DE2221895B2

DE2221895B2 - Einrichtung zur Kuhlluftzufuhr in Kühlkanäle der Laufschaufeln eines Gasturbinenlaufrads

Info

Publication number: DE2221895B2
Application number: DE722221895A
Authority: DE
Inventors: John Bristol Jenkinson (Grossbritannien)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-05-06
Filing date: 1972-05-04
Publication date: 1979-03-08
Also published as: FR2135319B1; US3791758A; FR2135319A1; DE2221895C3; DE2221895A1; GB1350471A; IT957731B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zur Kühlluftzufuhr in so Kühlkanäle der Laufschaufeln eines Gasturbinenlaufrads.

Aus der US-PS 35 65 545 ist bereits eine Einrichtung dieser Art bekannt, bei welcher die Verteilerkanäle durch Öffnungen in der Laufradscheibe gebildet sind und der Kühllufteinlaß durch ein an die Laufradscheibe stirnseitig angesetztes, ringförmiges, im Axialhalbschnitt schnabelartiges Mundstück gebildet ist, das aus zwei konzentrischen, schwach konvergierenden Ringwänden besteht.

Da die Wirksamkeit der Kühlung der Laufschaufeln vom statischen Druck der Kühlluft in den Kühlkanälen abhängt, besteht die besondere Problematik bei einer derartigen Einrichtung zur Kuhlluftzufuhr aus einer in der Statorkonstruktion befindlichen Kühlluftkammer in die Kühlkanäle der Laufschaufeln in der Erzielung einer möglichst wirksamen Druckrückgewinnung in der Kühlluft vor deren Eintritt in die Schaufelkühlkanäle.

Versuche, den statischen Kühlluftzuführdruck zu erhöhen, haben zu keinen befriedigenden Ergebnissen geführt, da dies zu einer Steigerung der Kühlluftgeschwindigkeit in dem Zwischenraum zwischen der in der Statorkonstruktion befindlichen Kühlluftkammer und dem Kühllufteinlaß des Turbinenlaufrads und dort folglich wieder zu einer Abnahme des statischen Kühiluftdruckes führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art die Kühlluftströmung zwischen der in der Statorkonstruktion gebildeten Kühlluftkammer und den Verteilerkanälen des Turbinenlaufrads so zu verbessern, daß sich möglichst günstige Druckrückgewinnungsverhältnisse ergeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist also der gesamte Kühllufteinlaß des Turbinenlaufrads in die Schaufelfußanordnung des Laufschaufelkranzes integriert und die Schaufelfüße formen die Verteilerkanäle, in welche die Ringwände des Kühllufteinlasses divergierend hineinverlaufen und dadurch einen Diffusor bilden. Dadurch erhält man den Vorteil einer wesentlich kompakteren Konstruktion und wesentlich günstigerer Strömungs- und Druckrückgewinnungsverhältnisse.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung, die weiteren Verbesserungen der Strömungsverhältnisse dienen, sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführunffsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialhalbschnitt durch einen Teil eines Gasturbinentriebwerks,

Fig.2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. !,der die Einrichtung zur KUhlluftuzufuhr im einzelnen zeigt.

Fig. 3 einen Schnitt längs der Schnittlinie Ill-Ill in Fig. 2,

Fig.4 eine Teilstirnansicht des ir Fig. 2 gezeigten Turbinenlaufrads,

Fig. 5 eine vom Turbinenlaufrad aus gesehene Stirnansicht des Düsenkranzes der Einrichtung,

F i g. 6 eine vergrößerte Darstellung einer gegenüber F i g. 2 abgewandelten Einzelheit der Einrichtung, und

Fig. 7 einen Umfangsschnitt durch die in Fig. 6 gezeigte Konstruktion des Düsenkranzes der Einrichtung.

Das in Fi g. 1 ausschnittweise dargestellte Triebwerk weist eine Hochdruckiurbine 10, die über eine Welle U mit einem Hochdruckverdichter 12 verbunden ist, weiter eine Niederdruckturbine 13, die über eine Welle >4 mit einem nicht gezeigten Niederdruckverdichter verbunden ist, und eine zwischen Hochdruckverdichter und Hochdruckturbine gelegene Brenneinrichtung auf. Der Hochdruckverdichter 12 ist mit einer Kühlluftanzapfung 16 versehen, die über ein Rohr 17 und Kanäle 18 und 19 mit einer stromauf neben der Niederdruckturbine 13 gelegenen Kühlluftkammer 20 verbunden ist.

Der Niederdruckturbine 13 ist ein Leitrad 23 mit einer radial inneren Hohkonstruktion 24 zugeordnet, welche die Kühlluftkammer 20 teilweise begrenzt und in ihrer stromabwärtigen Stirnwand einen Austrittsdüsenkranz 21 aufweist. Das Laufrad 25 der Niederdruckturbine 13 besteht aus einer Laufradscheibe 26 und einem Kranz von Laufschaufeln 27. Zwischen der einen Teil der Statorkonstruktion bildenden Hohlkonstruktion 24 und der Laufradscheibe 26 ist eine Dichtung 28 vorgesehen,

durch welche Luft aus der Kühlluftkummer 20 in einen Raum 29 gelangen und die stromaufwäriige Laufradscheibenstirnflache kühlen kann.

In den Fig.2 bis 5 ist die Einrichtung zur Kühlluftzufuhr zu in den Laufschaufeln 27 gebildeten Kühlkanälen im einzelnen dargestellt.

Demgemäß weisen die Laufschaufeln 27 in Schlitzen Jl des Laufradscheibenumfangs eingesetzte Schaufelfüße 30 auf, die ihrerseits jeweils eine radial verlaufende Rippe 45 und q^ierverlaufende Wandteile 45/4 aufweisen, welche letztere beiderseits der Rippe 45 jeweils eine Einbuchtung 32 des betreffenden Schaufelfußes begrenzen, von welcher die, die Laufschaufeln 27 durchziehenden Kühlkanäle 33 ausgehen, die an den Schaufelspitzen in, in den Treibgaskanal 46 ausmündenden Austrittsöffnungen 34 endigen. Die einander zugewandten Einbuchtungen 32 benachbarter Schaufelfüße bilden jeweils zusammen einen Veneilerkanal 48 für die von diesen Einbuchtungen ausgehenden Kühlkanäle 33.

Außerdem sind die Schaufelfüße 30 jeweils stromaufseitig mit einem Axialvorsprung 35 versehen, der sich durch den Raum 29 hindurcherstreckt, 'n ihrer Gesamtheit bilden diese Axialvorsprünge 35 einen ringförmigen Kühllufteinlaß 39, und die beiden konzentrischen, divergierenden Ringwände 37 und 38 dieses Kühllufteinlasses bilden zwischen sich einen Diffusor 36. Der Kühllufteinlaß 39 ist dem Austrittdüsenkranz 21 der feststehenden Hohlkonstruktion 24 zugewandt. Zwischen dem Austrittdüsenkranz 21 und dem ringförmigen Kühllufteinlaß 39 ist ein Zwischenraum 50 gebildet, und der Kühlluftstrom durch diesen, einen Teil des Raumes 29 bildenden Zwischenraum 50 ist bei 51 angedeutet.

Der Zwischenraum 50 ist durch eine an der Hohlkonstruktion 24 angeformte, dem Kühllufteinlaß 39 zugewandte Ringnut 40 gebildet, die mit den Enden der Axialvorsprünge 35 zusammen aerodynamische Dichtungen 41 und 4M bildet.

Die durch den Raum 29 hindurchströmende Kühlluftströmung gelangt durch eine Dichtung 43 in den TreibgaskanJ 46. Damit diese Kühlluftströmung von radial innerhalb der Axialvorsprünge 35 nach radial außerhalb derselben gelangen kann, sind diese mit radial verlaufenden Durchtrittskanälen 44 versehen.

Damit eine wirksame Druckrückgewinnung in der in das Turbinenlaufrad 25 eingeleiteten Kühlluft erzielt wird, sind die Düsen 42 des Düsenkxanzes 21 und der Kühllufteinlaß 39 derart ausgebildet, daß Turbulenzen in der Kühlluftströmung weitgehend vermieden werden.

Die gemäß Fig.5 in einem Wandabschnitt 20/4 der Hohlkonstruktion 24 gebildeten Düsen 42 weisen jeweils einen rechteckigen Ausiriitsquerschiiin auf. Die Düsen sind durch in Umfangsrichtung verlaufende, axial stromabwärts konvergierende Wandungen 42Λ urd 425 und durch zwischen diesen verlaufende radiale Rippen 42Cgebildet, welche letztere zu den Düsenaus trittsenden hin dünner werden und in Kanten 42Ö auslaufen, damit sich die aus den einzelnen Düsen austretenden Teilluftströme leicht zu einer in Umfangsrichtung kontinuierlichen Strömung vereinigen.

to Die radial verlaufenden Rippen 45 der Schaufelfüüe 30 sind jeweils mit einem in den Axialvorsprung 35 hineinragenden, als Strömungsteiler geformten Ansatz 47 versehen, durch welchen jeweils einer der radialen Durchtrittskanäle 44 hindurchverläuft.

Die Rippen 45 der Schaufelfüße 30 verlaufen mit Bezug auf die Laufradachse unter einem Winkel ß, und die, die Düsen 42 des Düsenkranzes 21 begrenzenden Rippen 42Cverlaufen unter einem Winkel λ. so daß die Strömungsgeschwindigkeit der Düsenaustrittsströmung, die Strömungsgeschwindigkeit der entlang der Verteilerkanäle 48 strömenden Kühlluft und die Umfangsgeschwindigkeit 49 der im ' ^uifrad befindlichen Verteilerkanäle ein geschlossenes Geschwindigkeitsdreieck ergeben und somit eine stationäre Kühlluftströmung zwischen den Düsen 42 und den VerteiLrkanälen 48 erzielt wird.

Unter den eben erwähnten Bedingungen der Entstehung einer stationären Kühllufiströmung breitet sich diese Kühlluftströmung 51 während ihres DurchtrittE durch den Zwischenraum 50 aus, wobei eine Erhöhung ihres statischen Druckes eintritt. Damit die ausgebreitete Kühlluftströmung möglichst vollständig in den Kühllufteinlaß 39 eintritt, ist dieser mit einem konvergierenden Mundstück 39/4 versehen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Die Fig.6 und 7 zeigt eine Abwandlung des Austrittsdüsenkranzes. Hierbei weist der Düsenkranz eine durch konvergierende Wandungen 142/1 und 142S gebildete, umfangsmäßig kontinuierliche Austrittsöffnung 142 auf. Stromauf dieser Austrittsöffnung ist in dem den Düsenkranz enthaltenden Wandteil 120/4 ein Kra^z von durch Wandungen 1524 und 152ß und zwischen diesen verlaufende radiale Rippen 152 begrenzten Düsenkanälen 151 gebildet. Die Mnter einem Winkel λ¹ verlaufenden Rippen 152 verleihen der Kühlluftströmung einen Drall gemäß dem Pfeil 153.

Die Abwandlung nach den F i g. 6 und 7 unterscheidet sich von der Anordnung nach den Fig. 2 bis 5 im wesentlichen nur dadurch, daß sie fertigungstechnisch

'M günstiger ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kühlluftzufuhr in Kühlkanäle der Laufschaufeln eines Gasturbinenlaufrads, das axial stromab einer in der Statorkonstruktion gebildeten Kühlluftkammer durch einen Zwischenraum von dieser getrennt angeordnet ist, wobei die Einrichtung einen Kranz von aus der Kühlluftkammer in den Zwischenraum mündenden Düsen und einen diesen Düsen axial benachbarten, ringförmigen Kühllufteinlaß des Turbinenlaufrads aufweist, der über Verteilerkanäle mit den Kühlkanälen der Laufschaufeln in Verbindung steht, und wobei der Kühllufteinlaß durch zwei konzentrische, i:ine«n zur Kühlluftkammer vorragenden Axialvorsprung des Turbinenlaufrads bildende Ringwände begirenrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenlaufrad (13) einen Kranz von jeweils durch einen Abschnitt der Schaufelfüße (30) gebildeten radialen, zwischen sich die Verteilerkanäle (32) bildenden Rippen (<fe>) aufweist, an denen jeweils ein in den Axiaivörsprung (35) hineinragender, als Strömungsteiler geformter Ansatz (47) gebildet ist, und daß die Ringwände (37, 38) zwischen diesen Rippen verlaufen und von ihrem einlaßseitigen Ende aus in die Verteilerkanäle hinein divergieren.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Düsen (151) in einen in der Kühlluftkammerwand gebildeten radialen Ringspalt (142) münden, der seinerseits als am Kühlluft- einlaß (39) des Turbinenlaufrads (13) hin konvergierende Ringdrse ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Düsen (42; 151) durch einen Kranz von zwischen einer radial inneren Wandung (42ß; 152B) und einer radial äußeren Wandung (42/4; \52A) verlaufenden radialen Rippen (42C; 152) gebildet sind, die zu ihrem Austrittsende hin dünner werden und in eine Kante auslaufen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühllufteinlaß (39) des Turbinenlaufrads (13) ein in die divergierenden Ringwände (37, 38) übergehendes konvergentes Mundstück (39/tJaufweist.

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