DE2805851B2 - Kühlsystem für Turbinenlaufräder von Gasturbinentriebwerken - Google Patents
Kühlsystem für Turbinenlaufräder von GasturbinentriebwerkenInfo
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- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
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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)
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.
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