DE865690C

DE865690C - Cooling air supply pn overhung single-ring gas turbines with HoM blade cooling

Info

Publication number: DE865690C
Application number: DENDAT865690D
Authority: DE
Inventors: Berlin-Adlershof und DioL-Ing. Christian Schörner. Berlin-Adlershof DioL-Ir^. Ulrich Rohr
Original assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Current assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Publication date: 1952-12-18

Description

Kühlluftzufuhr an fliegend angeordneten einkränzigen Gasturbinen mit Hohlschaufelkühlung Bei Gasturbinen für hohe Eintrittstemperaturen und Beanspruchungen ist es wegen der beschränkten Werkstoffestigkeit und hohen Temperatur notwendig, die besonders heißen Bauteile zü külilc». Eine einfache und wirksame Art zur Gestaltuni von Läufern ausreichender Lebensdauer, namentlich für Gasturbinen in Flugzeugtriebwerken, stellt die Turbine mit hohlen Laufschaufeln und hohlem Radkörper dar, deren Versorgung mit Kühlluft auf einfache Weise durch die Schleuder%virkung beim Umlauf des Rades erfolgt.Cooling air supply to overhung single-ring gas turbines with Hollow blade cooling For gas turbines for high inlet temperatures and loads it is necessary because of the limited material strength and high temperature, the particularly hot components zü külilc ». A simple and effective way of gestalt uni of rotors with a sufficient service life, in particular for gas turbines in aircraft engines, represents the turbine with hollow rotor blades and hollow wheel center, their supply with cooling air in a simple way through the centrifugal effect when the wheel rotates he follows.

Die Betriebssicherheit solcher Gasturbinen hängt in erster Linie von der erreichbaren Kühlung durch die durchgepumpte Kühlluft ab; sie kann durch geeignete Gestaltung der Kühl luftquerschnitte in der hauptsächlich zu kühlenden Schaufel wesentlich gesteigert «erden und wird in erster Linie maßgebend vom Kühlluftdurchsatz beeinflußt. Dieser ist bei gegebenen Abmessungen des Läufers durch die Drehzahl und Ansaugdichte innerhalb gewisser, durch die Güte der Verdichtung und strömungstechnischen Gestaltung der Querschnitte festgelegten Grenzen gegeben, wird aber auch-besonders stark durch Wärmezufuhr von außen (Beheizung des Laufrades) vermindert.The operational safety of such gas turbines depends primarily on the achievable cooling through the pumped cooling air; they can through appropriate Design of the cooling air cross-sections in the blade that is mainly to be cooled significantly increased «and is primarily determined by the cooling air throughput influenced. Given the dimensions of the rotor, this is due to the speed and suction density within certain, by the quality of compression and fluidic Design of the cross-sections given limits set, but is also-special greatly reduced by the supply of heat from the outside (heating of the impeller).

Eine ge,%vichtlich leichte Ausführung für Frisch-und Abgasturbinen, insbesondere für Luftfahrttriebwerke, besteht aus einem einkränzigen, fliegend angeordneten Laufrad i, "vie es die Abb. i zeigt, das die Kühlluft auf der freien Radstirnseite ansaugt. Da die Stirnseite des Gehäuses sowohl für (las nach Arbeitsleistung austretende Abgas als auch für den Zutritt der Läuferkühlluft vorgesehen und außerdem der Einbau des Läufers gut durchführbar sein muß, erscheint es zweckmäßig, in das tonnenartige Gehäuse 2 einen Boden einzusetzen, der aus einem Ringkörper 3 für die Zufuhr der Kühlluft besteht, der sich über Speichen q gegen den außen zentrierenden Ring 5 abstützt, wobei die Abgase zwischen den Speichen hindurch in den eigentlichen Abgaskrümmer 6 einströmen.A very light design for fresh and exhaust gas turbines, especially for aerospace engines, consists of a single ring, flying arranged Impeller i, as shown in Fig. I, that the cooling air on the free wheel face sucks. Since the front of the housing is both for (read after work output Exhaust gas as well as for the inlet of the rotor cooling air and also the installation of the runner must be easy to carry out, it seems expedient to move into the barrel-like Housing 2 use a bottom, which consists of an annular body 3 for the supply of the There is cooling air, which spreads via spokes q against the outer centering ring 5 supported, the exhaust gases between the spokes through into the actual exhaust manifold 6 flow in.

Die grundsätzliche Schwierigkeit besteht darin, die beiden Gasströme verschiedener Temperatur an der Stirnseite so aneinander vorbeizuführen, daß die Kühlluft, die die Betriebssicherheit sicherstellt und maßgebend für die Lebensdauer des Läufers ist, von den glühenden Wandteilen nicht unnötig aufgeheizt wird. Man hat zwar schon verschiedentlich versucht, die Wärmeabstrahlung heißer Gehäuseteile auf Lager und andere lebenswichtige Teile durch Anordnung von Strahlungsschirmen und Bespülung der entstehenden Zwischenräume durch Kühlluft zu vermindern. Bei Hohlschaufelläufern für hohe thermische und mechanische Ansprüche genügen diese bekannten Maßnahmen nicht, es muß vielmehr jede unnötige mittelbare oder unmittelbare Wärmeaufnahme der Kühlluft selbst vermieden werden, um den durch Schleuderwirkung beim Umlauf des Rades jeweils möglichen Durchsatz nicht zu beeinträchtigen. Denn die Wandtemperaturen der heißesten Bauteile (Laufschaufeln) im Betrieb als Maßstab für die Betriebssicherheit bei der durch die Betriebsbedingungen gegebenen Beanspruchung des Werkstoffes wird maßgebend beeinflußt: i. durch die Kühlluftmenge als entscheidender Faktor für die Wärmeübergangszahl von Kühlmittel an die Schaufelwand (bei besonderer Ausbildung der Kühlluftquerschnitte innerhalb der Schaufel kann die Kühlwirkung bekanntlich noch wesentlich gesteigert werden), 2. durch die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in die Schaufelung (die auftretende Temperaturzunahme bis dorthin erfolgt durch Aufheizung von heißen Gehäuseteilen vor dem Eintritt in das Rad, durch die Verdichtung innerhalb des Rades sowie durch Wärmeaufnahme innerhalb des Rades von seiten der heißeren Scheibenwände).The basic difficulty is the two gas streams different temperature on the front side so past each other that the Cooling air that ensures operational safety and is decisive for the service life of the runner is not unnecessarily heated up by the glowing wall parts. Man has tried several times to prevent heat from hot housing parts in stock and other vital parts by arranging radiation screens and to reduce the purging of the interstices with cooling air. With hollow blade rotors These known measures are sufficient for high thermal and mechanical requirements not, there must rather be any unnecessary direct or indirect absorption of heat the cooling air itself can be avoided in order to avoid the centrifugal effect during circulation not to impair the possible throughput of the wheel. Because the wall temperatures the hottest components (blades) in operation as a benchmark for operational safety at the stress on the material given by the operating conditions significantly influences: i. by the amount of cooling air as a decisive factor for the Heat transfer coefficient from coolant to the blade wall (with special design the cooling air cross-sections within the blade can, as is well known, the cooling effect can still be increased significantly), 2. by the temperature of the coolant at Entry into the shovel (the temperature increase that occurs up to this point by heating up hot housing parts before entering the wheel, through which Compression within the wheel as well as through heat absorption within the wheel of sides of the hotter pane walls).

Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß insbesondere zur Erhöhung der Kühlluftdurchsatzmenge durch den Hohlschaufelläufer vor der freien Stirnseite dieses Läufers ein gekühlter Ringkörper von im wesentlichen gleichem Außendurchmesser wie das Laufrad angeordnet ist, der sich mittels Speichen gegen das Turbinengehäuse abstützt und die Kühlluft aus dem Fahrtwind mittels bekannter Auffangkrümmer zugeführt wird.Accordingly, the invention is that in particular to increase the amount of cooling air through the hollow blade rotor in front of the free face this rotor is a cooled ring body of essentially the same outer diameter how the impeller is arranged, which is positioned against the turbine housing by means of spokes and the cooling air is supplied from the airstream by means of a known collecting manifold will.

Durch die in vorliegender Erfindung vorgeschlagene Kühlung des obenerwähnten Ringkörpers 3 wird erreicht, daß erstens die Kühlluft sich an den dadurch kälteren Wänden vor und in dem Rad nicht so aufheizen kann, weil das Laufrad haupcs;ichlicl, @l"rcl, die wesentlich vermindel-i(, @@'ärmceinstr;tl,l,",:; "icllt so heiß wird, und daß zweitens infol(.Irr bei gegebener Gestaltung. Drehzahl und :\"s;",:,@lidtte festliegenden Druckerhöhung des 1ü1,1:;;,:(-: (@i,l höherer Durchsatz durch Schleu(lcl-\\ irl<""#, b(-in, Umlauf möglich ist als bei starker gleicllr.@iti@r \\',il-meatlfnahlne der Kühlluft bis vor die #scl,auit-l".The cooling of the above-mentioned ring body 3 proposed in the present invention ensures that, firstly, the cooling air cannot heat up on the walls in front of and in the wheel, which are colder as a result, because the impeller is mainly i (, @@ 'ärmceinstr; tl, l, ",:;" icllt gets so hot, and secondly infol (.Irr with given design. speed and: \ "s;",:, @ lidtte fixed pressure increase of the 1ü1 , 1: ;;,: (-: (@ i, l higher throughput through Schleu (lcl - \\ irl <""#, b (-in, circulation is possible than with strong same. @ Iti @ r \\ ' , il-meatlfnahlne the cooling air up to the # scl, auit-l ".

Um den Ring):öl-I)er, rlusson I)ul-climesser int wesentlichen gleich dr,l, I @"rc llmcsscr des Gasturbinenrades ist, auch wirksa", att kiihlen und eine möglichst gute Ausbeute der g@sdlil@lcrten Wirkungen zu erhalten, ist ein entsl@redlc"@I großer Kühlluftdurchsatz erforderlich, fiil- (1u" bei Luftfahrttriebwerken kein statisches Gefall(, \-,>t-handen ist. Man kann aber hierzu den Flugwin(lstatt ausnutzen und die Ringkörperkühlluft gleichzeitig, wie in der Abbildung als Ausführungsbeispiel gezeigt, in einem Mantelrohr 8 entlang des eigentlichen Zuführungsrohres 7 der Radkühlluft lassen, so daß dieses vor Wärmeeinstrahlung voll den heißen Gehäuseteilen geschützt ist, wodurch wieder mittelbar eine weitere Senkung der Schaufelwand-. temperatur durch Senkung der Kühlmitteleintrittstemperatur erreicht wird. Vorteilhaft zur Untelstützung der obigen Maßnahmen ist ferner die Anordnung eines Strahlungsschirmes 9, der durch Rippen 9a gehalten ist, um beide kühlluftdurchströmte Rohre j und ä, welche, als Leitblech für den aufgestauten Flugwind eingebaut, im Sinne des eingezeichneten Pfeiles io eine wirksame Belüftung des Abgaskammerinnenteilg (mit den möglichst kalt zu haltenden Kühlluftzufuhrrohren) hervorruft. Zur Erhöhung des Kühlluftdurchsatzes durch den Ringkörper ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, die kinetische Energie der das Schaufelgitter verlassenden Treibgase dadurch auszunutzen, daß an den Löchern oder Schlitzen i i der mit tropfenförmigem Querschnitt versehenen hohlen Speichen q. die Ringkörperkühlluft durch Impulsübertragung der schnell vorbeiströmenden Abgase beschleunigt wird. Wenn es auch erwünscht ist,. daß, dadurch die Tropfspeichen mitgekühlt werden (für andere Aufgabenstellungen wurden schon zu diesem Zweck ähnliche Anordnungen vorgeschlagen), so ist als entscheidendes Merkmal zu beachte, daß durch die auftretenden günstigen Verhältnisse' für die Übertragung des im Abgasstrom verfügbaren Impulses ein Unterdruck an den Zumischöffnungen entsteht, der die Kühlluftförderung durch die Ringkammer 3 wesentlich unterstützt. Durch Weglassen der Dichtungen 12 kann außerdem erreicht werden, daß ein Teil des aufgestauten Fahrtwindes längs der freien Laufradstirnseite strömt und diese zusätzlich wirksam kühlt.Around the ring): oil-I) he, rlusson I) ul-climesser int essentially the same dr, l, I @ "rc llmcsscr of the gas turbine wheel is, also effective", att cool and a Obtaining the best possible yield of the g @ sdlil @lcrten effects is a desl @ redlc "@I large cooling air throughput required, fiil- (1u "for aircraft engines no static gradient (, \ -,> t-hand. You can, however, use the flight win (l instead of and the ring body cooling air at the same time, as shown in the figure as an exemplary embodiment shown, in a jacket tube 8 along the actual supply pipe 7 of the wheel cooling air leave, so that this fully protected the hot housing parts from heat radiation is, whereby again indirectly a further lowering of the blade wall. temperature is achieved by lowering the coolant inlet temperature. Advantageous for support the above measures is also the arrangement of a radiation shield 9, which by Ribs 9a is held to both tubes j and ä through which cooling air flows, which, as Built-in guide plate for the pent-up air wind, as shown Arrow io an effective ventilation of the exhaust chamber inner part (with the possible cooling air supply pipes to be kept cold). To increase the cooling air throughput according to the invention, the ring body also provides for the kinetic energy to exploit the propellant gases leaving the blade grille that at the holes or slots i i of the teardrop-shaped cross-section hollow spokes q. the ring body cooling air through the impulse transmission of the rapidly flowing exhaust gases is accelerated. If so desired. that, thereby also cooling the drip spokes (for other tasks, similar arrangements have already been made for this purpose suggested), the decisive feature to be observed is that the occurring favorable conditions' for the transmission of the momentum available in the exhaust gas flow a negative pressure arises at the admixing openings, which transports the cooling air through the annular chamber 3 supports significantly. By omitting the seals 12 can can also be achieved that part of the pent-up wind along the free The impeller face flows and also effectively cools it.

Es sei noch bemerkt, daß die durch die Kühlung des Ringkörpers bewirkte Abschirmung der freien Läuferstirnseite sowie die besondere Kühlung des Radinneren infolge des gesteigerten Kühlluftschluckvermögens besonders wertvoll ist, da die Radhälfte auf der freien Stirnseite, wie der Aufbau des Läufers auch sein mag, durch die Mittelbohrung zum Ansaugen der Läuferkühlluft gegenüber der anderen Radhälfte mit dem Wellenstummel verhältnismäßig wenig verformungssteif ist und bei ihrer verhältnismäßig hohen mechanischen Beanspruchung die Betriebssicherheit nicht unnötig durch große Werkstofftemperaturen im Betrieb gefährdet werden soll.It should also be noted that this was caused by the cooling of the ring body Shielding of the free runner face as well as the special cooling of the inside of the wheel is particularly valuable due to the increased cooling air absorption capacity, since the Wheel half on the free face, whatever the structure of the rotor may be, through the central hole for sucking in the rotor cooling air opposite the others Wheel half with the stub shaft is relatively little deformation-resistant and at Their relatively high mechanical stress does not affect operational safety should be unnecessarily endangered by high material temperatures during operation.

Um den Flugwindstau möglichst weitgehend zur Erhöhung des Kühlluftdurchsatzes durch den Läufer heranzuziehen, ist es ferner zweckmäßig, den Auffangskrümmer 7 derart auszubilden, daß die Luft durch allmählich zunehmende Ouerschnittsfolge (vgl. Krümmerstück zwischen 1-I und 11-II in Abb. i) die mit etwa Fluggeschwindigkeit einströmende Luft auf die Einströmgeschwindigkeit in das Laufrad verzögert. Auch in dem konzentrisch hierzu angeordneten Krümmermantel wird durch entsprechende Querschnittserweiterung die Geschwindigkeit der zur Ringkörper- und Speichenkühlung bestimmten Luft in Druck umgesetzt. Durch diese Steigerung der Dichte des Kühlmittels wird wie bei Düsenkühlern trotz Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeübergang verbessert, weil geringere Widerstände bei gegebenem Stau einen größeren Kühlmitteldurchsatz erlauben.In order to reduce the air congestion as much as possible to increase the cooling air throughput to be used by the runner, it is also expedient to use the collecting manifold 7 to be designed in such a way that the air is released by gradually increasing cross-sections (cf. Elbow piece between 1-I and 11-II in Fig. I) the one with about airspeed inflowing air is delayed to the inflow speed into the impeller. Even in the manifold jacket, which is arranged concentrically to this, is achieved by a corresponding cross-sectional widening the speed in pressure of the air intended for cooling the ring body and the spoke implemented. This increase in the density of the coolant becomes like nozzle coolers Despite a reduction in the flow rate, the heat transfer improves because lower resistances allow a higher coolant throughput for a given jam.

Während bei dieser sich durch Einfachheit auszeichnenden Nabenkühlung der durch den Flugstau gegenüber dem statischen Druck in der jeweiligen Flughöhe gewonnene Überdruck durch Strömungsverluste in den unvermeidlichen Drosselquerschnitten' (Durchtritt durch Flansch und Speichen) aufgezehrt wird. so daß zur Steigerung des Luftdurchsatzes zweckmäßig die Sogwirkung des Abgasstromes um die Speichen herangezogen wird, liefert die im folgenden beschriebene Baliart der Ringkörperkühlung, die übrigens die bisher beschriebene nicht ausschließt, sondern konzentrisch zu dieser angeordnet werden kann, bei nur wenig erhöhtem Bauaufwand wesentliche Vorteile.While with this hub cooling, which is characterized by its simplicity that caused by the traffic jam compared to the static pressure at the respective flight altitude Overpressure gained through flow losses in the unavoidable throttle cross-sections' (Passage through flange and spokes) is consumed. so that to increase the Air throughput appropriately used the suction effect of the exhaust gas flow around the spokes supplies the following described Baliart of the ring body cooling, which by the way the previously described does not exclude, but arranged concentrically to this can be, with only a little increased construction costs significant advantages.

Wie in dem in Abb.2 dargestellten Ausführungsbeispiel dargestellt, wird die Mantelkühlluft, nachdem sie, wie oben beschrieben, durch Querschnittserweiterung verdichtet ist, zunächst in einem Mantel um den Läuferkühlluftkrümmer bis an den Ringkörper heran und auch an diesem vorbeigeführt. Falls erforderlich, wird nun ein Teil der Luft zur Kühlung der Speichen abgezweigt. Die Hauptmenge wird nun, nachdem sie die Aufgabe der Ringkörperkühlung erfüllt hat, durch Führung um abgasbespülte Wände auf möglichst hohe Temperatur gebracht. Diese stark aufgeheizte Luft, die noch keine nennenswerte Drosselungen erfahren hat und daher noch nahezu den vollen, durch Flugwindstau gewonnenen Überdruck hat, strömt bei Entspannung in Düsen 13, die der Flugrichtung entgegengerichtet sind, mit einer Geschwindigkeit aus, die höher liegt als die Zuströmgeschwindigkeit, übt also eine zusätzliche VortriebsN@-irkung aus. Diese Kühlung des Abgaskrümmers, in dem sich erfahrungsgemäß sowohl bei innen als auch besonders bei von außen mit Luft gekühlten Turbinenschaufeln Nachverbrennungen fetter Motorabgase abspielen, wirkt sich erstens günstig für die thermische Belastung der hochbeanspruchten Turbinenbauteile aus, und zwar durch Verminderung der Wärmestrahlung von glühenden Gehäusewänden, zweitens kann die Ringkörper- und Krümmerkühlluft nun noch zur Flammendämpfung herangezogen «erden, dadurch, daß die Luftentspannungsdüsen noch innerhalb des Krümmers 14 das Abgas stark mit Luft durchsetzen, z. B. durch fingerartige Taschen 15 der Kühlluftstrahldüsen 13, wie sie die Abb. 21) und 2 c zeigen. Dieser letzte Gesichtspunkt kann entscheidend dazu beitragen, den Abgasturbinenbetrieb bei Flugbrennkraftmaschinen für die Luftfahrt brauchbar zu machen.As shown in the embodiment shown in Fig. 2, the jacket cooling air, after it has been compressed by expanding the cross section as described above, is first guided in a jacket around the rotor cooling air elbow up to and past the ring body. If necessary, some of the air is now diverted to cool the spokes. The main amount is now, after it has fulfilled the task of cooling the ring body, brought to the highest possible temperature by guiding it around walls flushed with exhaust gas. This strongly heated air, which has not yet experienced any notable throttling and therefore still has almost the full overpressure obtained from the air traffic jam, flows out when relieved in nozzles 13, which are opposite to the direction of flight, at a speed that is higher than the inflow speed, So it has an additional propulsive N @ effect. This cooling of the exhaust manifold, in which experience has shown that afterburning of rich engine exhaust gases occurs both internally and especially with air-cooled turbine blades from the outside, firstly has a beneficial effect on the thermal load on the highly stressed turbine components, namely by reducing the heat radiation from glowing housing walls, Secondly, the ring body and manifold cooling air can still be used to dampen the flames, because the air expansion nozzles still penetrate the exhaust gas with air within the manifold 14, e.g. B. by finger-like pockets 15 of the cooling air jets 13, as shown in Fig. 21) and 2c. This last aspect can make a decisive contribution to making the exhaust gas turbine operation in aviation internal combustion engines useful for aviation.

Claims

PATENT CLAIM: i. Gas turbine with overhung single ring Hollow blade rotor with cooling air intake on the free face of the impeller, characterized in that in particular to increase the amount of cooling air throughput a cooled one through the hollow blade rotor in front of the free end face of this rotor Arranged annular body of essentially the same outer diameter as the impeller is supported by spokes against the turbine housing and the cooling air from which 1 # alirtwind is fed by means of a known collecting manifold.

2. gas turbine according to claim i, characterized in that the collecting elbow for the annular body and the hollow blade rotor are arranged one inside the other and in a known manner on Entry a diffuser-like expansion is provided.

3. Gas turbine according to claim i and 2, characterized in that the spokes holding the ring body (3) are hollow Are formed and have slots on their sides facing away from the impeller (i).

4. Gas turbine according to claim i to 3 with exhaust manifold, characterized in that the cooling air used to cool the ring body and exhaust manifold after heating exploited by the hot housing walls in jet nozzles for additional propulsion will.