äneis stromaufwärts des Diffusors 2 angeordneten Kompressor durch den Diffusor 2 in die Brennkammer 4 strömt. Ein bestimmter Anteil der Kompressorluft wird durch die ringförmige Leitung 100 abgeaapft und durch die hohlen Streben 104 und die Löcher 105 in den Ringkanal 17 geleitet. Die Strömung gelangt dann durch den Ringkanal 17 in den Strömungsweg der durch das Verbindungsstück 23 und das Verbindungsstück 30 ct^e2~ bildet ist und strömt schliesslich zu deia Einlass des Kanales 26»

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Durch die Le.rtschaufeiii ^J*7 wird das Strömungsmittel entspannt und tritt aus άοτ.\ Kanal 26 in siner bestimmten Richtung und qxvx gewünschten «eschwiijrli.rV^it. aus, die der Drehgeschwindigkeit der Türbinenrotorscheibe 4O entspricht. Ein Teil der Strömung gelangt dann durch die Löcher 54 in die Ringkaramer 70 und ein anderer Tei3. durch die öffnungen 52 in den Raum zwischen den Deckplatten 44 und 4G und strömt von dort durch die Laufschaufeln 42, Die Luft in der Kcnmer 7O gelangt durch öffnungen 72 zwischen die Deckplatten 66 und 63 und lliosst anachliessend durch die Laufschaufeln 62.

Die Berechnungen für ein Ausfifhrungsbeicpiel haben gezeigt, dass die Ströirungsverlunte in der Kühlvorrichtung niedrig waren und dass ungeia'hr 96?'. des Koir.pressorgesaiatdruckes dein Einlass des ringförmigen I'.ohrstückf-s 24 zunefShrt wurde. Die Kühlluft wurde dann Ciber dem rasanten Umfang durch die Leitschaufeln 27 bis auf eiisn Druck von e^;-twa 65^S des Koir.pressorgeBamtdruckeG entspannt. Dabei erhielt das "ifnlluft eine Wirbe!komponente, die grosser ist als die Drehgeschwindigkeit des StrÖmungswegec 50 und soirÄ übte die Kühlluft eine Kxafx. auf die drohenda Turbinenscheibe aus. Bei dieser Expansion verringerte sich die Lufttemperatur in dsia Strd>raungsweg 50 um etwa 66^C. Diese Kühl luft v/urue dann durch clan Kühlsystem geleite'.:. U.le sdion oben erwähnt wurde, wird die Lecks er öitmng verringert da der Druck des Kühlmittels auf etwa 65% des Koiapressorgesamtdruckes herabgesetzt wird.

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Claims

JLA. ^T C ff T A ^' S P R tr G R S

il.y Kühl vor richtung für ein Turbinen triebwerk mit einem Lufteinlauf einer Brennkammer, und einer Turbine, wobei die Turbine aus o.±nc.i Turbinenrotor mit einer Turbinen scheibe und Lauf schaufeln besinnt., dadurch gekennzeichnet; dass eine Leitung stromabwärts des Lufteinlaufes liegt und einen Kanal zur Abzapfung der Luft aus dem Lufteinlauf aufweist, dass ein Ringkanal sich von der Leitung zu einem Punkt vor der Turbinenscheibe erstreckt, dass ein erster feststehender ringförmiger Strömungsweg in dem Tuibinentriebwerk vorgesehen ist und eine Auslassöffnung aufweint, der in Abfand zu und auf der vorderen Seite der Turbinenscheibe angeordnet ist und dessen Einlassöffnung mit dein Ringkanal verbunden ist dass ein zweiter drehender Strömungsv/eg sich nach vorne von der Ro Lorscheibe erstreckt und die freien Enden beider Strc'mungswege inbezug zueinander abgedichtet sind, dass in dem ersten feststehenden ringförmigen Strömungsweg Mittel vorgesehen sind, ur.i die Strömung in die gleiche Richtung wie die Drehrichtung der Turbinenscheibe cibzulenken, und dass in der Turbinenscheibe öffnungen vorgesehen sind, welche r.it den drehenden Strörnungsv'eg in Verbindung sind und das Kühlmittel zv. den Laufschaufeln leiten.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Leitung ringförmig ist und stromabwärts den Lufteinlaufeo liegt,
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der drehende ringförmige Strömungsweg teleskopisch inbezug, auf den feststehenden ringförmigen Strömungsweg angeordnet ist.
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel sum Ablenken der StrönungnricTitung in dein feststehenden ringförrägan 8trcr.ra:':gsv;cg durch Dü'ecn gebildet sind.
"5. Kühlvorrichtung nach Einern der Acc prü'cho 1 bis Λ, dadurch ^eker.nzeichnet, dass die Kittel zum Ablenken dor Ströniungsrichtung in dem feststehenden ringförmigen Strö'nungsweg Leitschaufeln sind.
6. Kühlvorrichtung nach einen der Anbrüche 1 bis 5, dadurch c.o::enn~ zeichnet, dass der Kanal, hohle Sireben an.C'./sist, dis sich vor. der Leitung zur Abzapfung der Strönung auc. e'en LufterJauf zu den xiri¹-;;-

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kanal erstrecken. 4
7. · Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in bekannter Weise ein zweiter Turbinonrotor rait einer zv:aten Turbinenscheibe und zweiten Turbinenlaufschaufeln vorgesehen ist, und dans öffnungen in der zweiten Turbinenscheibe nit dem drehenden ringförmigen Strömungsweg in Verbindung sind, um das Kühlmittel zu der zweiten Turbine und den zweiten Laufschaufeln zu führen.

3. Kühlvorrichtung nech einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung in der Mitte des LufteLnlaufes angeordnet ist.

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