EP1621735B1 - Gasturbinenrotor - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenrotor, der eine Scheibe mit an deren Umfangsrand in Quernuten gehaltenen Turbinenlaufschaufeln, die aus einem Schaufelblatt, einer Schaufelplattform und einem in der jeweiligen Quernut fixierten Schaufelfuß bestehen, umfasst, wobei die Schaufelblätter von Kühlluft durchströmte Hohlräume aufweisen und in den einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Schaufelplattformen jeweils eine Ausnehmung zur Aufnahme eines den Spalt zwischen den Schaufelplattformen überbrückenden Dichtungs- und Dämpfungselements ausgebildet ist.
• Ein Gasturbinenrotor der eingangs beschriebenen Art ist aus der US-B1-6 561 764 B1 bekannt. Die zwischen den Seitenflächen der Schaufelplattformen angeordneten Dichtungs- und Dämpfungselemente sollen einerseits die Ventilationsverluste minimieren und die Schwingungen der Turbinenlaufschaufeln verringern. Diese Gasturbinenrotoren sind jedoch in Bezug auf die Dichtungs- und Dämpfungselemente insofern nachteilig, als die Abdichtung mit einer einzigen mechanischen Dichtung nicht vollständig gelingt und somit über den verbleibenden Spalt zwischen den Schaufelplattformen Heißgas in den Bereich unterhalb der Schaufelplattformen und damit in den Befestigungsbereich der Turbinenlaufschaufeln am Umfangsrand der Scheibe gelangt. Die Folge ist eine Verringerung der Lebensdauer der Scheibe. Die Anordnung von zusätzlichen mechanischen Dichtungselementen zwischen den Schaufelplattformen in den Bereichen, in denen das Dichtungs- und Dämpfungselement nicht wirksam ist, erfordert jedoch einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand und kann zudem zu Spannungen führen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gasturbinenrotor der eingangs beschriebenen Art die Abdichtung zwischen den Schaufelplattformen zu verbessern.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Gasturbinenrotor dadurch gelöst, dass zur zusätzlichen aerodynamischen Abdichtung des Spaltes mit einem Luftvolumen zwischen den Schaufelplattformen mindestens ein mit dem Hohlraum in dem Schaufelblatt verbundener Luftkanal vorgesehen ist, der an mindestens einer der Seitenflächen der Schaufelplattform in eine in die Seitenfläche der Schaufelplattform eingeformte Luftverteilungsnut mündet.
• Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, dass ein Teil der in die Hohlräume des jeweiligen Schaufelblattes zu dessen Innenraum- und Filmkühlung eingebrachten Kühlluft kontinuierlich in den Spalt zwischen benachbarten Schaufelplattformen geleitet wird und diesen aerodynamisch abdichtet, zumindest aber die Heißgasleckage reduziert oder das den Spalt gegebenenfalls durchdringende Heißgas abkühlt. Dadurch wird eine zu hohe Wärmebelastung der Rotorscheibe verhindert und folglich deren Lebensdauer verlängert.
• Die Zufuhr der Kühlluft bzw. Dichtungsluft in den Spalt erfolgt über mindestens einen Luftkanal, der vom Innenraum des Schaufelblattes ausgeht und an mindestens einer der Seitenflächen der Schaufelplattform mündet. Das heißt, in den Spalt können beidseitig und an unterschiedlichen Stellen auch mehrere Luftkanäle münden. Der Luftstrom kann in axialem Abstand von dem mechanischen Dichtungselement in den Spalt eingeführt werden oder auch in Kombination mit dem mechanischen Dichtungs- und Dämpfungselement wirken und dessen Dichtwirkung verstärken.
• Dabei ist in die Seitenflächen der Schaufelplattformen jeweils mindestens eine Verteilungsnut eingeformt, um die Dichtungsluft im Spalt gezielt verteilen zu können.
• Mit der Erfindung wird ein Gasturbinenrotor mit geringem fertigungstechnischen Aufwand so ausgebildet, dass Heißgasleckagen über den Spalt zwischen den Schaufelplattformen reduziert oder verhindert werden und damit die Lebensdauer der Rotorscheibe erhöht wird.
• Es ist zwar bei einem aus der EP-A-0 940 561 vorbekannten Gasturbinenrotor bereits bekannt, auf einer Seitenfläche der Schaufelplattform mehrere Kühllöcher vorzusehen, aus denen Kühlluft zum Kühlen der Seitenflächen auf der versalen Schaufelseite strömt. Die Kühlluft wird aber nicht zur aerodynamischen Abdichtung des Spaltes zwischen den Schaufelplattformen überbrückenden Dichtungs- und Dämpfungselementen verwendet und mündet nicht in eine in die Seitenfläche der Schaufelplattform eingeformte Luftverteilungsnut.
• Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Seitenansicht einer aus einem Schaufelblatt und einer Schaufelplattform bestehenden, in einem Turbinengehäuse angeordneten Turbinenlaufschaufel, deren Schaufelfuß in einer Rotorscheibe gehalten ist;

Fig. 2

einen Schnitt AA der Turbinenlaufschaufel nach Fig. 1; und

Fig. 3

eine detaillierte Darstellung der mit Kühlluft abgedichteten Seitenfläche der Schaufelplattform in dem mechanisch nicht abgedichteten Bereich.

• Am Umfang einer Rotorscheibe 1 ist in Quernuten (nicht dargestellt) eine Mehrzahl von Turbinenlaufschaufeln - jeweils über deren Schaufelfuß 2 - lösbar angebracht. Über in der Rotorscheibe 1 ausgebildete Kühlluftbohrungen 3, an die sich Bohrungen (nicht dargestellt) im Schaufelfuß 2 anschließen, gelangt vom Verdichter abgezweigte Kühlluft (Pfeil A) in die in dem jeweiligen Schaufelblatt 4 ausgebildeten Hohlräume 5. Auf diese Weise wird das dem Heißgasstrom (Pfeil B) ausgesetzte Schaufelblatt 4 durch eine Innenkühlung und eine Filmkühlung gekühlt. In einem mittleren Bereich der Seitenflächen 6 der Plattformen 7 der Turbinenlaufschaufeln sind Ausnehmungen 8 zur Aufnahme eines Dichtungs- und Dämpfungselements (nicht dargestellt) ausgebildet. Die jeweils zwischen den gegenüberliegenden Seitenflächen 6 benachbarter Schaufelplattformen 7 angeordneten Dichtungs- und Dämpfungselemente sollen einerseits die Vibration der Laufschaufeln und andererseits den Kontakt der Turbinenscheibe mit dem Heißgas begrenzen. Die Anordnung des Dichtungs- und Dämpfungselements ist aufgrund der konstruktiven Ausbildung der Schaufelplattformen 7 und aus fertigungstechnischen Gründen auf einen bestimmten - geraden - Bereich der jeweiligen Seitenfläche beschränkt. Der verbleibende freie Spalt zwischen den Seitenflächen 6 der Schaufelplattformen 7 wird mit einem kontinuierlichen Dichtungsluftstrom (Pfeil C), der aus einem Hohlraum 5 des Schaufelblattes 4 zugeführt wird, gegenüber der Heißgasatmosphäre abgeschirmt. Die Dichtungsluftzufuhr erfolgt über einen Luftkanal 9, der unmittelbar an einer Seitenfläche 6 der Schaufelplattformen 7 mündet, und zwar in einem unter Heißgaseinfluss stehenden Spaltbereich, der nicht mechanisch durch ein Dichtungs- und Dämpfungselement abgedichtet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Luftzutritt axial getrennt von dem mechanischen Dichtungs- und Dämpfungselement vorgesehen. Die Dichtungsluftaustrittsöffnung kann aber auch in Verbindung mit dem Dichtungs- und Dämpfungselement so angeordnet sein, dass dessen Dichtwirkung verstärkt wird.
• In der hier beschriebenen Ausführungsform ist ein einziger Luftkanal 9 mit rundem Querschnitt vorgesehen. Es können aber auch zwei oder auch mehrere Luftkanäle angeordnet sein, die zudem eine beliebige Querschnittform aufweisen können und auch zu beiden Seitenflächen 6 ein und derselben Schaufelplattform 7 führen können.
• Die zwischen den Seitenflächen 6 jeweils benachbarter Schaufelplattformen 7 eintretende Dichtungsluft verteilt sich in dem Spalt und dichtet diesen gegenüber der Heißluft ab. Zumindest wird aber gegebenenfalls in den Spalt eintretende Heißluft durch die kältere Dichtungsluft abgekühlt. Auf diese Weise wird der Zutritt von Heißgas in den Bereich unterhalb der Schaufelplattformen 7 verhindert oder zumindest reduziert, so dass die Befestigung der Turbinenlaufschaufel an der Rotorscheibe und der Umfangsrand der Rotorscheibe 1 nicht überhitzt und dadurch deren Lebensdauer nicht verringert wird. Auf zusätzliche mechanische Dichtelemente, deren Fertigung und Halterung im Randbereich der Schaufelplattformen 7 mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist, kann verzichtet werden.
• Wie in Fig. 3 gezeigt, mündet der Luftkanal 9 in eine in die Seitenfläche 6 der Schaufelplattform 7 eingeformte Verteilungsnut 10, um so die Dichtungsluft gezielt in dem Spalt zwischen den gegenüberliegenden Seitenflächen 6 zu verteilen. Die Verteilungsnuten 10 können eine beliebige Form haben. Es können in einer Seitenfläche auch mehrere Verteilungsnuten 10 ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1

Rotorscheibe

2

Schaufelfuß

3

Kühlluftbohrung

4

Schaufelblatt

5

Hohlraum in 4

6

Seitenfläche v. 7

7

Schaufelplattform

8

Ausnehmung

9

Luftkanal

10

Verteilungsnut

Pfeil A

Kühlluft v. Verdichter

Pfeil B

Heißgasstrom

Pfeil C

Dichtungsluftstrom

Claims (3)

1. Gasturbinenrotor, der eine Rotorscheibe (1) mit an deren Umfangsrand in Quernuten gehaltenen Turbinenlaufschaufeln, die aus einem Schaufelblatt (4), einer Schaufelplattform (7) und einem in der jeweiligen Quernut fixierten Schaufelfuß (2) bestehen, umfasst, wobei die Schaufelblätter (4) von Kühlluft durchströmte Hohlräume (5) aufweisen und in den einander gegenüberliegenden Seitenflächen (6) der Schaufelplattformen (7) jeweils eine Ausnehmung (8) zur Aufnahme eines den Spalt zwischen den Schaufelplattformen (7) überbrückenden Dichtungs- und Dämpfungselements ausgebildet ist,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass mindestens ein mit dem Hohlraum (5) in dem Schaufelblatt (4) verbundener Luftkanal (9) vorgesehen ist, der an mindestens einer der Seitenflächen (6) der Schaufelplattform (7) in eine in die Seitenfläche (6) der Schaufelplattform (7) eingeformte Luftverteilungsnut (10) mündet.
2. Gasturbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverteilungsnut (10) so angeordnet ist, das die Dichtungsluftzufuhr axial getrennt vom Dichtungs- und Dämpfungselement erfolgt.
3. Gasturbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverteilungsnut (10) so angeordnet ist, dass die Dichtungsluftzufuhr auch im Bereich des Dichtungs- und Dämpfungselements erfolgt.

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