DE3309268A1

DE3309268A1 - Kuehlvorrichtung fuer turbinen

Info

Publication number: DE3309268A1
Application number: DE19833309268
Authority: DE
Inventors: Richard 06002 Bloomfield Conn. Levine
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1982-04-19
Filing date: 1983-03-15
Publication date: 1983-10-20
Also published as: GB2118630B; FR2525279B1; GB8305993D0; DE3309268C2; FR2525279A1; US4435123A; GB2118630A; JPS58190525A; JPH0415377B2

Description

Kühlvorrichtung für Turbinen

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Zuführen von Kühlluft zur Kühlung einer Stirnfläche einer Gasturbinenscheibe und der Laufschaufeln an der Scheibe unter Verwendung einer möglichst geringen Menge an Kühlluft.

Die Turbinenscheibe und die Laufschaufeln werden durch Vorrichtungen gekühlt, wie sie in der US-PS 3 768 921 beschrieben sind, bei denen Rohre mit Düsen daran in der Wand der Kühlluftkammer befestigt und so angeordnet sind, daß sie Luft tangential gegen die Turbinenscheibe blasen. Diese Vorrichtung besteht aus mehreren Teilen, die zum Herstellen der fertigen Vorrichtung zusammengebaut werden müssen. Weiter trifft die aus jeder Düse abgegebene Luft notwendiger-» weise auf die benachbarten Rohre auf und das Ergebnis ist Turbulenz, die die Kühlwirkung nachteilig beeinflußt und daher eine größere Menge an Kühlluft erforderlich macht. Es ist erwünscht, daß die Kühlluft von den Düsen aus gleich-

mäßig gegen die Turbinenscheibe strömt. Es ist außerdem erwünscht, daß die Kühlvorrichtung, durch die Kühlluft der Düse zugeführt wird, so einfach wie möglich und aus so wenig Teile.i wie möglich aufgebaut ist.

Ein Merkmal der Erfindung ist eine einstückige Vorrichtung, die die Kühlluftkammer und die Düsen aufweist und so angeordnet ist, daß sie leicht"in dem Triebwerk befestigt werden kann.

Ein Weiteres Merkmal ist eine einstückige Vorrichtung, die außerdem als Konstruktionsteil in dem Triebwerk dient und beispielsweise ein Dichtelement sowie die Leitschaufeln der ersten Stufe trägt und außerdem als Verbindung zwischen einem Teil der Brennkammer, die ein Konstruktionsteil des Triebwerks ist, und den inneren Enden der Turbinenleitschaufeln dient.

Gemäß der Erfindung hat die Kühlvorrichtung eine Halterung, durch die sie an dem Triebwerk abgestützt ist, einen Ring-Flansch, der mit den inneren Enden der Leitschaufeln der ersten Stufe des Triebwerks verbunden ist, und eine Ringkammer, durch die die Kühlluft zu den Düsen geleitet wird, die ebenfalls ein integraler Bestandteil der Vorrichtung sind. Diese Vorrichtung kann außerdem eine Halterung für einen Dichtring haben und ist dann so angeordnet, daß sie Zugang zu den Schrauben gestattet, mittels welchen der Dichtring befestigt ist. Die Düsen werden durch gegenseitigen Abstand aufweisende Umkehr- oder Wendeleitschaufeln gebildet, die an die Vorrichtung angeformt sind, und diese Düsen leiten die Kühlluft in tangentialer Richtung in einem im wesentlichen vollständigen Ring gegen die Turbinenscheibe, was die wirksamste und gleichmäßigste Kühl-

luftzufuhr darstellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht der Kühlvorrich

tung und einen Teil des benachbarten Triebwerks im wesentlichen nach der Linie 1-1 in Fig. 2,

Figο 2 eine Endansicht der Kühlvorrichtung,

von der Teile weggebrochen worden sind, und

Fig. 3 eine Schnittansicht der Kühlvorrich

tung im wesentlichen nach der Linie 3-3 in Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 hat die Scheibe 10 der ersten Stufe einer Turbine einen Kranz von Laufschaufeln 12 an ihrem Umfang, denen Kühlluft über Löcher 14 in einem Flansch 16 an der Stirnseite der Scheibe zugeführt wird. Die Kühlluft erreicht die Löcher 14 aus einer Kammer 17, die radial einwärts von dem Flansch 16 angeordnet und weiter unten ausführlicher beschrieben ist. Die Kühlluft strömt aus den Löchern 14 radial nach außen und erreicht die Wurzeln der Laufschaufeln über irgendeine bekannte Vorrichtung und geht durch nichtdargestellte Kühlkanäle in den Laufschaufeln hindurch.

Mit dem Flansch 16 ist eine ringförmige Scheibe 18 verschraubt, die eine Reihe von Dichtelementen 20 an einem konischen Flansch 22 hat. Schrauben 24 halten die Scheibe 18 an dem Flansch 16, und der äußere Umfang der Scheibe 18 hält einen Ring 25 an der Scheibe 10 und an

den Laufschaufelwurzeln, um die Kühlluft in die Laufschaufeln hineinzuleiten, und kann dazu dienen, die Laufschaufeln in der Scheibe festzuhalten. Das ist nicht Teil der Erfindung und wird deshalb nicht ausführlicher beschrieben.

Die Kühlvorrichtung 26 nach der Erfindung hat die Form eines Ringes, der an seiner äußeren, stromaufwärtigen Stirnfläche eine Befestigungsfläche 28 hat, über die er an einem Ringflansch 30 an einem Teil 32 der Brennkammer befestigt ist. Der Teil 32 der Brennkammer hat insgesamt einen im wesentlichen zylindrischen Aufbau und kann die innere Wand der Brennkammer und somit ein Konstruktionsteil des Triebwerks sein. Von der Befestigungsfläche 28 erstreckt sich ein kegelstumpfförmiger Flansch oder ein kegelstumpfförmiges Wandelement 34 nach außen, dessen Außenumfang 36 durch Schrauben 38 an Befestigungsfüßen 40 befestigt ist, die sich von den inneren Enden 42 der Turbineneinlaßleitschaufeln 44 nach innen erstrecken. Das Wandelement 34 begrenzt mit den Füßen 40 und einer Wand 45, die sich von den Enden 42 der Leitschaufeln aus nach vorn erstreckt, eine Kammer 48, der Kühlluft durch eine nicht dargestellte Vorrichtung zugeführt wird, beispielsweise aus einem Raum zwischen der Brennkammerwand 32 und dem die Wand 32 umgebenden Brenner.

An der Befestigungsfläche 28 ist ein sich axial erstreckender Flansch 46 vorgesehen, durch den die Kühlvorrichtung an dem Flansch 30 radial festgehalten wird. Außerdem wird an dieser Stelle an der Kühlvorrichtung letztere zu einer doppelwandigen Vorrichtung, die eine stromaufwärtige Wand 50 und eine stromabwärtige Wand 52 hat, welche gegenseitigen Abstand aufweisen und zwischen sich eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Kammer 54 bilden. Diese Wände erstrecken sich radial nach innen und begrenzen einen ringförmigen Durchlaß 56 von der Kammer 54 zu Auslaßdüsen 58, die an den Wänden angeformt und zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden an deren inneren Enden angeordnet sind.

Diese Wände, die sich an dem Raum 54 radial erstrecken, ändern die Richtung zu ihren inneren Enden hin, so daß sie sich an dem Düsenende im wesentlichen axial erstrecken und eine axiale Auslaßöffnung 59 für die Kühlluft begrenzen. An einer Stelle radial einwärts der Kammer 54 ist an der stromabwärtigen Wand 52 ein Dichtring 60 durch eine Reihe von Schrauben 62 befestigt. Der Dichtring 60 hat eine Reihe von Stufen 63 an seinem kegelstumpfförmigen Teil, die mit der Reihe von Dichtstegen 20 zusammenwirken. Die zusammenwirkenden Dichtelemente bilden mit der stromabwärtigen Wand 52, der Scheibe 18 und dem Wandelemente 34 eine Kammer 64 radial außerhalb von der Dichtung. Eine weitere Kammer 66 ist radial einwärts der Dichtelemente gebildet, und die übrigen Wände dieser Kammer sind der innere Teil der stromabwärtigen Wand 52 und ein sich nach innen erstreckender Flansch 68 an der Dichtscheibe 18, der sich bis· in unmittelbare Nähe der Enden der Wand 52 erstreckt.

Die Ringkammer 54 hat axial angeordnete Trennwände 70 (Fig. 2 und 3), die sich zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Wand erstrecken und von dem Wandelement 34 aus radial nach innen zu einer Umfangswand 72 vorstehen, die einen unterbrochenen Ring oder eine unterbrochene Wand zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Wand bildet. Diese Umfangs- oder zylindrische Wand 72 befindet sich unmittelbar radial einwärts der Reihe von Schrauben 74, die die Kühlvorrichtung an der Wand 32 festhalten. Die Trennwände 70 sind in Paaren angeordnet, wie es in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, und die Umfangswand 72 ist dort unterbrochen, wo diese Trennwandpaare angeordnet sind, so daß die Kühlluft in innere öffnungen 76 in dem Wandelement 34 eintreten und in dem Durchlaß 77, der zwischen den Trennwandpaaren gebildet ist, strömen und

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durch die Umfangswand 72 in einen Durchlaß 78 gelangen kann. Die Umfangswand 72 ist, wie oben erwähnt, an diesen Trennwänden unterbrochen, wie dargestellt.

Radial einwärts von der Umfangswand 72 divergieren Fortsätze 79 der Paare von Trennwänden 72, so daß die Fortsätze von einander gegenüberliegenden Trennwänden von benachbarten Paaren konvergieren und dreieckige Zwischenräume 80 radial einwärts von der Umfangswand 72 begrenzen. Diese einander gegenüberliegenden Fortsätze gehen ineinander über und werden zu einer einzelnen Trennwand 81, die sich nach vorn und fast zu den stromabwärtigen Enden der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Wand erstreckt. Die Trennwände 81 erstrecken sich zu jeder zweiten Düsenleitschaufel 58' und sind einstückig mit diesen ausgebildet. Die dazwischen angeordneten Leitschaufeln 58 dienen nur als Umkehr- oder Wendeleitschaufeln nahe dem Auslaßende des Durchlasses 56. Die Trennwände 81 dienen jedoch dazu, einen ziemlich konstanten Luftdruck für die Kühlluft auf dem gesamten Umfang des Kühlluftdurchlasses 56 zu gewährleisten.

Die stromaufwärtige Wand 50 hat dreieckige öffnungen 82 für die Kammern oder Räume 80. Die Schrauben 62 für den Dichtring 60 sind in der stromabwärtigen Wand 52 dort angeordnet, wo sich diese Räume 80 befinden, so daß die ' Muttern 98 der Schrauben über die dreieckigen öffnungen zugänglich sind, was das Entfernen des Dichtringes 60 von seiner Befestigung an der Kühlvorrichtung gestattet. Die stromabwärtige Wand 52 hat öffnungen 83, die zwischen den Trennwandpaaren angeordnet sind, um die Köpfe der Schrauben 74 zugänglich zu machen und dadurch die Befestigung der Kühlvorrichtung an der Wand 32 zu gestatten.

Die oben beschriebene Kühlvorrichtung ist ein einteiliges Gußstück und kann durch das Investmentgießverfahren hergestellt werden. Das Ergebnis ist eine einstückige Präzisionskonstruktion, die leicht in das Triebwerk eingebaut werden kann und als Träger für die Dichtung und als Verbindung zwischen einer Brennkammerbüchse oder einem Brennkammerring (einem Konstruktionsteil des Triebwerks) und den inneren Enden der Turbinenlextschaufeln dient. Darüber hinaus ergibt der Einbau der Kühlvorrichtung die mehreren Kammern für Kühlluft und für Dichtluft, und die Vorrichtung ist mit geeigneten Durchlässen versehen, um den gewünschten Luftstrom durch diesen Teil des Triebwerks zu gestatten. Der Zugang zu den Befestigungs- und Verbindungs schrauben wird durch den beschriebenen Aufbau ermöglicht, wodurch der Einbau der Kühlvorrichtung in das Triebwerk oder der Ausbau aus diesem erleichtert wird.

Die Vorrichtung weist weiter Druckanzapfungen oder Druckverbindungen zum Abfühlen oder Einstellen des Druckes in mehreren Kammern auf. Wenn es sich um den Druck in der Kam mer 64 handelt, gestattet eine Druckanzapfung 84 in der stromaufwärtigen Wand 50 in der Nähe der Schrauben 74 eine direkte Verbindung mit der Kammer 64 aufgrund der öffnungen 83, die dem Druck in der Kammer 64 gestatten, in den Raum zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Wand in dem Bereich einzudringen, wo die Schrauben 74 angeordnet sind. Weiter gewährt eine Druckanzapfung 86 Zugang von einem Punkt vorderhalb der stromaufwärtigen Wand 50 zu der Kammer 66 zum Ermitteln des Druckes dieser Kammer oder zum Erhöhen oder Verringern des Druckes, beispielsweise durch Einleiten von Luft in die Kammer oder durch Ablassen von Luft aus dieser Kammer. Die Druckanzapfung 86 ist an einem Punkt angeordnet, der mit den Öffnungen 82 fluchtet, die die Räume 80 zugänglich machen.

Leerseite

Claims

Patentansprüche :

Kühlvorrichtung zur Zufuhr von Kühlluft zu der Kammer (17) an der Stirnseite einer Turbinenscheibe (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein einteiliges Gußstück ist,

mit gegenseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wänden (50, 52), die eine Luftströmungskammer (54) begrenzen und an einem Ende in einer axial angeordneten Auslaßdüse (59) endigen, in der sich zwischen den Wänden an diesen angeformte Leitschaufeln (58) erstrecken; mit einem ringförmigen Verbindungselement (34), das einstückig mit den Wänden an den von der Düse entfernten Enden gebildet ist und die Wände miteinander verbindet, sich von den Wänden weg erstreckt und eine Befestigungseinrichtung (36, 38) an dem von den Wänden entfernten Ende hat; mit sich radial erstreckenden Trennwänden (70) , die einstückig mit und zwischen den gegenseitigen Abstand aufweisenden Wänden gebildet sind und sich in ümfangsrichtung in gegenseitigem Abstand erstreckende Strömungsdurchlässe

(77) für Luft von dem Verbindungselement zu der Düse bilden, wofür das Element (34) mit Lufteinlaßlöchern (76) versehen ist; und

mit einer unterbrochenen, im wesentlichen zylindrischen Trennwand (72), die einstückig mit und zwischen den Wänden (50, 52) an einer Abstand von dem Verbindungselement aufweisenden Stelle gebildet ist, wobei die zylindriche Trennwand unterbrochen ist, um öffnungen an Stellen zu bilden, die in Deckung mit den Löchern (76) in dem Verbindungselement sind, damit sich ein Luftstrom von den Löchern zu den öffnungen zwischen ausgewählten Trennwänden ergibt, wobei eine der ringförmigen Wände erste Zugangsöffnungen (83) hat, die nicht in Deckung mit den Löchern (76) in dem Verbindungselement und den öffnungen in der zylindrischen Trennwand sind, und wobei die äußere ringförmige Wand (50) Befestigungsmittel (74) hat, die über die öffnungen (83) in der einen der ringförmigen Wände zugänglich sind.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (83) in der einen der Wände zwischen Trennwänden (70) angeordnet sind, bei denen es sich nicht um diejenigen handelt, zwischen denen die Kühlluftströmung hindurchgeleitet wird.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gewisse benachbarte, sich radial erstreckende Trennwände (79) auf der einen Seite der zylindrischen Trennwand (72) zueinander konvergieren und sich zu einer einzigen Trennwand (81) vereinigen, die sich zu gewissen Leitschaufeln (58') erstreckt und einstückig mit diesen ausgebildet ist.
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Wand (50) zweite Zugangsöffnungen (82) hat, die im wesentlichen radial in einer Linie

mit den öffnungen (83) in der einen Wand (52) angeordnet sind, wobei die zweiten Zugangsöffnungen auf der von den ersten Zugangsöffnungen (83) abgewandten Seite der zylindrischen Trennwand (72) angeordnet sind.
5. Kühlvorrichtung zur Zufuhr von Kühlluft zu einer Kammer (17) an der Stirnseite einer Turbinenscheibe (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (26) ein einteiliges Gußstück ist,

mit gegenseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wänden (50, 52), die sich in insgesamt radialer Richtung von ihren äußeren Enden aus erstrecken und ihre Richtung in eine axiale Richtung an ihren inneren Enden ändern, wobei die Wände angeformte Leitschaufeln (58, 58') an ihren inneren Enden zur Bildung von Düsen (59) haben, die die Kühlluft gegen die Turbinenscheibe richten;

mit einem ringförmigen Verbindungselement (34), das an den gegenseitigen Abstand aufweisenden äußeren Enden der ringförmigen Wände angeformt ist und sich von diesen nach außen erstreckt, wobei das ringförmige Verbindungselement einen Befestigungsflansch (36) an seinem äußeren Ende hat; mit einer ringförmigen zylindrischen Trennwand (72), die sich zwischen den gegenseitigen Abstand aufweisenden Wänden (5 0, 52) erstreckt, an diesen angeformt ist und mit Abstand radial einwärts von dem Verbindungselement angeordnet ist;

mit im wesentlichen radialen Trennwänden (70) zwischen und angeformt an den gegenseitigen Abstand aufweisenden Wänden und zwischen dem Verbindungselement und der zylindrischen Trennwand und daran angeformt, wobei das Verbindungselement und die zylindrische Trennwand radial in einer Linie und zwischen ausgewählten Paaren radialer Trennwände angeordnete öffnungen (76, 77) für hindurch- und zu den Düsen (59) strömende Kühlluft haben;

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mit inneren Fortsätzen (79) von gewissen ausgewählten benachbarten Trennwänden der radialen Trennwände, zwischen denen die Kühlluft strömt und die divergieren, um sich mit benachbarten Trennwänden (79> zu vereinigen und dreieckige Räume (80) zwischen sich zu begrenzen; wobei eine der gegenseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wände (50, 52) Öffnungen (82) hat, die mit den dreieckigen Räumen (80) in Verbindung stehen, während die andere Wand (52) eine Befestigungseinrichtung (98) in diesen dreieckigen Räumen hat, die über die Öffnungen (82) in der einen Wand (50) zugänglich sind.
6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Wände (50, 52) eine Befestigungseinrichtung (74) hat, die zwischen den radialen Trennwänden (70) in dem Bereich angeordnet ist, wo es keinen Luftstrom gibt, und daß die andere Wand (52) Öffnungen (83) hat, über die die Befestigungseinrichtung zugänglich ist.