DE2610783C3 - Einrichtung zur Stabilisierung der Strömung durch Radialbohrungen in rotierenden Hohlzylindern, insbesondere in Hohlwellen von Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stabilisierung der Strömung durch Radialbohrungen in rotk -enden Hohlzylindern, insbesondere in Hohlwellen ven Gasturbinen, bei der ein gasförmiges Medium aus e.nem feststehenden, den Hohlzyiinder umschließenden, ringförmigen Raum über düsenförmige, radiale öffnungen in der Wandung des rotierenden Hohlzylinders in das Innere desselben übertritt

Eine derartige Anordnung ist für den Anwendungsfal! einer Gasturbine aus der DT-OS 20 47 648 bekannt. Dabei soll beispielsweise Kühlluft von einem die Gasturbine umgebenden feststehenden Raum über Radialbohrungen in der Welle in axiale Kühlgaskanäle innerhalb der Welle gefördert werden. Um dabei nun einen möglichst optimalen und verlustarmen Übergang der Strömung vom feststehenden auf den rotierenden Teil zu erreichen, sind die Radialbohrungen düsenförmig ausgebildet und mit entsprechenden Leitvorrichtungen versehen.

Diese Leitvorrichtungen und Düseneinsätze sowie die Größe der radialen Öffnungen müssen jedoch schon bei der Konstruktion der Maschine in ihren Abmessungen auf den wahrscheinlichen Gasdurchsatz genau abgestimmt werden. Ergeben sich nun während des Betriebes Unterschiede in den Durchsatzmengen und dadurch Strömungsinstabilitäten, so ist eine nachträgliche Anpassung meist nur sehr schwer möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der die Strömung durch derartige radiale Öffnungen stabilisiert wird und mit Jer auch nachträglich noch eine einfache Anpassung an auftretende Durchsatz- oder Strömungsänderungen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ausgehend von einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemaß vorgesehen, daß in dem feststehenden, ringförmigen Raum ein feststehender Ring angeordnet ist. der sich in radialer Richtung von der Außenwandung des Ringraumes bis dicht an die Oberfläche des Hohlzynnders im Bereich der radialen Öffnungen derart erstreckt, daß die radialen Öffnungen teilweise von dem in der einen Stirnseite des Ringraumes her zuströmenden Medium abgedeckt sind.

Durch diese Anordnung eines festehenden Ringes

lu wird ein Teil des freien Querschnittes der radialen Öffnungen abgedeckt so daß dadurch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit innerhalb dieser Bohrungen erreichbar ist wodurch Strömungsinstabilitäten sicher vermieden werden können.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn der Ring scheibenförmig ausgebildet ist und eine Dichtspitze an seinem Innenumfang aufweist Es ist aber auch möglich, daß der Ring an seinem lnnenuctfang einen sich in radi-.ilcr Richtung erstreckenden, die Öffnungen teilweise üuerdeckenden, zylindrischen Ansatz mit mehreren Dichtspitzen auf dessen Innenseite aufweist

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der L findung sind in den Unteransprüchen genannt.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau

und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 und 2 einen Längsschnitt und einen entsprechenden Querschnitt durch die Wandung eines rotierenden Hohlzyliiiders mit feststehendem Gaszuführungs-

jo raum herkömmlicher Bauart zut Erläuterung der Strömuiigsverhältnisse in den Radialbohrungen,

F i g. 3 einen Teillängsschnitt durch eine Anordnung entsprechend F i g. 1 mit einem scheibenförmig ausgebildeten Ring zur Teilabdeckung der Radialbohrungen

)5 und

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer abgewandelten Form des abdeckenden Ringes.

In der Technik gibt es vielfach Fälle, in denen ein gasförmiges Medium von einem ruhenden System durch mehrere am Umfang angeordnete Radialbohrungen eines rotierenden Zylinders von außen nach innen strömt Als Beispiel zeigen Fig. 1 und 2 die Einström partie des Kühlluftstromes in das Innere einer Gasturbinenhohlwelle 1. Die Kühlluft gelangt dabei durch Bohrungen 2 des feststehenden Gehäuses 3 in einen Ringraum 5, der die Welle 1 umgibt. In diesem Ringraum 3 besitzt die Strömung keine wesentliche Umfangskomponente. Von hier aus strömt das gasförmige Medium dann durch eine Vielzahl von am Umfang der Welle 1 angeordneten Radialbohrungen 5 in das Innere 6 der Hohlwelle 1.

Aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Hohlzylinders 1 weist die Anströmgeschwindigkeit relativ zur Bohrung eine Umfangskomponente unmittelbar am Eintritt in die Radialbohrung 5 auf. Dagegen hat die Geschwindigkeit innerhalb der Bohrung eine nur vorwiegend radiale Komponente, wenn das Verhältnis von Tiefe zum Durchmesser der Bohrung groß genug ist. Das bedeutet theoretisch, daß die Relativgeschwindigkeit innerhalb der Bohrung aus Kontinuitätsgründen niedriger ist als die relative Anströmgeschwindigkeit unmittelbar vor der Bohrung. Diese Verzögerung der Geschwindigkeit ist — je nach Form der Bohrung — nur bis zu einem geringen Grad möglich, und es kann

h^r) dadurch zu Strömungsablösungen kommen, wie das durch das schraffierte Feld 7 im Bohrungsquerschmu 5 nach F i g. 2 angedeutet ist. Das Strömungsmedium innerhalb dieser abgelösten Zone 7 steht dabei in einem

anderen Gleichgewicht als die Hauptströmung durch die Bohrung. Aufgrund der angreifenden Fliehkräfte will dieses Medium durch die Einströmung hindurch v.ieder nach außen durchbrechen. Dieser Umstand bewirkt in Bereichen relativ kleinen Volumenstromes durch die Bohrungen bezogen auf die Umfangsgeschwindigkeit der Bohrungen ein instabiles Gleichgewicht. Das kann zu einem Pulsieren der Strömung führen, das sich darin äußert, daß eine Woge erhöhten Volumenstromes einerseits, eines verringerten oder gar negativen Volumenstromes andererseits am Um sing von Bohrung zu Bohrung springt und somit mit >. Tier bestimmten Frequenz umläuft Diese umlaufende W?ge ist mit einer umlaufenden Druckwelle im Ringraum 4 verbunden, die eine Schwingungsanregung bedeutet und normalerweise vermieden werden solL

Diese Instabilität der Strömung kann dabei durch Anpassung der Summe der Querschnitte der Radialbohrungen 5 am Umfang an den gegebenen Volumenstrom und die gegebene Druckdifferenz zwischen dem Ringraum 4 und dem Inneren 6 der Hohlwelle 5 an den Bohrungen vermieden werden. Außerdem läßt sich mit der Form der Bohrungen die Strömungsablösung innerhalb der Bohrungen vermeiden oder verringern. Diese Möglichkeiten werden auch beim Neubau beispielsweise einer Gasturbine angewendet Jedoch bleibt die Voraussage über das instabile Verhalten unsicher. Die Notwendigkeit einer späteren Anpassungsmöglichkeit ergibt sich außerdem häufig aus Änderungen der Betriebsweise der Maschine gegenüber der Planung. Eine nachträgliche Anpassung der Bohrungen selbst ist jedoch oft nur durch einen teuerer. Ersatz von Maschinenteilen, verbunden mit aufwendigen Montagen oder langen Betriebsausfallzeiten möglich.

Eine nachträgliche Anpassung zur Vermeidung .on

Instabilster wird von geringerem Aufwand sein, wenn die ro'J renden Teile und die Bohrungen selbst unverändert bleiben. Wie aus den Fig.3 und 4 zu ersehen ist, erfolgt nach der Erfindung die Anpassung an die tatsächlichen Strömungsbedingungen durch Abdekken en isprechender Teile der Bohrungen 5. Dazu ist beispielsweise nach Fig.3 im Ringraum 4 ein am feststehenden Gehäuse 3 befestigter Ring 8 vorgesehen, dessen Innenumfang gegenüber der rotierenden We;ie eiEe Dichtspitze 9 aufweist und oberhalb der Radialbohrungen 5 endet Dabei ist es erforderlich, daß die Eintrittsöffnung 2 für das zuzuführende gasförmige Medium in den Ringraum 4 auf der nicht abgedeckten Seite der Radialbohrungen 5 liegt, so daß eine direkte Einströmung in diese Bohrungen 5 möglich ist

Eine weitere Möglichkeit ist in Fig.4 gezeigt; dabei ist eiR Ring 10 mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden zylindrischen Ansatz 11 am feststehenden Gehäuse 3 befestigt, wobei der zylindrische Ansatz 11 auf seiner Innenseite mehrere Dichtspitzen 12 aufweist Auch hierdurch wird ein Teil des freien Einströmquerschnittes der Radialbohmngen 5 abgedeckt

Die Wirkung dieser Querschnittsabdeckung besteht nun darin, daß die Geschwindigkeit in den verbleibenden Eintrittsquerschnitten der Radialbohmngen 5 durch diese Verengung so weit erhöht wird, daß sie größenordnungsmäßig in ein ausreichendes Verhältnis zur relativen Anströmgeschwindigkeit der Bohrungen gesetzt wird. Damit werden Strömungsablösungen im Einströmquerschnitt vermieden und nachfolgende evtl. noch auftretende Ablösungsgebiete in den Bohrunge;. 5 selbst vermögen nicht durch den Eintrittsquerschnitt nach außen hindurchzubrechen. Damit können also Schwingungen im Ringraum 4 sicher vermieden werden.

Hierzu 1 EJIatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Anordnung zur Stabilisierung der Strömung durch Radialbohrungen in rotierenden Hohlzylindern, insbesondere in Hohlwellen von Gasturbinen, bei der ein gasförmiges Medium aus einem feststehenden, den Hohlzylinder umschließenden, ringförmigen Raum über düsenförmige, radiale Öffnungen in der Wandung des rotierenden Hohlzylinders in das Innere desselben überliitt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem feststehenden, ringförmigen Raum (4) ein feststellender Ring (8, 10) angeordnet ist, der sich in radialer Richtung von der Außenwandung {3) des Ringraiimes (4) bis dicht an die Oberfläche des Hohlzylinder' (1) im Bereich der radialen Öffnungen (5) derart erstreckt, daß die radialen Öffnungen (5) teilweise von dem von der einen Stirnseite (2) des Ringraumes (4) her zuströmenden Medium abgedeckt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (8) scheibenförmig ausgebildet ist und eine Dichtspitze (9) an seinem Innenumfang aufweist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (10) an seinem Innenumfang einen sich in radialer Richtung erstreckenden, die Öffnungen (5) teilweise überdeckenden, zylindrischen Ansäte (11) mit mehreren Dichtspitzen (12) auf seiner Innenseite aufweist.