DE3835932A1 - Vorrichtung zur kuehlluftzufuehrung fuer gasturbinen-rotorschaufeln - Google Patents
Vorrichtung zur kuehlluftzufuehrung fuer gasturbinen-rotorschaufelnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlluftzuführung für
Gasturbinen-Rotorschaufeln, die auf einer Rotorscheibe form- und
kraftschlüssig verankert sind und deren Schaufelfüße mit der Rotor
scheibe Kühlkammern bilden, wobei jede Kammer mit durch die Schaufel
führenden Kühlkanälen in Verbindung steht.
Eine derartige Vorrichtung ist aus DE-OS 18 14 430 bekannt, wobei
Einrichtungen zur Verbindung zwischen Kühlkammer und Kühlmittelquelle
mitrotieren, so daß sie große rotierende Massen in Form von rotieren
den formschlüssigen Abstandsstücken zwischen den aufeinanderfolgenden
Rotorrädern aufweisen. Der Kühlluftstrom in der Kühlkammer wird mit
tels Kühlstromplatten und Dichtstücken umgelenkt, so daß sich mehrere
Dichtflächen auf unterschiedlichen Körpern gleichzeitig abstützen, was
keine vollständige Abdichtung des Kühlluftstroms wegen der zu über
brückenden Körperfugen gewährleistet.
Darüber hinaus ist eine Vorrichtung zur Kühlluftzuführung für Gas
turbinen-Rotorschaufeln aus EP-00 43 300 bekannt, bei der ein gegen
das Rotorrad axial und formschlüssig abgedichteter Flansch als Deck
scheibe, die unterhalb oder seitlich der Schaufelfüße eines Rotors
angeordneten Kühlkammern mit der Kühlluftquelle verbindet. Beim Zu-
und Hindurchströmen der Kühlluft zwischen dem mitrotierenden Flansch-
bzw. der Deckscheibe und der Rotorscheibe wird das Kühlgas verwirbelt
und unterliegt erhöhten Reibungsverlusten aufgrund von beispielsweise
Corioliseffekten und der Ausbildung von Ekman-Schichten. Dadurch wird
das Druckgefälle der Kühlluft, das in Temperaturabsenkung umsetzbar
wäre, nachteilig vermindert. Deshalb ist bei Deckscheibensystemen die
Temperaturabsenkung der Kühlluft nachteilig stark eingeschränkt.
Eine direkte berührungsarme Zuführung der Kühlluft vom Stator zu den
rotierenden Kühlkammern am Schaufelfuß, wie sie aus DE-OS 19 42 346
bekannt ist, erfordert eine Spaltdichtung auf großem Durchmesser, die
mit einem hohen Aufwand an statorseitigen Einrichtungen zur Spaltan
passung an die unterschiedlichen Betriebszustände eines Triebwerks
gekoppelt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung anzuge
ben, die minimale rotierende Massen aufweist, eine dichtungs- und
berührungsfreie, verlustarme Verbindung zwischen statorseitiger Kühl
luftquelle und rotorseitiger Kühlkammer unter Überwindung eines Nie
derdruckraumes herstellt, eine hohe Temperaturabsenkung der Kühlluft
gewährleistet und mit geringem statorseitigen Aufwand verbunden ist,
so wie die Anzahl der erforderlichen Dichtflächen in der Kühlkammer
reduziert und Einrichtungen zur Spaltanpassung vermeidet.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in jeder Kühlkammer ein Einsatz
angeordnet ist, der formschlüssig mit dem Schaufelfuß verbunden und
zur Niederdruckseite der Rotorscheibe hin geschlossen ist und daß auf
der Hochdruckseite die Einsätze über die Rotorscheibe hinausragen und
eine ringförmige zur Nabe hin geschlitzte Lufteinlaßöffnung bilden,
wobei eine statorseitige, ringförmige Luftauslaßdüse im wesentlichen
radial nach außen auf die Lufteinlaßöffnung gerichtet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die statorseitige Kühlluft
quelle mit einer statorseitigen ringförmigen Luftauslaßdüse verbunden,
die einen radial im wesentlichen nach außen gerichteten Kühlluftstrom
erzeugt, der einen homogenen, ringförmigen Kühlluftschleier bildet.
Dieser Kühlluftschleier trifft auf eine Anblasfläche im radial äußeren
Randbereich der Rotorscheibe und wird zur ringförmigen rotierenden
Lufteinlaßöffnung hin umgelenkt die aus den zur Nabe hin geschlitzten
Ringsegmenten der Einsätze für die Kühlkammern gebildet wird.
Diesem Kühlluftstrom wird zur Anpassung der Strömung vom statischen
Bauteil der Luftauslaßdüse zu den rotierenden Ringsegmenten der Luft
einlaßöffnung eine Umfangskomponente durch eine weitere der Luftaus
laßdüse vorgelagerte Einrichtung wie beispielsweise eine Dralldüse
aufgeprägt.
Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie eine vollständig berüh
rungsfreie Verbindung zwischen statorseitiger Kühlluftquelle und ro
torseitigem Verbraucher schafft und keinerlei Einrichtungen zur Spalt
regulierung vorzusehen sind. Die rotierenden Massen in Form von mas
siven Deckscheiben oder Abstandsstücken werden auf kleinvolumige Ein
sätze in den Kühlkammern beschränkt, die bei geeigneter Materialwahl
ein minimales zusätzliches Gewicht darstellen.
Besonders vorteilhaft wird dieser Einsatz vorzugsweise in einstückiger
Bauweise ausgebildet.
Der Einsatz ist bei entsprechender Ausgestaltung der Erfindung mit
einem einzigen ringförmigen Paß- und Dichtsitz zum Schaufelfuß hin
formschlüssig verbunden. Dieser Dichtsitz des Einsatzes gewährleistet
vorteilhaft eine vollständige Abdichtung des Kühlluftstromes in der
Kühlkammer, da er sich gegen ein einziges Bauteil abstützt und keine
Körperfugen zu überwinden hat.
Eine bevorzugte Ausführungform besteht darin, den Einsatz mit dem
Schaufelfuß durch Löten, Schweißen, Kleben oder Ansintern zu einem
integralen Bauteil auszubilden und dadurch vorteilhaft eine verein
fachte Montage, eine geringere Bauteilstückzahl und eine vollständige
Vermeidung von Dichtflächen zu erreichen.
Durch aerodynamische Formgebung des Einsatzes im Bereich des Kühlluft
stromes wird dieser unter Regeneration des Kühlluftdruckes verlustarm
umgelenkt und den Kühlkanälen in den Schaufeln des Rotors zugeführt.
Dadurch wird eine Kühlgastemperaturabsenkung des Kühlgases möglich,
die aufgrund der verlustarmen Zuführung größer ist, als bei den im
Stand der Technik bekannten Lösungen.
Verlustbehaftete wie beispielsweise verwirbelte Kühlstromanteile wer
den darüber hinaus beim Übergang von der Luftauslaßdüse zur Luftein
laßöffnung durch eine im Winkel von 20° bis 50° vorzugsweise 33° ange
strömte Anblasfläche im Randbereich der Rotorscheibe abgetrennt. Die
ser abgetrennte Leckstrom hat die gleiche Größenordnung wie die Leck
ströme üblicher Spaltdichtungen.
Die axiale Erstreckung der ringförmigen Anblasfläche im Randbereich
der Rotorscheibe ist vorzugsweise größer als die betriebsbedingten
axialen Verschiebungen zwischen statorseitiger Luftauslaßdüse und
Rotorscheibe, damit der Kühlluftstrom nach Austritt aus der Luftaus
laßdüse bei allen Betriebszuständen zuerst auf die Anblasfläche trifft
und dann zur Lufteinlaßöffnung hin umgelenkt wird. Das hat den Vor
teil, daß die Lufteinlaßöffnung unter allen Betriebsbedingungen opti
mal angeströmt wird.
Um den vor der Lufteinlaßdüse abgetrennten Luftstrom zu optimieren,
wird die Lufteinlaßöffnung vorzugsweise schmaler ausgeführt, als die
Luftauslaßdüse. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein verlustarmer
Druckaufbau im Kühlkammereinsatz erreicht wird.
Besonders einfach läßt sich der Einsatz als Metallsinter- oder Metall
gußkörper gestalten. Als Grundwerkstoffe werden vorzugsweise Schaufel
werkstoffe auf Nickel- oder Kobaltbasis eingesetzt, so daß sie ein den
Schaufelfüßen angepaßtes Wärmedehnungsverhalten zeigen.
Eine weitere Ausführung der Erfindung besteht darin, die Einsätze
vorzugsweise aus Oxid- oder Sinterkeramischen Werkstoffen zu fertigen,
da diese Werkstoffe gewichtssparend die rotierenden Massen gering
halten.
Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühl
luftzuführung für Gasturbinen-Rotorschaufeln im Querschnitt.
Fig. 2 zeigt von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einen Einsatz in
einer Kühlkammer unter einem Schaufelfuß im Querschnitt.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Frontansicht von dem Ausführungs
beispiel nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer
statorseitigen ringförmigen Luftauslaßdüse 1, die einen homogenen
radial nach außen gerichteten berührungsfreien Kühlluftstrom 2 in
Pfeilrichtung erzeugt. Diesem Kühlluftstrom 2 wird eine Umfangskompo
nente durch eine Dralldüse 3, die zwischen zwei scheibenförmigen Deck
platten 4 und 5 angeordnet ist, vermittelt. Die Luftauslaßdüse 1 rich
tet den Kühlluftstrom 2 über einen Ringspalt 13 zwischen Stator 6 und
Rotor 7 auf eine Anblasfläche 23 im Randbereich der Rotorscheibe 7.
Die Anblasfläche 23 lenkt den Kühlluftstrom zu einer Lufteinlaßöffnung
8 eines Einsatzes 9 einer Kühlluftkammer 10 unter dem Schaufelfuß 11
einer Schaufel 22. Der Einsatz 9 lenkt den Kühlluftstrom 2, nachdem
er die Lufteinlaßöffnung 8 passiert hat, um (siehe Pfeile) und führt
ihn den Kühlluftkanälen 12, 20 und 21 im Schaufelfuß 11 zu.
Fig. 2 zeigt von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einen Einsatz 9
in einer Kühlkammer 10 unter einem Schaufelfuß 11 im Querschnitt. Der
Einsatz 9 lenkt den radial ausgerichteten Kühlluftstrom 2, der über
den Ringspalt 13 zwischen Stator 6 und Rotorscheibe 7 nach Umlenkung
durch die Anblasfläche 23 in die Lufteinlaßöffnung 8 des Einsatzes 9
gelangt, in die Kühlluftkanäle 12, 20 und 21 des Schaufelfußes 11 um.
Dabei durchströmt die Kühlluft den strömungsgünstig geformten
Umlenkraum 19. Der Einsatz 9 ist durch einen den Schaufelfuß 11 ring
förmig umgebenen Zentrieransatz 14 mit dem Schaufelfuß 11 formschlüs
sig verbunden und über den Dichtsitz 15 gasdicht abgeschlossen. Die
Schaufel und der Einsatz werden vor axialen Verschiebungen durch die
Sicherungsscheibe 16 und die ringförmige Sicherungseinlage 17 gesi
chert.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Frontansicht von dem Ausführungs
beispiel nach Fig. 1, wobei nur 3 Schaufelpositionen einer Rotorschei
be 7 abgebildet werden. Die zugehörigen Einsätze ragen über den Rand
der Rotorscheibe 7 hinaus und bilden eine Lufteinlaßöffnung 8 die der
statorseitigen Luftauslaßdüse 1 im wesentlichen radial nach außen
gegenüber liegt. In dem ringförmigen Spalt zwischen Lufteinlaßöffnung
8 und Luftauslaßdüse 1 liegt die Anblasfläche 23 im Randbereich der
Rotorscheibe 7.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Kühlluftzuführung für Gasturbinen-Rotorschaufeln,
die auf einer Rotorscheibe form- und kraftschlüssig verankert sind
und deren Schaufelfüße mit der Rotorscheibe Kühlkammern bilden,
wobei jede Kühlkammer mit durch die Schaufel führenden Kühlkanälen
in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Kühlkam
mer (10) ein Einsatz (9) angeordnet ist, der formschlüssig mit dem
Schaufelfuß (11) verbunden und zur Niederdruckseite der Rotor
scheibe (7) hin geschlossen ist, und daß auf der Hochdruckseite
die Einsätze (9) über die Rotorscheibe (7) hinausragen und eine
ringförmige zur Nabe hin geschlitzte Lufteinlaßöffnung (8) bilden,
wobei eine statorseitige, ringförmige Luftauslaßdüse (1) im we
sentlichen radial nach außen auf die Lufteinlaßöffnung (8) gerich
tet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein
satz (9) einstückig ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Einsatz (9) ein Metallsinter- oder Metallgußkörper aus einer
Nickel- oder Kobaltbasislegierung ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Einsatz (9) ein Sinterkörper aus Keramik ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Einsatz (9) einen Zentrieransatz (14) zum Schaufelfuß
(11) mit einem einzigen Dichtsitz (15) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeich
net, daß der Schaufelfuß und der Einsatz ein integrales Bauteil
bilden.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Kühlluftstrom (2) der Luftauslaßdüse (1) in einem
Winkel von 20° bis 50° vorzugsweise 33° auf eine ringförmige An
blasfläche (23) im Randbereich der Rotorscheibe (7) zur Abspaltung
verwirbelter Randschichten des Kühlluftstromes (2) gerichtet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß die axiale Erstreckung der Anblasfläche (23) größer ist
als die betriebsbedingt auftretenden axialen Verschiebungen zwi
schen statorseitiger Luftauslaßdüse (1) und Rotorscheibe (7).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß die ringförmige Lufteinlaßöffnung (8) einen schmaleren
Schlitz besitzt, als die Luftauslaßdüse (1).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß der ringförmigen Luftauslaßdüse (1) eine Einrichtung zur
Erzeugung einer Strömungskomponente in Umfangsrichtung vorgeschal
tet ist.
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