DE2947521C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenscheibe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Turbinenscheiben werden für Gasturbinen und insbesondere für Flugzeugstrahltriebwerke verwendet.

Aufgrund der sich ständig erhöhenden Leistungsanforderungen sind die Drehzahlen der Turbinenscheibe und die Temperatur der sie in Bewegung setzenden heißen Gase ständig erhöht worden. Hieraus folgt eine erhöhte Belastung der Turbinenscheibe aufgrund erhöhter Zentrifugalkräfte und Betriebstemperaturen, die die Turbinenscheibe im Hinblick auf die mechanische Festigkeit sehr stark beanspruchen. Um diese Beanspruchungen zu senken, ist man dazu übergegangen, in der Turbinenscheibe Kühlkanäle vorzugsehen und die Turbinenscheibe durch in den Kühlkanälen umgewälztes Kühlmittel zu kühlen.

Bei einer durch die US-PS 41 02 603 vorbekannten Ausgestaltung einer Turbinenscheibe der eingangs angegebenen Art besteht die Turbinenscheibe zwecks Erhöhung ihrer Festigkeit aus mehreren, nebeneinander liegenden Teilscheiben, zwischen denen Hohlräume gebildet sind, die in sich geschlossen sind. Diese bekannte Turbinenscheibe ist zu beiden Seiten mit angesetzten Seitenkappen versehen, die zwischen sich und den Oberflächen der Turbinenscheibe Freiräume begrenzen, die zum Umwälzen von Kühlluft verwendet werden. Statt der Teilscheiben kann eine Turbinenscheibe auch umlaufende Auskehlungen aufweisen, die mittel Deckscheiben abgedeckt sind, um die Freiräume zu bilden (vgl. CH-PS 2 38 026).

Diese bekannte Ausgestaltung führt wegen der zusätzlichen Seitenkappen nicht nur zu einer verhältnismäßig großen und teuren Bauweise, sondern sie ist auch aus strömungstechnischen Gründen ungünstig, weil aufgrund der sich ergebenden, im Querschnitt sehr unterschiedlichen Strömungshohlräume mit unerwünschten Wirbelströmungen zu rechnen ist.

Es ist aus der CH-PS 92 250 bekannt, durch eine Beschaufelung bzw. durch radiale Rippen gebildete Kühlkanäle auf den beiden Oberflächen einer Turbinenscheibe vorzusehen, mittels denen Kühlluft umgewälzt werden soll. Um zu vermeiden, daß der Kühlluftstrom zwischen den Oberflächen der Turbinenscheibe und den benachbarten Gehäusewänden verläuft, wodurch die Strömung gehemmt wird und mit einem Leistungsverlust zu rechnen ist, kann gemäß Ausführung eine Deckscheibe auf die Rippen aufgesetzt sein. Neben kompliziertem Aufbau und schwieriger Montage ergeben sich aufgrund der sich radial erweiternden Kanäle strömungstechnische Schwierigkeiten, durch die die erwünschte sichere Kühlung gestört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenscheibe der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß bei Gewährleistung einer kleinen Bauweise eine wirksame Oberflächenkühlung der Turbinenscheibe möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die Kanäle in den massiven Körper der Turbinenscheibe fertigungs- und montagefreundlich integriert, so daß an der Oberfläche der Turbinenscheibe angeordnete Strömungsführungselemente entfallen können. Dabei erstrecken sich die erfindungsgemäßen Kanäle durchgehend gleichen Querschnitts nahe der zugehörigen Oberfläche innerhalb der Scheibe, wobei bei Vermeidung von schädlichen Strömungswirbeln eine gute Oberflächenkühlung für die Turbinenscheibe erreicht wird. Durch die erfindungsgemäße Weiterführung der Kanäle in die die Füße der Schaufeln aufnehmenden Höhlungen ist der Kühlkreislauf bei guter Ausnutzung der Kühlluft und zusätzlicher Kühlung der Turbinenscheibe und der Schaufelfüße gewährleistet. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergibt sich auch eine gleichmäßige ungestörte Strömung für die Kühlluft, was aus funktionellen Gründen angestrebt wird.

Es ist außerdem aus der FR-OS 22 92 866 bekannt, in einer massiven Turbinenscheibe mittige radiale Kanäle für Kühlluft vorzusehen, jedoch wird bei dieser Ausgestaltung aufgrund der mittigen Anordnung eine effektive Oberflächenkühlung nicht erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die bei Gewährleistung einer einfachen und kostengünstig herstellbaren Bauweise die Kühlluftströmung und somit auch die Kühlung und die Herstellung vereinfachen und verbessern, sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Flugzeugstrahltriebwerk mit einer erfindungsgemäßen Turbinenscheibe im Längsschnitt;

Fig. 1a einen vergrößerten Teilschnitt der Turbinenscheibe;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der Turbinenscheibe in abgewandelter Ausgestaltung;

Fig. 2a einen vergrößerten Teilschnitt der Turbinenscheibe nach Fig. 2 in weiter abgewandelter Ausgestaltung;

Fig. 3 eine der Fig. 2 analogen Teilschnitt einer Turbinen­ scheibe als weiteres Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 1 dargestellte Turbostrahltriebwerk weist einen Ver­ dichter 1 auf, der die verdichtete Luft in einen Diffusor 2 ab­ gibt, der in ein ringförmiges Gehäuse 3 mit einer Brennkammer 4 einmündet, in der ein Brennstoff verbrennt, um Heißgase zu er­ zeugen, die in einer Turbine arbeiten, deren Schaufeln mit 5 bezeichnet sind. Die Schaufeln des Verdichters sind mit den Schaufeln 5 der Turbine durch eine Hohlwelle 6 verbunden, wo­ durch die Schaufeln des Verdichters angetrieben sind. Die aus der Turbine austretenden Heißgase werden durch eine nicht dar­ gestellte Düse in die Atmosphäre abgegeben, wobei sie einen An­ triebsstrahl bilden.

Der Rotor der Turbine wird durch die Luft gekühlt, die am Aus­ gang einer Stufe 1a des Verdichters mittels einer Einrichtung 7 entnommen wird, die derjenigen gleicht, die in der DE-PS 28 33 220 (=FR-PS 24 01 320) beschrieben ist. Die Luft wird längs der Pfeile 8 in Zentripetalrichtung entnommen und fließt längs der Pfeile 9 im Innern der Hohlwelle 6 stromab­ wärts.

Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Turbinenscheibe 10, welche die Schaufeln 5 trägt, einen Kranz 11 auf, in dem parallel zur Turbinenachse Höhlungen (27 in Fig. 2a) ausgebildet sind, in denen die Füße der Schaufeln 5 sitzen und durch Flan­ sche 12, 13 gehalten sind. Die Turbinenscheibe 10 weist weiter­ hin eine Scheibe 14 auf, deren Oberflächen 14a, 14b auf der Stromaufwärtsseite und Stromabwärtsseite kegelstumpfförmig ver­ laufen und mit an der Hohlwelle 6 befestigten Ringansätzen 15, 16 versehen sind. Eine massive ringförmige Basis 17 ist über ein Zwischenstück 18 und zwei ringförmige Rücksprünge 19, 20 mit der Scheibe 14 verbunden. In jede Höhlung münden zwei ge­ radlinige Bohrungen bzw. Kanäle 21 und 22, die durch elektroly­ tische Bearbeitung erzeugt sind und von den Hohlkehlen der Rücksprünge 19, 20 nahe der zugehörigen Oberfläche 14a, 14b der Scheibe 14 (d. h. näher zu diesen Oberflächen 14a, 14b als zur Mittelebene der Scheibe 14) sowie parallel zu den Oberflächen 14a, 14b verlaufen. Die Technik des elektrolytischen Bohrens ist bekannt, weshalb eine nähere Beschreibung entfallen kann. Es sei lediglich bemerkt, daß gemäß dieser Technik ein positi­ ves Potential an das zu bohrende Werkstück und ein negatives Potential an eine Elektrode gelegt wird, die man zum Werkstück führt und in der oder längs der ein Elektrolyt fließt.

Die Kühlluft, die längs der Pfeile 9 vom Innern der Hohlwelle 6 herkommt, tritt in Richtung der Pfeile 23 und 24 in die Kanäle 21 bzw. 22 ein, die sie zum Boden der Höhlungen führen, von wo sie in nicht dargestellte Kanäle strömt, die radial in den Schaufeln 5 ausgebildet sind, um die Schaufeln 5 zu kühlen. Da die Kühlluft in den Kanälen 21, 22 nahe den Oberflächen 14a, 14b der Turbinenscheibe 10 strömt, d. h. nahe der Heißgase, die den außerhalb der Hohlwelle 6 liegenden Teil der Turbinen­ scheibe 10 umströmen, kühlt die Kühlluft die Turbinenscheibe 10 wirksamer als wenn sie in der Mittelebene der Turbinenscheibe zirkulieren würde, wie dies bisher der Fall war.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, bei dem vergleichbare Teile mit denselben um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen sind, haben die Oberflächen 114a, 114b der Scheibe 114 ein kreisbogenförmiges Profil. Zwei kreisförmige Ausnehmungen 25, 26 sind am Übergang zwischen den Oberflächen 114a, 114b und den Stirnflächen 117a, 117b der massiven ringförmigen Basis 117 ausgebildet. Die Kanäle 121, 122 folgen jeweils dem kreisbogen­ förmigen Profil der Oberflächen 114a, 114b, und sie besitzen einen ovalen Querschnitt, dessen große Achse quer zur Turbinen­ achse, d. h. senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Dieser ovale Querschnitt erlaubt es, die Wärmetauschfläche in der Nähe der Oberflächen 114a, 114b der Turbinenscheibe 10 zu vergrößern. Die Kanäle 121, 122 sind auf elektrolytischem Wege mittels kreisförmig gekrümmten Elektroden mit ovalem Querschnitt er­ zeugt worden. Weiterhin mündet nur ein Kanal 21, 22 in jede Höhlung 27, so daß jede der Höhlungen 27 abwechselnd durch einen Kanal 121 von der Stromaufwärtsseite und einen Kanal 122 von der Stromabwärtsseite mit Kühlluft versorgt wird. Man sieht dementsprechend in der Fig. 2a eine Höhlung 27, die durch den einen Kanal 121 von der Stromaufwärtsseite versorgt wird, der in der Mitte ihrer Länge einmündet, während die benachbarten Höhlungen 27 jeweils von einem Kanal 122 auf der Stromabwärts­ seite versorgt werden, die ebenfalls in der Mitte ihrer Länge einmünden.

Um zu verhindern, daß der Druckverlust beim Durchfluß der Kühl­ luft bei 28 durch die Zentralbohrung 29 der Turbinenscheibe 110 zur Stromabwärtsseite der Scheibe hin eine Ungleichmäßigkeit in der Kühlung der Schaufeln 5 verursacht, hat man im Kühlkreis­ lauf der Schaufeln 5, die von der Stromaufwärtsseite her ver­ sorgt werden, jeweils eine drosselnde Einrichtung in Form einer perforierten Platte 30 vorgesehen, die unterhalb des Fußes 105a der Schaufeln 105 eingesetzt ist (Fig. 2a). Um den Ausgleich zu erleichtern, setzt man unter die Füße der Schau­ feln 105, die von der Stromabwärtsseite her mit Kühlluft ver­ sorgt sind, Platten mit Löchern 30a größeren Durchmessers als Platten mit Löchern 30a ein, die sich im Strömungsweg eines stromabseitigen Kanals 122 befinden. Es liegt im Rahmen der Er­ findung, die Platten 30 durch äquivalente Mittel zu ersetzen, wie z. B. durch Ausbildung der Kanäle 122 mit größerem Durch­ messer als die Kanäle 121. Die unterschiedlichen Kanäle 121, 122 können dabei mittels identischer Elektroden hergestellt werden, wobei man jedoch auf den Ausfluß des Elektrolyten oder auf die Dauer der Bearbeitung oder auf beides Einfluß nimmt.

In Fig. 2a ist der Fuß 105a einer in der Höhlung 27 sitzenden Schaufel 105 dargestellt, außerdem sind Kanäle 105b zu sehen, die radial in der Schaufel 105 und in ihrem Fuß 105a zum Durch­ fluß der Kühlluft der Schaufel 105 vorgesehen sind. Nicht dar­ gestellt sind in den Fig. 1a, 2, 2a und 3 die in Fig. 1 mit 12 und 13 bezeichneten Flansche, die die Füße 105a der Schau­ feln 105 in den Höhlungen 27 halten und Luftverluste verhindern.

Die Fig. 3, in der vergleichbare Bauteile mit denselben um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine Ausführungs­ variante, bei der die kreisförmigen Ausnehmungen 25, 26 gemäß Fig. 2 weggelassen sind und die Kanäle 221, 222 in den Stirn­ flächen 217a, 217b der Turbinenscheibe 210 münden. Diese Anord­ nung ist gegenüber derjenigen der Fig. 2 bevorzugt, da die Ka­ näle 221, 222 direkt näher der Achse der Turbine münden, so daß die Wiederverdichtung der Kühlluft in den Kanälen 221, 222 durch Zentrifugalwirkung verstärkt ist.

Gegenüber der Ausgestaltung der Fig. 1 sind diejenigen der Fig. 2 und 3 als bevorzugt anzusehen. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 1 stellt nämlich der den Absätzen 19, 20 zugeordnete Hals eine in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 18 versehene und mit gestrichelten Linien angedeutete Zone dar, die der Sitz von Spannungskonzentrationen ist, die der Langlebigkeit der Turbi­ nenscheibe 10 sehr abträglich sind. In dieser Zone ist die Tan­ gentialspannung im wesentlichen gleich der Radialspannung, und es besteht die Gefahr des Zerreißens der Turbinenscheibe 10 während des Betriebs, wenn nicht ein sehr großer Sicherheits­ spielraum eingehalten wird.

Bei den Ausgestaltungen nach Fig. 2 und 3 ist zu erkennen, daß die in geringerer Anzahl vorhandenen Kanäle 121, 122, 221, 222 weiter in die Masse der Turbinenscheibe 10 eintauchen und die Halszone weniger kritisch ist, und zwar

• - wegen des Fehlens des Halses bei der Variante nach Fig. 3 und
• - wegen der tieferen Anordnung des Halses bei der Variante nach Fig. 2 in eine Höhe, wo die Spannungen, insbesondere die Ra­ dialspannungen, geringer sind.

In überraschender Weise ist der gekrümmte Verlauf der Kanäle auch vorteilhaft bei der Herstellung der Kanäle und bei der Ausführung der Elektroden.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 1 und 1a sind zwei Kanäle 21, 22 für jede Schaufelhöhlung 27 vorgesehen. Diese Kanäle 21, 22 verlaufen in einem Abstand von etwa 3 mm von der Oberfläche 14a, 14b der Turbinenscheibe 10. Im Falle von im Querschnitt ellip­ tischer Elektroden mit einer kleinen Achse von etwa 2,1 mm und einer großen Achse von etwa 7,5 mm für eine Kanallänge von 150 mm (Elektrodenlänge 350 mm) wirkt jeder Geradlinigkeitsfeh­ ler der Elektroden auf den Verlauf der Kanäle zurück und diese könnten in bestimmten Fällen außerhalb der Toleranzgrenzen ge­ langen. Außerdem sind die Toleranzen bezüglich der Lage der Einmündung der Kanäle sehr eng, da die Einmündung der Kanäle in der Halszone der Turbinenscheibe 10 liegt, in der der Span­ nungszustand äußerst kritisch ist. Der Bohrungsvorgang ist so­ mit aufgrund seiner großen Empfindlichkeit am Beginn der Kanäle extrem heikel.

Weiterhin trägt das Scheibenvolumen, das zwischen der kegel­ stumpfförmigen Hüllfläche der Kanäle und der Außenhaut liegt, aufgrund seiner dünnen Decke nicht zur Festigkeit der Turbinen­ scheibe 10 bei, sondern es stellt eine tote Masse dar, die un­ nützerweise zu den Zentrifugalspannungen der Turbinenscheibe 10 beiträgt und die man durch eine Verdickung der Turbinenscheibe 10 kompensieren muß.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 2 und 3 ist nur ein einziger Kanal pro Höhlung 27 vorhanden, so daß die Kanäle in der Mitte der Länge der Höhlungen ausmünden können. Da die Ka­ näle weniger zahlreich und tiefer in die Masse der Turbinen­ scheibe 10 eintauchen, kann das zwischen den Kanälen 121, 122, 221, 222 und den Oberflächen 114a, 114b, 214a, 214b der Turbi­ nenscheibe 10 befindliche Volumen zur Festigkeit der Turbinen­ scheibe beitragen. Ein Krümmungsfehler der Elektroden ist somit weniger kritisch wie ein Geradlinigkeitsfehler bei der Ausge­ staltung nach Fig. 1.

Auch im Hinblick auf die Ausführung der Elektroden ist die Aus­ gestaltung gemäß Fig. 2 und 3 günstiger als diejenige nach Fig. 1. Da weniger Kanäle vorgesehen sind, können diese einen größe­ ren Querschnitt besitzen. Sie haben damit ein wesentlich größe­ res Trägheitsmoment, das sich mit der 4. Potenz zum Durchmesser verändert. Wenn die kleine Achse der Ellipse mit zwei multipli­ ziert wird, wächst das Trägheitsmoment um den Faktor 16. Die Elektrode bleibt somit besser in Position. Die Vergrößerung des Trägheitsmoments der Elektrode gleicht weitgehend die Vergröße­ rung ihrer Länge aufgrund ihrer Krümmung (20%) aus. Da der Querschnitt vergrößert werden kann, sind die Zuführung des Elektrolyten und insbesondere seine Evakuierung um vieles er­ leichtert.

Wie schon erwähnt worden ist, werden die Kanäle mittels Elek­ troden mit ovalem Querschnitt hergestellt. Dieser Querschnitt kann elliptisch sein. Man verwendet vorzugsweise Elektroden, deren ovaler Querschnitt an den Enden seiner großen Achse einen größeren Krümmungsradius als der entsprechende Krümmungsradius einer Ellipse aufweist. Eine Elektrode mit einem solchen ovalen (henkelförmigen) Querschnitt erlaubt ein besseres Zirkulieren des Elektrolyten zwischen der Elektrode und dem zu bohrenden Werkstück und eine bessere Bearbeitung der zu bohrenden Kanäle.

Claims (12)

1. Turbinenscheibe mit Kanälen zum Durchtritt eines Kühlfluids zu den von der Turbinenscheibe getragenen Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenscheibe massiv und einteilig ausgebildet ist und zur Oberflächenkühlung der Turbinenscheibe (10, 110, 210) zwei Gruppen von Kanälen (21, 22; 121, 122; 221, 222) etwa gleichen Querschnitts aufweist, die jweils nahe einer der beiden Oberflächen innerhalb der Turbinenscheibe (10, 110, 210) verlaufen, deren Profil (14a, 14b; 114a, 114b; 214a, 214b) folgen und in den Höhlungen (27) münden, die jeweils den Fuß einer Schaufel (5) aufnehmen.

2. Turbinenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Turbinenscheibe - im axialen Schnitt gesehen - gekrümmt, vorzugsweise kreisförmig gekrümmt sind.

3. Turbinenscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangslöcher der zur Stromaufwärtsseite der Turbinenscheibenoberfläche parallelen Kanäle (21) auf der Stromaufwärtsseite der Turbinenscheibe und die Ausgangslöcher der zur Stromabwärtsseite der Turbinenscheibenoberfläche parallelen Kanäle (22) auf der Stromabwärtsseite der Turbinenscheibe angeordnet sind.

4. Turbinenscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangslöcher der Kanäle (21, 22; 121, 122; 221, 222) fast radial innerhalb von die Turbinenwelle bildenden Ringansätzen (15, 16; 115, 116; 215, 216) angeordnet sind.

5. Turbinenscheibe nach einem ober mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf beiden Seiten jeweils eine umlaufende kreisförmige Ausnehmung (19, 20; 25, 26) aufweist, und daß die Eingangslöcher der Kanäle (21, 22; 121, 122) im radial äußeren Flächenteil der zugehörigen kreisförmigen Ausnehmung (19, 20; 25, 26) angeordnet sind.

6. Turbinenscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Enden der Kanäle (121, 122; 221, 222) in einer Radialebene liegen und die von der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite zugeführten Kanäle (121, 122; 221, 222) mit den in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Höhlungen (27) abwechselnd verbunden sind.

7. Turbinenscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine drosselnde Einrichtung, die im Kühlfluidkreislauf der von der Stromaufwärtsseite der Turbinenscheibe (110) versorgten Schaufeln (105) einen Druckverlust bewirkt, der den Druckverlust des Kühlfluidzuflusses durch die Zentralbohrung (29; 229) der Turbinenscheibe zu deren Stromabwärtsseite ausgleicht.

8. Turbinenscheibe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die drosselnde Einrichtung durch eine zwischen den Höhlungen (27) und weiterführenden Kanälen (105b) angeordnete Platte (30) in der Turbinenscheibe (110) gebildet ist, die im Bereich der weiterführenden Kanäle (105b) Löcher (30a) aufweist, wobei vorzugsweise die Löcher (30a), die mit den mit der Stromabwärtsseite in Verbindung stehenden Kanälen in Verbindung stehen, größer als die anderen sind.

9. Turbinenscheibe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der von der Stromabwärtsseite zugeführten Kanäle (22; 122; 222) einen größeren Querschnitt aufweisen als der Querschnitt der von der Stromaufwärtsseite zugeführten Kanäle (21; 21; 221).

10. Turbinenscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (21, 22; 121, 122; 221, 222) einen ovalen Querschnitt haben, dessen größte Achse parallel zur Oberfläche (14a, 14b; 114a, 114b; 214a, 214b) der Turbinenscheibe verläuft.

11. Turbinenscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (21, 22; 121, 122; 221, 222) durch elektrolytisches Bohren erzeugt sind.

12. Turbinenscheibe nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Verwendung von Elektroden zum elektrolytischen Bohren, deren ovaler Querschnitt an den Enden seiner größten Achse einen größeren Krümmungsradius als den Krümmungsradius einer entsprechenden Ellipse aufweist.