DE3309268C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
- F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
- F01D5/082—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung der im Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Eine solche Kühlvorrichtung ist aus der US 37 68 921 be
kannt. Bei dieser bekannten Kühlvorrichtung besteht die
Auslaßdüse aus einzelnen Rohren, die so angeordnet sind,
daß sie die Kühlluft tangential gegen die Turbinenscheibe
blasen. Die dabei erzeugte Kühlwirkung ist nicht optimal,
weil beim Anblasen der Turbinenscheibe durch die einzelnen
Rohre der Auslaßdüse die aus jedem Rohr abgegebene Kühlluft
notwendigerweise auf die benachbarten Rohre auftrifft und
dadurch eine unkontrollierte Verwirbelung der Kühlluft er
folgt. Dadurch wird die Kühlwirkung nachteilig beeinflußt
und eine größere Menge an Kühlluft erforderlich gemacht. Es
ist aber erwünscht, daß die Kühlluft von der Auslaßdüse aus
gleichmäßig gegen die Turbinenscheibe strömt. Weiter hat
die bekannte Kühlvorrichtung einen aufwendigen Aufbau, denn
sie besteht aus vielen Teilen, die zum Herstellen der fer
tigen Kühlvorrichtung zusammengebaut werden müssen. Ferner
wird die bekannte Kühlvorrichtung durch das ringförmige
Verbindungselement relativ freitragend abgestützt. Dieses
Verbindungselement ist Teil der inneren, tragenden Begren
zungswand des Flammrohrraumes der Brennkammer. Die aus
vielen Teilen bestehende Kühlvorrichtung ist daran festge
schraubt. Aufgrund dieser Konstruktion kann die bekannte
Kühlvorrichtung selbst nicht als lastaufnehmendes oder
übertragendes Bauteil eingesetzt werden.
Aus der GB 20 54 046 A ist eine Kühlvorrichtung bekannt,
die nicht zur Zufuhr von Kühlluft zu der Stirnseite einer
Turbinenscheibe dient, sondern zur Zufuhr von Kühlluft un
mittelbar zu den Schaufelfüßen. Die Turbinenscheibe selbst
wird dagegen nicht oder nur sehr wenig an ihrem Umfang ge
kühlt. Zur Kühlung der Turbinenscheibe müßte die Kühlluft
näher an der Welle gegen die Turbinenscheibe geführt wer
den. Außerdem ist diese bekannte Kühlvorrichtung nicht als
lasttragendes Bauteil in der Turbine benutzbar. Diese Kühl
vorrichtung ist nämlich lediglich eine dünnwandige Begren
zung eines Kühlluftströmungskanals und besteht aus einer
Blechwand, da sie ein geringes Gewicht aufweisen soll.
Schließlich beschreibt die DE-OS 20 15 274 eine Kühlvor
richtung, in deren Kanälen Mittel angeordnet sind, um der
hindurchströmenden Luft eine Wirbelbewegung aufzuprägen.
Hier wird für eine Verwirbelung gesorgt, die bei dem Anbla
sen einer Turbinenscheibe vermieden werden sollte.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art als ein
möglichst starkes, aber einfaches Bauteil zur möglichst
gleichmäßigen Zufuhr von Kühlluft zu der Stirnseite einer
Turbinenscheibe auszubilden, das als lasttragendes Bauteil
einsetzbar und überdies leicht in die Turbinenscheibe ein
baubar ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich
nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in
Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
Bei der Kühlvorrichtung nach der Erfindung kann das ring
förmige Verbindungselement selbst einen Teil der inneren
Begrenzungswand des Flammrohrraumes der Brennkammer bilden.
Die Kühlvorrichtung nach der Erfindung besteht darüber hin
aus aus einem starken, einteiligen, tragenden Bauteil, das
einfach aufgebaut und leicht in die Turbine einbaubar ist.
Durch die Kühlvorrichtung nach der Erfindung wird ferner
die Kühlluftströmung direkt auf einzelne Strömungsdurch
lässe aufgeteilt und dann am Auslaßende der Auslaßdüse mit
tels angeformter Leitschaufeln direkt und gleichmäßig auf
die Turbinenscheibe gerichtet, ohne daß es zu unkontrol
lierter Verwirbelung kommen kann. Bei der Kühlvorrichtung
nach der Erfindung leitet die Auslaßdüse die Kühlluft näm
lich in tangentialer Richtung in einem im wesentlichen
vollständigen Ring gegen die Turbinenscheibe, was die wirk
samste und gleichmäßigste Kühlluftzufuhr darstellt. Die er
findungsgemäße einstückige Ausbildung ermöglicht, die Kühl
vorrichtung als tragendes Bauteil in dem Triebwerk einzu
setzen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge
genstände der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht der Kühlvorrich
tung und einen Teil eines benachbarten
Triebwerks im wesentlichen nach der
Linie 1-1 in Fig. 2,
Fig. 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 eine Turbinenscheibe 10 der ersten Stufe einer Tur
bine einen Kranz von Laufschaufeln 12 an ihrem Umfang, denen
Kühlluft über Löcher 14 in einem Flansch 16 an der Stirn
seite der Turbinenscheibe zugeführt wird. Die Kühlluft erreicht die
Löcher 14 aus einer Kammer 17, die radial einwärts von dem
Flansch 16 angeordnet und weiter unten ausführlicher be
schrieben ist. Die Kühlluft strömt aus den Löchern 14 ra
dial nach außen, gelangt zu den Füßen der Laufschaufeln 12
und geht durch nicht
dargestellte Kühlkanäle in den Laufschaufeln hindurch.
Mit dem Flansch 16 ist eine ringförmige Scheibe 18 ver
schraubt, die eine Reihe von Dichtelementen 20 an einem
konischen Flansch 22 hat. Schrauben 24 hal
ten die Scheibe 18 an dem Flansch 16, und der äußere Umfang
der Scheibe 18 hält einen Ring 25 an der Turbinenscheibe 10 und an
den Füßen der Laufschaufeln 12, um die Kühlluft in die Laufschaufeln
hineinzuleiten, und kann dazu dienen, die Laufschaufeln in
der Turbinenscheibe 10 festzuhalten.
Eine Kühlvorrichtung 26 hat die Form eines
Ringes, der an seiner äußeren, stromaufwärtigen Stirnfläche
eine Befestigungsfläche 28 hat, über die er an einem Ring
flansch 30 an einem Teil 32 der Brennkammer befestigt ist.
Der Teil 32 der Brennkammer hat insgesamt einen
zylindrischen Aufbau und kann die innere Wand der
Brennkammer und somit ein Konstruktionsteil des Triebwerks
sein. Von der Befestigungsfläche 28 erstreckt sich ein
kegelstumpfförmiges Verbindungs
element 34 nach außen, dessen Außenumfang 36 durch Schrauben
38 an Befestigungsfüßen 40 befestigt ist, die sich von den
inneren Enden 42 von Leitschaufeln 44 des Turbineneinlasses nach in
nen erstrecken. Das Verbindungselement 34 begrenzt mit den Befestigungsfüßen
40 und einer Wand 45, die sich von den inneren Enden 42 der Leit
schaufeln aus nach vorn erstreckt, eine Kammer 48, der Kühl
luft durch eine nicht dargestellte Vorrichtung zugeführt
wird, beispielsweise aus einem den Teil 32 der Brennkam
mer umgebenden Raum.
An der Befestigungsfläche 28 ist ein sich axial erstrecken
der Flansch 46 vorgesehen, durch den die Kühlvorrichtung 26 an
dem Ringflansch 30 radial festgehalten wird. Außerdem wird an dieser Stelle
an der Kühlvorrichtung 26 letztere zu einer doppelwandigen
Vorrichtung, die eine stromaufwärtige ringförmige Wand 50 und eine
stromabwärtige ringförmige Wand 52 hat, welche gegenseitigen Abstand
aufweisen und zwischen sich eine sich in Umfangsrichtung
erstreckende Luftströmungskammer 54 bilden. Die ringförmigen Wände 50, 52 erstrecken sich
radial nach innen und begrenzen einen ringförmigen Durch
laß 56 von der Luftströmungskammer 54 zu Leitschaufeln 58, 58′, die
an den ringförmigen Wänden angeformt und zwischen den einander gegenüber
liegenden ringförmigen Wänden an deren inneren Enden angeordnet sind.
Diese ringförmigen Wände 50, 52, die sich an der Luftströmungskammer 54 radial erstrecken,
ändern die Richtung zu ihren inneren Enden hin, so daß sie
sich dort im wesentlichen axial erstrecken und
eine axiale Auslaßdüse 59 für die Kühlluft begrenzen.
An einer Stelle radial einwärts der Luftströmungskammer 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 den
Dichtelementen 20 zusammenwirken. Die
Dichtelemente 20 bilden mit der stromabwärtigen Wand
52, der Scheibe 18 und dem Verbindungselement 34 eine Kammer 64
radial außerhalb von dem Dichtring 60. Eine weitere Kammer 66
ist radial einwärts der Dichtelemente 20 gebildet, und die
übrigen Wände dieser Kammer sind der innere Teil der strom
abwärtigen Wand 52 und ein sich nach innen erstreckender
Flansch 68 an der ringförmigen Scheibe 18, der sich bis in unmittel
bare Nähe der Enden der stromabwärtigen Wand 52 erstreckt.
Die Luftströmungskammer 54 hat axial angeordnete Trennwände 70
(Fig. 2 und 3), die sich zwischen der stromaufwärtigen und
der stromabwärtigen Wand 50, 52 erstrecken und von dem Verbindungsele
ment 34 aus radial nach innen zu einer zylindrischen Trennwand 72 vor
stehen, die einen unterbrochenen Ring
zwischen der stromaufwärtigen und der strom
abwärtigen Wand 50, 52 bildet. Diese zylindrische Trenn
wand 72 befindet sich unmittelbar radial einwärts der Reihe
von Schrauben 74, die die Kühlvorrichtung 26 an dem Teil 32 der Brennkammer
festhalten. Die radialen Trennwände 70 sind in Paaren angeordnet, wie
es in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, und die zylindrische Trenn
wand 72 ist dort unterbrochen, wo diese Paare radialer Trennwände an
geordnet sind, so daß die Kühlluft in Lufteinlaßlöcher
76 in dem Verbindungselement 34 eintreten und in dem Strömungsdurchlaß 77,
der zwischen den radialen Trennwandpaaren gebildet ist, strömen und
durch die zylindrische Trennwand 72 in einen Durchlaß 78 gelangen kann.
Die zylindrische Trennwand 72 ist, wie oben erwähnt, an diesen radialen Trenn
wänden 70 unterbrochen, wie dargestellt.
Radial einwärts von der zylindrischen Trennwand 72 divergieren Fort
sätze 79 der Paare von radialen Trennwänden 70, so daß die Fort
sätze von einander gegenüberliegenden radialen Trennwänden 70 von be
nachbarten Paaren aus konvergieren und dreieckige Zwischenräume
80 radial einwärts von der zylindrischen Trennwand 72 begrenzen. Diese
einander gegenüberliegenden Fortsätze 79 gehen ineinander über
und werden zu einer einzigen Trennwand 81, die sich nach
vorn und fast zu den stromabwärtigen Enden der stromaufwär
tigen und stromabwärtigen Wand 50, 52 erstreckt. Die Trenn
wände 81 erstrecken sich zu jeder zweiten Düsenleitschau
fel 58′ und sind einstückig mit diesen ausgebildet. Die
dazwischen angeordneten Leitschaufeln 58 dienen nur als Um
lenkleitschaufeln nahe dem Auslaßende des
Durchlasses 56. Die Trennwände 81 dienen jedoch dazu, einen
ziemlich konstanten Luftdruck für die Kühlluft auf dem
gesamten Umfang des Durchlasses 56 zu gewähr
leisten.
Die stromaufwärtige Wand 50 hat dreieckige Zugangsöffnungen 82
für die dreieckigen Zwischenräume 80. Die Schrauben 62 für den
Dichtring 60 sind in der stromabwärtigen Wand 52 dort an
geordnet, wo sich diese Zwischenräume 80 befinden, so daß
Muttern 98 der Schrauben 62 über die dreieckigen Zugangsöffnungen 82
zugänglich sind, was das Entfernen des Dichtringes 60
von seiner Befestigung an der Kühlvorrichtung 26 gestattet.
Die stromabwärtige Wand 52 hat Zugangsöffnungen 83, die zwischen
den Paaren von Trennwänden 70 angeordnet sind, um die Köpfe der
Schrauben 74 zugänglich zu machen und dadurch die Be
festigung der Kühlvorrichtung 26 an dem Teil 32 der Brennkammer zu gestatten.
Die hier beschriebene Kühlvorrichtung 26 ist ein einteiliges
Gußstück und kann durch das Investmentgießverfahren herge
stellt werden. Das Ergebnis ist eine einstückige Präzi
sionskonstruktion, die leicht in das Triebwerk eingebaut
werden kann und als Träger für die Dichtung und als Ver
bindung zwischen einer Brennkammerbüchse
(einem Konstruktionsteil des Triebwerks) und
den inneren Enden der Leitschaufeln 44 dient. Darüber
hinaus ergibt der Einbau der Kühlvorrichtung 26 die mehreren
Kammern für Kühlluft und für Dichtluft, und die Kühlvorrich
tung ist mit Durchlässen versehen, um den ge
wünschten Luftstrom durch diesen Teil des Triebwerks zu
gestatten. Der Zugang zu den
Schrauben 62, 74 wird durch den beschriebenen Aufbau ermöglicht,
wodurch der Einbau der Kühlvorrichtung 26 in das Triebwerk
oder der Ausbau aus diesem erleichtert wird.
Die Kühlvorrichtung 26 weist weiter Druckanzapfungen 84, 86
zum Abfühlen oder Einstellen des Druckes in
den Kammern 66 bzw. 64 auf. Wenn es sich um den Druck in der Kam
mer 64 handelt, gestattet die Druckanzapfung 84 in der
stromaufwärtigen Wand 50 in der Nähe der Schrauben 74
eine direkte Verbindung mit der Kammer 64 auf Grund der Zugangs
öffnungen 83, die dem Druck in der Kammer 64 gestatten, in
den Raum zwischen der stromaufwärtigen und stromabwär
tigen Wand 50, 52 in dem Bereich einzudringen, wo die Schrauben
74 angeordnet sind. Weiter gewährt die 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, bei
spielsweise durch Einleiten von Luft in die Kammer 66 oder
durch Ablassen von Luft aus dieser Kammer. Die Druckan
zapfung 86 ist an einem Punkt angeordnet, der mit den Zugangs
öffnungen 82 fluchtet, die die dreieckigen Zwischenräume 80 zugänglich machen.
Claims (5)
1. Kühlvorrichtung zur Zufuhr von Kühlluft zu einer Kammer
(17) an der Stirnseite einer Turbinenscheibe (10), mit ge
genseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wänden (50,
52), die eine Luftströmungskammer (54) begrenzen und an ei
nem Ende in einer axial angeordneten Auslaßdüse (59) endi
gen, und mit einem ringförmigen Verbindungselement (34),
das mit den ringförmigen Wänden (50, 52) an deren von der
Auslaßdüse (59) entfernten Enden verbunden ist, die ring
förmigen Wände (50, 52) miteinander verbindet, sich von den
Wänden weg erstreckt, eine Befestigungseinrichtung (36, 38)
an seinem von den ringförmigen Wänden (50, 52) entfernten
Ende hat und mit Lufteinlaßlöchern (76) versehen ist, da
durch gekennzeichnet,
daß sich in der Auslaßdüse (59) zwi schen den ringförmigen Wänden (50, 52) an diesen angeformte Leitschaufeln (58) erstrecken,
daß das Verbindungselement (34) einstückig mit den ringför migen Wänden (50, 52) gegossen ist,
daß radiale Trennwände (70) einstückig mit und zwischen den gegenseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wänden (50, 52) gebildet sind und sich in Umfangsrichtung in gegensei tigem Abstand erstreckende Strömungsdurchlässe (77) für Luft von den Lufteinlaßlöchern (76) des Verbindungselements (34) zu der Auslaßdüse (59) bilden,
daß eine unterbrochene, im wesentlichen zylindrische Trenn wand (72) einstückig mit und zwischen den ringförmigen Wän den (50, 52) an einer Abstand von dem Verbindungselement (34) aufweisenden Stelle gebildet und außerdem an Stellen, die in Deckung mit den Lufteinlaßlöchern (76) des Verbin dungselements (34) sind, von Öffnungen unterbrochen ist, damit sich ein Luftstrom von den Lufteinlaßlöchern (76) zu den Öffnungen zwischen ausgewählten radialen Trennwänden (70) ergibt,
daß eine (52) der ringförmigen Wände (50, 52) erste Zu gangsöffnungen (83) hat, die nicht in Deckung mit den Luft einlaßlöchern (76) des Verbindungselements (34) und den Öffnungen in der zylindrischen Trennwand (72) sind, und
daß in der anderen ringförmigen Wand (50) Befestigungsmit tel (74) angeordnet sind, die über die ersten Zugangsöff nungen (83) in der einen ringförmigen Wand (50) zugänglich sind.
daß sich in der Auslaßdüse (59) zwi schen den ringförmigen Wänden (50, 52) an diesen angeformte Leitschaufeln (58) erstrecken,
daß das Verbindungselement (34) einstückig mit den ringför migen Wänden (50, 52) gegossen ist,
daß radiale Trennwände (70) einstückig mit und zwischen den gegenseitigen Abstand aufweisenden ringförmigen Wänden (50, 52) gebildet sind und sich in Umfangsrichtung in gegensei tigem Abstand erstreckende Strömungsdurchlässe (77) für Luft von den Lufteinlaßlöchern (76) des Verbindungselements (34) zu der Auslaßdüse (59) bilden,
daß eine unterbrochene, im wesentlichen zylindrische Trenn wand (72) einstückig mit und zwischen den ringförmigen Wän den (50, 52) an einer Abstand von dem Verbindungselement (34) aufweisenden Stelle gebildet und außerdem an Stellen, die in Deckung mit den Lufteinlaßlöchern (76) des Verbin dungselements (34) sind, von Öffnungen unterbrochen ist, damit sich ein Luftstrom von den Lufteinlaßlöchern (76) zu den Öffnungen zwischen ausgewählten radialen Trennwänden (70) ergibt,
daß eine (52) der ringförmigen Wände (50, 52) erste Zu gangsöffnungen (83) hat, die nicht in Deckung mit den Luft einlaßlöchern (76) des Verbindungselements (34) und den Öffnungen in der zylindrischen Trennwand (72) sind, und
daß in der anderen ringförmigen Wand (50) Befestigungsmit tel (74) angeordnet sind, die über die ersten Zugangsöff nungen (83) in der einen ringförmigen Wand (50) zugänglich sind.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Zugangsöffnungen (83) in der einen ringför
migen Wand (52) zwischen den radialen Trennwänden (70)
angeordnet sind, bei denen es sich nicht um diejenigen
handelt, zwischen denen sich der Luftstrom ergibt.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß benachbarte, sich radial erstreckende Fort
sätze (79) der radialen Trennwände (70) auf der einen Seite
der zylindrischen Trennwand (72) zueinander konvergieren
und sich zu einer einzigen Trennwand (81) vereinigen und
jeweils zu einer der Leitschaufeln (58) führen, mit der sie
einstückig ausgebildet sind, so daß die Fortsätze (79) mit
der zylindrischen Trennwand (72) dreieckige Zwischenräume
(80) begrenzen.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die andere ringförmige Wand (50) zweite Zugangsöffnun
gen (82) hat, die im wesentlichen radial in einer Linie mit
den ersten Zugangsöffnungen (83) in der einen ringförmigen
Wand (52) und außerdem auf der von den ersten Zugangsöff
nungen (83) abgewandten Seite der zylindrischen Trennwand
(72) angeordnet sind.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweiten Zugangsöffnungen (82) mit den dreieckigen
Zwischenräumen (80) in Verbindung stehen und daß in den
dreieckigen Zwischenräumen (80) jeweils eine Befestigungs
einrichtung (98) angeordnet ist, die über jeweils eine der
zweiten Zugangsöffnungen (82) in der anderen ringförmigen
Wand (50) zugänglich ist.
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