DE1601534A1

DE1601534A1 - Gasturbine

Info

Publication number: DE1601534A1
Application number: DE19671601534
Authority: DE
Inventors: Alan Moore
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1966-05-18
Filing date: 1967-05-17
Publication date: 1971-01-14
Also published as: US3437313A; GB1152331A

Description

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B. 309

Augsburg, den 16. Mai 1967

Bristol Siddeley Engines Limited, Mercury House, 195 Knightsbridge, London, S.W.?, England

Gras turbine

Die Erfindung betrifft Gasturbinen und kann beispielsweise auf die !Führung von Kühlluft für die Turbinenbeschaufelung Anwendung finden.

Bei Gasturbinen ist es bereits bekannt, die (Purbinenbaschaufelung mit Druckluft zu kühlen. Zu diesem Zweck

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werden vorzugsweise hohle Turbinenschaufeln angewendet, deren inneren Kühlkanälen die Kühlluft von einer Druckluftquelle her oder - sofern es sich um die Kühlung der Rotorschaufeln handelt - mittels Fliehkraft zugeführt wird.

Insbesondere bei der sogenannten Diffusions- oder Schwitzkühlung, bei welcher die. den Hohlschaufeln zugeführte Kühlluft durch Schaufelwandungen aus porösem Werkstoff aus den Schaufeln austritt, sind zwecks Erzielung eines guten Kühlluftdurchsatzes hohe Kühlluftdrücke erforderlich, die wesentlich höher sein müssen als der Druck der die Turbinenschaufeln beaufschlagenden Treibgase. Dies hat zur Folge, daß besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, um den unerwünschten übertritt der höhergespannten Kühlluft aus der Kühlluftführung in die Treibgasführung zu verhindern. Diese Maßnahmen komplizieren und verteuern deshalb sehr die Gesamtkonstruktion von Gasturbinen und Gasturbinentriebwerken»

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden» unter Verwendung einfacher, bereits in der Gasturbinenanlage vorhandener Konstruktionselemente die Schaufel—. kühlluftführung so zu beeinflussen, daß kein unerwünschter

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Übertritt der Schaufelkühlluft in die Treibgasführung stattfinden kann.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form eine Gasturbine, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß an dem Ringspalt zwischen dem Turbinenrotor und einem stromauf des Rotors gelegenen, an den Rotor angrenzenden Turbinenteil eine Drosselstelle angeordnet ist, an welcher der. dynamische Druck der die Turbine durchströmenden Gasströmung zur Beeinflussung einer den Ringspalt durchströmenden anderen Gasströmung benutzt wird.

In besonderer Anwendung auf die Lösung der erwähnten Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Gasturbine der soeben kurz dargelegten Bauart, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein den genannten Ringspalt .begrenzendes Rotorteil »reiter in die, die Turbine durchströmende Gasströmung hineinragt als ein diesem Rotorteil gegenüberliegendes Teil des anderen, den Ringspalt begrenzenden Turbinenteils, so daß im Bereich dieses vorstehenden Rotorteils der in dem Ringspalt herrschende Gasdruck sich erhöht und dadurch die Gasströmung durch diesen Ringspalt

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hindurch und in die Hauptgasströmung hinein "beeinflußt ο

Der Turbinenrotor kann, mit Turbinenschaufeln bestückt sein, die ihrerseits an sich bekannte Kühlkanäle aufweisen, deren radial innere Enden an. Gaseintrit.tsöffnungen des Rotors angeschlossen sind, welch letztere radial innerhalb des genannten Ringspaltes liegen und an der stromauf weisenden Seite des Turbinenrotors münden.

Schließlich erstreckt sich die Erfindung auch noch auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer Gasturbine der soeben in ihren Einzelheiten dargelegten erfindungsgemäßen Bauart, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß als Kühlgas für die Gasturbinenschaufeln Druckluft dient, die aus einem Bereich zwischen dem Triebwerkverdichter und der Triebwerkbrennkammer abgeleitet und den Kühlkanälen der Turbinenschaufeln zugeführt wird.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 einen schematischen Halb-Axial-

schnitt durch ein mit den Merkmalen

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der Erfindung ausgestattetes Axia1-Gasturbinentriebwerk, welcher sich zwischen dem Austrittsquerschnitt des Triebwerkverdichters und der zweistufigen Triebwerkturbine erstreckt,

Figur 2 . einen demgegenüber -vergrößerten

schematischen Teil-Halbschnitt durch die Turbine des in Figur 1 gezeigten Triebwerks und

Figur 5 einen ähnlichen schematischen

Teil-Halbschnitt durch eine abgewandelte Ausfuhrungsform der in Figur 2 dargestellten Turbine.

Das in Figur 1 in schematischer Teildarstellung wiedergegebene Flugzeug-Strahltriebwerk weist einen Axialverdichter ΊΟ auf, welcher über einen sogenannten Ausstoßdiffusor 11 Druckluft in eine ringförmige Brennkammer 12 liefert, deren Luftführung durch innere und äußere Luftführungswandungen 13 bzw. 14- begrenzt wird.

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Die von der Brennkammer 12 gelieferten heißen Verbrennungsgas e expandieren in einer zweistufigen Axialturbine 15, welche den'Verdichter 10 über eine Welle antreibt.

Zwischen der Welle 16 und der inneren Luftführungswandung 13 befindet sich ein Axialkanal 17» dessen stromauf gelegenes Ende eine Anzahl von Lufteintrittsöffnungen 18 aufweist, welche in der Nähe des Diffusors in der inneren Luftfuhrungswandung gebildet sind. Das stromab gelegene Ende des Axialkanals 17 mündet in einen Radialkanal 20, der sich zwischen dem stromab gelegenen Ende der inneren Luftführungswandung 15 und einer stromauf gelegenen Turbinenrädscheibe 21 erstreckt. Der Radialkanal 20 mündet an seinem Außenumfang in einen ringförmigen Hauptströmungskanal 22, welcher die heißen, die Turbine durchströmenden Verbrennungsgase der Brennkammer 12 führt. Eine stirnseitige Wandung 24-des Axialkanals 17 und eine sich, daran anschließende Ringdichtung 25 verhindern bzw. behindern eine Rückströmung hochgespannter liuft von den Eintrittsöffnungen her in den Verdichterauslaßquerschnitt zurück.

Die stromauf gelegene Turbinenradscheibe 21 ist

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mit luftgekühlten Turbinenschaufeln 26 bestückt und eine stromab gelegene weitere Turbinenradscheibe 27 ist über einen Doppelflanschring 28 und entsprechende Hirth-Zahnkupplungen 30 mit der '^urbinenradscheibe 21 gekuppelt. Eine zwischen den beiden Turbinenradseheiben 21 und 2? angeordnete Statorwandung 51 ist durch eine Ringdichtung 52' gegenüber dem'Doppelflanschring 28 abgedichtet. Die Radscheibe 21 ist durch an ihrer einen Stirnseite mit gegenseitigen Umfangsabständen angeordnete, radial verlaufende Nabenrippen 53 verstärkt, welche ihrerseits an einen Radialflansch 34 des dieser Radscheibe zugeordneten Endes der \'»el±e 16 angeschraubt sind. Diese Befestigungsschrauben halten auierdem ein Kabenschild 35» dessen stromab gelegenes Ende gegenüber der liabenbohrung der Turbinenradscheibe 27 abgedichtet ist.

Wie aus den Figuren 2 und 3 der Zeichnungen ersichtlich ist, weisen die Turbinenlaufschaufeln, deren Schaufelfüße 36 sich über Fußplatten 37 hinaus radial nach innen erstrecken, Kühlkanäle 38 auf, in welche Kühlluft eingeführt wird.. Die radial inneren Enden dieser Kühlkanäle stehen mit gesonderten Axialhohlräumen 40 allgemein ovalen Querschnitts in Verbindung, die kranzartig derartig im Umfangsteil der Turbinenradscheibe 21 angeordnet sind,

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daß ihre Eintrittsöffnungen 41 an der stromauf weisenden Seite der Radscheibe münden.

Der Radialkanal 20 steht, wie bereits erwähnt, mit dem ringförmigen Hauptströmungskanal 22 der Gasturbine in'Verbindung. Diese Verbindung verläuft über einen Ringspalt 4-2, der zv/ischen einander gegenüberliegenden Lippenringen 43 bzw. 44 gebildet ist. Der Lippenring 4-3 ist an der Düsenbeschaufelung des Turbinen-Einlaßschaufelkranzes 4-5 gebildet und der 1/ippenring 44- ist an den stromauf weisenden Fußplattenkanten des Rotorschaufelkranzes 26 gebildet.

Bei bisher bekannten Anordnungen liegt der Lippenring 4-4- der Rotorbeschaufelung nicht radial außerhalb dea Lippenringes 43 der Statorbeschaufelung, was zur Folge hat, daß die den Radial-Ringkanal 20 in Richtung auf die Einlaßöffnungen 4-1 hin durchströmende Kühlluft einen Druckabfall erleidet, durch welchen der Kühlluftdruck auf einen Wert heruntergedrückt wird, der ungefähr dem verhältnismäßig niedrigen statischen Druck der den Ringspalt zwischen den beiden Lippenringen durchströmenden Verbrennungsgase entspricht. Dieser Druckabfall der Kuhlluft kann zur

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Folge haben, daß insbesondere bei Anwendung der Schwitzkühlung in den Rotorschaufeln der Kühlluftdruck nicht mehr hoch genug ist, um einen ausreichenden Kühlluftdurchsatz der Rotorbeschaufelung sicherzustellen·

Gemäß der Erfindung sind infolgedessen die Fußplatten 26 der Rotorbeschaufelung 25 so angeordnet, daß ihre den Lippenring 44- bildenden Überstände sich an Stellen befinden, die radial weiter außen liegen als der ihnen gegenüberliegende Lippenring 4-3. Der Lippenring 4-4- und der sich daran anschließende Wandungsteil der Schaufelfüße bilden, wie aus Figur 2 der Zeichnungen ersichtlich ist, einen Lippenring mit konkaver JNüt, dessen radial äußerer, den eigentlichen Lippenring bildender Ringteil in die Hauptgasströmung der Gasturbine hineinragte Dies hat zur Folge, daß die Hauptgasströmung in diesem Bereich des Hauptgas-Ringkanales gehemmt wird, so daß sich an dieser Stelle vor diesem Lippenring eine semi-stagnierende Zone der Gasströmung bildet, deren Druck etwa gleich dem örtlichen statischen Druck der Verbrennungsgase plus mindestens einem sehr wesentlichen Teil des dynamischen Druckes dieser Gase ist. Infolgedessen herrscht in dem Ringspalt zwischen den beiden Lippenringen ein erhöhter Druck, welcher bewirkt, daß die den Radial-Ringkanal 20

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durchströmende Kühlluft einen gegenüber bekannten Anordnungen geringeren Druckabfall erleidet, was wiederum zur Folge hat, daß die Kühlluft mit höherem Druck in die Eintrittsöffnungen 41 der Kühlluftkanäle der Rotorbeschaufelung einströmt und folglich eine bessere Schaufelkühlung erzielt wird.

Der in dem Radial-Hingkanal 20 herrschende Luftdruck ist höher als der Druck der am Außenumfang dieses Kanals in den Hauptgaskanal übertretenden Luft. Es ist jedoch erwünscht, jegliche örtliche Gasrückströmung in den Radial-fiingkanal 20 hinein zu verhindern. Aus diesem Grunde ist außerdem noch eine Strömungsblende 46 vorgesehen, die zweckmäßig an den Schaufelfüßen der Rotorbeschaufelung gebildet ist und den Außenumfang des Radial-Ringkanals in Richtung zu dem Lippenring 43 der Düsenbeschaufelung hin durchdringt.

Bei der in Figur 3 der Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsform der Erfindung ist dieser Lippenring 43 etwas radial nach innen geneigt, so daß der wirksame Radialüberstand des ihm gegenüberliegenden Rotorwandungsteils 44, welcher in diesem Falle eine flache, radiale Wandung bildet, vergrößert ist.

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Die. Rotorschaufeln 26 werden also mit Luft gekühlt, welche aus einer Zone 23 höheren Druckes abgezweigt und während ihres Überganges in die öffnungen 4-0 und von dort in die Kühlkanäle 38 davor geschützt wird, einen größeren Druckabfall zu erleiden« Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die sonst bei derartigen Anordnungen übliche, an der stromauf gelegenen Seite der Turbinenradsc^eibe 21 angeordnete Leitplatte, die bei den bekannten Anordnungen die Druckluft den Eintrittsöffnungen zuleicet, in .vegfall kommen kann.

Z\ur ein Teil der an den r-'ir.crittsöffnungen 18 abgezapften Druckluft ströxt; längs des Radial-Ringkanales radial nach aiuien. Ein anderer Teil dieser abgezapften Druckluft strömt zwischen den Kabenrippen 33 radial nach innen und wird durch das Kabenschild 35 um die l*abe der Turbinenradseheibe 21 herumgeführt, so daß sie in den zwischen den beiden Turhinenradscheiben gelegenen Raum gelangt. Hier teilt sich die liühlluftströmung in zwei Teilströme auj% die jeweils durch in den Hirth-Zahnkupplungen 30 angeordnete Sahnlücken hindurch und längs der einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Turbinenradscheiben 21 und 27 einerseits und den beiden Stirn-

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flächen der Statorwandung 31 entlangströmen und dann in den Haupt-Gasströmungskanal 22 der Turbine einmünden.

Der Austritt der Kühlluft durch" den zwischen den Fußplatten 37 der Rotorschaufeln 26, gebildeten Singspalt ist an sich unbehindert, doch ist der Luftaustritt durch den zwischen einem weiteren Lippenring 4-7 der Statorwandung 31 und einem weiteren Lippenring 48 der Rotorbeschaufelung 50 gebildeten Ringspalt in gleicher Weise gedrosselt, wie dies zuvor unter. Bezug auf Figur 2 der Zeichnungen in Verbindung mit dem Ringspalt 4-2 beschrieben wurde. Der stromab gelegene Lippenring 4-8 ragt also ebenfalls in die Hauptgasströmung der Turbine hinein und ruft dort die Bildung einer semi-stagnierenden Zone erhöhten Gasdruckes hervor.

Da der in dem Ringspalt zwischen der Statorwandung und dem durch die Schaufelfußplatten 57 gebildeten Lippenring herrschende Gasdruck nur.ein statischer Druck ist, während der an dem stromab gelegenen Ringspalt zwischen der Statorwandung 31 und dem vorstehenden Lippenring 48 der Rotorbeschaufelung 50 herrschende Gasdruck ein kombinierter statischer und dynamischer Druck größeren Druckwertes ist,, ist der in einem Radialringkanal 51

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zwischen der Statorwandung 31 und der Turbinenradscheibe herrschende Gasdruck höher als der in einem Radial-Ringkanal 5>2 zwischen der Turbinenradscheibe 21 und der Statorwandung 31 herrschende Gasdruck, was genau die Umkehrung dessen darstellt, was bei bisher bekannten Anordnungen gemeinhin üblich war. Infolge der mittels des Lippenringes 4-8 möglichen Beeinflussung der Gasströmung kann jedoch die Druckdifferenz der in den Radial-Hingkanälen 51 und 21 herrschenden Luftströmungen kleiner gemacht werden, als sie bei entsprechenden Triebwerken ausgelegt ist, die nicht mit einem erfindungsgemäßen Lippenring ausgestattet sind und infolgedessen kann auch die an der Dichtung 32 herrschende Druckdifferenz und folglich der über diese Dichtung 32 stattfindende Druckluftverlust kleiner gemacht werden, was wiederum zur Folge hat, daß die vom Triebwerk abgezweigte Kühlluftmenge kleiner gemacht werden kann.

Bin weiterer Torteil des erfindungsgemäßen Kühlluftsystems besteht darin, daß der auf die stromauf weisende !Fläche der Turbinenradscheibe 21 wirkende, stromab gerichtete Druck der Kühlluft dem auf die hintere Stirnfläche des Yerdichters 10 wirkenden, stromauf gerichteten Luftdruck entgegenwirkt oder diesen aogar ganz

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ausgleicht, so daß der auf das Sndlager der .'/eile 16 wirkende Axialschub vermindert oder sogar völlig aufgehoben wirdo

Die Kühlluft kann in Abwandlung der oben beschriebenen Anordnungen je nach dem erforderlichen Kühlluftdruck auch unmittelbar vom Austrittsquerschnitt des Triebwerkverdichters oder von einer Endstufe des 'Triebwerkverdichters abgezapft werden. Wird die Kühlluft vom Austrittsquerschnitt des Triebwerkverdichters abgezapft, so können die Stirnwandung 24-" und die Ringdichtung 25 in Wegfall kommen,, -

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Claims

16Q1534

Patentansprüche

< Λ
ν 1.1 Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß an

dem Ringspalt (42 bzw. 48) zwischen dem Turbinenrotor (21 bzw. 27) und einem stromauf des Rotors gelegenen, an den Bptor angrenzenden Turbinenteil (45 bzw. 51) eine Drosselstelle angeordnet ist, an welcher der dynamische Druck der die Turbine durchströmenden Gasströmung zur Beeinflussung einer den Hingspalt durchströmenden Gasströmung benutzt Wird.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den genannten Ringspalt (42 bzw. 48) begrenzendes Rotorteil (z.B. 44) weiter in die , die Turbine durchströmende Gasströmung hineinragt als ein diesem Rotorteil gegenüberliegendes Teil (z.B. 43) des anderen, d'en Spalt (z.B. 42) begrenzenden Turbinenteils (z.B. 45), so daß im Bereich dieses vorstehenden Rotorteils der in dem Ringspalt herrschende Gasdruck sich erhöht und dadurch die Gasströmung durch diesen Ringspalt hindurch und in die Hauptgasströmung hinein beeinflußt.

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3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2_t dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenrotor (21 baw» 2?) mit Turbinenschaufeln (26 bzw, 50) bestückt ist_t die ihrerseits an sich bekannte Kühlkanäle (z.B* 58) aufweisen» deren radial innere Enden an Graseintrit"feS7 Öffnungen (z.B. 41) des Rotors angeschlossen sind, welch letztere radial innerhalb des genannten Ringspaltes (42 bzw. 48) liegen und an der stromauf weisenden Seite des Turbinenrotors münden*

4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der die Turbine durchströmenden Hauptgasströmung beaufschlagten Rotorschaufelwandungen in an sich bekannter Weise aus gasdurchlässigem Material bestehen und eine Diffusion des die Kühlkanäle durchströmenden Gases durch diese 7/andungen hindurch gestatten.

5· Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine, von einem diesen Ringspalt (42 bzw. 48) begrenzenden Turbinenteil (z.E_t 21 bzw, 27) aus den genannten Ringspalt in Richtung auf das andere, diesen Spelt begrenzende Turbinenteil (κ.B. 42 bzw. 47) hia überspannende Blende (z.B. 'io) zur Verhinderung örtlicher Gas-Rückströme,

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6· Gasturbinentriebwerk mit einer Gasturbine nach Anspruch. 3» dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas für die Gasturbinen«chaufein (26 bzw. 50) Druckluft dient, die aus einem Bereich zwischen dem Triebwerkverdichter (10) und der Triebwerkbrennkammer (12) abgeleitet (18) und den Kühlkanälen (38) der Turbinenschaufeln zugeführt wird.

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