DE2941866A1

DE2941866A1 - Luftgekuehlte turbine fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2941866A1
Application number: DE19792941866
Authority: DE
Inventors: David Alexander Campbell; Frederick William Walto Morley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-10-26
Filing date: 1979-10-16
Publication date: 1980-04-30
Also published as: JPS5560624A; IT7926656A0; JPS5641813B2; DE2941866C2; IT1125525B; FR2439872B1; US4348157A; FR2439872A1

Description

Pater.t&nwälte L>FρL-fηg. CtirtwaMach

DipL-lng. Günther Koch

- T- D»pL-Phys. DrTi no Hai bach

Dtpl.-lng. Rainer Fetdkamp

D -8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 16. Oktober 1979 Unser Zeichen: 16 744 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Luftgekühlte Turbine für ein

Gasturbinentriebwerk

030018/0819

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftgekühlte Turbine für ein Gasturbinentriebwerk.

Eine übliche Anordnung zur Kühlung der Rot or schaufeln einer Turbine besteht darin Xühlluft zu benutzen, die über sogenannte VorverwirbelungsdUsen im festen Aufbau des Triebwerkes zugeführt wird und auf den Turbinenrotor auftrifft. Öffnungen im Rotor lassen diese Luft in die Schaufeln selbst einströmen, um dort eine Kühlung zu bewirken. Die Übertragung der Kühlluft von dem ortsfesten Aufbau nach dem sich drehenden Aufbau findet innerhalb einer abgedichteten Ringkammer statt, die zwischen inneren und äußeren Ringdichtungen ausgebildet ist. Die Drücke, die um diese Dichtung herum auftreten (normalerweise der Druck des Hauptgasstromes an diesem Punkt) ist niedriger als der Druck innerhalb der Kammer, der wiederum niedriger ist als der Druck innerhalb der Inneren Dichtung.

Da die verschiedenen benutzten Dichtungen zwangsläufig nicht perfekt abdichten können, gibt es einen konstanten Leckluftstrom, der von der Innenseite der Innendichtung in die Kammer verläuft und von dieser Kammer in den Hauptgasraum. Es hat sich gezeigt, daß diese Luft, die durch die innere Dichtung als Leckstrom abfließt, einen Teil der Kühlluft mit sich reißt und weil diese Luft heißer ist als die vorverwirbelte Kühlluft, und weil sie außerdem eine geringere tangentiale Geschwindigkeit besitzt, wird auf diese Weise die Kühlung und die Wirkungsweise des Gesamtsystems verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die wenigstens ein Anteil der Leckströmung veranlaßt wird, nicht in die Rotorschaufeln einzuströmen.

030018/0819

Die Erfindung geht aus von einer luftgekühlten Turbine für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Rotor, der eine Rotorscheibe aufweist, die eine Stufe von Rotorschaufeln trägt, mit einem ortsfesten Gehäuseaufbau in der Nähe des äußeren Abschnitts von Rotor, mit einer inneren und äußeren Ringdichtung zwischen dem ortsfesten Aufbau und dem Rotor, wobei diese Dichtungen zwischen sich einen Raum benachbart zum Rotor definieren, mit Vorverwirbelungsdüsen, die die Klihlluft vom ortsfesten Aufbau über den Raum nach dem Rotor gelangen lassen, und mit einer Kühllufteintrittsvorrichtung, die die Kühlluft in die Schaufeln eintreten läßt, um diese zu kühlen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einer derartigen luftgekühlten Turbine dadurch gelöst, daß eine Ablenkvorrichtung am Rotor zwischen den Dichtungen angeordnet ist, welche bewirkt, daß der Kühlluft oder Gas-Leckstrom, der durch die innere Dichtung gelangt, von der Kühllufteintrittsvorrichtung abgelenkt wird.

Vorzugsweise besitzt die Ablenkvorrichtung radial verlaufende Kanäle, die von einer Stelle radial innerhalb der Kühllufteintrittsvorrichtung nach einer Stelle radial außerhalb der Kühllufteintrittsvorrichtung derart verlaufen, daß ein Strömung kanal für den Luftleckstrom geschaffen wird, der an der Kühllufteintrittsvorrichtung vorbeiführt.

Diese Kanäle können mit Strömungsunterteilungseinlässen versehen sein, die verhindern, daß die Leckluftströmung in die Kühllufteintrittsvorrichtung einströmen kann.

Die Ablenkvorrichtung kann einen Metallblechaufbau aufweisen, der einen Strömungsteilereinlaß am radial inneren Ende der Leckströmung aufweist, und es können Kanäle gebildet sein,

0300 18/0819

die radial verlaufen und mit dem Rotor oder den Schaufeln stirnseitig zusammenwirken, um Kanäle für die Leckströmung nach einer Stelle radial außerhalb der Lufteintrittsvorrichtung zusammenwirken. Außerdem können offene Abschnitte vorgesehen sein, die der Lufteinlaßeinrichtung entsprechen und eine unbehinderte Strömung von Kühlluft in die Lufteinlaßvorrichtung ermöglichen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten luftgekühlten Turbine;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teilschnitt der luftgekühlten Turbine nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Stirnansicht der die Schaufeln tragenden Läuferscheibe nach Fig. 2;

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Stirnansicht der die Schaufeln tragenden Läuferscheibe nach Fig. 4;

Fig. 6 den Figuren j5 und 5 entsprechende Ansichten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einem Kompressor 10, einer Verbrennungseinrichtung 11, einer Turbine 12 und einer Schubdüse 13. Das Gehäuse des Triebwerks ist im Bereich

030018/0819

der Turbine 12 aufgebrochen, um die Düsenleitschaufeln 14, die Turbinenrotorschaufeln 15 und die Turbinenläuferscheibe 16 sichtbar zu machen.

Die Arbeitsweise des Triebwerks entspricht der üblichen Arbeitsweise und wird daher im einzelnen nicht beschrieben. Weil die Turbinenrotorschaufeln 15 von den heißen Gasen beaufschlagt werden, die aus der Verbrennungseinrichtung 11 Über die Düsenleitschaufeln 14 austreten, sind die Schaufeln mit einem Kühlluftsystem ausgestattet. Um Kühlluft nach den Schaufeln zu führen, ist es notwendig die Kühlluft von dem festen Gehäuseaufbau des Triebwerks in die Nähe der Düsenleitschaufeln 14 nach den Schaufeln I5 zu überführen, und die Vorrichtung,durch die diese Überführung bewerkstelligt wird, ist im einzelnen in den Figuren 2 und 3 dargestellt.

Zunächst wird auf Pig. 2 der Zeichnung Bezug genommen. Die Düsenleitschaufeln 14 haben eine innere Plattform I7, von der der statische Aufbau getragen wird, welcher eine äußere Labyrinthdichtung 18, eine Reihe Verwirbelungsdüsen I9 und eine innere Labyrinthdichtung 20 aufweist. Zwei Metallblechwände 21 und 22 sind gegenüber den Plattformen I7 bzw. der inneren Labyrinthdichtung 20 abgedichtet. Dazwischen definieren die Wände 21 und 22 einen Ringkanal für vom Kompressor 10 abgezapfte Luft. Obgleich dies aus der Zeichnung nicht ersichtlich ist, ist es klar, daß diese Anzapfluft beispielsweise vom stromabwärtigen Ende des Kompressors oder über das innere Gehäuse der Brennkammer abgezapft werden kann.

Um eine wirksame Dichtung herzustellen, ist die Labyrinthdichtung 18 mit drei ringförmigen Dichtungsrippen 23 versehen, zwischen denen die beiden ringförmigen Dichtungsrippen 24 liegen, die von der inneren Plattform 25 der Schaufeln

030018/0819

vorstehen.

In gleicher Welse besitzt die Labyrinthdichtung 20 drei ringförmige Rippen 26, zwischen denen zwei ringförmige Rippen 27 liegen, die von der Läuferscheibe 16 vorstehen. Demgemäß definieren die Labyrinthdichtungen, die auf diese Weise erzeugt sind, zwischen sich einen Ringraum 28.

Der Reihe von Verwirbelungsdüsen 19 über den Ringraum 28 ist Jeweils der Schaft 29 der Schaufeln 15 und die öffnungen 30 zwischen benachbarten Schäften zugewandt. Diese Öffnungen sind nach dem Raum 28 hin offen, aber sie sind an ihren anderen Enden durch Dichtungs- und Blockierungsplatten 21 abgedichtet. Eine öffnung 32 In der Wand Jedes Schaufelschaftes 29 führt zu der Reihe von Kühlluftkanälen (nicht dargestellt) Innerhalb der Schaufel 15, so daß die Kühlluft in diese Kanäle eintreten kann.

Insoweit wie dies vorstehend beschrieben wurde, ist die Anordnung in herkömmlicher Weise ausgebildet. Unter den normalen Druckbedingungen im Raum 28, bei denen der Druck im Raum 28 größer ist als außerhalb der Dichtungen, die durch die Rippen 23 und 24 gebildet sind aber niedriger als auf der Innenseite der Dichtung, die von den Rippen 26 und 27 gebildet ist, findet eine Luftleckströmung durch die innere Dichtung nach dem Raum 28 und durch die äußere Dichtung aus den Raum 28 statt. Wegen der hohen Drehzahl der Läuferscheibe 16 und der Schaufeln I5 sucht sich dieser Leckstrom nach der Rotoroberfläche fortzusetzen und strömt demgemäß in die Räume 30 und die öffnungen 32 ein.

Die Luft, die in diese Räume und Öffnungen einströmen soll, ist jene die durch die Verwirbelungsschaufeln I9 über den

030018/0819

Raua 28 zugeführt Ist. Dieser Leckluftstrom versetzt einen Teil dieser Luft und er befindet sich auf höherer Temperatur und besitzt eine geringere tangentiale Geschwindigkeit als die vorverwirbelte Kühlluft, und dadurch wird das Kühl verhalten des Systems beeinträchtigt.

IKn diese Beeinträchtigung zu verhindern oder wenigstens in ihrem Ausmaß zu vermindern, 1st eine Ablenkvorrichtung 35 vorgesehen. Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, besteht die Ablenkvorrichtung 33 aus mehreren die Strömung unterteilenden Lufteinlässen 34, von denen jede zwei Wände besitzt» die senkrecht zur Laufscheibenoberfläche liegen, die im wesentlichen die Wände 35 der Leckluftkanäle 36 bilden. Jeder Kanal 36 ist durch einen Verbindungsabschnitt 37 bedeckt, der parallel zur Scheibenoberfläche liegt und die benachbarten Wände 35 verbindet. Der Bereich zwischen den Wänden 35 benachbart zu jedem Kanal 36 ist offengelassen, so daß die Kühlluft im wesentlichen rechtwinklig zur Scheibenoberfläche zutreten und in die Öffnungen 30 eintreten kann, ohne hinsichtlich ihrer Wirkung wesentlich beeinträchtigt zu werden.

XSm zu gewährleisten, daß die Ablenkvorrichtung 33 auf der beschaufelten Scheibe gehalten wird, ist jede der Wände 25 so angeordnet, daß sie sich in eine Öffnung 30 hinein erstreckt, die gegen die Oberfläche eines der Schenkel 29 anliegt, die die Offnungen bilden und jede Wand besitzt eine Kerbe 38, die an dem nach hinten vorstehenden Rand 39 der Plattform 25 angreift. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsfons sind die Wände 35 und der Verbindungsabschnitt 37 an Ihrem äußeren Ende bei 39 abgeschnitten, um einen Spielraum für die innerste Rippe 23 der äußersten Dichtung zu schaffen.

Die Arbeltsweise dieses Systems besteht darin, daß der die

030018/0819

Dichtung durchsetzende Leckluftstrora zwischen die Rippen 26 und 27 gelangt und benachbart zur Oberfläche der Schaufeln 16 abfließt, und durch die Einlasse 34 aufgeteilt und durch die Kanäle 36 gerichtet wird, um gerade innerhalb der äußeren Dichtungsrippen 23 und 24 ausgeblasen zu werden. Diese Luft strömt daher im Nebenstrom zu den öffnungen 30 vorbei und wird Rezirkulationswirkungen unterworfen, und demgemäß treten die Leckströme nicht in die öffnungen ein.

Andererseits wird die Kühlluft, die durch die Verwirbelungsschaufeln 19 über den Raum 28 gerichtet wird, durch den Verbindungsabschnitt 37 gehindert in die Kanäle 36 einzutreten. Der Zutritt zu den öffnungen 30 ist jedoch nicht gestört. Diese Kühlluft tritt daher in die öffnungen 30 ein und bewirkt eine Kühlung der Schaufeln über die öffnungen 32, während die durch die Dichtungen fließende Leckstromluft von der inneren Dichtung im Nebenstrom an den öffnungen 30 vorbeitritt und wenigstens teilweise die Dichtungsleckströmung durch die äußere Dichtung bildet.

Es ist ersichtlich, daß bei dieser Ausfuhrungsform im wesentlichen die gesamte Dichtungsluftleckströmung im Nebenschluß an den öffnungen 30 vorbeigeführt wird. Bei gewissen Anwendungen kann diese Luft bis zu einem gewissen Grade ausgenutzt werden, um weniger kritische Teile des Schaufelblattes zu kühlen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 und 5 wird ein Teil der Kühlluftleckströmung getrennt von der Hauptkühlluftzufuhr nach der Schaufel überführt.

Der Grundaufbau bei dem AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 4 und 5 ist genau der gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3, und dieser Grundaufbau wird daher nicht nochmals beschrieben. Jedoch besitzt bei diesem Aufbau die Ablenk-

030018/0819

vorrichtung 40 außer den Einlassen 41, den Wänden 42 und dem Verbindungsabschnitt 43, der jenem der Ablenkvorrichtung 33 entspricht, einen Fortsatz 44 nach abwechselnden Wänden 42, die über die öffnungen 30 verlaufen, um eine Verbindung mit der gegenüberliegenden Wand 42 herzustellen. Dieser Fortsatz erstreckt sich auch in die öffnung 30, um die gegenüberliegende Wand 42 zu verbinden. Dieser Fortsatz erstreckt sich in die öffnung 30 und besitzt einen vorstehenden Abschnitt 45, der eine Abdichtung gegenüber der Unterseite der Plattform 25 bewirkt. Auf diese Weise wird ein unterteilter Raum 46 geschaffen, der einen Teil der öffnung 30 bildet, und gegenüber dem übrigen Teil der öffnung abgedichtet ist, und über eine öffnung 47 mit einem nicht kritischen Teil des inneren Schaufelkühlaufbaus (nicht dargestellt) in Verbindung steht.

Die Wände 42, die die Fortsätze 44 und 45 tragen, sind jeweils so ausgeschnitten, daß die Luft von den Dichtungsleckluftleckstromkanälen 48 in den unterteilten Raum 46 und so in die öffnungen 47 gelangen kann.

Die Arbeitsweise ist bei diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3, aber in diesem Fall strömt nur ein Teil des Dichtungsleckluftstromes nach der Unterseite der inneren Rippen der äußeren Dichtung und der Rest strömt aus den Kanälen 48 in die Räume 46 und bewirkt demgemäß eine Kühlung der Schaufeln in nicht kritischen Bereichen.

Es ist ersichtlich, daß bei beiden Ausführungsformen der Erfindung,die oben beschrieben wurden, der Kühlleckstrom der Dichtung von der Schaufelkühlluft getrennt wird, allerdings auf Kosten des zusätzlichen Gewichtes der Ablenkvorrichtungen.

0300 1 8/0819

Jedoch sind die beschriebenen Metallblechkonstruktionen von relativ geringem Gewicht, jedoch könnten diese Blechkonstruktionen ersetzt werden durch einteilig oder getrennt gegossene Ablenkaufbauten, die einen gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel unterschiedlichen Aufbau besitzen.

Figur 6 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Ablenkvorrichtung, die in diesem Fall die Gestalt eines getrennt gegossenen Bauteils 50 aufweist, das mit den Stirnflächen der Schäfte 29 der Rotorschaufeln 15 oder mit der Stirnfläche der Scheibe 16 verlötet oder auf andere Weise metallurgisch verbunden ist. Jede Ablenkvorrichtung weist einen Hohlkörper auf, in dem ein Kanal ausgebildet ist, um den Leckluftstrom aus dem ursprünglichen Pfad relativ zur Scheibe in Radialrichtung relativ zur Scheibe abzulenken,und es ist ein Fortsatz 51 vorgesehen, der die Wand bildet, die verhindert daß der Leckluftstrom in die Räume 30 zwischen den Schaufeln eintritt. Im übrigen arbeiten die Ablenkvorrichtungen 50 in genau der gleichen Weise wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen.

030018/0819

Claims

Patentansprüche

Luftgekühlte Turbine für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Rotor und einer Rotorscheibe, der eine Stufe von Rotorschaufeln trägt, und mit einem ortsfesten Aufbau benachbart zum äußeren Teil des Rotors und mit inneren und äußeren Ringdichtungen zwischen dem ortsfesten Aufbau und dem Rotor, und mit Vorverwirbelungsdüsen, die die Kühlluft von dem ortsfesten Aufbau über den Raum nach dem Rotor gelangen lassen, und mit einer Kühllufteintrittsvorrichtung, die die Kühlluft in die Schaufeln eintreten läßt, um diese zu kühlen,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkvorrichtung am Rotor zwischen den Dichtungen angeordnet ist, die den Luftleckstrom oder den Gasleckstrom durch die innere Dichtung von der Kühllufteintrittsvorrichtung ablenkt.

2. Luftgekühlte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung radial verlaufende Kanäle aufweist, die von der Kühllufteintrittsvorrichtung radial nach innen nach Stellen verlaufen, die radial außerhalb der Kühllufteintrittsvorrichtung verlaufen, so daß ein Strömungspfad für den Leckstrorn zwischen den inneren und äußeren Dichtungen an der Kühllufteintrittsvorrichtung vorbei geschaffen wird.

030018/0819

ORIGINAL INSPECTED

na
g

j5. Luftgekühlte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung Aufteilungseinlässe für den Leckstrom aufweist, die verhindern daß der Leckstrom in die Kühllufteintrittsvorrichtung einströmt.

4. Luftgekühlte Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung Leckstromaufteileinlässe am radial inneren Teil aufweist, daß Kanäle radial verlaufend angeordnet sind, die mit dem Rotor zusammenwirken, um Kanäle für den Leckstrom zu bilden, die nach einer Stelle radial außerhalb der Kühllufteintrittsvorrichtung verlaufen, und daß offene Abschnitte in Verbindung mit der Kühllufteintrittsvorrichtung derart stehen, daß eine unbehinderte Strömung von Kühlluft von den Vorverwirbelungsdüsen und über den Raum nach der Kühllufteintrittsvorrichtung abströmen kann.

Luftgekühlte Turbine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichn et, giioh
geändert I daß die Kühllufteintrittsvorrichtung erste und

·*·«*> zweite Kühllufteintrittsöffnungen besitzt, daß die Ablenkvorrichtung Leckstroraaufteileinlässe am radial inneren Ende besitzt, daß Kanäle radial verlaufend angeordnet sind, die mit dem Rotor zusammenwirken, wobei jeder Kanal einen ersten Auslaß besitzt, der einen Kanal für den Leckstrom nach einer Stelle radial außerhalb der ersten Kühllufteintrittsöffnung bildet, wobei ein zweiter Auslaß einen Kanal für die Leckströmung nach zweiten Kühl-

030018/0819

lufteintrittsöffnungen bildet, und daß offene Abschnitte in Verbindung mit den ersten Kühllufteinlaßöffnungen derart vorgesehen sind, daß eine unbehinderte Strömung von Kühlluft aus den Vorverwirbelungsdusen über den Raum nach den ersten Kühllufteintrittsöffnungen abfließen kann.

D30 η 18/0819