DE3001685A1

DE3001685A1 - Fremdteilchenabscheider fuer ein system zum kuehlen einer schaufel eines gasturbinentriebwerkes

Info

Publication number: DE3001685A1
Application number: DE19803001685
Authority: DE
Inventors: Walter Emil Koster; Frank Anthony Lastrina; William Edward Ludke
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-05-21
Filing date: 1980-01-18
Publication date: 1980-11-27
Also published as: FR2457382A1; JPS55156216A; AU5401079A; FR2457382B1; US4309147A; GB2049818A; IT1129517B; IT8019221A0; IN151995B; GB2049818B; CA1128867A

Description

Fremdteilchenabscheider für ein System zum Kühlen einer Schaufel eines Gasturbinentriebwerks

Die Erfindung bezieht sich auf Teilchenabscheider und betrifft insbesondere einen Teilchenabscheider zum Abscheiden von Fremdmaterial, wie Sand, aus einem Kühlluftstrom, der dem Kühlsystem eines Gasturbinentriebwerks zugeordnet ist.

Die Erfindung schafft, kurz gesagt, einen Teilchenabscheider für ein System zum Kühlen einer Schaufel eines Gasturbinentriebwerks, in welchem ein Strömungsweg Druckluft empfängt und die Druckluft zu der Schaufel fördert. Eine rotierende Kammer ist in dem Strömungsweg angeordnet und dreht sich um die Triebwerksmittelachse. Ein Einlaß zum Einleiten von Luft in die Kammer ist in einem ersten radialen Abstand von der Triebwerksmittelachse angeordnet. Eine Auslaßvorrichtung dient zum Ableiten der Luft aus der Kammer und hat einen Einlaß, der in einem zweiten radialen Abstand von der Triebwerksmittelachse angeordnet ist. Der zweite radiale Abstand ist kleiner als der erste radiale Abstand, so daß Sandteilchen od.dgl. aufgrund der

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Zentrifugalwirkung der rotierenden Kammer nicht in die Auslaßvorrichtung eindringen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht der Erfindung in Verbindung mit einer Schaufel- und einer Scheibenanordnung eines Gasturbinentriebwerks,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Drehmomentringanordnung von Fig. 1 und

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittansicht eines

Teils der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

In Fig. 1, die eine schematische Querschnittansicht der Erfindung zeigt, ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Turbinenanordnung dargestellt, die um eine Achse X-X drehbar ist, bei der es sich um die axiale Mittellinie des Gasturbinentriebwerks handelt. Eine Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise des Gasturbinentriebwerks, bei dem die Erfindung anwendbar ist, wird nicht für notwendig gehalten, da der Aufbau und die Arbeitsweise des Triebwerks dem Fachmann bekannt sind.

Die Turbinenanordnung 10 besteht aus zwei in axialem Abstand angeordneten Turbinenscheiben 12 und 14, die jeweils um die Achse X-X drehbar sind und sich von dieser aus radial nach außen erstrecken. Für die Zwecke der folgenden Beschreibung soll der Begriff "radial" eine zu der Achse X--X insgesamt radiale Richtung, der Begriff "umfangsmäßig"

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eine ümfangsrichtung um die Achse X-X und der Begriff "axial" eine Richtung insgesamt längs der Achse X-X bedeuten. Die Scheiben 12 und 14 haben ein radial innerstes Ende 16 bzw. 18, welche unmittelbar neben der Triebwerksmittelachse X-X angeordnet sind, und ein radial äußerstes Ende oder einen Umfang 22 bzw. 20. Mehrere in umfangsmäßigem Abstand angeordnete Turbinenschaufeln 24 sind an dem radial äußeren Umfang 22 der Scheibe 12 starr befestigt, während mehrere in umfangsmäßigem Abstand angeordnete Turbinenschaufeln 26 an dem radial äußeren Umfang 20 der Scheibe 14 starr befestigt sind. Die Schaufeln 24 und 26 sind in dem Hochgeschwindigkeitsstrom der heißen Verbrennungsgase des Gasturbinentriebwerks angeordnet. Aus der Zusammenwirkung zwischen dem Heißgasstrom und den Schaufeln 24 und 26 ergibt sich die Antriebskraft zum Drehen der Turbinenanordnung 10 um die Achse X-X.

Jede Turbinenscheibe 12 und 14 hat einen sich umfangsmäßig erstreckenden Flansch 28 bzw. 30, der axial zu der anderen der beiden Scheiben 12, 14 hin vorsteht. Der Flansch 28 ist zwischen dem radial inneren Ende 16 und dem radial äußeren Umfang 22 der Scheibe 12 angeordnet, während der Flansch 30 zwischen dem radial inneren Ende 18 und dem radial äußeren Umfang 20 der Scheibe 14 angeordnet ist. Die Flansche 28 und 30 sind mit mehreren Zähnen 32 bzw. 34 versehen, die axial zueinander hin vorstehen.

Gemäß Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 ist ein sich umfangsmäßig erstreckender Drehmomentring 36 axial zwischen den Flanschen 28 und 30 angeordnet und hat mehrere axial vorstehende Zähne 38, die mit den Zähnen 32 des Flansches 28 in Eingriff sind, und mehrere axial vorstehende Zähne 40, die mit den Zähnen 34 des Flansches 30 in Eingriff sind. Der gegenseitige Eingriff der Zähne 38 und 32 und der gegenseitige Eingriff der Zähne 40 und 34 ergibt eine Drehmomentübertragungskupplung, durch die Drehmoment von der

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Scheibe 14 auf die Scheibe 12 übertragen wird. Aufgrund der Drehmomentkupplung an den vorgenannten verzahnten Grenzflächen sind daher die Scheiben 14 und 12 in bezug aufeinander fest und drehen sich als eine Einheit um die Mittelachse X-X. Vorrichtungen in Form von mehreren Schrauben- und Mutteranordnungen 42 halten die Scheiben 12 und 14 und den Ring 36 in der vorgenannten starren gegenseitigen Lage fest.

Ein sich umfangsmäßig und axial erstreckendes Dichtungsteil 45 ist unmittelbar an dem Drehmomentring 36 angeordnet und überlappt die Flanschzähne 32 und 34 und die Drehmomentringzähne 38 und 40 axial. Das Dichtungsteil 45 verhindert den Durchtritt von Luft durch die Zwischenräume zwischen den Zähnen 32 und 38 und zwischen den Zähnen 34 und 40.

Es ist zu erkennen, daß eine Kammer 44, die um die Triebwerksmittelachse X-X drehbar ist, zwischen den Scheiben 12 und 14 radial einwärts der Flansche 28 und 30 angeordnet ist. Die Kammer 44 wird somit durch die Scheiben 12 und axial begrenzt. Weiter bilden die Flansche 28 und 30 und der Drehmomentring 36 eine sich axial erstreckende Wand, die die radial äußere Begrenzung der Kammer 44 bildet, so daß die Kammer 44 radial einwärts der Flansche 28 und 30 angeordnet ist. Die radial innere Begrenzung der Kammer wird durch eine sich axial und umfangsmäßig erstreckende Dichtungsplatte 46 gebildet. Auf diese Weise ist dann die Kammer 44 vollständig geschlossen. Mehrere sich axial erstreckende Einlasse 48 (von denen nur einer gezeigt ist) verbinden die Kammer 44 mit einer Druckluftquelle, wie dem Gasturbinentriebwerksverdichter (nicht gezeigt), und erstrecken sich in einem ersten radialen Abstand r von der axialen Mittellinie X-X axial durch die Scheibe 12.

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Mehrere Abstand voneinander aufweisende, sich radial erstreckende Befestigungslöcher 50 führen durch den Drehmomentring 36 und das Dichtungsteil 45 hindurch- Mehrere Auslaßvorrichtungen in Form von langgestreckten rohrförmigen Teilen 52 sind für im folgenden noch näher beschriebene Zwecke in die Befestigungslöcher 50 eingeführt. Gemäß den Fig. 3 und 1 hat jedes rohrförmige Teil 52 an seinem radial äußeren Ende eine erste und eine zweite Schulter 54 bzw. 56, die sich mit Abstand gegenüberliegen und das rohrförmige Teil 52 umgegeben. Die Schulter 54, die radial außerhalb des Ringes 36 angeordnet ist, liegt an einer radial nach außen weisenden Fläche 60 an dem Ring 3 6 unmittelbar neben den Befestigungslöchern 50 an. Die Schulter 56, die radial einwärts an dem Ring 36 angeordnet ist, liegt in gleicher Weise an einer radial nach innen weisenden Fläche 70 an dem Dichtungsteil 4 5 unmittelbar neben dem Befestigungsloch 50 an. Während des Einbaus des rohrförmigen Teils 52 in das Befestigungsloch 50 hat das rohrförmige Teil eine völlig zylindrische Konstruktion radial außerhalb der Schultern 56 und die Schultern 54 sind nicht vorhanden. Nachdem das rohrförmige Teil 52 in das Befestigungsloch eingeführt worden ist, wird das radial äußerste Ende des rohrförmigen Teils 52 aufgeweitet oder verkeilt, um die Schulter 54 und deren Verankerung an der Wandfläche 60 herzustellen. Auf diese Weise werden dann die rohrförmigen Teile 52 in den Befestigungslöchern 50 starr festgehalten.

Die rohrförmigen Teile 52 haben weiter einen Einlaß 62 an ihrem radial innersten Ende. Der Einlaß 62 ist in einem radialen Abstand r¹ von der axialen Mittellinie X-X angeordnet. Der radiale Abstand r¹ ist für im folgenden noch näher beschriebene Zwecke kleiner als der radiale Abstand r. Das rohrförmige Teil 52 ist daher so angeordnet, daß sein Einlaß 62 radial einwärts von dem Einlaß 48 angeordnet ist und daß sein Auslaß radial auswärts von dem Einlaß 48 ange-

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ordnet ist.

Die gegenseitigen Abstand aufweisenden Scheiben 12 und 14 begrenzen weiter in Zusammenwirkung mit einem im Querschnitt insgesamt E-förmigen Dichtungsteil 64 eine zweite Kammer 66, die radial außerhalb der Flansche 28 und 30 und des Drehmomentringes 36 angeordnet ist. Die Kammer 66 steht in Fluidverbindung mit der Kammer 44 über die rohrförmigen Teile 52 und in Fluidverbindung mit einem Fluidkreis 68 in der Schaufel 24. Es sind somit Vorkehrungen getroffen, daß Druckluft, die aus den rohrförmigen Teilen 52 abgegeben wird, in den Kühlkreis in den Schaufeln 24 gelangt. Es ist zu erkennen, daß ein Strömungsweg, der den Einlaß 48, die Kammer 44, das rohrförmige Teil 52, die Kammer 66 und den Kreis 68 aufweist, Druckluft aus einer Fluiddruckquelle empfängt und die Druckluft zu den Schaufeln 24 fördert.

Der vorstehend beschriebene Aufbau ist zum Erreichen der eingangs erwähnten Ziele geeignet. Kühlluft, die mit Fremdteilchen, wie Sand, verunreinigt ist, wird aus einer Fluiddruckquelle, wie dem Triebwerksverdichter (nicht gezeigt) zu den Einlassen 48 gefördert. Die verunreinigte Luft geht über den Einlaß 48 in die rotierende Kammer 44. Da sich die Scheiben 12 und 14 und die Kammer 44 mit einer extrem hohen Geschwindigkeit drehen, wird der in der Kühlluft mitgeführte Sand radial nach außen zu den Flanschen 28 und und dem Drehmomentring 36 hin- und von dem Einlaß 62 in das rohrförmige Teil 52 wegzentrifugiert. Da die Einlasse 62 der rohrförmigen Teile 52 in einem radialen Abstand r¹ von der Triebwerksmittelachse X-X angeordnet sind, der kleiner als der Abstand r der Einlasse 48 von der Triebwerksmittelachse X-X ist, wird der Sand von dem Einlaß 62 wegzentrifugiert und am Eintritt in den Einlaß 62 gehindert. Saubere, nicht verunreinigte Luft tritt dann in den Einlaß 62 ein

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und strömt nacheinander durch die rohrförmigen Teile 52, den Hohlraum 66 und den Kühlkreis 68, um die Schaufel 24 zu kühlen. Durch Abscheiden des Sandes aus der Kühlluft in der oben beschriebenen Weise kann das Kühlen der Schaufeln 24 erfolgen, ohne daß der Kühlkreis 68 verstopft wird und ohne daß die Lebensdauer der Schaufeln 24 in der Triebwerksumgebung verringert wird.

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Claims

Patentansprüche :

1. Fremdteilchenabscheider für ein System zum Kühlen einer Schaufel eines Gasturbinentriebwerks, in welchem die Schaufel um eine Triebwerksmittelachse drehbar ist, gekennzeichnet durch einen Strömungsweg, der Druckluft empfängt und die Luft zu der Schaufel (24) fördert; durch ei:.e rotierende Kammer (44), die in dem Strömungsweg um die Mittelachse (X-X) drehbar angeordnet ist; durch einen ersten Einlaß (48) zum Einleiten der Luft in die Kammer, der in einem ersten radialen Abstand (r) von der Mittelachse angeordnet ist; und

durch eine Auslaßvorrichtung (52) zum Ableiten der Luft aus der Kammer, mit einem zweiten Einlaß (62), der in einem zweiten radialen Abstand (r¹) von der Mittelachse angeordnet ist, der kleiner als der erste radiale Abstand ist.

2. Fremdteilchenabscheider nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Turbinenscheiben (12, 14), die wenigstens teilweise die zwischen ihnen angeordnete Kammer (44) umschließen, welche durch eine radial äußerste, radial außen von dem ersten Einlaß (48) angeordnete Wand (36, 45) begrenzt ist und ein Loch (50) aufweist, wobei die Auslaß-

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vorrichtung ein langgestrecktes rohrförmiges Teil (52) aufweist, das in dem Loch befestigt ist und den zweiten Einlaß (62) radial einwärts von dem ersten Einlaß (48) sowie einen radial auswärts von dem ersten Einlaß angeordneten Auslaß aufweist.

3. Fremdteilchenabscheider für ein System zum Kühlen einer Schaufel eines Gasturbinentriebwerks, in welchem die Schaufel um eine Trxebwerksmxttelachse drehbar ist, gekennzeichnet durch zwei in gegenseitigem Abstand angeordnete Turbinenscheiben (12, 14), die um die Trxebwerksmxttelachse (X-X) drehbar sind und jeweils einen Flansch (28 bzw. 30) haben, der sich axial zu der anderen Scheibe erstreckt;

darch einen Drehmomentring (3 6), der zwischen den Flanschen angeordnet ist, diese jeweils berührt und mehrere Befestigungslöcher (50) aufweist, die sich radial durch ihn erstrekken;

durch Vorrichtungen (38, 40, 42) zum Aneinanderbefestigen des Ringes und der Scheiben in fester gegenseitiger Beziehung;

durch mehrere Schaufeln (24), die an einer der Scheiben an deren äußerem Umfang starr befestigt sind und einen Kühlkreis (68) enthalten;

durch eine rotierende Kammer (44), die radial einwärts von den Flanschen und dem Ring angeordnet ist und wenigstens teilweise durch die Flansche, den Ring und die Scheiben begrenzt ist;

durch mehrere erste Einlasse (48), die sich axial durch eine der Scheiben erstrecken, um unter Druck stehende Kühlluft in die Kammer einzulassen, und in einem ersten radialen Abstand (r) von der Mittelachse angeordnet sind; durch mehrere langgestreckte rohrförmige Teile (52), die in den Befestigungslöchern in dem Ring befestigt sind und jeweils einen zweiten Einlaß haben, der in einem zweiten ra-

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dialen Abstand (r¹) von der Mittelachse angeordnet ist, welcher kleiner als der erste radiale Abstand ist, wobei die rohrförmigen Teile jeweils einen radial auswärts von dem ersten radialen Abstand angeordneten Auslaß haben; und

durch eine Vorrichtung (64), die die von den rohrförmigen Teilen abgegebene Druckluft zu dem Kühlkreis in den Schaufeln leitet.

4. Fremdteilchenabscheider nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Dichtungsteil (4 5) , das unmittelbar neben und radial einwärts von dem Drehmomentring (36) angeordnet ist welcher die Flansche (28, 30) an einer ersten und einer zweiten gezahnten Grenzfläche berührt, die durch das Dichtungsteil axial überlappt sind.

5. Fremdteilchenabscheider nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine radial nach innen weisende Fläche (70) an dem Dichtungsteil (4 5) unmittelbar neben dem Befestigungsloch (50);

durch eine radial nach außen weisende Fläche (60) an dem Drehmomentring unmittelbar neben dem Befestigungsloch; durch eine erste Schulter (56) an dem rohrförmigen Teil (52), die an der radial nach innen weisenden Fläche anliegt;

durch eine zweite Schulter (54) an dem rohrförmigen Teil, die an der radial nach außen weisenden Fläche anliegt.

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