DE3047514A1

DE3047514A1 - "rotorscheibe fuer eine gasturbine"

Info

Publication number: DE3047514A1
Application number: DE19803047514
Authority: DE
Inventors: Roger Douglas 06450 Meriden Conn. Breunig; Wallace Neil 45242 Cincinnati Ohio Kelly
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1979-12-17
Filing date: 1980-12-17
Publication date: 1981-10-01
Also published as: GB2065788A; FR2471474A1; GB2065788B; JPS5698502A; FR2471474B1; US4344738A

Description

PATENTANWALT DR. RiOSARD KNElSSL Vt ·0..3ΠΙΤ..ΐϊ^;β^;-5ίΓ. 46

D-3.00 MÜNCHEN 22 q 3047514

Tel. 0Ü9/295125 " <-""

1 7. Οΐ-Ζ.

DE 7 Zi/Le

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Ct. 06i0i/V.St.A.

ROTORSCHEIBE FÜR EINE GASTURBINE

Priorität: 17.12.1979 - V.St.A.

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Die Erfindung bezieht sich auf Rotorscheiben für - axialdurchströmte Lauferneschinen, wie Gasturbinen, und befasst sich insbesondere mit der Verringerung der maximalen Belestungskonzentrationen in einer Rotorscheibe einer derartigen Maschine.

Eine Gasturbine besitzt eine Verdichtungsstufe, eine Brennstufe und eine Turbinenstufe. Ein Strömungsweg rr.it einem ringförmigen Querschnitt für die das Arbeitsmedium darstellenden Gase erstreckt sich exial durch die f/erschine. Die Turbinenstufe der f/eschine weist eine Rotorenordnunc auf. Der einen ringförmigen Querschnitt aufweisende Strcmungsweg führt in abwechselnder Aufeinanderfolge zwischen den Komponenten der Statoranordnung und den Komponenten der Rotoranordnung hindurch. Die Rotorsnordnung weist eine Scheibe mit einer Symmetrieachse und einer Vielzahl von Rotorschaufeln auf, die sich nach außen in die heißen, das Arbeitsmedium darstellenden Gase erstrecken. Die Rotorscheufeln stehen in inniger Berührung mit den heißen Gasen und werden von diesen heißen Gasen erhitzt.

Bei modernen Gasturbinen wird Kühlluft durch Kanäle im Inneren der Turbinenschaufeln hindurchgeführt, um Wärme von den Rotorschaufeln abzuführen. Die Kühlluft wird in üblicher Weise mit Hilfe von Kühlluftlöchern durch die Scheibe hindurchgeführt. Eine übliche Konstruktion für Kühllöcher ist in der US-PS 3.826.279 gezeigt. Die Scheibe nimmt die Rotorschaufeln in einem Montageschlitz auf. Jedes Kühlluftloch besitzt einen Ausgang, der in den Boden des entsprechenden Schlitzes mündet. Der Querschnitt der Scheibe ändert sich jäh en der Stelle des Schlitzes. Wenn sich die Scheibe in einer rechtwinklig zur Symmetrieachse verlaufenden Ebene dreht, bewirken die Drehkräfte eine Tangentielbelestung im Scheibenmaterial. Die Unterbrechung der Gleichförmigkeit der Quer-

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schnittsfläche führt zu einer großen Konzentration der Belastung an den Kühlluftlöchern. Diese Bedingung ist in den Bereichen mit einer dynamischen Beanspruchung besonders ernst, da des Material Ermüdungsschäden erleidet, wenn die maximele Belsstung größer als die Dauerfestigkeit ist, die einer annehmbaren Lebensdauer zugeordnet ist, die nur unter einer niedrigen, periodischen Leständerung erreicht werden kenn.

Die Kanzentrationen der tangentialen Belastungen im Bereich des Kühlluftkanals im Kranz der Rotorscheibe führen gegenwärtig dazu, daß diese Stelle der Scheibe die unter niedrigen, periodischen L^ständerungen erreichbare Lebensdauer begrenzt. Die Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten daher daran, einen Kanal für die Kühlluft zu schaffen, bei welchem die Konzentrationen der tangentialen Belastungen derart vermindert sind, dcß die Rotorscheibe eine verbesserte, unter niedrigen, periodischen Leständerungen erreichbare Lebensdauer hat.

Es ist heuptsächlxch Ziel und Zweck der Erfindung, einen durch eine Rotorscheibe hindurchgehenden Kanal für die Kühlluft zu schaffen. Eine verbesserte, unter niedrigen, periodischen Leständerungen erreichbare Lebensdauer wird angestrebt. Ein besonderes Anliegen ist es, die Konzentrationen der tangentialen Belastungen im Bereich des Kühlluftkanales im Kranz der Rotorscheibe zu verringern.

Gemäß der Erfindung wird die Konzentration der tangentialen Belastungen bei den Kühlluftlöchern in einer Rotorscheibe dadurch herabgesetzt, daß ein Loch mit einer Querschnittsform vorgesehen wird, die längs einer größeren Achse in die Länge gezogen ist, die in einer rechtwinklig zur Symmetrieachse der Rotorsoheiba verlaufenden Ebene liegt.

Des wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung be-

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steht in einem langgestreckten Kühlloch, welches durch den Kranz der Scheibe radial nach eussen verläuft. Das Loch hat eine kleinere Achse und eine größere Achse. Die größere Achse liegt in einer Ebene, die in einem rechten Winkel zur Symmetrieachse der Rotorscheibe und perellel zur Drehrichtung verläuft. Bei einer Ausführungsform ist der Umfang des Loches symmetrisch zur größeren Achse und symmetrisch zur kleineren Achse. Ein anderes Merkmal ist das Ausmaß der Längserstreckung des Lochquerschnittes.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung

ist in der guten, unter niedrigen, periodischen Leständerungen erreichbaren Lebensdauer zu sehen, die auf der verminderten Größe dbr konzentrierten Tangentialbelastungen bei jedem Kühlloch im Vergleich mit den Kühllächern mit kreisförmigem Querschnitt beruht. Die Größe der Belastungen beruht auf dem schmalen Profil, welches das lenggestreckte Loch dem tangentielen Belestungsfeld darbietet, das von den Linien des tangentialen Kräfteflusses herrührt.

Die besonderen Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen bus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsfarm anhand von Zeichnungen näher hervor. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 einen vereinfachten Querschnitt eines Abschnittes einer Rotoranordnung für eine Gasturbine,

Figur 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Figur 1, und

Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines aus der Rotor-Scheibe herausgebrochenen Abschnittes mit einem langgestreckten Kühlloch.

In Figur 1 ist ein Teil einer Rotorenordnung 10 einer Gasturbine gezeigt. Die Rotoranordnung besitzt eine Drehachse Ar

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Ein Strömungsweg 12 für die das Arbeitsmedium darstellenden Gase führt durch die Rotorenordnung. Die Rotorsnordnung besitzt eine Rotorscheibe 14 und eine Vielzahl von kühlbaren Rotorschaufeln, von denen nur eine einzige Rotorschaufel dargestellt ist. Die Rotorschaufeln erstrecken sich von der Rotorscheibe nach außen in den Strömungsweg des Arbeits— mediums. Die Rotorscheibe hat einen Kranz 18, welcher die Rotorschaufeln mit Hilfe von Schlitzeinrichtungen, wie beispielsweise mit Hilfe einer Vielzahl von Schlitzen aufnimmt, von denen nur ein einziger Schlitz 20 dargestellt ist. Die Schlitze verlaufen in einer im ellgemeinen axialen Richtung. Es dürfte dem Fachmann einleuchten, daß euch ein einziger, um den Umfang verlaufender Schlitz zur Aufnahme der Rotor— schaufeln an Stelle der Vielzahl der axial verlaufenden Schlitze verwendet werden kenn.

Die Rotorscheibe 14 weist neben dem Kranz 10 noch ein Scheibenblett 22 und eine Nebe 24 auf. Der Krcnz, drs Scheibenblatt und die Nabe verlaufen rings um eine Symmetrieechse As. Ein Strömungsweg 26 für die Kühlluft führt durch die Bohrung der Nabe 24. Der Strömungsweg 26 steht mit einem Loch 28 für die Kühlluft, einem entsprechenden Schlitz und der im Schlitz sitzenden,kühlbaren Rotorschaufel in Gasverbindung.

Jedes Loch 28 für die Kühlluft hat eine Längsachse L. Die Längsachse L liegt in einer radialen Ebene, welche die Symmetrieachse As und die Drehachse Ar enthält. Die Längsechse L nimmt einen bestimmten Winkel gegen eine rechtwinklig zur Symmetrieachse As verlaufenden Ebene ein. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß die Längsachse L in einigen Fällen auch in anderen Ebenen, beispielsweise in einer rechtwinklig zur Symmetrieachse As verlaufenden Ebene oder in einer Ebene liegen kann, welche die Symmetrieechse As nicht enthält.

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Figur 2 zeigt eine Schnittansicht im rechten Winkel zur Längsachse L des Loches 23 für die Kühlluft. Das Loch für die Kühlluft hat eine langgestreckte Gestalt. Das Loch für die Kühlluft besitzt eine größere Achse und eine kleinere Achse 32 an jedem Schnitt, der im rechten Winkel zur Längsachse L des Loches 28 gelegt wird. Die größere Achse des Loches liegt in einer Ebene, die im rechten Winkel zur Symmetrieechse As der Rotorscheibe verläuft. Die kleinere Achse des Loches liegt in einer Ebene, welche die Symmetrieachse As enthält. Des Verhältnis der Länge der größeren Achse zur Länge der kleineren Achse liegt vorzugsweise im Bereich von 1,3 bis 2,0.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht, in welcher der Schlitz 2o und das Loch 28 für die Kühlluft dargestellt sind. Das Loch für die Kühlluft hat eine t.'ündungsstelle 34. In dem unmittelbar um die Mündungsstelle liegenden Bereich sind Linien T eines tangentialen Kreft— flusses gezeigt. Die Rotorscheibe ist unterhalb des Kranzes in der Nähe des Scheibenblattes 22 aufgebrochen, um Linien R eines radialen Kraftflusses im Bereich um des Loch für die Kühlluft zu zeigen.

Während des Betriebes der Gasturbine fließen heiße, das Arbeitsmedium darstellende Gase und Kühlluft in den Abschnitt der Maschine, welcher die Rotoranordnung 10 enthält. Die heißen, das Arbeitsmedium darstellenden Gase treten zwischen den kühlbaren Rotorschaufeln 16 hindurch, die sich von der Scheibe 14 redial nech außen in der Strömungsweg 12 der heißen Gase erstrecken. Die Kühlluft fließt durch die Löcher 28 in der Rotorscheibe zu den Rotorschaufeln.

Wenn sich die Rotoranordnung um ihre Drehachse Ar dreht, werden in der Rotorscheibe Rediel- und Tangentialkräfte erzeugt. Die im Kranz der Scheibe wirkenden Tangentialkräfte rufen Be-

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lEstungsspitzen an den Stellen des Krenzes hervor, an denen die Querschnittsfläche ungleichförmig ist. Die Größe der Belastungen, die von diesen Kräften und von Wärmebeenspruchungen herrühren, die durch ungleichmäßige Tempereturänderungen in der Rotorscheibe hervorgerufen werden, bestimmt die unter niedrigen, periodischen Leständerungen erzielbare Lebensdauer der Rotorscheibe. Die Stelle im Kranz der Scheibe, welche eine begrenzte, unter niedrigen, periodischen Laständerungen erzielbare Lebensdauer aufweist, ist der Bereich um die Mündungsstelle 34 des Loches 28 für die Kühlluft.

Das durch den Kranz 18 hindurchgehende Loch 28, dessen größere Achse 3o in einer rechtwinklig zur Symmetrieachse verlaufenden Ebene liegt, bietet den Linien T des tangentialen Kraftflusses ein schmaleres Profil dar, als es bei den Kühlluftlöchern der Fall ist, die eine gleichgroße Querschnittsfläche und eine größere Achse haben, die in einer die Symmetrieachse As enthaltenden Ebene liegt. Das schmälste Profil wird den Linien T des tangentialen Kraftflusses durch Löcher dargeboten, deren größere Achsen in einer rechtwinklig zur Symmetrieechse As verlaufenden Ebene und deren kleinere Achsen 32 in einer die Symmetrieachse As enthaltenden Ebene liegen. Dadurch, daß ein schmeleres Profil den Linien T des tengentialen Kraftflusses dargeboten wird, läßt sich die Ungleichförmigkeit der Querschnittsfläche an dieser Stelle herabsetzen. Der Faktor der Belastungskonzentration wird hierdurch herabgesetzt und die unter niedrigen, periodischen Leständerungen erzielbare Lebensdauer der Rotorscheibe wird somit erhöhti

Die Linien des radialen Kreftflusses verlaufen nach innen in den Kranz, wie dies in den Figuren 1 und 3 dargestellt ist. Die unter niedrigen, periodischen Laständerungen erzielbare Lebensdauer wird in der Nähe des inneren Bereiches der RDtor-

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scheibe dem Gewinn der unter niedrigen, periodischen Last— änderungen erreichbaren Lebensdauer im Kranz geopfert. Wie in Figur 3 im Inneren der Rotorscheibe in der Nähe des Scheibenblcttes 22 gezeigt ist, ist die größere Achse des Loches den radialen Linien des Kreftflusses mehr susgesetzt als die kleinere Achse des Loches. Die Unstetigkeit des Querschnittes ist größer, als es der Fall wäre, wenn die kleinere Achse den Linien des radialen Kreftflusses ausgesetzt wäre. Diese große Ungleichförmigkeit in der Querschnittsfläche hat erhöhte Belastungsspitzen in der Nähe des Scheibenblettes der Rotorscheibe zur Folge. Trotz der Zunahme der Belastungsspitzen in der Nähe des die Nabe mit dem Kranz verbindenen Scheibenblattes nimmt die unter niedrigen, periodischen Leständerungen erzielbare Lebensdauer der Rotorscheibe nicht ab, de die Belastungsspitzen, die von den Linien des tangentialen Kreftflusses im Kranz der Rotorscheibe im Bereich der Mündungsstelle 34 des Kühlloches und des Schlitzes hervorgerufen werden, die Ursache dafür sind, daß die Stelle der begrenzten, unter niedrigen, periodischen Laständerungen erreichbaren Lebensdauer im Kranz der Rotorscheibe liegt.

Die größere Achse 3o des Loches 28 ist in ihrer Länge durch die in Umfangsrichtung liegende Breite des schmälsten Abschnittes des Schlitzes 13 begrenzt. In den meisten Fällen wird die Breite des Schlitzes über die Breite des Loches hinausgehen. Die minimale Länge der kleineren Achse 32 wird durch die Notwendigkeit eines Loches mit einer ausreichenden Querschnitts— fläche für den Durchtritt der erforderlichen Kühlluft und durch die Belastungsspitzen bestimmt, die dadurch hervorgerufen werden, daß die größere Achse den Linien des radialen Kreftflusses ausgesetzt ist. Die maximale Länge der kleineren Achse wird durch die Belestungsspitzen bestimmt, die dadurch hervorgerufen werden. daß die kleinere Achse den Linien des tangentialen Kraftflusses ausgesetzt ist. Bei den meisten Rotorscheiben für Gasturbinen

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dürfte ein Verhältnis der Länge der größeren Achse zur Länge der kleineren Achse im Bereich von 1,3 bis 2,0 einen wirksamen Kompromiß beim Ausgleich der Faktoren der tangentialen Eelastungskonzentration gegen die Faktoren der radialen Belastungskonzentration darstellen. Bei dem dargestellten Aus— führungsbeispiel hat das langgestreckte Loch eine elliptische Form, obgleich Löcher, die zu einer einzigen Achse, wie beispielsweise der größeren Achse, symmetrisch sind, ebenfalls wirksame Ausführungsformen ergeben können.

Obgleich die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert worden ist, dürfte es dem Fachmann klar sein, daß verschiedene Änderungen und Abstriche im Hinblick auf Gestaltungsformen und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne daß vom Geist und Umfang der Erfindung abgewichen wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

(1.J Rotorscheibe für eine Gasturbine mit einer Symmetrieachse und einer Vielzahl von Schlitzeinrichtungen zur Aufnehme einer Vielzahl von kühlberen Rotorscheufeln, gekennzeichnet durch einen Kranz (iö) mit einem lenggestreckten Loch (28), des längs einer Längsrchse (l) durch den Kranz (18) hindurch verläuft und in einer Gesverbindung mit der Schlitzeinrichtung (2o) steht sowie eine Vielzahl von rechtwinklig zur Längsechse (l) verlaufenden Lochcuerschnitten aufweist, von denen jeder Lochquerschnitt eine größere Achse (3o) het, die in einer Ebene liegt, die rechtwinklig zur Symmetrieechse (As) verläuft.
2. Rotorscheibe nech Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lochquerschnitt eine kleinere Achse (32) aufweist und die kleinere Achse (32) eines jeden Loches in einer die Symmetrieechse (As) enthaltenden Ebene liegt.
3. Rotorscheibe nsch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (l) des Loches (28) in einer die Symmetrieechse (As) enthaltenden Ebene liegt.
4. Rotorscheibe nech Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsechse (l) des Loches (28) in einer Ebene liegt, die rechtwinklig zur Symmetrieachse (As) verläuft.
5. Rotorscheibe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß des Verhältnis der größeren Achse (3o) zur kleineren Achse (32) im Bereich von 1,3 bis 2,0 liegt.
6. Rotorscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, UeB des langgestreckte Loch (28) eine elliptische Gestalt hat.

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7. Raterscheibe riech Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ΰεβ die Längsachse (l) des Loches (23) in einer die Symmetrieschse (As) enthaltenden Ebene und in einer rechtwinklig zur Symmetrieachse (As) verlaufenden Ebene liegt.

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