DE3835932C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Kühlluftzu­ führung an gekühlten Turbinenschaufeln eines Gastur­ binenrotors die auf einer Rotorscheibe form- und kraft­ schlüssig verankert sind und deren Schaufelfüße mit der Rotorscheibe Kühlkammern bilden, wobei jede Kühlkammer mit durch die Schaufel führenden Kühlkanälen in Verbindung steht, wobei in jeder Kühlkammer ein Einsatz angeordnet ist.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE-PS 29 41 866 bekannt. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß der Nie­ derdruckraum zwischen statorseitiger Kühlluftquelle und rotorseitigen Kühlluftkammern durch materialaufwendige Labyrinthdichtungen mit großen Durchmessern im radial äu­ ßeren Bereich der Rotorscheibe überbrückt wird und zusätz­ lich Druckleitungen zur Trennung von Leckluftstrom und Kühlluftstrom an der Rotorscheibe vorzusehen sind.

Aus der DE-OS 25 49 649 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mittels einer statorseitigen Düse Kühlluft in Richtung des Schaufelfußes geblasen wird und damit der Niederdruckraum zwischen statorseitiger Kühlluftquelle und rotorseitigem Schaufelfuß überwunden wird. Diese Lösung hat den Nach­ teil, daß zwischen Düsenauslaß und Schaufelfuß die Strömung behindernde Befestigungseinrichtungen angeordnet sind, so daß kein verlustarmer Übergang der Kühlluft zwischen den Hochdruckräumen von Stator und Rotor ge­ währleistet ist.

Mit der US-PS 43 30 235 wird eine Vorrichtung offenbart, bei der ein Kühlmediumstrom in axialer Richtung auf eine Ro­ torscheibe gesprüht wird und durch die Rotation der Ro­ torscheibe zentrifugal in Richtung einer Auffangrinne der Rotorscheibe radial nach außen geschleudert wird, so daß das Kühlmedium von der Auffangrinne aus Kühlkanäle ver­ sorgen kann. Für eine verlustarme Gasdruckregeneration in einem Kühlgassystem ist diese Lösung nicht geeignet.

Aus der DE-OS 22 21 895 ist ein axial angeordneter Diffusor, der an der Rotorscheibe befestigt ist, mit einem großen Empfangsquerschnitt relativ zu einer Kühlluftaustrittsdüse des Stators bekannt. Ein derart großer Empfangsquerschnitt des Diffusors ist bei dieser Lösung nachteilig erforder­ lich, um die thermisch bedingten radialen Verschiebungen zwischen Rotor und Stator derart ausgleichen zu können, daß in allen Betriebszuständen der Kühlgasstrom den Emp­ fangsquerschnitt des Diffusors trifft. Das hat den Nach­ teil, daß der Kühlgasstrom den Niederdruckraum zwischen Stator und Rotor nicht verlustarm überwinden kann, da ein Abspalten verlustbehafteter Randschichten des Kühlgas; stroms der Kühlluftaustrittsdüse mittels eines derart aus­ gebildeten Diffusors nicht möglich ist.

Aus der DE-OS 18 14 430 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Einrichtungen zur Verbindung zwischen Kühlkammer und Kühl­ mittelquelle mitrotieren, so daß sie große rotierende Mas­ sen in Form von rotierenden formschlüssigen Abstands­ stücken zwischen den aufeinanderfolgenden Rotorrädern auf­ weisen. Der Kühlluftstrom in der Kühlkammer wird mittels Kühlstromplatten und Dichtstücken umgelenkt, so daß sich mehrere Dichtflächen auf unterschiedlichen Körpern gleich­ zeitig abstützen, was keine vollständige Abdichtung des Kühlluftstroms wegen der zu überbrückenden Körperfugen gewährleistet.

Darüber hinaus ist eine Vorrichtung zur Kühlluftzuführung für Gasturbinen-Rotorschaufeln aus der EP-00 43 300 A3 bekannt, bei der ein gegen das Rotorrad axial und formschlüssig abgedichteter Flansch als Deckscheibe, die unterhalb oder seitlich der Schaufelfüße eines Rotors angeordneten Kühl­ kammern mit der Kühlluftquelle verbindet. Beim Zu- und Hindurchströmen der Kühlluft zwischen dem mitrotierenden Flansch- bzw. der Deckscheibe und der Rotorscheibe wird das Kühlgas verwirbelt und unterliegt erhöhten Reibungs­ verlusten aufgrund von beispielsweise Corioliseffekten und der Ausbildung von Ekman-Schichten. Dadurch wird das Druckgefälle der Kühlluft, das in Temperaturabsenkung um­ setzbar wäre, nachteilig vermindert. Deshalb ist bei Deckscheibensystemen die Temperaturabsenkung der Kühlluft nachteilig stark eingeschränkt.

Eine direkte berührungsarme Zuführung der Kühlluft vom Stator zu den rotierenden Kühlkammern am Schaufelfuß, wie sie aus der DE-OS 19 42 346 bekannt ist, erfordert eine Spalt­ dichtung auf großem Durchmesser, die mit einem hohen Auf­ wand an statorseitigen Einrichtungen zur Spaltanpassung an die unterschiedlichen Betriebszustände eines Triebwerks gekoppelt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrich­ tung anzugeben, die minimale rotierende Massen aufweist, eine dichtungs- und berührungsfreie, verlustarme Verbin­ dung zwischen statorseitiger Kühlluftquelle und rotorsei­ tiger Kühlkammer unter Überwindung eines Niederdruckraumes herstellt, eine hohe Temperaturabsenkung der Kühlluft gewährleistet und mit geringem statorseitigen Aufwand ver­ bunden ist. So wie die Anzahl der erforderlichen Dicht­ flächen in der Kühlkammer reduziert und Einrichtungen zur Spaltanpassung vermeidet.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß jeder Einsatz zur Niederdruckseite der Rotorscheibe hin geschlossen ist, und daß auf deren Hochdruckseite die Einsätze über die Rotor­ scheibe hinausragen und eine von Einsatz zu Einsatz ring­ förmige zur Nabe hin geschlitzte Lufteinlaßöffnung bilden, die an eine ringförmige Anblasfläche im äußeren Randbe­ reich der Rotorscheibe für einen Kühlluftstrom anschließt und einer statorseitigen, ringförmigen im wesentlichen radial nach außen gerichteten Luftauslaßdüse gegenüber angeordnet ist, wobei die Lufteinlaßöffnung einen schma­ leren Schlitz als die Luftauslaßdüse aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die statorsei­ tige Kühlluftquelle mit einer statorseitigen ringförmigen Luftauslaßdüse verbunden, die einen radial im wesentlichen nach außen gerichteten Kühlluftstrom erzeugt, der einen homogenen, ringförmigen Kühlluftschleier bildet. Dieser Kühlluftschleier trifft auf eine Anblasfläche im radial äußeren Randbereich der Rotorscheibe und wird zur ringför­ migen rotierenden Lufteinlaßöffnung hin umgelenkt die aus den zur Nabe hin geschlitzten Ringsegmenten der Einsätze für die Kühlkammern gebildet wird. Um den vor der Luftein­ laßdüse abgetrennten Luftstrom zu optimieren, wird die Lufteinlaßöffnung vorzugsweise schmaler ausgeführt, als die Luftauslaßdüse. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein verlustarmer Druckaufbau im Kühlkammereinsatz erreicht wird, da verlustverursachende Randschichten der Luftaus­ laßdüse abgespalten werden.

Diesem Kühlluftstrom wird zur Anpassung der Strömung vom statischen Bauteil der Luftauslaßdüse zu den rotierenden Ringsegmenten der Lufteinlaßöffnung eine Umfangskomponente durch eine weitere der Luftauslaßdüse vorgelagerte Ein­ richtung wie beispielsweise eine Dralldüse aufgeprägt.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie eine vollstän­ dig berührungsfreie Verbindung zwischen statorseitiger Kühlluftquelle und rotorseitigem Verbraucher schafft und keinerlei Einrichtungen zur Spaltregulierung vorzusehen sind. Die rotierenden Massen in Form von massiven Deck­ scheiben oder Abstandsstücken werden auf kleinvolumige Einsätze in den Kühlkammern beschränkt, die bei geeigneter Materialwahl ein minimales zusätzliches Gewicht dar­ stellen.

Besonders vorteilhaft wird dieser Einsatz vorzugsweise in einstückiger Bauweise ausgebildet.

Der Einsatz ist bei entsprechender Ausgestaltung der Er­ findung mit einem einzigen ringförmigen Paß- und Dichtsitz zum Schaufelfuß hin formschlüssig verbunden. Dieser Dichtsitz des Einsatzes gewährleistet vorteilhaft eine vollständige Abdichtung des Kühlluftstromes in der Kühl­ kammer, da er sich gegen ein einziges Bauteil abstützt und keine Körperfugen zu überwinden hat.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, den Einsatz mit dem Schaufelfuß durch Löten, Schweißen, Kleben oder Ansintern zu einem integralen Bauteil auszubilden und dadurch vorteilhaft eine vereinfachte Montage, eine gerin­ gere Bauteilstückzahl und eine vollständige Vermeidung von Dichtflächen zu erreichen.

Durch aerodynamische Formgebung des Einsatzes im Bereich des Kühlluftstromes wird dieser unter Regeneration des Kühlluftdruckes verlustarm umgelenkt und den Kühlkanälen in den Schaufeln des Rotors zugeführt. Dadurch wird eine Kühlgastemperaturabsenkung des Kühlgases möglich, die aufgrund der verlustarmen Zuführung größer ist, als bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen.

Verlustbehaftete wie beispielsweise verwirbelte Kühl­ stromanteile werden darüber hinaus beim Übergang von der Luftauslaßdüse zur Lufteinlaßöffnung durch eine im Winkel von 20° bis 50° vorzugsweise 33° angeströmte Anblasfläche im Randbereich der Rotorscheibe abgetrennt. Dieser abge­ trennte Leckstrom hat die gleiche Größenordnung wie die Leckströme üblicher Spaltdichtungen.

Die axiale Erstreckung der ringförmigen Anblasfläche im Randbereich der Rotorscheibe ist vorzugsweise größer als die betriebsbedingten axialen Verschiebungen zwischen sta­ torseitiger Luftauslaßdüse und Rotorscheibe, damit der Kühlluftstrom nach Austritt aus der Luftauslaßdüse bei allen Betriebszuständen zuerst auf die Anblasfläche trifft und dann zur Lufteinlaßöffnung hin umgelenkt wird. Das hat den Vorteil, daß die Lufteinlaßöffnung unter allen Be­ triebsbedingungen optimal angeströmt wird.

Besonders einfach läßt sich der Einsatz als Metallsinter- oder Metallgußkörper gestalten. Als Grundwerkstoffe werden vorzugsweise Schaufelwerkstoffe auf Nickel- oder Kobalt­ basis eingesetzt, so daß sie ein den Schaufelfüßen ange­ paßtes Wärmedehnungsverhalten zeigen.

Eine weitere Ausführung der Erfindung besteht darin, die Einsätze vorzugsweise aus oxid- oder sinterkeramischen Werkstoffen zu fertigen, da diese Werkstoffe gewichts­ sparend die rotierenden Massen gering halten.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Kühlluftzuführung an gekühlten Turbinenschau­ feln.

Fig. 2 zeigt von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einen Einsatz in einer Kühlkammer unter einem Schaufelfuß im Querschnitt.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Frontansicht von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch erfindungsgemäße Vorrichtungen mit einer statorseitigen ringförmigen Luftauslaßdüse 1, die einen homogenen radial nach außen gerichteten berüh­ rungsfreien Kühlluftstrom 2 in Pfeilrichtung erzeugt. Die­ sem Kühlluftstrom 2 wird eine Umfangskomponente durch eine Dralldüse 3, die zwischen zwei scheibenförmigen Deck­ platten 4 und 5 angeordnet ist, vermittelt. Die Luftaus­ laßdüse 1 richtet den Kühlluftstrom 2 über einen Ringspalt 13 zwischen Stator 6 und Rotor 7 auf eine Anblasfläche 23 im Randbereich der Rotorscheibe 7. Die Anblasfläche 23 lenkt den Kühlluftstrom zu einer Lufteinlaßöffnung 8 eines Einsatzes 9 einer Kühlluftkammer 10 unter dem Schaufel­ fuß 11 einer Schaufel 22. Der Einsatz 9 lenkt den Kühl­ luftstrom 2, nachdem er die Lufteinlaßöffnung 8 passiert hat, um (siehe Pfeile) und führt ihn den Kühlluftkanälen 12, 20 und 21 im Schaufelfuß 11 zu.

Fig. 2 zeigt von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einen Einsatz 9 in einer Kühlkammer 10 unter einem Schaufel­ fuß 11 im Querschnitt. Der Einsatz 9 lenkt den radial aus­ gerichteten Kühlluftstrom 2, der über den Ringspalt 13 zwischen Stator 6 und Rotorscheibe 7 nach Umlenkung durch die Anblasfläche 23 in die Lufteinlaßöffnung 8 des Ein­ satzes 9 gelangt, in die Kühlluftkanäle 12, 20 und 21 des Schaufelfußes 11 um. Dabei durchströmt die Kühlluft den strömungsgünstig geformten Umlenkraum 19. Der Einsatz 9 ist durch einen den Schaufelfuß 11 ringförmig umgebenen Zentrieransatz 14 mit dem Schaufelfuß 11 formschlüssig verbunden und über den Dichtsitz 15 gasdicht abgeschlos­ sen. Die Schaufel und der Einsatz werden vor axialen Ver­ schiebungen durch die Sicherungsscheibe 16 und die ring­ förmige Sicherungseinlage 17 gesichert.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Frontansicht von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wobei nur 3 Schaufel­ positionen einer Rotorscheibe 7 abgebildet werden. Die zugehörigen Einsätze ragen über den Rand der Rotor­ scheibe 7 hinaus und bilden eine Lufteinlaßöffnung 8 die der statorseitigen Luftauslaßdüse 1 im wesentlichen radial nach außen gegenüber liegt. In dem ringförmigen Spalt zwischen Lufteinlaßöffnung 8 und Luftauslaßdüse 1 liegt die Anblasfläche 23 im Randbereich der Rotorscheibe 7.

Claims (9)

1. Vorrichtungen zur Kühlluftzuführung an gekühlten Turbinen­ schaufeln eines Gasturbinenrotors, die auf einer Rotor­ scheibe form- und kraftschlüssig verankert sind und deren Schaufelfüße mit der Rotorscheibe Kühlkammern bilden, wo­ bei jede Kühlkammer mit durch die Schaufel führenden Kühl­ kanälen in Verbindung steht, wobei in jeder Kühlkammer ein Einsatz angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einsatz (9) zur Niederdruckseite der Rotorscheibe (7) hin geschlossen ist, und daß auf deren Hochdruckseite die Ein­ sätze (9) über die Rotorscheibe (7) hinausragen und eine von Einsatz zu Einsatz ringförmige zur Nabe hin geschlitz­ te Lufteinlaßöffnung (8) bilden, die an eine ringförmige Anblasfläche (23) im äußeren Randbereich der Rotorscheibe (7) für einen Kühlluftstrom (2) anschließt und einer sta­ torseitigen, ringförmigen im wesentlichen radial nach außen gerichteten Luftauslaßdüse (1) gegenüber angeordnet ist, wobei die Lufteinlaßöffnung (8) einen schmaleren Schlitz als die Luftauslaßdüse (1) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (9) einstückig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einsatz (9) ein Metallsinter- oder Metallgußkörper aus einer Nickel- oder Kobaltbasislegie­ rung ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (9) ein Sinterkörper aus Keramik ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (9) einen Zentrieransatz (14) zum Schaufelfuß (11) mit einem einzigen Dichtsitz (15) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaufelfuß und der Einsatz ein in­ tegrales Bauteil bilden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühlluftstrom (2) der Luftauslaßdüse (1) in einem Winkel von 20° bis 50° vorzugsweise 33° auf eine ringförmige Anblasfläche (23) im Randbereich der Ro­ torscheibe (7) zur Abspaltung verwirbelter Randschichten des Kühlluftstromes (2) gerichtet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die axiale Erstreckung der Anblasfläche (23) größer ist als die betriebsbedingt auftretenden axia­ len Verschiebungen zwischen statorseitiger Luftauslaßdüse (1) und Rotorscheibe (7) .

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ringförmigen Luftauslaßdüse (1) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strömungskomponente in Umfangsrichtung vorgeschaltet ist.