EP0859128A1 - Turbine disc with cooling channels - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinen-Laufradscheibe mit von der Scheibenstirnseite ausgehenden Kühlluftkanälen, die in den Scheibennuten, in welche luftgekühlte Turbinenschaufeln eingesetzt sind, münden. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 29 47 521 A1 und die DE 34 44 586 A1 verwiesen.The invention relates to a turbine impeller disk from the disk end face outgoing cooling air channels, which in the disc grooves, in which air-cooled turbine blades are used. For technical For example, the environment is referred to DE 29 47 521 A1 and DE 34 44 586 A1.
Bei Verwendung gekühlter Turbinenschaufeln, insbesondere in Gasturbinen, hat sich die Kühlluftzufuhr über Kanäle in den Turbinen-Laufradscheiben grundsätzlich bewährt. Auch kann auf diese Weise einer zweiten Turbinen-Laufradscheibe, die einer ersten Laufradscheibe nachgeordnet ist, Kühlluft zugeführt werden, indem ein Teil des in die Scheibennuten der ersten Laufradscheibe gelangenden Kühlluftstromes über diese Scheibennuten quasi nach hinten in den Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Laufradscheibe abgeführt wird. Hierzu können in den sog. Schließplatten, welche die in die Scheibennuten eingesetzten Schaufeln sichern, entsprechende Durchtrittsöffnungen vorgesehen sein. When using cooled turbine blades, especially in gas turbines, the cooling air supply has channels in the turbine impeller discs basically proven. In this way, a second turbine impeller disk, which is arranged after a first impeller, cooling air can be fed by part of the in the disc grooves of the first Impeller disk incoming cooling air flow through these disk grooves quasi backwards into the space between the first and second Impeller disc is discharged. For this purpose, in the so-called locking plates, which secure the blades inserted into the disk grooves, corresponding Through openings may be provided.
Es kann problematisch sein, einen ausreichend großen Kühlluftstrom in die jeweilige Scheibennut zu fördern, insbesondere wenn ein Teil dieses Kühlluftstromes auch noch für die Kühlung einer nachfolgenden Turbinen-Laufradscheibe verwendet werden soll. Ein im Nutengrund der Scheibennut mündender Kühlluftkanal kann nämlich hinsichtlich seiner Querschnittsfläche nicht beliebig groß gestaltet werden, da sich in diesem Mündungsbereich die räumlichen Felder der einzelnen Spannungskonzentrationen für die Umfangsspannungen überlagern und örtlich stark überhöhte Spannungsamplituden hervorrufen können, was im Hinblick auf die Betriebs-Dauerfestigkeit unerwünscht ist.It can be problematic to have a sufficiently large flow of cooling air into the to promote the respective disc groove, especially if part of this cooling air flow also for cooling a subsequent turbine impeller should be used. One in the groove bottom of the disc groove The opening of the cooling air duct can namely with regard to its cross-sectional area not be designed to be of any size, because this is the area of the mouth the spatial fields of the individual stress concentrations for the Superimposed circumferential tensions and locally excessive stress amplitudes can cause what in terms of operational fatigue strength is undesirable.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Scheibennut zumindest zwei jeweils von der gleichen Scheibenstirnseite ausgehende Kühlluftkanäle münden. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.A remedial measure for these problems is to be shown Object of the present invention. This solves this problem characterized in that at least two each of the outgoing cooling air ducts open on the same face of the pane. Beneficial Training and further education are included in the subclaims.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügten Prinzipskizzen
verwiesen, wobei in Fig. 1 ein Teil-Längsschnitt und in Fig. 2 eine Teil-Ansicht
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Turbinen-Laufradscheibe gezeigt ist.
Fig. 3 dient der Erläuterung der physikalischen Zusammenhänge und zeigt
in einem Diagramm die Spannungskonzentration (aufgetragen auf der Ordinate)
als Funktion des auf der Abszisse aufgetragenen dimensionslosen
Lochabstandes P/D bei einer Reihenanordnung von Löchern mit dem
Durchmesser D, die um das Maß P voneinander beabstandet sind.For a more detailed explanation of the invention, reference is made to the attached schematic diagrams, a partial longitudinal section being shown in FIG. 1 and a partial view of a preferred exemplary embodiment of a turbine impeller disk according to the invention in FIG. 2.
Fig. 3 is used to explain the physical relationships and shows in a diagram the stress concentration (plotted on the ordinate) as a function of the dimensionless hole spacing P / D plotted on the abscissa for a row arrangement of holes with the diameter D, the dimension P from each other are spaced.
In den Fig. 1, 2 ist mit der Bezugsziffer 1 eine Laufradscheibe insbesondere
einer Gasturbine bezeichnet, die an ihrem Außenumfang wie üblich eine
Vielzahl von jeweils ein Tannenbaumprofil aufweisenden Scheibennuten 2
besitzt, in welche jeweils eine Turbinenschaufel 3 eingesetzt ist. Jede Turbinenschaufel
3 ist luftgekühlt, d. h. in jeder Turbinenschaufel 3 sind nicht
dargestellte Kühlluftkanäle vorgesehen, in welche von der Scheibennut 2
aus ein Kühlluftstrom eintreten kann.1, 2 with the
In jede Scheibennut 2 gelangt dieser Kühlluftstrom über zumindest zwei
Kühlluftkanäle 4, die von der Scheibenstirnseite 1a ausgehen - die entsprechende
Mündungsöffnung ist mit der Bezugsziffer 7b bezeichnet - und im
Inneren der Scheibe zur jeweiligen Scheibennut 2 geführt sind, wo sie im
Nutengrund 2a münden ( Mündungsöffnung 7a ). Es liegt auf der Hand, daß
über zumindest zwei Kühlluftkanäle 4, die von der gleichen Scheibenstirnseite
1a ausgehen, und die jeweils eine gewisse Querschnittsfläche Q besitzen,
ein betragsmäßig größerer Kühlluftstrom herangeführt werden kann, als über
einen einzigen Kühlluftkanal 4 mit der gleichen Querschnittsfläche Q, wie
dies im Stand der Technik bekannt und üblich ist. Zwar wäre es grundsätzlich
auch möglich, einen einzigen Kühlluftkanal 4 mit einer dementsprechend
größeren Querschnittsfläche (beispielsweise 2 x Q) vorzusehen, jedoch
würde die dementsprechend größere Mündungsöffnung 7a eines derart großen
Kühlluftkanales im Nutengrund 2a erhebliche Spannungsspitzen hervorrufen,
die größer sind als die von den Mündungsöffnungen 7a zweier dementsprechend
kleinerer Kühlluftkanäle 4 hervorgerufenen Spannungsspitzen.This cooling air flow passes into each
Die entsprechenden physikalisch-theoretischen Zusammenhänge seien kurz
anahnd von Fig. 3 erläutert:
Gezeigt ist zunächst die Aufsicht auf ein Bauteil 10, in welchem eine Reihe
von Löchern 11, die jeweils den Durchmesser D besitzen, vorgesehen ist.
Die einzelnen Löcher 11 sind dabei um daß Maß P voneinander beabstandet.
Die Hauptspannungsrichtung längs der Reihe von Löchern 11 ist durch
den Pfeil 12 dargestellt. Im Diagramm nach Fig. 3 ist nun der Spannungskonzentrationsfaktor
auf der Ordinate und auf der Abszisse der dimensionslose
Lochabstand P/D aufgetragen. The corresponding physical-theoretical relationships are briefly explained in FIG. 3:
First of all, the view of a
Man erkennt, daß der Spannungskonzentrationsfaktor mit abnehmendem
dimensionslosem Lochabstand P/D ebenfalls geringer wird.
Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Querschnittsfläche Q auf die
doppelte Anzahl von Bohrungen 7a in den Fig. 1,2 reduziert sich der Parameter
P/D gemäß Fig. 3 auf das 0,707-fache seine ursprünglichen Wertes,
so daß hierdurch auch der Spannungskonzentrationsfaktor entsprechend
abnimmt.
Zusätzlich kann aus der örtlichen Verlagerung der Spannungsspitzen Nutzen
gezogen werden, da die Orte der relativen Spannungsmaxima der Luftlöcher
und der Scheibennuten in Umfangsrichtung nun nicht mehr zusammenfallen.
Somit kann die sich aus der (potentialtheoretischen) Superpositionierung der
einzelnen Spannungsfelder um Bohrung und Nut ergebende absolute Spitzenspannung
in erheblichem Umfang reduziert werden, was im Hinblick auf
die Dauerfestigkeit einer Turbinenlaufscheibe anzustreben ist.It can be seen that the stress concentration factor also decreases as the dimensionless hole spacing P / D decreases.
By dividing the cross-sectional area Q according to the invention into twice the number of
In addition, use can be made of the local displacement of the stress peaks since the locations of the relative stress maxima of the air holes and the disk grooves no longer coincide in the circumferential direction.
Thus, the absolute peak stress resulting from the (potential theoretical) superposition of the individual stress fields around the bore and groove can be reduced to a considerable extent, which is desirable in view of the fatigue strength of a turbine disk.
Zurückkommend auf die konstruktive Ausführung der Erfindung ergibt sich
eine hinsichtlich der Größe des erzielbaren Kühlluftstromes sowie im Hinblick
auf die Schwächung der Laufradscheibe 1 durch die Kühlluftkanäle 4
günstige Kühlluftkanal-Anordnung, wenn in jeder Scheibennut 2 die Mündungsöffnungen
7a der beiden Kühlluftkanäle 4 im wesentlichen in einer
gemeinsamen zur Scheibenachse senkrechten Schnittebene nebeneinander
liegen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn - wie die Teil-Ansicht auf die Scheibenstirnseite
1a in Fig. 2 zeigt - für jede Scheibennut 2 die beiden Kühlluftkanäle
4 im wesentlichen spiegelbildlich zu sowie geneigt gegenüber einer
in radialer Richtung von der nicht gezeigten Scheibenachse zur Mitte der
Scheibennut 2 führenden Symmetrieebene 5 vorgesehen sind. Dabei können
die Längsachsen sämtlicher Kühlluftkanäle 4 linear oder beliebig gebogen
verlaufen, ebenso kann der Querschnitt dieser Kühlluftkanäle kreisförmig
oder elliptisch oder sonstwie geeignet geformt sein. Returning to the constructive embodiment of the invention, it follows
one with regard to the size of the achievable cooling air flow and with regard
on the weakening of the
Wie bereits eingangs erwähnt, kann ein Teil des in die Scheibennuten 2 dieser
Laufradscheibe eingebrachten Kühlluftstromes dazu genutzt werden,
eine dieser ersten Laufradscheibe 1 nachgeschaltete zweite Laufradscheibe
(nicht gezeigt) mit Kühlluft zu versorgen. In den die Turbinenschaufeln 3 in
der Laufradscheibe 1 fixierenden Schließplatten 6 können im Bereich der
Scheibennuten 2 dementsprechende Durchtrittsöffnungen 9 für einen Teil-Kühlluftstrom
vorgesehen sein, die jeweils über einen im Fuß der Turbinenschaufel
vorgesehenen Kanal 9' mit einem sich an den Kühlluftkanal 4 anschließenden,
im Schaufelfuß vorgesehenen Kühlluftkanal 4' verbunden
sind.As already mentioned at the beginning, part of this can be inserted into the
Allgemein kann somit durch die hier gezeigte Verdopplung bzw. Vervielfachung
der in einer Scheibennut 2 mündenden Kühlluftkanäle 4 gegenüber
dem bekannten Stand der Technik ein deutlich größerer Kühlluftstrom zum
Fuß jeder Turbinenschaufel 3 geführt werden. Dabei führen die mehreren
Mündungsöffnungen 7a der mehreren Kühlluftkanäle 4 zu deutlich geringeren
mechanischen Belastungen der Laufradscheibe 1, als dies ein einziger
Kühlluftkanal mit einer dementsprechend großen Querschnittsfläche und
somit einer dementsprechend vergrößerten Mündungsöffnung 7a verursachen
würde. Selbstverständlich sind dabei eine Vielzahl von Abwandlungen
insbesondere konstruktiver Art vom gezeigten Ausführungsbeispiel möglich,
ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.In general, the doubling or multiplication shown here
the
Claims (4)
dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Scheibennut (2) zumindest zwei jeweils von der gleichen Scheibenstirnseite (1a) ausgehende Kühlluftkanäle (4) münden.Turbine impeller disk with cooling air channels (4) extending from the disk end face (1a), which open into the disk grooves (2) into which air-cooled turbine blades (3) are inserted,
characterized in that in each disc groove (2) at least two cooling air ducts (4) each emanating from the same disc end face (1a) open.
dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Scheibennut (2) die Mündungsöffnungen (7a) zweier Kühlluftkanäle (4) im wesentlichen in einer gemeinsamen zur Scheibenachse (8) senkrechten Schnittebene nebeneinander liegen.Turbine impeller disk according to claim 1,
characterized in that in each disk groove (2) the orifices (7a) of two cooling air ducts (4) lie essentially next to one another in a common sectional plane perpendicular to the disk axis (8).
dadurch gekennzeichnet, daß für jede Scheibennut (2) zwei Kühlluftkanäle (4) im wesentlichen spiegelbildlich zu sowie geneigt gegenüber einer in radialer Richtung von der Scheibenachse (8) zur Mitte der Scheibennut (2) führenden Symmetrieebene (5) vorgesehen sind. Turbine impeller disk according to claim 1 or 2,
characterized in that for each disk groove (2) two cooling air ducts (4) are provided essentially mirror-inverted and inclined relative to a plane of symmetry (5) leading in the radial direction from the disk axis (8) to the center of the disk groove (2).
dadurch gekennzeichnet, daß der über einen der in jeder Scheibennut (2) mündenden Kühlluftkanäle (4) herangeführte Kühlluftstrom bevorzugt zur Kühlung einer zweiten dieser Turbinen-Laufradscheibe (1) nachgeordneten Turbinen-Laufradscheibe herangezogen wird.Turbine impeller disk according to one of the preceding claims,
characterized in that the cooling air flow led through one of the cooling air channels (4) opening into each disc groove (2) is preferably used for cooling a second turbine impeller disc downstream of this turbine impeller disc (1).
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