DE2221895C3 - Einrichtung zur Kühlluftzufuhr in Kühlkanäle der Laufschaufeln eines Gasturbinenlaufrads - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zur Kühlluftzufuhr in 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 Kühlluftzufuhr 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 Kühlluft/uführdruck /u erhöhen, haben /u keinen befriedigenden Ergebnissen geführt, da dies zu einer Steigerung der Kühlluftgeschwindigkeit in dem Zwischenraum /wischen der in der Statorkonstruktion befindlichen Kühlluftkammer und dem Kühllufteinlaß des Turbinenlaufrads und dor; folglich wieder zu einer Abnahme des statischen Kühlluftdruckes 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 /u 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 Schaufelfuöanordnung des Laufschaufelkranzes integriert und die Schaufelfüße formen die Verieilerkanäle, in welche die Ringwände des Kühlluftcinlasses divergierend hineinverlaufen und dadurch einen Diffusor bilden.

Dadurch erhält man den Vorteil einer wesentlich kompakteren Konstruktion und wesentlich günstigerer Strömungs- und Druckrückgewinnungsverhähnisse.

Bevor/ugl·: Ausgestaltungen der Erfindung, die weiteren Verbesserungen der Strömungsverhältnisse

ίο dienen, sind Gegenstand der Dnteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher besehrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Axialhalbschnitt durch einen Teil eines Gasturbinentriebwerks,

l· i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. I, der die Einrichtung zur Kühllufuizufuhr im einzelnen zeigt. . Fig. 3 einen Schnitt längs der Schnittlinie HI-IiI in Fig. 2.

Fig. 4 eine Teilstirnansicht des in Fig. 2 gezeigten Turbinenlaufrads.

Fig. 5 eine vom Turbinenlaufrad aus gesehene Stirnansich', 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. b gezeigte Konstruktion des Düsenkranzes der Einrichtung.
Das in F i g. 1 ausschnittweise dargestellte Triebwerk weist eine Hochdruckturbine 10, die über eine Welle 11 mit einem Hochdruckverdichter 12 verbunden ist, weiter eine Niederdruckturbine 13, die über eine Welle 14 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 Suitorkonstruktion bildenden Hohlkonstruktion 24 und der Laufradscheibe 26 ist eine Dichtung 28 vorgesehen,

durch welche Luft aus der Kühlluftkammer 20 in einen Kaum 29 gelangen und die stromaufwärtige Laufrad-• cheibenstirnfläche kühlen kann.

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

Demgemäß weisen die Laufschaufeln \7 in Schlitzen 31 des Lauiradscheibenumfangs eingesetzte Schaufelfuße 30 auf, die ihrerseits jeweils eine radial verlaufende Rippe 45 und querverlaufende Wandteile 454 aufwe» sen, welche S-.-tztere beiderseits der Rippe 45 jeweils eine Einbuchtung 32 des betreifenden 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 Verteilerkanal 48 für die von diesen Einbuchtungen ausgehenden Kühlkanälc 33.

Außerdem sind die .Schaufelfüße 30 jeweils stromaufseitig mit einem Axialvorsprung 35 versehen, der sich durch den Raum 29 hindurcherstreckt. In 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 tlohlkonstruktion 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 414 bildet.

Die durch den Raum 29 hindurchströmende Kühlluftströmung gelangt durch eine Dichtung 43 in den Treibgaskanal 46. Damit diese Kühllufiströmung 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 Düsenkranzes 21 und der Kühllufteinlaß 39 derart ausgebildet, daß Turbulenzen in der Kühlluftströniung weitgehend vermieden wrrden.

Die gemäß Fig. 5 in einem Wandabschnitt 204 der Hohlkonstruktion 24 gebildeten Düsen 42 weisen jeweils einen rechteckigen AustriitsquerschniJ! auf. Die Düsen sind durch in Lmfangsrichtung verlaufende, axial stromabwärts konvergierende Wandungen 424 und 42ß und durch zwischen diesen verlaufende radiale Rippen 42t"gebildet, welche letztere zu den Düsenaus trittsenden hin dünner werden und in Kanten 42D auslaufen, damit sich die aus den einzelnen Düsen austretenden Teilluftströme leicht zu einer in Umfangsrichtung kontinuierlichen Strömung vereinigen.

Die radial verlaufenden Rippen 45 der Schaufelfüße 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 .luf die Laufradachse unter einem Winkel ß. und die. die Düsen 42 des Düsenkran/es 21 begrenzenden Rippen 42C"verlaufen unter einem Winkel <x, so daß die Strömungsgeschwindigkeit der Düsenauslriltsströmung, die Strömungsgeschwindigkeit der entlang der Verteilerkanäle 48 strömenden Kühlluft und die Umfangsgeschwindigkeit 49 der im Laufrad befindlichen Verteilerkanäle ein geschlossenes Geschwindigkeitsdreieck ergeben und somit eine stationäre Kühlluftströmung /wischen den Düsen 42 und den Verteilerkanälen 48 erzielt wird.

Unter den eben erwähnten Bedingungen der Entstehung einer stationären Kühlluftströmung breitet sich diese Kühlluftströmung 51 während ihres Durchtritts 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 394 versehen, wie es in F i g. 2 gezeigt ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigt eine Abwandlung des Austrittsdüsenkranzes. Hierbei weist der Diisenkranz eine durch konvergierende Wandungen 1424 und 142S gebildete, umfangsmäßig kontinuierliche Austrittsöffnung 142 auf. Stromauf dieser Austrittsöffnung ist in dem den Düsenkranz enthaltenden Wandteil 1204 ein Kranz von durch Wandungen 1524 und 152ß und zwischen diesen verlaufende radiale Rippen 152 begrenzten Düsenkanälen 151 gebildet. Die unter einem Winkel α¹ 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 F i g. 2 bis 5 im wesentlichen nur dadurch, daß sie fertigungstechnisch günstiger ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kühlluft/ufuhr in Kühlkanale 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 Verteilerkanälc mit den Kühlkanälen der Laufschaufeln in Verbindung steht, und wobei der Kühllufteinlaß durch zwei konzentrische, einen zur Kühlluftkjmmer vorragenden Axialvorsprung des Turbinenlaufrads bildende Ringwände begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenlaufrad (i3) einen Kran/ von jeweils durch einen Abschnitt der Schaufelfüße (30) gebildeten radialen, zwischen sich die Verteilerkanäle (32) bildenden Rippen (45) aufweist, an denen jeweils ein in den Axialvorsprung (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 Kühlluftkammcrwand gebildeten radialen Ringspalt (142) münden, der seinerseits als am Kühllufteinlaß (39) des Turbinenlaufrads (13) hin konvergierende Ringdüse 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 (42Ö; 152B) und einer radial äußeren Wandung(42Λ; 1524,/verlaufenden radialen Rippen (42O 152) gebildet sind, die zu ihrem Austrittsende hin dünner werden und in eine K;>nte 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 (394jaufweist.