DE3309268C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Kühlvorrichtung ist aus der US 37 68 921 be­ kannt. Bei dieser bekannten Kühlvorrichtung besteht die Auslaßdüse aus einzelnen Rohren, die so angeordnet sind, daß sie die Kühlluft tangential gegen die Turbinenscheibe blasen. Die dabei erzeugte Kühlwirkung ist nicht optimal, weil beim Anblasen der Turbinenscheibe durch die einzelnen Rohre der Auslaßdüse die aus jedem Rohr abgegebene Kühlluft notwendigerweise auf die benachbarten Rohre auftrifft und dadurch eine unkontrollierte Verwirbelung der Kühlluft er­ folgt. Dadurch wird die Kühlwirkung nachteilig beeinflußt und eine größere Menge an Kühlluft erforderlich gemacht. Es ist aber erwünscht, daß die Kühlluft von der Auslaßdüse aus gleichmäßig gegen die Turbinenscheibe strömt. Weiter hat die bekannte Kühlvorrichtung einen aufwendigen Aufbau, denn sie besteht aus vielen Teilen, die zum Herstellen der fer­ tigen Kühlvorrichtung zusammengebaut werden müssen. Ferner wird die bekannte Kühlvorrichtung durch das ringförmige Verbindungselement relativ freitragend abgestützt. Dieses Verbindungselement ist Teil der inneren, tragenden Begren­ zungswand des Flammrohrraumes der Brennkammer. Die aus vielen Teilen bestehende Kühlvorrichtung ist daran festge­ schraubt. Aufgrund dieser Konstruktion kann die bekannte Kühlvorrichtung selbst nicht als lastaufnehmendes oder übertragendes Bauteil eingesetzt werden.

Aus der GB 20 54 046 A ist eine Kühlvorrichtung bekannt, die nicht zur Zufuhr von Kühlluft zu der Stirnseite einer Turbinenscheibe dient, sondern zur Zufuhr von Kühlluft un­ mittelbar zu den Schaufelfüßen. Die Turbinenscheibe selbst wird dagegen nicht oder nur sehr wenig an ihrem Umfang ge­ kühlt. Zur Kühlung der Turbinenscheibe müßte die Kühlluft näher an der Welle gegen die Turbinenscheibe geführt wer­ den. Außerdem ist diese bekannte Kühlvorrichtung nicht als lasttragendes Bauteil in der Turbine benutzbar. Diese Kühl­ vorrichtung ist nämlich lediglich eine dünnwandige Begren­ zung eines Kühlluftströmungskanals und besteht aus einer Blechwand, da sie ein geringes Gewicht aufweisen soll.

Schließlich beschreibt die DE-OS 20 15 274 eine Kühlvor­ richtung, in deren Kanälen Mittel angeordnet sind, um der hindurchströmenden Luft eine Wirbelbewegung aufzuprägen. Hier wird für eine Verwirbelung gesorgt, die bei dem Anbla­ sen einer Turbinenscheibe vermieden werden sollte.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art als ein möglichst starkes, aber einfaches Bauteil zur möglichst gleichmäßigen Zufuhr von Kühlluft zu der Stirnseite einer Turbinenscheibe auszubilden, das als lasttragendes Bauteil einsetzbar und überdies leicht in die Turbinenscheibe ein­ baubar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Bei der Kühlvorrichtung nach der Erfindung kann das ring­ förmige Verbindungselement selbst einen Teil der inneren Begrenzungswand des Flammrohrraumes der Brennkammer bilden. Die Kühlvorrichtung nach der Erfindung besteht darüber hin­ aus aus einem starken, einteiligen, tragenden Bauteil, das einfach aufgebaut und leicht in die Turbine einbaubar ist. Durch die Kühlvorrichtung nach der Erfindung wird ferner die Kühlluftströmung direkt auf einzelne Strömungsdurch­ lässe aufgeteilt und dann am Auslaßende der Auslaßdüse mit­ tels angeformter Leitschaufeln direkt und gleichmäßig auf die Turbinenscheibe gerichtet, ohne daß es zu unkontrol­ lierter Verwirbelung kommen kann. Bei der Kühlvorrichtung nach der Erfindung leitet die Auslaßdüse die Kühlluft näm­ lich in tangentialer Richtung in einem im wesentlichen vollständigen Ring gegen die Turbinenscheibe, was die wirk­ samste und gleichmäßigste Kühlluftzufuhr darstellt. Die er­ findungsgemäße einstückige Ausbildung ermöglicht, die Kühl­ vorrichtung als tragendes Bauteil in dem Triebwerk einzu­ setzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht der Kühlvorrich­ tung und einen Teil eines benachbarten Triebwerks im wesentlichen nach der Linie 1-1 in Fig. 2,

Fig. 2 eine Endansicht der Kühlvorrichtung, von der Teile weggebrochen worden sind, und

Fig. 3 eine Schnittansicht der Kühlvorrich­ tung im wesentlichen nach der Linie 3-3 in Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 hat eine Turbinenscheibe 10 der ersten Stufe einer Tur­ bine einen Kranz von Laufschaufeln 12 an ihrem Umfang, denen Kühlluft über Löcher 14 in einem Flansch 16 an der Stirn­ seite der Turbinenscheibe zugeführt wird. Die Kühlluft erreicht die Löcher 14 aus einer Kammer 17, die radial einwärts von dem Flansch 16 angeordnet und weiter unten ausführlicher be­ schrieben ist. Die Kühlluft strömt aus den Löchern 14 ra­ dial nach außen, gelangt zu den Füßen der Laufschaufeln 12 und geht durch nicht­ dargestellte Kühlkanäle in den Laufschaufeln hindurch.

Mit dem Flansch 16 ist eine ringförmige Scheibe 18 ver­ schraubt, die eine Reihe von Dichtelementen 20 an einem konischen Flansch 22 hat. Schrauben 24 hal­ ten die Scheibe 18 an dem Flansch 16, und der äußere Umfang der Scheibe 18 hält einen Ring 25 an der Turbinenscheibe 10 und an den Füßen der Laufschaufeln 12, um die Kühlluft in die Laufschaufeln hineinzuleiten, und kann dazu dienen, die Laufschaufeln in der Turbinenscheibe 10 festzuhalten.

Eine Kühlvorrichtung 26 hat die Form eines Ringes, der an seiner äußeren, stromaufwärtigen Stirnfläche eine Befestigungsfläche 28 hat, über die er an einem Ring­ flansch 30 an einem Teil 32 der Brennkammer befestigt ist. Der Teil 32 der Brennkammer hat insgesamt einen zylindrischen Aufbau und kann die innere Wand der Brennkammer und somit ein Konstruktionsteil des Triebwerks sein. Von der Befestigungsfläche 28 erstreckt sich ein kegelstumpfförmiges Verbindungs­ element 34 nach außen, dessen Außenumfang 36 durch Schrauben 38 an Befestigungsfüßen 40 befestigt ist, die sich von den inneren Enden 42 von Leitschaufeln 44 des Turbineneinlasses nach in­ nen erstrecken. Das Verbindungselement 34 begrenzt mit den Befestigungsfüßen 40 und einer Wand 45, die sich von den inneren Enden 42 der Leit­ schaufeln aus nach vorn erstreckt, eine Kammer 48, der Kühl­ luft durch eine nicht dargestellte Vorrichtung zugeführt wird, beispielsweise aus einem den Teil 32 der Brennkam­ mer umgebenden Raum.

An der Befestigungsfläche 28 ist ein sich axial erstrecken­ der Flansch 46 vorgesehen, durch den die Kühlvorrichtung 26 an dem Ringflansch 30 radial festgehalten wird. Außerdem wird an dieser Stelle an der Kühlvorrichtung 26 letztere zu einer doppelwandigen Vorrichtung, die eine stromaufwärtige ringförmige Wand 50 und eine stromabwärtige ringförmige Wand 52 hat, welche gegenseitigen Abstand aufweisen und zwischen sich eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Luftströmungskammer 54 bilden. Die ringförmigen Wände 50, 52 erstrecken sich radial nach innen und begrenzen einen ringförmigen Durch­ laß 56 von der Luftströmungskammer 54 zu Leitschaufeln 58, 58′, die an den ringförmigen Wänden angeformt und zwischen den einander gegenüber­ liegenden ringförmigen Wänden an deren inneren Enden angeordnet sind.

Diese ringförmigen Wände 50, 52, die sich an der Luftströmungskammer 54 radial erstrecken, ändern die Richtung zu ihren inneren Enden hin, so daß sie sich dort im wesentlichen axial erstrecken und eine axiale Auslaßdüse 59 für die Kühlluft begrenzen. An einer Stelle radial einwärts der Luftströmungskammer 54 ist an der stromabwärtigen Wand 52 ein Dichtring 60 durch eine Reihe von Schrauben 62 befestigt. Der Dichtring 60 hat eine Reihe von Stufen 63 an seinem kegelstumpfförmigen Teil, die mit den Dichtelementen 20 zusammenwirken. Die Dichtelemente 20 bilden mit der stromabwärtigen Wand 52, der Scheibe 18 und dem Verbindungselement 34 eine Kammer 64 radial außerhalb von dem Dichtring 60. Eine weitere Kammer 66 ist radial einwärts der Dichtelemente 20 gebildet, und die übrigen Wände dieser Kammer sind der innere Teil der strom­ abwärtigen Wand 52 und ein sich nach innen erstreckender Flansch 68 an der ringförmigen Scheibe 18, der sich bis in unmittel­ bare Nähe der Enden der stromabwärtigen Wand 52 erstreckt.

Die Luftströmungskammer 54 hat axial angeordnete Trennwände 70 (Fig. 2 und 3), die sich zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Wand 50, 52 erstrecken und von dem Verbindungsele­ ment 34 aus radial nach innen zu einer zylindrischen Trennwand 72 vor­ stehen, die einen unterbrochenen Ring zwischen der stromaufwärtigen und der strom­ abwärtigen Wand 50, 52 bildet. Diese zylindrische Trenn­ wand 72 befindet sich unmittelbar radial einwärts der Reihe von Schrauben 74, die die Kühlvorrichtung 26 an dem Teil 32 der Brennkammer festhalten. Die radialen Trennwände 70 sind in Paaren angeordnet, wie es in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, und die zylindrische Trenn­ wand 72 ist dort unterbrochen, wo diese Paare radialer Trennwände an­ geordnet sind, so daß die Kühlluft in Lufteinlaßlöcher 76 in dem Verbindungselement 34 eintreten und in dem Strömungsdurchlaß 77, der zwischen den radialen Trennwandpaaren gebildet ist, strömen und durch die zylindrische Trennwand 72 in einen Durchlaß 78 gelangen kann. Die zylindrische Trennwand 72 ist, wie oben erwähnt, an diesen radialen Trenn­ wänden 70 unterbrochen, wie dargestellt.

Radial einwärts von der zylindrischen Trennwand 72 divergieren Fort­ sätze 79 der Paare von radialen Trennwänden 70, so daß die Fort­ sätze von einander gegenüberliegenden radialen Trennwänden 70 von be­ nachbarten Paaren aus konvergieren und dreieckige Zwischenräume 80 radial einwärts von der zylindrischen Trennwand 72 begrenzen. Diese einander gegenüberliegenden Fortsätze 79 gehen ineinander über und werden zu einer einzigen Trennwand 81, die sich nach vorn und fast zu den stromabwärtigen Enden der stromaufwär­ tigen und stromabwärtigen Wand 50, 52 erstreckt. Die Trenn­ wände 81 erstrecken sich zu jeder zweiten Düsenleitschau­ fel 58′ und sind einstückig mit diesen ausgebildet. Die dazwischen angeordneten Leitschaufeln 58 dienen nur als Um­ lenkleitschaufeln nahe dem Auslaßende des Durchlasses 56. Die Trennwände 81 dienen jedoch dazu, einen ziemlich konstanten Luftdruck für die Kühlluft auf dem gesamten Umfang des Durchlasses 56 zu gewähr­ leisten.

Die stromaufwärtige Wand 50 hat dreieckige Zugangsöffnungen 82 für die dreieckigen Zwischenräume 80. Die Schrauben 62 für den Dichtring 60 sind in der stromabwärtigen Wand 52 dort an­ geordnet, wo sich diese Zwischenräume 80 befinden, so daß Muttern 98 der Schrauben 62 über die dreieckigen Zugangsöffnungen 82 zugänglich sind, was das Entfernen des Dichtringes 60 von seiner Befestigung an der Kühlvorrichtung 26 gestattet. Die stromabwärtige Wand 52 hat Zugangsöffnungen 83, die zwischen den Paaren von Trennwänden 70 angeordnet sind, um die Köpfe der Schrauben 74 zugänglich zu machen und dadurch die Be­ festigung der Kühlvorrichtung 26 an dem Teil 32 der Brennkammer zu gestatten.

Die hier beschriebene Kühlvorrichtung 26 ist ein einteiliges Gußstück und kann durch das Investmentgießverfahren herge­ stellt werden. Das Ergebnis ist eine einstückige Präzi­ sionskonstruktion, die leicht in das Triebwerk eingebaut werden kann und als Träger für die Dichtung und als Ver­ bindung zwischen einer Brennkammerbüchse (einem Konstruktionsteil des Triebwerks) und den inneren Enden der Leitschaufeln 44 dient. Darüber hinaus ergibt der Einbau der Kühlvorrichtung 26 die mehreren Kammern für Kühlluft und für Dichtluft, und die Kühlvorrich­ tung ist mit Durchlässen versehen, um den ge­ wünschten Luftstrom durch diesen Teil des Triebwerks zu gestatten. Der Zugang zu den Schrauben 62, 74 wird durch den beschriebenen Aufbau ermöglicht, wodurch der Einbau der Kühlvorrichtung 26 in das Triebwerk oder der Ausbau aus diesem erleichtert wird.

Die Kühlvorrichtung 26 weist weiter Druckanzapfungen 84, 86 zum Abfühlen oder Einstellen des Druckes in den Kammern 66 bzw. 64 auf. Wenn es sich um den Druck in der Kam­ mer 64 handelt, gestattet die Druckanzapfung 84 in der stromaufwärtigen Wand 50 in der Nähe der Schrauben 74 eine direkte Verbindung mit der Kammer 64 auf Grund der Zugangs­ öffnungen 83, die dem Druck in der Kammer 64 gestatten, in den Raum zwischen der stromaufwärtigen und stromabwär­ tigen Wand 50, 52 in dem Bereich einzudringen, wo die Schrauben 74 angeordnet sind. Weiter gewährt die Druckanzapfung 86 Zugang von einem Punkt vorderhalb der stromaufwärtigen Wand 50 zu der Kammer 66 zum Ermitteln des Druckes dieser Kammer oder zum Erhöhen oder Verringern des Druckes, bei­ spielsweise durch Einleiten von Luft in die Kammer 66 oder durch Ablassen von Luft aus dieser Kammer. Die Druckan­ zapfung 86 ist an einem Punkt angeordnet, der mit den Zugangs­ öffnungen 82 fluchtet, die die dreieckigen Zwischenräume 80 zugänglich machen.

Claims (5)

1. Kühlvorrichtung zur Zufuhr von Kühlluft zu einer Kammer (17) an der Stirnseite einer Turbinenscheibe (10), mit ge­ genseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wänden (50, 52), die eine Luftströmungskammer (54) begrenzen und an ei­ nem Ende in einer axial angeordneten Auslaßdüse (59) endi­ gen, und mit einem ringförmigen Verbindungselement (34), das mit den ringförmigen Wänden (50, 52) an deren von der Auslaßdüse (59) entfernten Enden verbunden ist, die ring­ förmigen Wände (50, 52) miteinander verbindet, sich von den Wänden weg erstreckt, eine Befestigungseinrichtung (36, 38) an seinem von den ringförmigen Wänden (50, 52) entfernten Ende hat und mit Lufteinlaßlöchern (76) versehen ist, da­ durch gekennzeichnet,
daß sich in der Auslaßdüse (59) zwi­ schen den ringförmigen Wänden (50, 52) an diesen angeformte Leitschaufeln (58) erstrecken,
daß das Verbindungselement (34) einstückig mit den ringför­ migen Wänden (50, 52) gegossen ist,
daß radiale Trennwände (70) einstückig mit und zwischen den gegenseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wänden (50, 52) gebildet sind und sich in Umfangsrichtung in gegensei­ tigem Abstand erstreckende Strömungsdurchlässe (77) für Luft von den Lufteinlaßlöchern (76) des Verbindungselements (34) zu der Auslaßdüse (59) bilden,
daß eine unterbrochene, im wesentlichen zylindrische Trenn­ wand (72) einstückig mit und zwischen den ringförmigen Wän­ den (50, 52) an einer Abstand von dem Verbindungselement (34) aufweisenden Stelle gebildet und außerdem an Stellen, die in Deckung mit den Lufteinlaßlöchern (76) des Verbin­ dungselements (34) sind, von Öffnungen unterbrochen ist, damit sich ein Luftstrom von den Lufteinlaßlöchern (76) zu den Öffnungen zwischen ausgewählten radialen Trennwänden (70) ergibt,
daß eine (52) der ringförmigen Wände (50, 52) erste Zu­ gangsöffnungen (83) hat, die nicht in Deckung mit den Luft­ einlaßlöchern (76) des Verbindungselements (34) und den Öffnungen in der zylindrischen Trennwand (72) sind, und
daß in der anderen ringförmigen Wand (50) Befestigungsmit­ tel (74) angeordnet sind, die über die ersten Zugangsöff­ nungen (83) in der einen ringförmigen Wand (50) zugänglich sind.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Zugangsöffnungen (83) in der einen ringför­ migen Wand (52) zwischen den radialen Trennwänden (70) angeordnet sind, bei denen es sich nicht um diejenigen handelt, zwischen denen sich der Luftstrom ergibt.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß benachbarte, sich radial erstreckende Fort­ sätze (79) der radialen Trennwände (70) auf der einen Seite der zylindrischen Trennwand (72) zueinander konvergieren und sich zu einer einzigen Trennwand (81) vereinigen und jeweils zu einer der Leitschaufeln (58) führen, mit der sie einstückig ausgebildet sind, so daß die Fortsätze (79) mit der zylindrischen Trennwand (72) dreieckige Zwischenräume (80) begrenzen.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere ringförmige Wand (50) zweite Zugangsöffnun­ gen (82) hat, die im wesentlichen radial in einer Linie mit den ersten Zugangsöffnungen (83) in der einen ringförmigen Wand (52) und außerdem auf der von den ersten Zugangsöff­ nungen (83) abgewandten Seite der zylindrischen Trennwand (72) angeordnet sind.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zugangsöffnungen (82) mit den dreieckigen Zwischenräumen (80) in Verbindung stehen und daß in den dreieckigen Zwischenräumen (80) jeweils eine Befestigungs­ einrichtung (98) angeordnet ist, die über jeweils eine der zweiten Zugangsöffnungen (82) in der anderen ringförmigen Wand (50) zugänglich ist.