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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der Luftkühlung von Hochdruckturbinenrotoren
von Turbotriebwerken.
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Insbesondere
betrifft sie eine Luftkühlungsvorrichtung
für einen
Hochdruckturbinenrotor eines Turbotriebwerks, wobei diese Turbine
hinter der Brennkammer angeordnet ist und einerseits eine Turbinenscheibe
mit einer Innenbohrung und einem vorderen Flansch zu ihrer Befestigung
an dem hinteren Konus eines Hochdruckverdichters sowie andererseits
eine vor dieser Scheibe angeordnete Platte, die von dieser durch
einen Hohlraum getrennt ist, aufweist, wobei diese Platte einen
radial inneren, massiven Teil umfasst, der ebenfalls eine Innenbohrung aufweist,
durch die sich der vordere Flansch dieser Scheibe erstreckt, und
einen vorderen Flansch zu ihrer Befestigung an diesem hinteren Konus
aufweist, wobei diese Vorrichtung einen ersten Kreis für die Kühlung der
Schaufeln enthält,
der mit einer ersten, am Kammerboden entnommenen Luftmenge gespeist
wird und diese erste Luftmenge über
Haupteinspritzdüsen,
die vor der genannten Platte angeordnet sind, und Lüftungslöcher, die
in dieser Platte ausgeführt
sind, in den genannten Hohlraum abgibt, sowie einen zweiten Kreis
für die
Kühlung
der Platte enthält, der
durch ein Ablasslabyrinth, das sich hinter dem Hochdruckverdichter
befindet, mit einer zweiten Luftmenge gespeist wird, wobei mindestens
ein Teil dieser zweiten Luftmenge dazu dient, die vordere, obere Seite
dieser Platte durch ein zweites Labyrinth hindurch zu belüften, welches
sich unter den Einspritzdüsen
befindet.
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1 zeigt
einen solchen Hochdruckturbinenrotor 1, der hinter einer
Brennkammer 2 angeordnet ist und eine mit Schaufeln 4 ausgerüstete Turbinenscheibe 3 und
eine Platte 5, die vor der Scheibe 3 angeordnet
ist. Die Scheibe 3 und die Platte 5 weisen jeweils
einen vorderen Flansch mit dem Bezugszeichen 3a für die Scheibe 3 und 5a für die Platte 5 auf,
und zwar zu ihrer Befestigung am hinteren Ende 6 des hinteren
Konus 7 des von dem Rotor 1 angetriebenen Hochdruckverdichters.
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Die
Scheibe 3 hat eine Innenbohrung 10, die den Flansch 3a der
Scheibe 3 umgibt, sowie Lüftungslöcher 11, durch die
eine erste, am Kammerboden entnommene Kühlungsluftmenge C1 in den Hohlraum 12 abgegeben
wird, welcher die hintere Seite der Platte 5 von der vorderen
Seite der Scheibe 3 trennt. Diese Kühlungsluftmenge C1 strömt radial nach
außen
und dringt in die Zellen 4a ein, die die Füße der Schaufeln 4 aufnehmen,
damit diese gekühlt
werden. Diese Luftmenge wird am Kammerboden entnommen, strömt in einer
Leitung 13, die in dem abgeschlossenen Raum 14 zwischen
der Platte 5 und dem Kammerboden angeordnet ist, und wird durch
Einspritzdüsen 15 in
eine Rotationsbewegung versetzt, um die Temperatur der in den Hohlraum 12 abgegebenen
Luft zu senken.
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Eine
zweite, am Kammerboden entnommene Kühlungsluftmenge C2 strömt nach
hinten in den abgeschlossenen Raum 16 zwischen dem hinteren Konus 7 des
Hochdruckverdichters und dem Innengehäuse 17 der Brennkammer 2.
Diese Luftmenge C2 strömt
durch ein Ablasslabyrinth 18 und gelangt in den abgeschlossenen
Raum 14, von wo ein Teil C2a durch Öffnungen 19 in dem
vorderen Flansch 5a der Platte 5 strömt und durch
die Bohrung 10 der Platte 5 gelangt, um deren
radial inneren Teil zu kühlen,
und sich dann mit der Kühlungsluftmenge
C1 der Schaufeln 4 mischt. Ein anderer Teil C2b der zweiten
Luftmenge C2 kühlt
die vordere Seite der Platte 5, umströmt die Einspritzdüsen 15 und
wird in den vorderen Ablufthohlraum 20 des Turbinenrotors 1 abgezogen.
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Und
schließlich
dient ein dritter Teil C2c der zweiten Luftmenge C2 dazu, die vordere
obere Seite der Platte 5 durch ein zweites Labyrinth 22 hindurch zu
belüften,
welches sich unter den Einspritzdüsen 15 befindet. Dieser
dritte Teil C2c dringt in den abgeschlossenen Raum 23 ein,
der sich hinter dem zweiten Labyrinth 22 zwischen der Platte 5 und
den Einspritzdüsen 15 befindet,
und wird durch ein drittes Labyrinth 24 hindurch, das sich
unter den Einspritzdüsen 15 befindet,
in den vorderen Ablufthohlraum 20 des Turbinenrotors 1 abgezogen
oder mischt sich mit der ersten Luftmenge C1.
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Die
zweiten Luftmenge C2 dient dazu, den hinteren Konus 7,
den Verbindungsschacht des Hochdruckverdichters zur Hochdruckturbine
sowie die Platte 5 zu kühlen.
Diese zweite Luftmenge, die axial in einem ringförmigen Zwischenraum strömt, der
von feststehenden Wänden,
die fest mit der Kammer verbunden sind, und von drehbaren Wänden, die fest
mit dem Rotor verbunden sind, umgrenzt wird, unterliegt auf Grund
von Verlustleistungen zwischen dem Rotor und dem Stator Erwärmungen.
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Um
die Temperatur der vorderen Platte gemäß den Spezifikationen ihrer
mechanischen Festigkeit zu senken, ist es also erforderlich, die
Luftmenge C2, die durch das hinter dem Hochdruckverdichter befindliche
Ablasslabyrinth 18 strömt,
zu erhöhen und
sie entweder in den Kühlkreislauf
der Schaufeln oder in die Strömungsbahn
vor dem Hochdruckturbinenrad zurückzuführen. Diese
Erhöhung
der Menge bewirkt durch das Zurückführen erhitzter
Luft in den Kühlkreis
der Schaufeln einen Temperaturanstieg der Kühlungsluft der Schaufeln und
durch das Zurückführen in
die Strömungsbahn
einen Leistungsabfall der Turbine.
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Ferner
ist die Luftmenge C2c, die zur Kühlung
der Platte hinter dem zweiten Labyrinth 22, das sich unter
den Einspritzdüsen 15 befindet,
dient, nur schlecht steuerbar, da sie den Entwicklungen der Spiele
des Ablasslabyrinths 18, des zweiten Labyrinths 22 und
des dritten, sich unter den Einspritzdüsen 15 befindenden
Labyrinths 24 während
des Betriebs und im Verlauf der Lebensdauer des Triebwerks unterliegt.
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Die
Temperatur der vorderen Seite der Platte hinter dem zweiten Labyrinth
ist daher ziemlich hoch und schlecht zu steuern. Daher müssen zur
Herstellung der Platte spezielle Werkstoffe verwendet und eine geeignete
Dimensionierung beachtet werden.
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In
den Patentschriften
US
5 816 776 A und
US
4 822 244 A werden Luftkühlungsvorrichtungen für einen
Turbinenrotor beschrieben, die den Stand der Technik repräsentieren.
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Die
Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, die Temperatur der vorderen
Seite der Platte zu senken, um ihre Dimensionierung in Überdrehzahl
zu erleichtern, ihre Lebensdauer zu erhöhen und einen wirtschaftlichen
Werkstoff verwenden zu können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass diese Vorrichtung
ferner eine Umleitung zwischen dem ersten Kreis und dem hinter dem
zweiten Labyrinth befindlichen, inneren abgeschlossenen Raum aufweist,
wobei diese Umleitung eine dritte Luftmenge zur Kühlung der
vorderen, oberen Seite des radial inneren Teils dieser Platte abgibt,
wobei diese dritte Luftmenge mittels zusätzlicher Einspritzdüsen vorab in
Umlauf versetzt wird.
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Diese
dritte, vorab in Bewegung versetzte und hinter dem unter den Haupteinspritzdüsen befindlichen
Labyrinth eingespritzte Luftmenge macht es auf diese Weise möglich, die
relative Gesamttemperatur der Luft, die gerade die vordere Seite
der Platte hinter dem zweiten Labyrinth gekühlt hat, zu verringern. Diese
dritte Luftmenge mischt sich mit der Leckmenge des unter Einspritzdüsen befindlichen Labyrinths
und wird hinter den Haupteinspritzdüsen der Turbine in den Versorgungskreis
für die
Hochdruckturbinenräder
abgezogen.
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So
ist die in den Versorgungskreis des Turbinenrads eingespritzte Luft
kälter
als die nach dem Stand der Technik eingespritzte Luft.
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Vorteilhafterweise
sind die zusätzlichen
Einspritzdüsen
als Durchbohrungen ausgeführt,
die tangential in der Drehrichtung des Rotors geneigt sind.
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Vorzugsweise
wird durch diese Durchbohrungen von den Haupteinspritzdüsen Luft
entnommen und diese unmittelbar hinter dem zweiten Labyrinth abgegeben.
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Weitere
Vortetile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
hervor, die als Beispiel gilt und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt:
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1 ist
ein axialer Halbschnitt eines Hochdruckturbinenrotors eines Turbotriebwerks
und zeigt die Kühlungsluftkreise
nach dem Stand der Technik,
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2 ist
ein axialer Halbschnitt eines Hochdruckturbinenrotors eines Turbotebwerks
mit der erfindungsgemäßen Luftkühlungsvorrichtung,
und
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die 3 bis 5 zeigen
die Temperaturentwicklungen der Bohrung der vorderen Platte in Abhängigkeit
von dem Spiel des Ablasslabyrinths des Verdichters bzw. des sich
unter den Einspritzdüsen
befindenden Labyrinths bzw. des Labyrinths über den Einspritzdüsen mit
einer klassischen Luftkühlungsvorrichtung
und mit einer erfindungsgemäßen Luftkühlungsvorrichtung.
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Der
in 1 dargestellte Stand der Technik wurde in der
Einführung
diskutiert und erfordert keine weiteren Erklärungen.
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2 zeigt
einen Turbinenrotor 1, der sich von dem in 1 gezeigten
dadurch unterscheidet, dass der abgeschlossene Raum 23,
der sich hinter dem zweiten Labyrinth 22 befindet, einerseits
durch ein Luftleck C2c aus dem abgeschlossene Raum 14 über das
zweite Labyrinth 22 und andererseits durch eine Luftmenge
C1a, die von einer Umleitung abgegeben wird, die zwischen der Leitung 13,
die die erste Luftmenge C1 abgibt, und dem abgeschlossenen Raum 23 ausgeführt ist,
mit Luft versorgt wird. Die Umleitung wird von einer Vielzahl von
Durchbohrungen 30 gebildet, die einerseits am Einlass der
Haupteinspritzdüsen 15 und
andererseits in dem abgeschlossenen Raum 23 unmittelbar
hinter dem zweiten Labyrinth 22 münden. Die Durchbohrungen 30 sind
zylinderförmig
und tangential in der Drehrichtung des Turbinenrotors 1 geneigt.
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Wie
in 2 zu sehen ist, hat der radial innere Teil 31 der
Platte 5 eine massive Form und erstreckt sich axial zur
Vorderseite des Triebwerks, und zwar bis zu dem radial verlaufenden
Flansch 5a, der dazu dient, sie am hinteren Ende 6 des
hinteren Konus 7 des Verdichters zu befestigen. Das Labyrinth 22,
das sich unter den Einspritzdüsen 15 befindet,
ist an der Außenumfangslinie
des radial verlaufenden Flanschs 5a angeordnet. Die Durchbohrungen 30 sind
im Wesentlichen radial und zur oberen Seite 32 des radial
inneren Teils der Platte 5 hin gerichtet.
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Dadurch,
dass die Durchbohrungen 30 in der Drehrichtung des Turbinenrotors 1 geneigt
sind, hat die von den Durchbohrungen 30 abgegebene Luftmenge
C1a eine verhältnismäßig niedrige
Gesamttemperatur im Vergleich zu der Kühlungsluft in den gleichen
Bereichen gemäß dem Stand
der Technik.
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Der
Temperaturvorteil kann auf etwa 30 °C geschätzt werden. Die Luftmenge C1a
mischt sich mit der Leckmenge C2c des unter den Einspritzdüsen befindlichen
Labyrinths 22 und wird hinter den Haupteinspritzdüsen 15 in
den Versorgungskreis des Turbinenrades abgezogen.
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Wie
in 2 zu sehen ist, enthält der radial verlaufende Flansch 5a keine Öffnungen,
um die ringförmige
Kammer 33 zu speisen, die sich zwischen dem radial inneren
Teil 31 der Platte 5 und dem vorderen Flansch 3a der
Turbinenscheibe 3 befindet, da die dritte Luftmenge C1a
ausreicht, um alleine die Kühlung
der gesamten Platte 5 zu gewährleisten.
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Die
so vorab mitgenommene Luft, die zur Kühlung der Schaufeln in den
Versorgungskreis des Turbinenrades eingespritzt wird, ist kühler als
die Kühlungsluft
der Schaufeln bei einer klassischen Kühlung. Der Temperaturvorteil
kann auf 15 °C
geschätzt
werden, was einem spezifischen Verbrauchsvorteil von ca. 0,06 %
entspricht.
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Ferner
wird die von den Durchbohrungen 30 abgegebene Kaltluftmenge
C1a nicht durch die Schwankungen der Spiele der in der Umgebung
angeordneten Labyrinthe beeinflusst, da diese Menge durch die Durchbohrungen 30 kalibriert
wird.
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3 zeigt
mit gestrichelter Linie die Entwicklung der Temperatur der Bohrung 31 der
Platte 5 bei einer klassischen Luftkühlung des Turbinenrotors, und
mit durchgezogener Linie die Entwicklung der Temperatur an der gleichen
Stelle mit der erfindungsgemäßen Luftkühlungsvorrichtung
in Abhängigkeit
vom Spiel des Ablasslabyrinths 18, in mm ausgedrückt.
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Es
ist festzustellen, dass die Entwicklung dieser Temperatur mit der
erfindungsgemäßen Luftkühlungsvorrichtung
im Wesentlichen konstant und immer niedriger als die an dieser Stelle
mit einer klassischen Luftkühlung
erzielte Temperatur ist.
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4 zeigt
die Entwicklung der Temperatur der Bohrung 31 der Platte 5 in
Abhängigkeit
vom Spiel des unter den Haupteinspritzdüsen 15 befindlichen
Labyrinths 22 mit einer klassischen Luftkühlung (gestrichelte
Kurve) und mit einer erfindungsgemäßen Luftkühlungsvorrichtung.
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Es
ist ebenfalls festzustellen, dass bei ansonsten gleichen Bedingungen
die Temperatur in diesem Bereich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im
Wesentlichen konstant und niedriger als die mit einer klassischen
Luftkühlung
erzielte Temperatur ist.
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5 zeigt
die Entwicklung der Temperatur an der gleichen Stelle der Platte
in Abhängigkeit
vom Spiel des dritten Labyrinths 24 bei einer klassischen Luftkühlung (gestrichelte
Kurve) und bei einer Luftkühlung
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Temperatur in diesem Bereich ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Wesentlichen konstant.
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Dadurch,
dass die Temperatur der Platte 5 im Bereich des dritten
Labyrinths 24 mit der erfindungsgemäßen Luftkühlungsvorrichtung im Wesentlichen konstant
und niedriger als die mit einer klassischen Luftkühlung erzielte
Temperatur ist, wird die Platte 5 weniger durch thermische
Spannungen beansprucht und kann aus einem weniger teuren und leichter
zu bearbeitenden Werkstoff hergestellt werden.