DE3444586A1

DE3444586A1 - Laufradanordnung in einer gasturbine

Info

Publication number: DE3444586A1
Application number: DE19843444586
Authority: DE
Inventors: Douglas Leroy Palm Beach Gardens Fla. Kisling
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1984-12-06
Publication date: 1985-07-04
Also published as: DK599084D0; NL8403845A; GB2151715A; YU217584A; FR2557206A1; CA1209482A; BE901368A; KR850004511A; JPS60156903A; GB2151715B; CH667896A5; FR2557206B1; GB8431269D0; TR23227A; DK599084A; IL73764A; IL73764A0; GR82527B

Description

LAUFRADANORDNUNG IN EINER GASTURBINE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laufradanordnung in einer Gasturbine und betrifft insbesondere die Kühlung der Laufradscheibe und der Schaufelfüße.

Im heißen Turbinenteil einer Gasturbinenanlage ist es erforderlich, daß die Füße der Schaufeln und der Kränze der Laufradscheibe, sowie die Nasen der Laufradscheibe während des Betriebes der Gasturbinenanlage gekühlt werden. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß Kühlluft quer durch die Laufradscheibe durch axiale Kanäle hindurchgeschickt wird, die in der Schaufelfußnut zwischen dem inneren Ende des Schaufelfußes und dem Kranz der Laufradscheibe ausgebildet sind. Der kühlende Luftstrom tritt einmal durch die Nut in Richtung der Gasströmung hindurch und gelangt in eine Kammer auf der stromab liegenden Seite der Laufradscheibe.

Es ist bei Gasturbinenanlagen üblich, die Blätter der Schaufeln "hohl" auszugestalten. Dies bedeutet, daß Kanäle und/oder Kammern in den Schaufelblättern für den Durchtritt von Kühlluft vorgesehen sind, um die Temperatur der Schaufelblätter unter einem vorbestimmten Wert zu halten. Es ist bekannt, einen Teil der Kühlluft von einer stromauf der Laufradscheibe liegenden Stelle in die hohlen Schaufelblätter über radial verlaufende Versorgungskanäle durch den vergrößerten Kranz der Laufradscheibe zu führen. Diese Versorgungskanäle stehen mit radial verlaufenden Durchgängen durch die Schaufelfüße in Verbindung, wodurch den hohlen Schaufelblättern Kühlluft zugeführt wird.

In einem zweistufigen Turbinenteil werden beide Stufen mit Hilfe von Kühlluft gekühlt, die aus einer Kammer stromauf der Laufradscheibe der ersten Stufe kommt. Die Kühlluft für den Kranz und die Schaufeln der Laufradscheibe der zweiten Stufe wird von dieser stromauf liegenden Kammer über axial verlaufende Löcher

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in der Laufradscheibe der ersten Stufe in eine Zwischenkammer ge führt, die zwischen den Laufradscheiben der ersten und zweiten Stufe ausgebildet ist. Die Kühlluft fließt dann beispielsweise von der Zwischenkammer in die hohlen Schaufelblätter des Laufrades der zweiten Stufe über dosierende Versorgungskanäle, die sich, im wesentlichen radial durch den vergrößerten Kranz der Laufradscheibe erstrecken. Die dosierenden Versorgungskanäle stehen mit den Durchgängen durch die Schaufelfüße in Verbindung, welche die hohlen Schaufelblätter mit Kühlluft speisen.

Es ist wünschenswert die Menge an Kühlluft auf ein Minimum herab zusetzen, die erforderlich' ist, um die Betriebstemperatur auf ei annehmbaren Wert zu halten, da dies den Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage verbessert. Es ist auch wünschenswert, das Vorsehen von Löchern durch die Laufradscheibe zu vermeiden, da diese Löcher die Laufradscheibe schwächen und die Lebensdauer der Laufradscheibe begrenzen.

Es ist daher hauptsächlich Ziel und Zweck der Erfindung, einen zweistufigen Turbinenteil mit verbesserten Einrichtungen zu schaffen, welche die Kühlluft zu den Scheibenkränzen und Schaufeln der beiden Laufräder des Turbinenteils bringen.

Gemäß der Erfindung weist ein zweistufiger Turbinenteil eine der ersten Stufe zugeordnete Laufradscheibe mit einer Vielzahl von Schaufelfußnuten auf, die in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang der Laufradscheibe angeordnet sind und axial durch die Laufradscheibe verlaufen und Schaufeln enthalten. Der zweistufige Turbinenteil weist ferner eine der zweiten Stufe zugeordnete Laufradscheibe mit einer Vielzahl von Schaufelfußnuten auf, die in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang der Laufradscheibe angeordnet sind und axial durch die Laufradscheibe verlaufen und Schaufeln enthalten. Eine Abstandseinrichtung verläuft zwischen den beiden Laufradscheiben und steht mit den beiden Laufradscheiben in Eingriff, um eine Zwischenkammer für

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Kühlluft zu schaffen, die radial innerhalb der Schaufelfußnuten liegt. Die Laufradscheiben und die Abstandseinrichtung sind so aufgebaut und angeordnet, daß Kühlluft aus einer Kammer stromauf der ersten Laufradscheibe durch die Schaufelfußnuten der Scheibe der ersten Stufe hindurch zur hinteren Stirnseite der Scheibe der ersten Stufe fließt und dann radial nach innen in die Zwischenkammer zwischen die Laufradscheiben gelangt. Die Kühlluft fließt dann aus der Zwischenkammer in und durch die Schaufelfußnuten der Laufradscheibe der zweiten"Stufe hindurch zu deren hinteren Stirnseite .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaufelblätter hohl ausgebildet. Ein dosierter Teil der Kühlluft, welche durch die Schaufelfußnuten einer jeden Laufradscheibe hindurchtritt, wird radial nach außen in innere Kammern der hohlen Schaufelblätter über radial verlaufende Durchtrittskanäle in den Schaufelfüßen geführt.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung von axialen Löchern durch die Laufradscheiben der ersten Stufe, die beim Stand der Technik verwendet wurden, um Kühlluft stromab zur Laufradscheibe der zweiten Stufe zu bringen.

Im nachstehenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch den Turbinenteil einer Gasturbinenanlage mit Merkmalen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1, Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. X,

Fig. 5 eine beim Blick nach hinten gesehene perspektivische Darstellung eines Segments des ringförmigen, hintere Schaufelhalters für das Turbinenlaufrad der ersten Stufe,

Fig. 6 einen teilweise gebrochenen Querschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 3, und

Fig. 7 einen Querschnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel stellt einen Turbinen teil 10 einer Gasturbinenanlage dar. Es sind nur die ersten beiden Stufen des Turbinenteils gezeigt. Die Laufradanordnung der ersten Stufe trägt das Bezugszeichen 12. Die Laufradanordnung der zweiten Stufe ist mit dem Bezugszeichen 14 versehen.

Die erste Laufradanordnung 12 weist eine Scheibe 16 mit einer Vielzahl von Schaufeln 18 auf, die in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang der Scheibe angeordnet sind. Jede Schaufel 18 besitzt einen Fuß 22 und ein Blatt 20 mit einer einstückig angeformten Plattform 25. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, weist der Fuß 22 ein tannenbaumartig geformtes Ende 24 auf, das in einer ähnlich tannenbaumartig geformten Nut 26 angeordnet ist. Die Nut 26 verläuft axial durch die Scheibe 16 von deren vorderen Stirnseite 28 zu deren hinteren Stirnseite 30. Die Nuten 26 sin zwischen Nasen 32 ausgebildet. Axial verlaufende Kanäle 35 für die Kühlluft sind zwischen einer innersten Endfläche 37 des Fußendes 24 und einem Kranz 39 der Laufradscheibe 16 ausgebildet. Die Kanäle 35 dienen für den Transport der Kühlluft durch die Nuten 26 von einem vorderen Ringraum 31 auf der Vorderseite der Scheibe 16 zu einem hinteren Ringraum 33 auf der Rückseite der Scheibe 16, um die Fußenden 24 der Schaufeln, die Nasen 32 der Scheibe 16 und den Kranz 39 der Scheibe 16 zu kühlen. Ein Teil der durch die Kanäle 35 hindurchfließenden Kühlluft wird in Kanäle oder Kammern 23 in.den Schaufelblättern 20 über Durchgänge 27 abgeleitet, welche durch die Fußenden

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24 der Schaufeln hindurchführen. Die Durchgänge 27 haben Einlasse 29, welche über die Nuten 26 direkt mit den Kanälen in Verbindung stehen.

Die zweite Laufradanordnung 14 weist eine Scheibe 34 mit einer Vielzahl von Schaufeln 36 auf, die¹ in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang der Scheibe 34 angeordnet sind. Wie am besten aus den Figuren 1 und 3 hervorgeht, besitzt jede Schaufel 36 einen Fuß 40 und ein Blatt 38 mit einer einstückig angeformten Plattform 42. Der Fuß 40 weist ein tannenbaumartig geformtes Ende 44 auf, das in einer ähnlich tannenbaumartig geformten Nut 46 angeordnet ist. Die Nuten 46 sind zwischen Nasen 47 der Scheibe 34 ausgebildet. Die Nuten 46 verlaufen axial durch die Scheibe 34 von deren vorderen Stirnseite 48 zu deren hinteren Stirnseite 50. Die innerste, radial nach innen weisende Fläche 51 eines jeden Fußendes 44 ist in einem radialen Abstand von der radial nach außen weisenden Bodenfläche 53 der Nut angeordnet, die den Kranz der Scheibe 34 darstellt.Hierdurch wird dazwischen ein erster, axial verlaufender Kühlluftkanal 55 gebildet, welcher Kühlluft durch die Nut 46 der Scheibe von einer Kammer 66 auf der Vorderseite der Scheibe 34 zu einem ringförmigen Raum 57 auf der Rückseite der Scheibe 34 führt. Weitere Gesichtspunkte der Kühlanordnung für die Scheibe und Schaufeln der zweiten Stufe des Turbinenteils werden im nachstehenden noch beschrieben.

Die Scheiben 16 und 34 sind mit einer Wellenanordnung 52 über ein ringförmiges Stützteil 54 verbunden, das mit der Wellenanordnung 52 bei 56 verkeilt ist. Die Scheibe 16 weist einen mit einem Flansch versehenen zylindrischen Haltearm 58 auf, während die Scheibe 34 einen mit einem Flansch versehenen, zylindrischen Haltearm 60 besitzt. Die mit Flanschen versehenen Haltearme 58 und 60 sind mit dem ringförmigen Stützteil 54 durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise durch eine Vielzahl von Einheiten 62 aus Schraubenbolzen und Muttern verbunden,

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Ein Abstandsring 64 ist radial außerhalb der mit Flanschen versehenen Haltearme 58 und 60 angeordnet. Der Abstandsring 64 verläuft axial zwischen der hinteren Stirnseite 30 der Scheibe 16 der ersten Stufe und der vorderen Stirnseite 48 der Scheibe 34 der zweiten Stufe. Der Abstandsring 64 begrenzt eine ringförmige Zwischenkammer 66 für Kühlluft. Die Zwischenkammer 66 liegt radial außerhalb der Haltearme 58 und 60 und verläuft axial zwischen der hinteren Stirnseite 30 der Scheibe 16 und der vorderen Stirnseite 48 der Scheibe 34. Das vordere Ende 68 des Abstandsringes 64 besitzt eine radial nach außen weisende zylindrische Fläche 70, die mit einer entsprechenden radial nach inne weisenden zylindrischen Fläche 72 der hinteren Stirnseite 30 in Eingriff steht. Die zylindrische Fläche 70 weist eine Vielzah von bogenförmigen Auszackungen oder Ausschnitten 71 (Fig. 4) auf, die in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang der zylindrischen Fläche 70 angeordnet sind und axial über die zylindrische Fläche 70 verlaufen, um einen Kühlluftstrom aus dem hinteren Ringraum 33 in die Zwischenkammer 66 zu dosieren, wie ι dies später noch erläutert werden wird. Das hintere Ende 74 des j Abstandsringes 64 besitzt in ähnlicher Weise eine radial nach

\ > außen weisende zylindrische Fläche 76, die mit einer entsprej

j chenden, radial nach innen weisenden zylindrischen Fläche 78 der

vorderen Stirnseite 78 der Scheibe 34 in Eingriff steht. \ Der Abstandsring 64 wird auf diese Weise von den Scheiben 16 und

; 34 radial abgestützt, so daß sich der Abstandsring mit den

beiden Scheiben dreht. Eine Vielzahl von radial verlaufenden Nuten·75 ist am hinteren Ende 74 des Abstandsringes 64 in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang angeordnet. Die radial verlaufenden Nuten 75 sind mit einer Vielzahl von radial verlaufenden Nuten 77 ausgerichtet, die in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang in der vorderen Stirnseite 48 der Scheibe 34 angeordnet sind. Die radial verlaufenden Nuten 75 und 77 bilden Durchtrittskanäle für den Kühlluftstrom aus der Zwischenkammer 66 in und durch die ersten Kühlluftkanäle 55 in den Schaufelfußnuten 46.

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Bei dieser Ausführungsform trägt der Abstandsring 64 eine Vielzahl von radial nach außen verlaufenden Messerschneiden 80, die in einem geringen Abstand von einem ortsfesten, ringförmigen Dichtkörper 82 angeordnet sind. Der Dichtkörper 82 wird von einem geeigneten Aufbau, das heißt von den inneren Enden 84 einer Vielzahl von ortsfesten Leitschaufeln 86 abgestützt, die in gegenseitigem Abstand ringsum den Umfang zwischen den Laufradblättern 20 und 38 der ersten und zweiten Stufe des Turbinenteils angeordnet sind. Die ortsfesten Leitschaufeln sind an einem Außengehäuse 88 der Gasturbine abgestützt.

Ein ringförmiger Schaufelhalter 90 ist an der vorderen Stirnseite der Scheibe 16 befestigt. Das radial innen liegende Ende 92 des Schaufelhalters 90 weist einen axial verlaufenden Flansch 94 auf, der eine radial nach außen weisende zylindrische Fläche 96 hat. Die vordere Stirnseite 28 der Scheibe 16 besitzt einen axial verlaufenden Flansch 98, der eine radial nach innen weisende zylindrische Fläche 100 hat. Die zylindrische Fläche 96 ist mit der zylindrischen Fläche 100 gepaart,um den Schaufelhalter 90 radial zur Scheibe 16 auszurichten und abzustützen. Der Schaufelhalter 90 wird durch einen geteilten Ring 101 und einen inneren, ringförmigen Dichtungsträger 102 axial festgelegt. Der Dichtungsträger 102 ist an einem radial nach innen verlaufenden Flansch 104 der Scheibe 16 mit Hilfe von Schraubenbolzen 106 festgeschraubt. Der Dichtungsträger 102 weist eine Vielzahl von herkömmlichen, radial nach außen verlaufenden Messerschneiden 108 auf, die mit einem ortsfesten, ringförmigen Dichtkörper 110 in einer abdichtenden Beziehung stehen. Der ortsfeste Dichtkörper 110 ist an einem ortsfesten Aufbau 112 befestigt.

Der Schaufelhalter 90 weist auch einen axial verlaufenden, zylindrischen Dichtungsträger 114 auf, der mit dem Schaufelhalter 90 aus einem Stück besteht und eine Vielzahl von herkömmlichen, radial nach außen verlaufenden Messerschneiden

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trägt. Die Messerschneiden 116 stehen mit einem ortsfesten, j ringförmigen Dichtkörper 118 in dichtender Beziehung. Der Dicht-

körper 118 ist am ortsfesten Bauteil 112 befestigt. Der orts-

'■■ feste Aufbau 112 arbeitet mit einem Kranz von ortsfesten Leit-

; schaufeln 120 zusammen, die im Strömungsweg des Gases strom-

: auf der Laufradblätter 20 angeordnet sind. Die ortsfesten Leitschaufeln 120 sind mit Hilfe geeigneter Einrichtungen am Außengehäuse 88 der Gasturbine befestigt.

Der plattenartige Schaufelhalter 9o weist ferner einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 126 auf, der sich radial nach außen in Strömungsrichtung erstreckt. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 126 besitzt ein radial außen liegendes Ende 128. Das radial außen liegende Ende 128 weist eine Ringfläche 61 auf, die axial stromab in Strömungsrichtung schaut. Die Ringfläche 61 stützt sich an der vorderen Stirnseite 28 der Scheibe 16 und an den tannenbaumartig geformten Schaufelfußenden 24 ab. Wie aus Fig. : hervorgeht, begrenzen die ringförmigen Dichtungsträger 102 und 114, der Schaufelhalter 90 und der ortsfeste Aufbau 112 eine innere, ringförmige Kammer 122, welcher Kühlluft aus einer Vielzahl von Düsen 124 zugeführt wird, die in gegenseitigem Abstand über den Umfang verteilt angeordnet sind. Der Schaufelhalter 90 steht zwischen seinen inneren und äußeren Enden 92 und 128 von.der vorderen Stirnseite 28 der Scheibe 16 ab und begrenzt den vorderen Ringraum 31 für die Kühlluft. Der Ringraum 31 steht über große Löcher 132 im Schaufelhalter 90 mit der Kammer 122 in Strömungsverbindung. Der Ringraum 31 ist in Wirklichkeit ein Teil der Kammer 122. Die Messerschneiden 116 und ein Dichtungsdraht 134 zwischen dem Ende 128 und der vorderen Stirnseite 28 der Scheibe 16 verhindern eine Leckströmung aus der Kammer 122 und dem Ringraum 31 radial nach außen in einen äußeren Gasraum 136.

Eine Vielzahl von Schaufelhaltesegmenten 138 ist an der hin-

teren Stirnseite der Scheibe 16 der ersten Stufe befestigt. Die Schaufelhaltesegmente 138 sind um den Umfang der Achse der Gasturbinenanlage angeordnet. Eines dieser Haltesegmente 138 ist in Fig. 5 perspektivisch dargestellt. Jedes Segment 138 weist gegenüberliegende Stirnflächen 140 und 142 auf. Die Stirnflächen 140 stützten sich an den Stirnflächen 142 der benachbarten Segmente ab, um ein segmentiertes, vollständiges Ringteil zu bilden. Die Segmente 138 sind zwischen dem Abstandsring 64 und der hinteren Stirnseite 30 der Scheibe 16 der ersten Stufe axial festgelegt, um den vorstehend erwähnten, hinteren Ringraum 33 für die Kühlluft zu bilden. Der Ringraum 33 erhält die Kühlluft, welche durch die axial verlaufenden Kanäle 35 in den Schaufelfußnuten 26 hindurchfließt. Eine nach vorne weisende, um den Umfang verlaufende Fläche 154 in der Nähe einer radial äußersten Kante 146 eines jeden Segments 138 stützt sich an der hinteren Stirnseite 30 (tatsächlich an den Nasen 32) und an den Stirnflächen der tannenbaumartig geformten Schaufelfüße ab_>um eine vollständige, ringförmige Abdichtung zu bilden. Die Abdichtung wird durch einen Dichtungsdraht 156 gebildet, der in einer Ringnut angeordnet ist, die durch bogenförmige Nutensegmente 158 in jedem Schaufelhaltesegment 138 gebildet ist. In ähnlicher Weise stützen sich nach hinten weisende, bogenförmige Flächensegmente 160 an einer nach vorne weisenden Ringfläche 162 des Abstandsringes 64 ab. Die bogenförmigen Flächensegmente 160 bilden zusammen mit einem Dichtungsdraht 164 eine vollständige ringförmige Abdichtung gegen die Ringfläche 162. Der Dichtungsdraht 164 ist in.einer Ringnut angeordnet, die durch bogenförmige Nutensegmente 166 ( Fig. 5) gebildet ist.

Jede Stirnfläche 140 und 142 ist bei 148 zurückgeschnitten oder abgestuft, so daß eine Fläche 150 entsteht, die parallel zur Ebene der entsprechenden Stirnfläche 140 bzw. 142 verläuft, aber gegen die Ebene der Stirnflächen 140 und 142 versetzt ist. Die Flächen 150 verlaufen von der innersten Kante 144 des Segments 138 bis zu einer Stufe 148. Hierdurch werden Nuten 152

zwischen den sich abstutzenden Segmenten 138 gebildet, wie dies am besten aus Fig. 4 hervorgeht. Die Nuten 152 stellen eine Strömungsverbindung zwischen dem hinteren Ringraum 3 und der Zwischenkammer 66 über die vorstehend erwähnten, dosierenden, bogenförmigen Auszackungen oder Ausschnitte 71 im vorderen Ende 68 des Abstandsringes 64 her. Dosierlöcher 151 (Fig. 4) sind zwischen den sich abstützenden Segmenten 138 gebildet. Die Dosierlöcher 151 stellen eine Strömungsverbindung zwischen dem Ringraum 33 und einer äußeren Ringkammer 153 her. Die in die Ringkammer 153 fließende Kühlluft wird verwendet, um die Messerschneiden 80 und den ortsfesten Dichtkörper 82 zu kühlen.

Die Schaufelhaltesegmente 138 werden radial von einer nach vorne verlaufenden, bogenförmigen Lippe 168 gehalten und festgelegt. Die bogenförmige Lippe 168 hat eine radial nach außen weisende Fläche 170, die sich auf einer radial nach innen weisenden zylindrischen Fläche 172 der Scheibe 16 abstützt. Eine Nase auf jedem Segment 138 steht mit einem nach hinten verlaufenden Ringflansch 176 der Scheibe 16 in Eingriff, um die Schaufelhaltesegmente 138 weiterhin axial und radial zur Scheibe 16 festzulegen.

Die Scheibe 34 der zweiten Stufe des Turbinenteils weist ebenfalls an ihren vorderen und hinteren Stirnseiten Schaufelhalteeinrichtungen auf. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstandsring 64 gleichzeitig der Schaufelhalter an der vorderen Stirnseite der Schaufel 34. Das hintere Ende des Abstandsringes 64 weist eine radial nach außen verlaufende" , ringförmige Deckplatte 178 mit einer hinteren Fläche 180 auf, die sich an den vorderen Flächen der Nasen 47 und den vorderen Flächen 182 der Schaufelfüße 40 abstützt. Die nach vorne gerichteten Flächen liegen im wesentlichen in einer Ebene. Die Deckplatte 178 verläuft radial nach außen zu den Plattformen 42 der Schaufeln, so daß die Deckplatte 178 das vordere Ende eines Raumes 186 vollständig abdeckt oder verschließt, der sich zwischen Schau-

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felschäften 187 der Schaufelfüße 40 befindet.

Die Schaufeln 34 werden an einer axialen Bewegung nach hinten durch eine hintere, ringförmige Deckplatte 188 gehindert. Die hintere Deckplatte 188 hat eine ringförmige, nach vorne verlaufende Lippe 19o, die an einer Schulter 192 auf der hinteren Stirnseite der Scheibe 34 einschnappt, wodurch die Deckplatte 188 radial gehalten und festgelegt wird. Die hintere Deckplatte 188 wird axial durch einen geteilten Ring 193 festgehalten, der mit dem innersten radialen Ende der Deckplatte 188 in Eingriff steht und dicht zwischen der Deckplatte 188 und einem radial nach außen verlaufenden Ringflansch 194 der Scheibe 34 sitzt. Das äußerste, radiale Ende der Deckplatte besitzt eine nach vorne weisende Ringfläche 198, die eine ringförmige ..Abdichtung gegen die nach hinten weisenden Flächen der Scheibennasen 47 und die nach hinten weisenden Flächen der Schaufelfußenden 44 bildet, die im wesentlichen in einer Ebene liegen. Die hintere Deckplatte 188 steht zwischen dem Schnappdurchmesser an der Schulter 192 und der Abdichtung an der Ringfläche 198 axial von der hinteren Stirnseite 50 der Scheibe 34 ab, um den bereits früher erwähnten, ringförmigen Gasraum 57 zu bilden.

Wie am besten aus den Fig. 3 und 6 hervorgeht, haben die radial nach innen weisenden Flächen 200 der äußeren Zähne 202 des Fußes 40 von den entsprechenden, gegenüberliegenden Flächen der inneren Zähne 206 der'Scheibennasen 47 einen radial nach außen gerichteten Abstand, um zweite Kanäle 208 für die Kühlluft durch die Nuten 46 zu schaffen. Diese zweiten Kanäle haben Einlasse 209 an der hinteren Stirnseite 50 der Scheibe 34. Die Einlasse 209 stehen mit dem Gasraum 57 in Verbindung. Der äußerste, radiale Teil der vorderen Stirnfläche einer jeden Nase 47 ist bei 210 leicht zurückgeschnitten, so daß ein kleiner Abstand von der hinteren Fläche 180 der Deckplatte 178 entsteht, um eine Strömungsverbindung zwischen den Auslässen 211 der zweiten

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KUhlluftkanäle 208 und den Räumen 186 zwischen den Füßen 40 herzustellen.

Die ersten Kühlluftkanäle 55 haben Einlasse 212 und Auslässe 215. Die Einlasse 212 stehen über die Nuten 75 und 77 mit der Zwischenkammer 66 zwischen der ersten Laufradscheibe 16 und der zweiten Laufradscheibe 34 in Verbindung. Die Auslässe 214 münden in den Gasraum 57 auf der hinteren Stirnseite der Scheibe Die ersten Kühlluftkanäle 55 und die zweiten Kühlluftkanäle 208 sind durch den Gasraum 57 in Reihe angeordnet. Da der Druck in der Zwischenkammer 66 höher ist als der Druck in den Räumen 186, fließt die Kühlluft von der Zwischenkammer 66 durch die ersten Kühlkanäle 55 in den Gasraum 57 und von dort in entgegengesetzer Richtung nach vorne durch die zweiten Kühlluftkanäle 208. Die Luft fließt dann in die Räume 186 über die Ausschnitte 210 in den Nasen 47. Die Kühlluft fließt von den Räumen 186 in eine andere, nicht dargestellte Kammer, die stromab liegt. Die Ausschnitte 210 haben die Aufgabe, den Strom der Kühlluft durch die Schaufelfußnuten 46 zu dosieren.

Bei einer in den Figuren 6 und 7 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform haben die Schaufelblätter 38 der zweiten Stufe Kühlluftkanäle, oder Kammern 215, denen Kühlluft aus der Zwischen kammer 66 zwischen den Scheiben 16 und 34 über einen radial verlaufenden Durchtrittskanal 216 im Schaufelfuß 40 zugeführt wird. Der Durchtrittskanal 216 verbindet die Kühlluftkammern

215 des Schaufelblattes 38 mit dem ersten Kühlluftkanal 55 über die Schaufelfußnut 46. Ein Einlaß 218 zum Durchtrittskanal

216 ist von einer dünnen Platte 220 abgedeckt. Die Platte 220 hat eine Dosieröffnung 222, die mit dem Einlaß 218 zum Durchtrittskanal 216 ausgerichtet ist, um die richtige Menge des Luftstroms vom ersten Kühlluftkanal 55 in die Kammern 215 des Schaufelblattes 38 zu dosieren. Die in die Kammern 215 fließende Luft verläßt das Schaufelblatt über nicht dargestellte Löcher und Schlitze in der Wand des Schaufelblattes, um die

Blattwand in bekannter Art und Weise zu kühlen. Während der Drehung des Laufrades ist der Druck in den Kammern 215 geringer als der Druck in der Zwischenkammer 66, so daß der Luftstrom in der richtigen Richtung fließt.

Wenn der Turbinenteil 10 als Ganzes betrachtet wird, ist festzustellen, daß mit der Erfindung eine neue Kühlanordnung geschaffen worden ist, bei welcher die Kühlluft von einer Kammer stromauf der Laufradscheibe 16 der ersten Stufe verwendet wird, um die Nasen und Kränze der Laufradscheiben, die Schaufelfüße und Schaufelblätter der ersten und zweiten Stufe des Turbinenteils zu kühlen. Dieser Aufbau des Turbinenteils ist deshalb einzigartig, da keine die Lebensdauer begrenzenden Löcher durch die Laufradscheibe der ersten Stufe erforderlich sind, um die Kühlluft von einer Stelle stromauf der Laufradscheibe der ersten Stufe zu den Schaufelfüßen und in die Schaufelblätter 38 der zweiten Stufe zu transportieren. Darüberhinaus verringert die einzigartige Anordnung für einen zweifachen Durchgang der Kühlluft durch den Bereich des Schaufelfußes der zweiten Stufe den Bedarf an Kühlluftmenge zum Kühlen des Kranzes und der Nasen der Laufradscheibe und der Schaufelfüße in der zweiten Stufe des Turbinenteils um 26 %.

Obgleich die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gezeigt und beschrieben worden ist, liegt es für einen Durchschnittsfachmann auf der Hand, daß verschiedene Änderungen in der Form und Einzelgestaltung der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

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Claims

Dipl.-Chsm. Dr. Stefren ANDRAE Q R η £7 1984

Dlpl.-Phys. Dieter FLACH
Dipl.-lng. Dietmar HAIJG
Dipl.-Chem. Dr. Rrchard KNEISSL

PATENTANWÄLTE
Steinstr. 44, D-8000 München 80

Anm.: United Technologies Corporation Hartford, Ct., V. St. A. AZ: 287 Zi/Ul

LAUFRADANORDNUNG IN EINER GASTURBINE

Patentansprüche

(Iy Laufradanordnung in einer Gasturbine, gekennzeichnet durch

ein erstes und zweites Laufrad (12,14) einer Gastrubine, wobei die beiden Laufräder koaxial angeordnet sind und sich gemeinsam drehen, wobei jede Laufradscheibe (16,34) eine vordere Stirnseite (28,48),.eine hintere Stirnseite (30,50), einen Kranz (39,53) und eine Vielzahl von axial verlaufenden Nasen aufweist, die in gegenseitigem Abstand längs des Umfanges der Scheiben angeordnet sind und radial nach außen vom Kranz abstehen, wobei Schaufelfußnuten (26, 46) zwischen den benachbarten Nasen (32,47) liegen, und die Nuten (26,46) axial von der vorderen Stirnseite zur hinteren Stirnseite verlaufen;

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eine der vorderen Stirnseite (28) des ersten Laufrades zugeordnete Einrichtung, die eine vordere Kammer (31) für die Aufnahme von Kühlluft begrenzt; eine Abstandseinrichtung (64), die zwischen der ersten Laufradscheibe(16) und der zweiten Laufradscheibe (34) verläuft und mit der hinteren Stirnseite der ersten Laufradscheibe (16) und der vorderen Stirnseite (48) der zweiten Laufradscheibe (34) in Eingriff steht, um sich mit den beiden Laufradschoiben zu drehen, wobei die Abstandseinrichtung (64) und die beiden Rotorscheiben (16,34) eine ringförmige, für Kühlluft bestimmte Zwischenkammer (66,) begrenzen, die radial innerhalb der Abstandseinrichtung (64) liegt und axial zwischen der hinteren Stirnseite (30) und der vorderen Stirnseite (48) der entsprechenden Laufradscheiben verläuft;und wobei die beiden Laufräder (12,14) jeweils eine Vielzahl von Laufradschaufeln, (18,36) aufweisen, von denen jede Schaufel einen Fuß (24,44) besitzt, wobei jeweils ein Fuß (24,44) in jeweils einer Nut (26,46) angeordnet ist und zusammen mit der zugehörigen Nut (26,46) einen axialen Kühlluftkanal (35,55) durch die Nut von der vorderen Stirnseite (28,48) zur hinteren Stirnseite (30,50) der entsprechenden Laufradscheiben (16,34) bildet, wobei die vordere Kammer (31), die Kühlluftkanäle (35) durch die Nuten (26) der ersten Laufradscheibe, die für KühllufL bestimmte Zwischenkammer. (66) und die Kühlluftkanäle (55) durch die Nuten (46) der zweiten Laufradscheibe in Reihe hintereinander für den Durchfluß der Kühlluft angeordnet sind, wobei die Kühlluft aus der vorderen Kammer (31) in und durch die Nuten (35) der ersten Laufradscheibe, von den Nuten (35) der ersten Laufradscheibe in die Zwischenkammer (66) für die Kühlluft und von der Zwischenkammer (66) für die .Kühlluft in und durch die Nuten (55) der-zweiten Laufradscheibe fließt.
2. Laufradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandseinrichtung (64) mit der hinteren Stirnseite (30) der ersten Laufradscheibe längs eines im wesentlichen kontinuierlichen Kreises in Eingriff steht, der koaxial zur Laufradachse verläuft und radial innerhalb |

I der Kühlluftkanäle 35 durch die* Nuten 26 der ersten I

Laufradscheibe liegt, und daß die Abstandseinrichtung (64) mit der vorderen Stirnseite (48) der zweiten Laufradscheibe (34) längs eines Kreises in Eingriff steht, der koaxial zur Laufradachse verläuft und radial innerhalb der Kühlluftkanäle (55) durch die Nuten (46) der zweiten Laufradscheibe liegt.
3. Laufradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandseinrichtung (64) einen axial verlaufenden, ringförmigen, Messerschneiden aufweisenden Dichtungsträger mit einem vorderen Ende (68) und einem hinteren Ende (74) aufweist, und daß das vordere Ende (68) eine radial nach außen weisende, um den Umfang verlaufende Fläche (70) besitzt, und daß die hintere Stirnseite (30) der ersten Laufradscheibe eine radial nach innen weisende, um den Umfang verlaufende Fläche (72 ) hat, die radial innerhalb der Nuten (26) der ersten Laufradscheibe liegt und mit der radial nach außen weisenden Fläche (70) in Eingriff steht, um eine erste, im wesentlichen zylindrische Grenzfläche zu bilden, und daß das hintere Ende (74) eine radial nach außen weisende , um den Umfang verlaufende Fläche (76) aufweist, und die vordere Stirnseite der zweiten Laufradscheibe eine radial nach innen weisende, um den Umfang verlaufende Fläche (78) besitzt, die radial innerhalb der Nuten (46) der zweiten Laufradscheibe liegt und mit der radial nach außen weisenden Fläche (76 ) am hinteren Ende der Abstandseinrichtung (64) in Eingriff steht, um eine zweite im wesentlichen zylindrische Grenzfläche zu bilden.

BADORIGtNAL
4. Laufradanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichn daß eine Deckplatte stromab der ersten Laufradscheibe (16 vorgesehen ist, und die Deckplatte mit der hinteren Stirn seite (30) der ersten Laufradscheibe in Berührung steht,
um eine erste hintere Kammer (33) zwischen der Zwischenkammer (66) und den axialen Kühlluftkanälen (35) durch
die Nuten (26) der ersten Laufradscheibe zu bilden, und
daß die Zwischenkammer (66), die erste hintere Kammer (33 und die Kühlluftkanäle (35) durch die Nuten (26 ) der ers Laufradscheibe in Reihe für den Durchfluß der Kühlluft an geordnet sind.
5. Laufradanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichn daß die erste Laufradscheibe (16) und die Abstandseinrichtung (64) Einrichtungen (71) aufweisen, die an der
ersten Grenzfläche Öffnungen begrenzen, um den Kühlluftstrom aus der ersten hinteren Kammer (33) in die Zwischen kammer (66) zu dosieren, und daß die zweite Laufradscheib (34) und die Abstandseinrichtung (64) Einrichtungen (74,7 aufweisen, die Öffnungen an der zweiten Grenzfläche für
die Strömung der Kühlluft aus der Zwischenkammer (66) in
Kühlluftkanäle (55) durch die Nuten (46) der zweiten
Laufradscheibe bilden.