DE19705442A1 - Turbinen-Laufradscheibe mit Kühlluftkanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinen-Laufradscheibe mit von der Scheiben­ stirnseite ausgehenden Kühlluftkanälen, die in den Scheibennuten, in wel­ che luftgekühlte Turbinenschaufeln eingesetzt sind, münden. Zum techni­ schen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 29 47 521 A1 und die DE 34 44 586 A1 verwiesen.

Bei Verwendung gekühlter Turbinenschaufeln, insbesondere in Gasturbinen, hat sich die Kühlluftzufuhr über Kanäle in den Turbinen-Laufradscheiben grundsätzlich bewährt. Auch kann auf diese Weise einer zweiten Turbinen- Laufradscheibe, die einer ersten Laufradscheibe nachgeordnet ist, Kühlluft zugeführt werden, indem ein Teil des in die Scheibennuten der ersten Laufradscheibe gelangenden Kühlluftstromes über diese Scheibennuten quasi nach hinten in den Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Laufradscheibe abgeführt wird. Hierzu können in den sog. Schließplatten, welche die in die Scheibennuten eingesetzten Schaufeln sichern, entspre­ chende Durchtrittsöffnungen vorgesehen sein.

Es kann problematisch sein, einen ausreichend großen Kühlluftstrom in die jeweilige Scheibennut zu fördern, insbesondere wenn ein Teil dieses Kühl­ luftstromes auch noch für die Kühlung einer nachfolgenden Turbinen- Laufradscheibe verwendet werden soll. Ein im Nutengrund der Scheibennut mündender Kühlluftkanal kann nämlich hinsichtlich seiner Querschnittsflä­ che nicht beliebig groß gestaltet werden, da sich in diesem Mündungsbe­ reich die räumlichen Felder der einzelnen Spannungskonzentrationen für die Umfangsspannungen überlagern und örtlich stark überhöhte Span­ nungsamplituden hervorrufen können, was im Hinblick auf die Betriebs- Dauerfestigkeit unerwünscht ist.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Scheibennut zumindest zwei jeweils von der gleichen Scheibenstirnseite ausgehende Kühlluftkanäle münden. Vorteilhaf­ te Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügten Prinzipskiz­ zen verwiesen, wobei in Fig. 1 ein Teil-Längsschnitt und in Fig. 2 eine Teil- Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbinen-Laufradscheibe gezeigt ist.

Fig. 3 dient der Erläuterung der physikalischen Zusammenhänge und zeigt in einem Diagramm die Spannungskonzentration (aufgetragen auf der Ordi­ nate) als Funktion des auf der Abszisse aufgetragenen dimensionslosen Lochabstandes P/D bei einer Reihenanordnung von Löchern mit dem Durchmesser D, die um das Maß P voneinander beabstandet sind.

In den Fig. 1, 2 ist mit der Bezugsziffer 1 eine Laufradscheibe insbesondere einer Gasturbine bezeichnet, die an ihrem Außenumfang wie üblich eine Vielzahl von jeweils ein Tannenbaumprofil aufweisenden Scheibennuten 2 besitzt, in welche jeweils eine Turbinenschaufel 3 eingesetzt ist. Jede Turbi­ nenschaufel 3 ist luftgekühlt, d. h. in jeder Turbinenschaufel 3 sind nicht dargestellte Kühlluftkanäle vorgesehen, in welche von der Scheibennut 2 aus ein Kühlluftstrom eintreten kann.

In jede Scheibennut 2 gelangt dieser Kühlluftstrom über zumindest zwei Kühlluftkanäle 4, die von der Scheibenstirnseite 1a ausgehen - die entspre­ chende Mündungsöffnung ist mit der Bezugsziffer 7b bezeichnet - und im Inneren der Scheibe zur jeweiligen Scheibennut 2 geführt sind, wo sie im Nutengrund 2a münden (Mündungsöffnung 7a). Es liegt auf der Hand, daß über zumindest zwei Kühlluftkanäle 4, die von der gleichen Scheibenstirnsei­ te 1a ausgehen, und die jeweils eine gewisse Querschnittsfläche Q besitzen, ein betragsmäßig größerer Kühlluftstrom herangeführt werden kann, als über einen einzigen Kühlluftkanal 4 mit der gleichen Querschnittsfläche Q, wie dies im Stand der Technik bekannt und üblich ist. Zwar wäre es grundsätz­ lich auch möglich, einen einzigen Kühlluftkanal 4 mit einer dementsprechend größeren Querschnittsfläche (beispielsweise 2 × Q) vorzusehen, jedoch würde die dementsprechend größere Mündungsöffnung 7a eines derart gro­ ßen Kühlluftkanales im Nutengrund 2a erhebliche Spannungsspitzen hervor­ rufen, die größer sind als die von den Mündungsöffnungen 7a zweier dem­ entsprechend kleinerer Kühlluftkanäle 4 hervorgerufenen Spannungsspit­ zen.

Die entsprechenden physikalisch-theoretischen Zusammenhänge seien kurz anhand von Fig. 3 erläutert:

Gezeigt ist zunächst die Aufsicht auf ein Bauteil 10, in welchem eine Reihe von Löchern 11, die jeweils den Durchmesser D besitzen, vorgesehen ist. Die einzelnen Löcher 11 sind dabei um daß Maß P voneinander beabstan­ det. Die Hauptspannungsrichtung längs der Reihe von Löchern 11 ist durch den Pfeil 12 dargestellt. Im Diagramm nach Fig. 3 ist nun der Spannungs­ konzentrationsfaktor auf der Ordinate und auf der Abszisse der dimensions­ lose Lochabstand P/D aufgetragen.

Man erkennt, daß der Spannungskonzentrationsfaktor mit abnehmendem dimensionslosem Lochabstand P/D ebenfalls geringer wird.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Querschnittsfläche Q auf die doppelte Anzahl von Bohrungen 7a in den Fig. 1,2 reduziert sich der Para­ meter P/D gemäß Fig. 3 auf das 0,707-fache seine ursprünglichen Wertes, so daß hierdurch auch der Spannungskonzentrationsfaktor entsprechend abnimmt.

Zusätzlich kann aus der örtlichen Verlagerung der Spannungsspitzen Nut­ zen gezogen werden, da die Orte der relativen Spannungsmaxima der Luft­ löcher und der Scheibennuten in Umfangsrichtung nun nicht mehr zusam­ menfallen.

Somit kann die sich aus der (potentialtheoretischen) Superpositionierung der einzelnen Spannungsfelder um Bohrung und Nut ergebende absolute Spit­ zenspannung in erheblichem Umfang reduziert werden, was im Hinblick auf die Dauerfestigkeit einer Turbinenlaufscheibe anzustreben ist.

Zurückkommend auf die konstruktive Ausführung der Erfindung ergibt sich eine hinsichtlich der Größe des erzielbaren Kühlluftstromes sowie im Hin­ blick auf die Schwächung der Laufradscheibe 1 durch die Kühlluftkanäle 4 günstige Kühlluftkanal-Anordnung, wenn in jeder Scheibennut 2 die Mün­ dungsöffnungen 7a der beiden Kühlluftkanäle 4 im wesentlichen in einer gemeinsamen zur Scheibenachse senkrechten Schnittebene nebeneinander liegen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn - wie die Teil-Ansicht auf die Schei­ benstirnseite 1a in Fig. 2 zeigt - für jede Scheibennut 2 die beiden Kühlluft­ kanäle 4 im wesentlichen spiegelbildlich zu sowie geneigt gegenüber einer in radialer Richtung von der nicht gezeigten Scheibenachse zur Mitte der Scheibennut 2 führenden Symmetrieebene 5 vorgesehen sind. Dabei kön­ nen die Längsachsen sämtlicher Kühlluftkanäle 4 linear oder beliebig gebo­ gen verlaufen, ebenso kann der Querschnitt dieser Kühlluftkanäle kreisför­ mig oder elliptisch oder sonstwie geeignet geformt sein.

Wie bereits eingangs erwähnt, kann ein Teil des in die Scheibennuten 2 die­ ser Laufradscheibe eingebrachten Kühlluftstromes dazu genutzt werden, eine dieser ersten Laufradscheibe 1 nachgeschaltete zweite Laufradscheibe (nicht gezeigt) mit Kühlluft zu versorgen. In den die Turbinenschaufeln 3 in der Laufradscheibe 1 fixierenden Schließplatten 6 können im Bereich der Scheibennuten 2 dementsprechende Durchtrittsöffnungen 9 für einen Teil- Kühlluftstrom vorgesehen sein, die jeweils über einen im Fuß der Turbinen­ schaufel vorgesehenen Kanal 9' mit einem sich an den Kühlluftkanal 4 an­ schließenden, im Schaufelfuß vorgesehenen Kühlluftkanal 4' verbunden sind.

Allgemein kann somit durch die hier gezeigte Verdopplung bzw. Vervielfa­ chung der in einer Scheibennut 2 mündenden Kühlluftkanäle 4 gegenüber dem bekannten Stand der Technik ein deutlich größerer Kühlluftstrom zum Fuß jeder Turbinenschaufel 3 geführt werden. Dabei führen die mehreren Mündungsöffnungen 7a der mehreren Kühlluftkanäle 4 zu deutlich geringe­ ren mechanischen Belastungen der Laufradscheibe 1, als dies ein einziger Kühlluftkanal mit einer dementsprechend großen Querschnittsfläche und somit einer dementsprechend vergrößerten Mündungsöffnung 7a verursa­ chen würde. Selbstverständlich sind dabei eine Vielzahl von Abwandlungen insbesondere konstruktiver Art vom gezeigten Ausführungsbeispiel möglich, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (4)

1. Turbinen-Laufradscheibe mit von der Scheibenstirnseite (1a) ausge­ henden Kühlluftkanälen (4), die in den Scheibennuten (2), in welche luftgekühlte Turbinenschaufeln (3) eingesetzt sind, münden, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Scheibennut (2) zumindest zwei jeweils von der gleichen Scheibenstirnseite (1a) ausgehende Kühlluftkanäle (4) münden.

2. Turbinen-Laufradscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Scheibennut (2) die Mün­ dungsöffnungen (7a) zweier Kühlluftkanäle (4) im wesentlichen in ei­ ner gemeinsamen zur Scheibenachse (8) senkrechten Schnittebene nebeneinander liegen.

3. Turbinen-Laufradscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Scheibennut (2) zwei Kühlluft­ kanäle (4) im wesentlichen spiegelbildlich zu sowie geneigt gegen­ über einer in radialer Richtung von der Scheibenachse (8) zur Mitte der Scheibennut (2) führenden Symmetrieebene (5) vorgesehen sind.

4. Turbinen-Laufradscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der über einen der in jeder Scheibennut (2) mündenden Kühlluftkanäle (4) herangeführte Kühlluftstrom bevor­ zugt zur Kühlung einer zweiten dieser Turbinen-Laufradscheibe (1) nachgeordneten Turbinen-Laufradscheibe herangezogen wird.