DE602004001532T2

DE602004001532T2 - Verfahren zur Kühlung einer tannenbaumförmigen Befestigung zwischen einer Turbinenscheibe und ihrer Schaufel

Info

Publication number: DE602004001532T2
Application number: DE602004001532T
Authority: DE
Inventors: Anthony Bernard Phipps; Lynne Helen Turner
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: EP1464792B1; DE602004001532D1; US20040191067A1; EP1464792A1; US6971852B2; GB0307043D0

Description

Es ist allgemein bekannt, V-förmige Profile im Rand und über dem Rand einer Turbinenscheibe anzuordnen und Nuten in den Wänden vorzusehen, um ein Tannenbaumprofil zu erzeugen. Die Füße der Turbinenschaufeln, die um den Rand der Turbinenschaufel herum montiert werden, besitzen identische tannenbaumförmige Profile, und die Montage wird dadurch bewirkt, dass die Schaufelfüße in die entsprechenden Nuten im Rand der Turbinenscheibe etwa axial eingeschoben werden. Die derart angeordneten Schaufeln werden an einem Abschleudern gehindert, wenn sich die Turbinenscheibe im Betrieb des zugeordneten Gasturbinentriebwerks dreht.
Es ist außerdem bekannt, die Proportionen der Schaufelfüße gegenüber den Scheibenprofilen derart auszubilden, dass ein Zwischenraum zwischen den inneren Enden der Schaufelfüße und dem Boden ihrer zugeordneten Scheibennuten definiert wird, und außerdem ist es bekannt, einen Kanal in jeder Schaufel vorzusehen, der das Innere der Schaufel mit einem jeweiligen Zwischenraum verbindet. Im Betrieb des zugeordneten Gasturbinentriebwerks wird Luft von einem zugeordneten Kompressor abgezapft und den Zwischenräumen zugeführt, von wo aus die Luft in den Schaufelkanal eintritt und dann in das Innere des Schaufelprofils gelangt, um dieses zu kühlen. Danach tritt die Luft aus dem Schaufelprofil über Löcher in den Flanken in den Gaskanal aus. Die Druckschriften GB 1209419 und US 5630703 beschreiben Kühlsysteme nach dem Stande der Technik.
Die bekannten Ausbildungen bewirken eine Kühlung der Schaufelprofile, aber sie sind nicht wirksam, wenn gewisse Umstände eine Kühlung der Schaufelfüße und des Randes der Turbinenscheibe erfordern, was geschehen kann, wenn die Arbeitstemperatur der Turbine ansteigt, und in Anbetracht der Forderung nach immer höheren Betriebsleistungen führt dies zu einer Verminderung der Verfügbarkeit von Kompressorluft zur Benutzung als Kühlmittel.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Kühlung der Verbindungsstruktur einer Turbinenscheibe mit den zugeordneten Turbinenschaufeln zu schaffen.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenscheibe mit zugeordneten Turbinenschaufeln zu schaffen, die in der Weise festgelegt sind, dass eine Kühlung ihrer Verbindungsstruktur während des Betriebs in einem zugeordneten Gasturbinentriebwerk erfolgt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Kühlung der ineinandergreifenden Tannenbaumprofile einer Turbinenscheibe und der Turbinenschaufeln während des Betriebs dieses Aufbaus in einem Gasturbinentriebwerk, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es werden die Spitzen von wenigstens einem Paar der in Umfangsrichtung beabstandeten Vorsprünge, die zusammen mit anderen die Tannenbaumform bilden, in der Scheibe und/oder an den Schaufeln derart gekürzt, dass Kühlluftströmungspfade zwischen den gekürzten Spitzen von einer und der gegenüberliegenden Tannenbaumnut des anderen Teils definiert werden, wenn die Scheibe und die Schaufeln montiert sind; und es werden die Kühlluftströmungsfade an einen Kompressor des Gasturbinentriebwerks angeschlossen, um Kühlluft vom Kompressor im Betrieb des Triebwerks zuzuführen; es werden geschlossene Ringräume benachbart zur stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite des Aufbaus vorgesehen und es wird die Kompressorluftzuführung an die durch die Verkürzung definierten Räume über die stromaufwärtige Seite des Kanals dadurch nach der stromabwärtigen Seite angeschlossen, wobei jede Schaufel des Aufbaus mit einem Kühlluftkanal über einen beträchtlichen Teil seiner Länge versehen wird; wobei der Kühllufteinlass eines jeden Kanals im radial Inneren der Schaufel liegt und wenigstens den stromab benachbarten Raum in Strömungsrichtung mit dem Kühllufteinlass derart verbindet, dass eine Zirkulationsströmung errichtet wird.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Turbinenscheibe und einem Schaufelaufbau gemäß der Erfindung;
2 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine Ansicht des freigelegten Innenteils einer Turbinenschaufel gemäß 1;
3 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 3 gemäß 2 betrachtet;
4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 stellt ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Kompressor 12, einer Verbrennungseinrichtung 14, einem Turbinenteil 16 und einem Abgaskanal 18.
Gemäß 2 umfasst der Turbinenteil 16 eine Turbinenscheibe 20, an der eine Stufe von Turbinenschaufeln 22 montiert ist, von denen nur eine einzige dargestellt ist. Die Schaufeln 22 sind mit Tannenbaumfüßen 24 versehen, wie dies am besten aus den 3 bis 5 ersichtlich ist, und sie sind in entsprechende komplementäre Tannenbaumnuten 26 im Rand der Turbinenscheibe 20 eingeschoben, wie dies wiederum am besten aus den 3 bis 5 ersichtlich ist. Jede Turbinenschaufel 22 besitzt einen Kühlluftkanal 23, der sich über den größten Teil der Schaufellänge erstreckt, und das radial innere Ende des Kanals 23 ist nach einem Raum 25 hin offen, der zwischen dem radial inneren Ende der Schaufel 22 und dem Grund der Nut 26 ausgebildet ist. Im Betrieb des Triebwerks 10 wird Kompressorluft dem Raum 25 zugeführt und strömt in dem Kanal 23 nach dem Inneren des Profilteils der Schaufel 22 und dann in bekannter Weise in den ringförmigen Turbinengasstrom.
Ein an einem Schaftstumpf 30 ausgebildeter Flansch 28 liegt zwischen der Unterseite der Plattformen 32 der Schaufeln 22 und einer Ringnut 34, die auf der stromaufwärtigen Seite der Scheibe 20 ausgebildet ist. Der Flansch 28 bedeckt die tannenbaumförmigen, aneinander angreifenden Teile 24 und 26 im Abstand derart, dass Kühlluft vom Kompressor 12 über im gleichen Winkelabstand distanzierte Löcher 36 im Schaftstumpf 30 im Betrieb des Triebwerks 10 eintreten kann. Eine ringförmige Abdeckplatte 38 liegt in gleicher Weise zwischen den Plattformen 32 der Schaufeln 22 und der Ringnut 40 auf der stromabwärtigen Seite der Scheibe 20, um die Tannenbaumeingriffsteile 24 und 26 im Abstand hierzu abzudecken.
Nunmehr wird kurz auf 3 Bezug genommen, wobei der mit Flansch versehene Schaftstumpf 30 der Übersichtlichkeit wegen weggelassen ist. Hier ist ersichtlich, dass die gegenüberliegenden Vorsprünge, die das Tannenbaumprofil an den Füßen 24 der Schaufeln 22 bilden, ebenso wie die Vorsprünge, die das Tannenbaumprofil der Nuten 26 bilden, gekürzt sind. Hierdurch werden Zwischenräume dazwischen gebildet, die sich von der stromaufwärtigen Seite der Scheibe 20 und der Schaufelfüße 24 nach ihrer jeweiligen stromabwärtigen Seite erstrecken, wodurch Kühlluftströmungspfade gebildet werden, die die jeweiligen Zwischenräume verbinden, die durch den Flansch 28 bzw. die Abdeckplatte 38 abgedeckt sind.
Nunmehr wird wieder auf 2 Bezug genommen. Während das Triebwerk 10 im Betrieb befindlich ist, liefert der Kompressor 12 (1) Kühlluft nach dem Raum, der durch den Flansch 28 und die Turbinenscheibe 20 und den Schaufelaufbau 22 definiert ist. Ein Teil der Luft tritt in den Raum 25 ein und strömt im Kanal 23 nach oben. Der Rest durchquert die Stirnseite der Scheibe 20 radial nach außen gerichtet, und der größte Teil tritt in die Zwischenräume ein, die durch die gekürzten Tannenbaumvorsprünge gebildet werden, wenn diese erreicht werden, und die Luft strömt in den Raum ab, der durch die Scheibe 20 und den Schaufelaufbau 22 und die Abdeckplatte 38 definiert ist. Der Rest tritt in einen kleinen radialen Spalt 42 ein, der zwischen dem Rand der Turbinenscheibe 20 und der Unterseite der Plattform der Schaufel 22 gebildet ist, und dann strömt der Rest in den Zwischenraum zwischen der Scheibe und dem Schaufelaufbau und der Abdeckplatte 38. Dann tritt die Luft in den Zwischenraum 25 ein, bevor sie in den Kanal 23 einströmt, wodurch eine Zirkulationsströmung erzeugt wird, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Falls erforderlich, kann die notwendige Größe des kleinen Spaltes 42 durch Anordnung einer fabrikatorisch hergestellten Platte 44 erzeugt werden, die auf der Unterseite der Plattform 32 befestigt ist.
Nunmehr wird auf 4 Bezug genommen, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nur das radial äußere Paar der gegenüberliegenden Vorsprünge 24 am Schaufelfuß verkürzt ausgebildet und die Kühlluft wird in die hierdurch gebildeten Zwischenräume direkt aus dem Kanal 23 über Zweigkanäle 46 und 43 eingeleitet. Bei einer solchen Anordnung wird die Abdeckplatte 38 wie in 2 angedeutet benutzt, aber der Flansch 28 wird derart modifiziert, dass die gesamte stromaufwärtige Seite der Scheibe 20 mit Ausnahme jener Teile freigelegt wird, die erforderlich sind, um den Eintritt von Kühlluft in den Zwischenraum 25 zu bewirken.
Nunmehr wird auf 5 Bezug genommen, in der wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die radial äußeren beiden Paare der gegenüberliegenden Tannenbaumvorsprünge des Schaufelfußes 24 überspannen das gegenüberliegende Paar von Tannenbaumvorsprüngen in der Nut 26 der Scheibe über dem vorletzten Scheibenrandvorsprung, wodurch Kühlluftkanäle wie oben beschrieben gebildet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel erreicht die Kühlluft die Kanäle über gegenüberliegende Schlitze 48, die in allen Tannenbaumvorsprüngen des Schaufelfußes 24 angeordnet sind und diese durchstoßen. Wiederum wird eine Abdeckplatte 38 (2 und 4) wie in Verbindung mit jenen Figuren beschrieben benutzt, und es wird ein Flansch 28 benutzt, wie er in Verbindung mit 4 beschrieben wurde.
Der Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erkennt, dass irgendein Vorsprung oder alle Vorsprünge der Tannenbaumprofile im Schaufelfuß 24 und der Scheibennut 26 verkürzt werden können, um Kühlluftströmungspfade zu bilden, wobei die wirksamste Kühlung der Schaufelfüße und des Turbinenscheibenrandes durch die Anordnungen erreicht wird, wie sie beschrieben und dargestellt sind.

Claims

Verfahren zur Kühlung der Tannenbaumprofile (26) einer Turbinenscheibe (20) und der Turbinenschaufelfüße (22) während des Betriebs des Aufbaus in einem Gasturbinentriebwerk (10) mit den folgenden Schritten: es werden die Spitzen wenigstens eines Paares der in Umfangsrichtung beabstandeten Vorsprünge verkürzt, die ansonsten das Tannenbaumprofil in der Turbinenscheibe und/oder in den Turbinenschaufeln (22) bilden, so dass Kühlluftströmungspfade zwischen den verkürzten Spitzen von einem Paar und den gegenüberliegenden Tannenbaumfüßen (24) des anderen Teils gebildet werden, wenn die Scheibe (20) und die Schaufeln (22) montiert sind; und es werden die Kühlluftströmungspfade an einen Kompressor eines Gasturbinentriebwerks (10) angeschlossen, um eine Kühlluftzuführung vom Kompressor im Betrieb des Triebwerks (10) zu erreichen; es werden umschlossene Ringräume benachbart zu den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Stirnflächen des Aufbaus geschaffen; und es wird die Kompressorluftzufuhr an die durch die Verkürzung definierten Zwischenräume über den stromaufwärtigen Raum verbunden, um eine Verbindung mit dem stromabwärtigen Raum herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (22) des Aufbaus mit einem Kühlluftkanal (23) versehen ist, der sich über einen wesentlichen Teil ihrer Länge erstreckt und dass der Kühllufteinlass eines jeden Kanals (23) im radial inneren Ende der Schaufel (22) vorgesehen ist; und es wird wenigstens der stromab benachbarte Zwischenraum in Reihe mit dem Kühllufteinlass derart verbunden, dass eine zirkulierende Kühlluftströmung geschaffen wird.
Verfahren zur Kühlung der ineinandergreifenden Tannenbaumprofile (26) einer Turbinenscheibe (20) und den Turbinenschaufeln (22) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt der Verbindung des stromauf benachbarten Zwischenraumes in Strömungsrichtung mit dem Kühllufteinlass der Schaufel (22).
Verfahren zur Kühlung des Tannenbaumprofils (26) einer Turbinenscheibe (20) und der Schaufeln (22) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte, wonach jede Schaufel (22) des Aufbaus mit einem Kühlluftkanal (23) versehen wird, der sich über einen wesentlichen Teil der Länge der Schaufel erstreckt und wonach der Kühllufteinlass der Kühlluftkanäle (23) am inneren Ende der Schaufel (22) vorgesehen ist und wobei weiter Zweigkanäle (43) vorgesehen werden, die sich seitlich von dem Kühlluftkanal (23) und von diesem erstrecken und die durch die verkürzten Tannenbaumvorsprünge definierten Räume miteinander verbinden.
Verfahren zur Kühlung der ineinandergreifenden Tannenbaumprofile einer Turbinenscheibe und der Schaufeln nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: es wird jede Schaufel (22) des Aufbaus mit einem Kühlluftkanal (23) versehen, der sich über einen beträchtlichen Teil der Schaufellänge erstreckt; der Kühllufteinlass eines jeden Kanals (23) wird im radial inneren Ende der Schaufel (22) ausgebildet; und es werden außerdem Kühlluftkanäle (43) in den Tannenbaumvorsprüngen entweder in den Schaufelfüßen (24) oder in den Schaufelnuten (26) in einer Richtung normal zur Längsrichtung der Vorsprünge angebracht, die in den Zwischenräumen enden, welche durch die verkürzten Tannenbaumvorsprünge gebildet sind.