DE2610783B2 - Einrichtung zur stabilisierung der stroemung durch radialbohrungen in rotierenden hohlzylindern, insbesondere in hohlwellen von gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stabilisierung der Strömung durch Radialbohrungen in rotierenden Hohlzylindern, insbesondere in Hohlwellen von Gasturbinen, bei der ein gasförmiges Medium aus einem feststehenden, den Hohlzylinder umschließenden, ringförmigen Raum über düsenförmige, radiale öffnungen in der Wandung des rotierenden Hohizylinders in das Innere desselben übertritt.

Eine derartige Anordnung ist für den Anwendungsfall einer Gasturbine aus der DT-OS 20 47 648 bekannt. Dabei soll beispielsweise Kühlluft von einem die Gasturbine umgebenden feststehenden Raum über Radialbohrungen in der Welle in axiale Kühlgaskanäle innerhalb der Welle gefördert werden. Um dabei nun einen möglichst optimalen und verlustarmen Übergang der Strömung vom feststehenden auf den rotierenden Teil zu erreichen, sind die Radialbohrungen düsenförmig ausgebildet und mit entsprechenden Leitvorrichtungen versehen.

Diese Leitvorrichtungen und Düseneinsätze sowie die Größe der radialen öffnungen müssen jedoch schon bei der Konstruktion der Maschine in ihren Abmessungen auf den wahrscheinlichen Gasdurchsatz genau abgestimmt werden. Ergeben sich nun während des Betriebes Unterschiede in den Durchsatzmengen und dadurch Strömungsinstabilitäten, so ist eine nachträgliche Anpassung meist nur sehr schwer möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der die Strömung durch derartige radiale öffnungen stabilisiert wird und mit der auch nachträglich noch eine einfache Anpassung an auftretende Durchsatz- oder Strömungsänderungen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß in dem feststehenden, ringförmigen Raum ein feststehender Ring angeordnet ist, der sich in radialer Richtung von der Außenwandung des Ringraumes bis dicht an die Oberfläche des Hohizylinders im Bereich der radialen öffnungen derart erstreckt, daß die radialen öffnungen teilweise von dem in der einen Stirnseite des Ringraumes her zuströmenden Medium abgedeckt sind.
Durch diese Anordnung eines festehenden Ringes

tu wird ein Teil des freien Querschnittes der radialen öffnungen abgedeckt, so daß dadurch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit innerhalb dieser Bohrungen erreichbar ist, wodurch Strömungsinstabilitäten sicher vermieden werden können.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn der Ring scheibenförmig ausgebildet ist und eine Dichtspitze an seinem Innenumfang aufweist. Es ist aber auch möglich, daß der Ring an seinem Innenumfang einen sich in radialer Richtung erstreckenden, die Öffnungen teilweise überdeckenden, zylindrischen Ansatz mit mehreren Dichtspitzen auf dessen Innenseite aufweist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 und 2 einen Längsschnitt und einen entsprechenden Querschnitt durch die Wandung eines rotierenden Hohlzylinders mit feststehendem Gaszuführungsraum herkömmlicher Bauart zur Erläuterung der Strömungsverhältnisse in den Radialbohrungen,

F i g. 3 einen Teillängsschnitt durch eine Anordnung entsprechend F i g. 1 mit einem scheibenförmig ausgebildeten Ring zur Teilabdeckung der Radialbohrungen und

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer abgewandelten Form des abdeckenden Ringes.

In der Technik gibt es vielfach Fälle, in denen ein gasförmiges Medium von einem ruhenden System durch mehrere am Umfang angeordnete Radialbohrungen eines rotierenden Zylinders von außen nach innen strömt. Als Beispiel zeigen F i g. 1 und 2 die Einströmpartie des Kühlluftstromes in das Innere einer Gasturbinenhohlwelle 1. Die Kühlluft gelangt dabei durch Bohrungen 2 des feststehenden Gehäuses 3 in einen Ringraum 5, der die Welle 1 umgibt. In diesem Ringraum 3 besitzt die Strömung keine wesentliche Umfangskomponente. Von hier aus strömt das gasförmige Medium dann durch eine Vielzahl von am Umfang

so der Welle 1 angeordneten Radialbohrungen 5 in das Innere 6 der Hohlwelle 1.

Aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Hohlzylinders 1 weist die Anströmgeschwindigkeit relativ zur Bohrung eine Umfangskomponente unmittelbar am Eintritt in die Radialbohrung 5 auf. Dagegen hat die Geschwindigkeit innerhalb der Bohrung eine nur vorwiegend radiale Komponente, wenn das Verhältnis von Tiefe zum Durchmesser der Bohrung groß genug ist. Das bedeutet theoretisch, daß die Relativgeschwin-

bo digkeit innerhalb der Bohrung aus Kontinuitätsgründen niedriger ist als die relative Anströmgeschwindigkeit unmittelbar vor der Bohrung. Diese Verzögerung der Geschwindigkeit ist — je nach Form der Bohrung — nur bis zu einem geringen Grad möglich, und es kann

h> dadurch zu Strömungsablösungen kommen, wie das durch das schraffierte Feld 7 im Bohrungsquerschnitt 5 nach Fig. 2 angedeutet ist. Das Strömungsmedium innerhalb dieser abgelösten Zone 7 steht dabei in einem

anderen Gleichgewicht als die Hauptströmung durch die Bohrung. Aufgrund der angreifenden Fliehkräfte will dieses Medium durch die Einströmung hindurch widder nach außen durchbrechen. Dieser Umstand bewirkt in Bereichen relativ kleinen Volumenstromes durch die Bohrungen bezogen auf die Umfangsgeschwindigkeit der Bohrungen ein instabiles Gleichgewicht. Das kann zu einem Pulsieren der Strömung führen, das sich darin äußert, daß eine Woge erhöhten Volumenstromes einerseits, eines verringerten oder gar negativen Volumenstromes andererseits am Umfang von Bohrung 7.·ι Bohrung springt und somit mit einer bestimmten Frequenz umläuft. Diese umlaufende Woge ist mit einer umlaufenden Druckwelle im Ringraum 4 verbunden, die eine Schwingungsanregung bedeutet und normalerweise vermieden werden soll.

Diese Instabilität der Strömung kann dabei durch Anpassung der Summe der Querschnitte der Radialbohrungen 5 am Umfang an den gegebenen Volumenstrom und die gegebene Druckdifferenz zwischen dem Ringraum 4 und dem Inneren 6 der Hohlwelle 5 an den Bohrungen vermieden werden. Außerdem läßt sich mit der Form der Bohrungen die Strömungsablösung innerhalb der Bohrungen vermeiden oder verringern. Diese Möglichkeiten werden auch beim Neubau beispielsweise einer Gasturbine angewendet Jedoch bleibt die Voraussage über das instabile Verhalten unsicher. Die Notwendigkeit einer späteren Anpassungsmöglichkeit ergibt sich außerdem häufig aus Änderungen der Betriebsweise der Maschine gegenüber der Planung. Eine nachträgliche Anpassung der Bohrungen selbst ist jedoch oft nur durch einen teueren Ersatz von Maschinenteilen, verbunden mit aufwendigen Montagen oder langen Betriebsausfallzeiten möglich.

Eine nachträgliche Anpassung zur Vermeidung von Instabilitäten wird von geringerem Aufwand sein, wenn die rotierenden Teile und die Bohrungen selbst unverändert bleiben. Wie aus den Fig. 3 und 4 zu ersehen ist, erfolgt nach der Erfindung die Anpassung an die tatsächlichen Strömungsbedingungen durch Abdekken entsprechender Teile der Bohrungen 5. Dazu ist beispielsweise nach Fig. 3 im Ringraum 4 ein am feststehenden Gehäuse 3 befestigter Ring 8 vorgesehen, dessen Innenumfang gegenüber der rotierenden Welle eine Dichtspitze 9 aufweist und oberhalb dei Radialbohrungen 5 endet. Dabei ist es erforderlich, daß die Eintrittsöffnung 2 für das zuzuführende gasförmige Medium in den Ringraum 4 auf der nicht abgedeckten Seite der Radialbohrungen 5 liegt, so daß eine direkte Einströmung in diese Bohrungen 5 möglich ist.

Eine weitere Möglichkeit ist in Fig.4 gezeigt; dabei ist ein Ring 10 mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden zylindrischen Ansatz ti am feststehenden Gehäuse 3 befestigt, wobei der zylindrische Ansatz 11 auf seiner Innenseite mehrere Dichtspitzen 12 aufweist. Auch hierdurch wird ein Teil des freien Einströmquerschnittes der Radialbohrungen 5 abgedeckt.

Die Wirkung dieser Querschnittsabdeckung besteht nun darin, daß die Geschwindigkeit in den verbleibenden Eintrittsquerschnitten der Radialbohrungen 5 durch diese Verengung so weit erhöht wird, daß sie größenordnungsmäßig in ein ausreichendes Verhältnis zur relativen Anströmgeschwindigkeit der Bohrungen gesetzt wird. Damit werden Strömungsablösungen im Einströmquerschr.itt vermieden und nachfolgende evtl. noch auftretende Ablösungsgebiete in den Bohrungen 5 selbst vermögen nicht durch den Eintrittsquerschnitt nach außen hindurchzubrechen. Damit können also Schwingungen im Ringraum 4 sicher vermieden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Stabilisierung der Strömung durch Radialbohrungen in rotierenden Hohlzylindern, insbesondere in Hohlwellen von Gasturbinen, bei der ein gasförmiges Medium aus einem feststehenden, den Hohlzylinder umschließenden, ringförmigen Raum über düsenförmige, radiale öffnungen in der Wandung des rotierenden Hohlzylinders in das Innere desselben übertritt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem feststehenden, ringförmigen Raum (4) ein feststehender Ring (8, 10) angeordnet ist, der sich in radialer Richtung von der Außenwandung (3) des Ringraumes (4) bis dicht an die Oberfläche des Hohlzylinders (1) im Bereich der radialen öffnungen (5) derart erstreckt, daß die radialen öffnungen (5) teilweise von dem von der einen Stirnseite (2) Hes Ringraumes (4) her zuströmenden Medium abgedeckt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (8) scheibenförmig ausgebildet ist und eine Dichtspitze (9) an seinem Innenumfang aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (10) an seinem Innenumfang einen sich in radialer Richtung erstreckenden, die öffnungen (5) teilweise überdeckenden, zylindrischen Ansatz(11) mit mehreren Dichtspitzen (12) auf seiner Innenseite aufweist.