DE2805851B2 - Kühlsystem für Turbinenlaufräder von Gasturbinentriebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für Turbinenlaufräder von Gasturbinentriebwerken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem aus der DE-OS 22 21 895 bekannten Kühlsystem dieser Gattung bilden die Kühlluftaufnehmer zusammen einen von der Turbinenlaufradstirnseite aus stromaufwärts zum Dralldüsenkranz hin vorspringenden, umfangsmäßig aber zusammenhängenden Ring mit einem im Axialhalbschnitt trompetenartig erweiterten vorderen Einlaßmundstück, welch letzteres zum Auffangen der gesamten, aus dem Dralldüsenkranz austretenden Kühlluftströmung dient. Der so gebildete, umfangsmäßig unterbrochene Kühlluftaufnehmerring der bekannten Anordnung ist durch die Vorderkanten von als Strömungsteiler ausgebildeten Trennwänden in einzelne nebeneinanderliegende Einlaßöffnungen unterteilt. Die einzelnen Kühlluftaufnehmer der bekannten Anordnung speisen jeweils sämtliche in der zugehörigen Turbinenlaufschaufel gebildete Kühlkanäle.

Die bekannte Anordnung kann insofern noch nicht voll befriedigen, als im Dralldüsenkranz ein Abfall der Temperatur und des statischen Druckes der Kühlluft verursacht wird und der den Temperaturabfall im Bereich der Dralldüsen begleitende Kühlluftdruckverlust in den Kühlluftaufnehmern der Turbinenlaufradscheibe nicht wirkungsvoll zurückgewonnen werden kann. Dadurch wird natürlich die Wirksamkeit der Laufschaufelkühlung herabgesetzt, insbesondere in den im Schaufelvorderkantenbereich verlaufenden Kühlkanälen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine größere Druckrückgewinnung der von den Kühlluftaufnehmem aufgenommenen Kühlluft zu erreichen. Sehr wesentlich ist dabei, daß die Druckrückgewinnung keinen wesentlichen Kühllufttemperaturanstieg bedingt, der die Kühlwirkung wieder verschlechtern würde.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst

Wesentlich ist bei den erfindungsgemäßen Pitotrohr-Aufnehmern im Hinblick auf ihre Wirkung als Pitotrohre, daß sie nicht nur stirnseitig von der KUhlluftströmung angeströmt, sondern allseitig umströmt wurden, & h., jeder einzelne Pitotrohr-Aufnehmer muß in einen freien Kühlluftstrom hineinragen.

Aus der DE-AS 12 21 497 ist eine an der stromaufwärtigen Stirnseite einer Turbinenlaufradschiebe gebildete kranzartige Anordnung von jeweils in Drehrichtung des Laufrads weisenden Kühllufteinlaßöffnungen bekannt, welch letztere aufgrund ihres Umlaufs Kühlluft aus einer an die Turbinenlaufradscheibe angrenzenden Kühlluftkammer schöpfen. Dabei kann aber keine Pitotrohr-Wirkung erreicht werden, da die Kühllufteinlaßöffnungen einen umfangsmäßig ununterbrochenen Kranz bilden und praktisch in einer gemeinsamen Eintrittsebene liegen, d.h., sie stellen praktisch nur öffnungen in der Laufradscheibenstirnwand dar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Gasturbinentriebwerk, bei welchem die Erfindung Anwendung finden kann,

F i g. 2 einen Ausschnitt der Turbine des in F i g. 1 gezeigten Triebwerks mit einem Kühlsystem nach der Erfindung,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 111-111 in F i g. 2,

Fig.4 eine Stirnansicht, aus der Ebene 1V-1V in F i g. 2 gesehen,

Fig. 5 eine Stirnansicht ähnlich Fig.4 einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 6 in Stirnansicht eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 7 einen Schnitt längs der Linie VlI-VlI in F i g. 6 und

Fig.8 einen Schnitt längs der Linie VlII-VIII in Fig.6.

Das in F i g. 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk 10 weist einen Niederdruckverdichter 12, einen Hochdruckverdichter 13, eine Brenneinrichtung 14, eine Hochdruckturbine 15, eine Niederdruckturbine 16 und eine Abgasdüse 17 auf.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Hochdruckturbine 15 mit einem stromauf des Turbinenlaufrads 22 angeordneten Leitrad 18. jede Turbinenlaufschaufel 20 des Turbinenlaufrads weist einen Schaufelfuß 2t auf, der als Tannenbaumfuß ausgebildet und in einen entspre-

chend geformten Schlitz 23 (siehe F i g. 4) im Rand der Laufradscheibe 22 eingesetzt ist Das Hochdruckturbinenlaufrad ist durch einen Zwischenraum 19 vom stromauf davon befindlichen Leitrad 18 getrennt und das Leitrad weist einen DraUdüsenkranz ,74 auf. Unter hohem Druck stehende Kühlluft wird durch die Dralldüsen zu den Schaufelfüßen 21 der Turbinenlaufschaufeln 20 hin ausgeblasen, wobei die Kühlluftströmung durch die Dralldüsen eine in Umfangsrichtung gerichtete Strömungskomponente erhält Die Dicke der Zwischenwinde zwischen den einzelnen Dralldüsen ist im Bereich der Dralldüsenaustrittsebene auf ein Minimum herabgesetzt, wie in Fig.3 gezeigt ist, um eine umfangsmäßig im wesentlichen ununterbrochene Kühlmittelauslaßströmung zu erzeugen.

Jede Turbinenlaufschaufel 20 ist mit mehreren inneren Kühlkanälen 26 versehen, die in Schaufellängsrichtung durch das Schaufelblatt hindurch verlaufen und schaufelfuBseitig mit einer im Nutgrund des jeweiligen, den Schaufelfuß 21 aufnehmenden Schlitzes 23 gebildeten Diffusionskammer27 in Verbindung stehen.

Außerdem verläuft im Vorderkantenbereich jeder Turbinenlaufschaufel 20 ein weiterer Kühlkanal 28 in Schaufeilängsrichtung und die betreffende Schaufel hindurch und steht mit einem einteilig mit dem Schaufelfuß ausgebildeten, Pitotrohr-Kühlluftaufnehmer 30 in Verbindung.

Die Dralldüsen 24 sind so ausgelegt, Jaß sie wesentlich mehr Külluft zu den Pitotrohr-Aufnehmern 30 hinleiten, als die jeweils im Schaufelvorderkantenbereich verlaufenden Kühlkanäle 28 benötigen, und der Einlaßquerschnitt jedes Pitotrohr-Aufnehmers ist größer als der Einlaßquerschnitt des zugehörigen Kühlkanals 28, so daß eine Drosselung der Kühllufteinströmung auftritt Bei dieser Anordnung tritt ein Abströmen der überschüssigen Luft rund um den Einlaß des Pitotrohr-Aufnehmers herum auf und mit dem Pitotrohr-Aufnehmer erhält man deshalb eine Rückgewinnung eines beträchtlichen Teils des Gesamtdruckes der durch die Dralldüsen ausströmenden Kühlluft. Das Maß dieser Druckrückgewinnung kann bei jeder gegebenen Trieb werkskonfiguration dadurch optimiert werden, daß die verschiedenen, von einander abhängigen Parameter wie beispielsweise die für die übrigen iCühlkanäle 26 jeder Turbinenlaufschaufel 20 benötigte Kühlluitmenge, das zur Erzielung einer optimalen Druckrückgewinnung erforderlichen Maß der Umströmung der Pitotrohr-Aufnehmer, und die Menge, die Temperatur und der Druck der durch die Dralldüsen 24 austretenden Kühlluft aufeinander abgestimmt werden.

Die, die Pitotrohr-Aufnehmer umströmende Luft dient zum Teil zur Kühlung der I^aufradtcheibe und zur aerodynamischen Abdichtung und tritt zum übrigen Teil in die Diffusionskammern 27 und die Kühlkanäle 26 der Schaufeln ein (F i g. 4).

Die Pitotrohr-Aufnehmer ragen nach vorne in den Zwischenraum 19 hinein und nahe zu den Dralldüsen 24 hin, so daß der kleinstmögliche Spielraum verbleibt der für die auftretenden Relativbewegungen zwischen den betreffenden umlaufenden und feststehenden Teilen erforderlich ist

Die in dem aus den Dralldüsen 24 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austretenden Luftstrom liegenden Pitotrohr-Aufnehmer 30 nehmen also einen Teil der Kühlluft auf und erhöhen deren Druck auf einen nahe dem relativen Gesamtdruck gelegenen Wert, wobei im wesentlichen keine Temperaturerhöhung stattfindet. Die in die Diffusionskammern 27 eintretende Kühlluft erfährt hingegen keine vollständige Druckrückgewinnung, da die freien Strömungsbedingungen an der Laufradächeibenstirnfläche nicht gegeben sind, und der relative dynamische Druck der Kühlhiftströrriung wird an der Laufradscheibenstirnfläche abgebaut indem die Kühlluftströmung während des Einströmens in die Diffusionskammern zerstreut wird.

Zur Minimalhaltung von Verlusten in den Pitotrohr-Aufnehmern sind diese so abgewinkelt, daß sie mit ihren Einlassen mit dem relativen Geschwindigkeitsvektor der aus den Dralldüsen austretenden Kühlluftströmung fluchten, d. h., ihre Einlaßebenen stehen senkrecht zu diesem Vektor

Die nachstehende Aufstellung zeigt anhand eines Vergleiches mit einem herkömmlichen Kühlsystem die mittels der Pitotrohr-Aufnehmer gegenüber herkömmlichen Kühllufteintrittsöffnungen in der Turbinenlaufradscheibe erzielte Verbesserung:

	Herkömmliches Kühlsystem	Erfindungsgemalies Kühlsystem
Düscneinlrittsdruck	3,3 bar (Anzapfung in der 5. Verdichterstufe)	6,3 bar (Anzapfung am Verdichter auslaß)
Düscncintrittstemperatur	790 K	830 K
Düscnauslaßtempcratur	734 K	639 K
Statischer Düsenauslaßdruck	2,5 bar	2,5 bar
Düsenform	konvergent	konvergent-divergent
K ühllufttemperatur	744 K (an Laul'radscheiben- stirn fläche)	703 K (an Pitotrohr-Aulhehmern)
K ühlmittclgcsamtdruek	2,65 bar (an Laulradscheiben- stirn (lache)	3,50 bar (an l'ilotrohr-Aufrchmcrn

Obwohl die Druckrückgewinnung auf den Gesamtdruck von 3,50 bar in den Pitotrohr-Aufnehmern von einem gewissen Temperaturanstieg begleitet ·<;'.. is! hervorzuheben, daß die Kühlluftteinperaiur immer noch um nahezu 40 K niedriger als bei dem herkömmlichen Kühlsystem ist.

Das obenstenenuc Beisr:ei demonstriert tion beträchtlichen Vorteil, der sich durch die Druckrückgewinnung mit Pitotrohr-Aufnehmern ergibt

Bei einer in Fig. 5 gezeigten Abwandlung des oben beschriebenen Systems ist der DraUdüsenkranz 24 radial nach außen zum l.aufradscheibenrand hin verschoben. Anstelle der nur verhältnismäßig kleine Einlaßöffnungen 23 aufweisenden Kammern 27 unter

den Schaufelfüßen beim Beispiel nach Fig.4 werden nunmehr die Zwischenräume 40 zwischen den Schaufel halsen 42 als Kühlluftkammern verwendet, die einen größeren Aufnahmequerschnitt und eine bessere Druckrückgewinnung in der Kühlluft für die weiteren Kühlkanäle 26 bieten. Die Kühlluft gelangt durch in den Schaufelhälsen gebildete Kanäle in diese weiteren Kühlkanäle 26 hinein. Die Pitotrohr-Aufnehmer 30 sind in diesem Fall an den Schaufelhälsen angeordnet, so daB sie den verfügbaren Raum in den Zwischenräumen zwischen den Schaufelhälsen nicht beeinträchtigen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 6, 7 und 8 hat der Pitotrohr-Kühlluftaufnehmer 30 jeder Turbinenlaufschaufel 20 eine in Umfangsrichtung ausgedehnte längliche Form und die Einlaßöffnungen 40 für die in

■3 den Schaufelfüßen gebildeten Diffusionskammern 27 liegen zwischen den Pitotrohr-Aufnehmern. Die in jede Einlaßöffnung 40 eintretende Kühlluft gelangt über eine plötzliche Strömungsquerschnittvergrößerung aus dem sich an die betreffende Einlaßöffnung 40 anschließenden

ι« Einlaßkanal 41 in die Diffusionskammer 27.

Hierzu 3 Blatt Zeichnunticn

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kühlsystem für Turbinenlaufräder von Gasturbinentriebwerken, mit einem in der feststehenden ; Konstruktion gebildeten Dralldüsenkranz, der im Sinne der Erzeugung einer auf die ihm zugewandte Stirnseite des Turbinenlaufrads gerichteten, drallbehafteten und umfangsmäßig im wesentlichen ununterbrochenen ringförmigen Kühlluftströmung aus- ι ο gebildet ist, und mit einem an der Stirnseite des Turbinenlaufrads gebildeten Kranz von dem Dralldüsenkranz zugewandten Kühlluftaufnehmern, welche in den Turbinenlaufschaufeln gebildete Kühlkanäle speisen, dadurch gekennzeichnet, is daß die Kühlluftaufnehmer (30) als einzeln zum Dralldüsenkranz (24) hin von der Stirnseite des Turbinenlaufrads (22) wegragende Pitotrohr-Aufnfchmer ausgebildet sind, die derart bemessen und angeordnet sind, daß sie nur einen Teil der aus dem Dralldüsenkranz austretenden Kühlluftströmung aufnehmen und vom übrigen Teil dieser Kühlluftströmung allseitig umströmt werden, und daß die Pitotrohr-Aufnehmer nur einen bestimmten Teil (28) der Kühlkanäle (26, 28) der Turbinenlaufschaufeln >■> (20) speisen, während die übrigen Kühlkanäle (26) aus dem die Pitotrohr-Aufnehmer umströmenden Teil der Kühlluftströmung gespeist werden.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Turbinenlaufschaufel (20) an !<> ihrem Schaufelfuß mit einem Pitotrohr-Aufnehmer (30) versehen ist.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pitotrohr-Aufnehmer (30) jeweils nur einen im Schaufelvorderkantenbereich r> verlaufenden Kühlkanal (28) der betreffenden Turbinenlaufschaufel (20) speisen.

4. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten übrigen, nicht von den Pitotrohr-Aufnehmern (30) gespeisten »> Kühlkanäle (26) über mit Kühllufteinlässen (40) versehene, in den Schaufelfüßen (21) gebildete Diffusionskammern (27) gespeist werden.