DE60024385T2 - Methode und Einrichtung zum Spülen von Hohlräumen in Turbinenrädern - Google Patents

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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F01D5/3015Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type with side plates
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/60Fluid transfer
    • F05D2260/607Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Description

  • Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Gasturbinentriebwerke und insbesondere das Spülen von vorderen oder hinteren Radhohlräumen in den Turbinenbereichen dieser Triebwerke.
  • Ein zum Antrieb eines im Flug befindlichen Luftfahrzeugs verwendetes Mantelstromtriebwerk mit großem Nebenstromverhältnis weist in der Regel einen Bläser, einen Niederdruckverdichter oder Booster, einen Hochdruckverdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine auf, die axial durchströmt werden. Ein Teil der in das Triebwerk eindringenden Luft durchströmt den Bläser, den Booster und den Hochdruckverdichter und wird dabei nacheinander von jeder Komponente mit Druck beaufschlagt. Die aus dem Hochdruckverdichter strömende verdichtete Luft, die üblicherweise als Primär- oder Kerngasstrom bezeichnet wird, gelangt dann in die Brennkammer, in der sie mit Kraftstoff vermischt und verbrannt wird, um einen hochenergetischen Gasstrom zu erzeugen. Vor dem Einströmen in die Brennkammer wird jedoch ein Teil des Primär- oder Kernstroms abgeleitet, um verschiedenen Hochtemperaturkomponenten, z. B. den in der Hochdruckturbine enthaltenen Komponenten, als Kühlluftquelle zu dienen. Nach dem Verlassen der Brennkammer expandiert der hochenergetische Gasstrom in der Hochdruckturbine, in der ihm Energie zum Betrieb des Hochdruckverdichters entzogen wird, der antriebsmäßig mit der Hochdruckturbine verbunden ist. Der Primärgasstrom gelangt dann in die Unterdruckturbine, in der er weiter expandiert, wobei ihm Energie zum Betrieb des Bläsers und des Boosters entzogen wird, die antriebsmäßig mit der Niederdruckturbine verbunden sind. Der übrige in das Triebwerk gelangende Luftstrom (nicht der Primärstrom) durchströmt den Bläser und verlässt das Triebwerk durch ein System, das ringförmige Röhrenleitungen und eine Strahlendüse umfasst, wodurch ein Großteil des Triebwerksschubs erzeugt wird.
  • Die Hochdruckturbine besteht in der Regel aus einer oder zwei Stufen, während die Niederdruckturbine für gewöhnlich eine größere Anzahl von Stufen aufweist. Jede Stufe weist im Allgemeinen einen Rotor und einen Stator auf. Der Rotor umfasst ein Laufrad, das sich um die Mittelachse des Triebwerks dreht und eine Vielzahl von Schaufeln trägt, die radial in den Primärgasstrom hineinragen. Der Stator weist eine Reihe aus ortsfesten Leitschaufeln auf, die den Primärgasstrom derart leiten, dass die Rotorschaufeln Arbeit verrichten können. In einer mehrstufigen Turbine sind die Schaufeln einer Stufe unmittelbar stromabwärts von den Leitschaufeln dieser Stufe angeordnet, und die Leitschaufeln der nächsten Stufe sind unmittelbar stromabwärts von den Schaufeln der vorigen Stufe angeordnet. Gegenlauftriebwerke (d. h. Triebwerke, in denen die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine in entgegengesetzte Richtungen drehen) weisen zwischen dem Hochdruckrotor der letzten Stufe und dem Niederdruckrotor der ersten Stufe in der Regel keine Leitschaufelstufe auf.
  • Für gewöhnlich werden rotierende Labyrinthdichtungen in Hochdruck- und Niederdruckturbinen eingesetzt, um die oben erwähnte Kühlluft vom Primärgasstrom abzusperren. Eine rotierende Labyrinthdichtung besteht aus einer Anzahl von dünnen, zahnartigen Vorsprüngen, die radial von einem rotierenden Triebwerksteil abstehen, wobei deren freie Enden so angeordnet sind, dass sie sich in Dichtungseingriff mit einem ortsfesten Triebwerksteil oder einem Triebwerksteil befinden, das sich in entgegengesetzter Richtung dreht. Da jedoch die für gewöhnlich als Radhohlräume bezeichneten Bereiche vor und hinter den Laufrädern mit dem Primärgasstrom in Strömungsver bindung stehen, muss ein Kühlluftstrom in die Hohlräume strömen, um die Hohlräume zu spülen und das Eindringen von Heißgas zu verhindern. Wird ein angemessener Spülstrom nicht aufrechterhalten, kann dies eine deutlich verringerte Lebensdauer der angrenzenden Komponenten zur Folge haben.
  • Zur Versorgung der Radhohlräume mit Spülluft sind konventionelle Triebwerke auf die Leckageströmung durch die Labyrinthdichtungen und die Nutzung von Luftbohrungen in benachbarten Triebwerksteilen angewiesen. Die mit den Luftbohrungen verbundenen Spannungskonzentrationen schaffen jedoch das Potenzial für Rissbildungen an rotierenden Triebwerksteilen und für deren vorzeitigen Ausfall. Auch die zum Ausbilden der Luftbohrungen erforderliche Bearbeitung erhöht schrittweise die zur Fertigung der Teile anfallenden Kosten.
  • Das Dokument EP-A-0 856 641 beschreibt einen Turbinenrotor, der ein Laufrad mit einer Schwalbenschwanznut aufweist, in die eine Schaufel eingesetzt ist. Es wird ein Kühlsystem beschrieben, das zum Kühlen der Plattform für die an der Peripherie des Turbinenrotors befestigten Turbinenschaufeln dient.
  • Es besteht demgemäß ein Bedarf an Mitteln für das zweckmäßige Spülen der Radhohlräume eines Turbinenabschnitts ohne die Nutzung von Luftbohrungen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinenrotor mit einem diesen durchströmenden Primärgasstrom und einem an diesen angrenzenden Radhohlraum (52) bereitgestellt, der mit dem Primärgasstrom in Strömungsverbindung steht, wobei der Turbinenrotor (40) Folgendes umfasst:
    ein um eine Mittelachse drehbares Laufrad mit einer Vielzahl von umlaufend im Wechsel angeordneten Schwalbenschwanznuten und Scheibenstegen (64) an seiner Peripherie;
    eine Vielzahl von Schaufeln, wobei jede dieser Schaufeln einen in einer entsprechenden der Schwalbenschwanznuten steckenden Tannenbaumfuß und einen Schaftbereich oberhalb des Tannenbaumfußes aufweist;
    eine Vielzahl von in axialer Richtung angeordneten Plenumkammern, die von den Schwalbenschwanznuten und den Tannenbaumfüßen definiert werden, wobei die in axialer Richtung angeordneten Plenumkammern während des Betriebs der Turbine Kühlluft aufnehmen und in Strömungsverbindung mit den internen Kühlkanälen stehen; und
    einen am Laufrad befestigten Haltering dessen Außenkante Kontakt zu den Schaufeln und den Scheibenstegen hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering ferner Folgendes umfasst:
    Spülschlitze zum Leiten von Luft von der Vielzahl der in axialer Richtung angeordneten Plenumkammern in den Radhohlraum.
  • Zum Spülen eines Radhohlraums in einem Gasturbinentriebwerk wird außerdem ein Verfahren bereitgestellt, das die in Anspruch 7 dargelegten Verfahrensschritte beinhaltet.
  • Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile gegenüber dem Stand der Technik werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlich.
  • 1 ist ein Teilquerschnitt in axialer Richtung durch ein Gasturbinentriebwerk, welches das System der vorliegenden Erfindung zum Spülen von Radhohlräumen enthält.
  • 2 ist eine detaillierte Querschnittansicht der Niederdruckturbine des Gasturbinentriebwerks aus 1.
  • 3 ist eine vom vorderen zum hinteren Ende gerichtete Teilansicht der Niederdruckturbine.
  • 4 ist eine vom vorderen zum hinteren Ende gerichtete Teilansicht einer Niederdruckturbine, die eine alternative Ausführungsform eines Radhohlraum-Spülsystems darstellt.
  • 5 ist eine detaillierte Querschnittansicht einer Niederdruckturbine, die eine andere alternative Ausführungsform eines Radhohlraum-Spülsystems darstellt.
  • Von den Zeichnungen, in denen identische Referenznummern in den verschiedenen Ansichten dieselben Elemente bezeichnen, stellt 1 einen Bereich eines Gasturbinentriebwerks 10 mit einer Brennkammer 12, einer Hochdruckturbine 14 und einer gegenläufigen Niederdruckturbine 16 dar, die entlang einer longitudinalen Mittelachse 17 axial in Strömungsrichtung zueinander angeordnet sind. Die Hochdruckturbine 14 ist antriebsmäßig mit einem konventionellen Hochdruckverdichter (nicht dargestellt) verbunden, und die Niederdruckturbine 16 ist antriebsmäßig mit einem konventionellen Booster und Bläser (nicht dargestellt) verbunden. Obwohl ein Gegenlauftriebwerk als Beispiel dient, um die Darlegung des erfinde rischen Konzepts der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, sollte nachvollziehbar sein, dass sich die vorliegende Erfindung auf ein beliebiges Gasturbinentriebwerk anwenden lässt, das zu spülende Radhohlräume enthält.
  • Die Hochdruckturbine 14 ist eine einstufige Turbine, die einen Stator 18 mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 20 (in 1 ist nur eine dargestellt) und einen hinter dem Stator 18 angeordneten Rotor 22 aufweist. Der Rotor 22 weist ein sich um die Mittelachse 17 drehendes Laufrad 24, eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 26 (in 1 ist nur eine dargestellt), die vom Laufrad 24 radial nach außen abstehen, einen vorderen Haltering 28 und einen hinteren Haltering 30 auf. Der vordere Haltering 28 ist ein im Wesentlichen ringförmiges Glied, das auf bekannte Weise derart am Laufrad 24 befestigt ist, dass die Schaufeln 26 daran gehindert werden, sich axial in Vorwärtsrichtung zu bewegen. Gleichermaßen ist der hintere Haltering 30 ein ringförmiges Glied, das die Schaufeln 26 daran hindert, sich axial in Rückwärtsrichtung zu bewegen. Eine rotierende Labyrinthdichtung 32 ist zwischen dem vorderen Haltering 28 und der ortsfesten Tragestruktur 34 des Hochdruckstators 18 angeordnet, um zu verhindern, dass Kühlluft, die aus einer Quelle wie dem Hochdruckverdichter des Triebwerks entwichen ist, unerwünscht in einen Radhohlraum 36 strömt, der sich zwischen dem Rotor 22 und dem Stator 18 befindet und in Strömungsverbindung mit dem Primärgasstrom steht. Der vordere Haltering 28 und das Laufrad 24 bilden eine Plenumkammer 38, in die Kühlluft geleitet wird. Diese Kühlluft dient sowohl einem nachfolgend beschriebenen Zweck als auch zum Kühlen der Schaufeln 26 auf konventionelle Weise.
  • Die Niederdruckturbine 16 ist eine mehrstufige Turbine mit einer ersten Stufe, die einen Rotor 40 umfasst, der unmittelbar hinter dem Hochdruckrotor 22 angeordnet ist und sich im Vergleich zu diesem in die entgegengesetzte Richtung dreht. Der Niederdruckrotor 40 weist ein sich um die Mittelachse 17 drehendes Laufrad 42, eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 44 (in 1 ist nur eine dargestellt), die vom Laufrad 42 radial nach außen abstehen, einen vorderen Haltering 46 und einen hinteren Haltering 48 auf. Der vordere Haltering 46 ist ein ringförmiges Glied, das auf bekannte Weise derart am Laufrad 42 befestigt ist, dass die Schaufeln 44 daran gehindert werden, sich axial in Vorwärtsrichtung zu bewegen. Gleichermaßen ist der hintere Haltering 48 ein ringförmiges Glied, das die Schaufeln 44 daran hindert, sich axial in Rückwärtsrichtung zu bewegen. Eine rotierende Labyrinthdichtung 50 ist zwischen dem vorderen Haltering 46 und dem entgegengesetzt drehenden Hochdruckrotor 22 angeordnet, um das unerwünschte Einströmen von Kühlluft in einen Radhohlraum 52 zu verhindern, der sich zwischen dem Hochdruckrotor 22 und dem Niederdruckrotor 40 der ersten Stufe befindet und in Strömungsverbindung mit dem Primärgasstrom steht. Der vordere Haltering 46 und das Laufrad 42 bilden eine Plenumkammer 54, in die Kühlluft geleitet wird. Diese Kühlluft dient sowohl einem nachfolgend beschriebenen Zweck als auch zum Kühlen der Schaufeln 44 auf konventionelle Weise. Die Niederdruckturbine 16 enthält ferner nachfolgende Stufen, die jeweils einen Stator 56 mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 58 (in 1 ist nur eine dargestellt) und einen Rotor 60 aufweisen, der hinter dem Stator 56 angeordnet und antriebsmäßig mit dem Niederdruckrotor 40 der ersten Stufe verbunden ist.
  • In den 2 und 3 wird die der vorliegenden Erfindung entsprechende Anordnung zum Spülen von Radhohlräumen unter Bezugnahme auf den Niederdruckrotor 40 der ersten Stufe detailliert dargestellt. Es sollte jedoch nachvollziehbar sein, dass sich die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf andere Teile des Triebwerks 10 anwenden lässt, wie z. B. auf den Hochdruckrotor 22. Wie oben beschrieben, weist der Niederdruckrotor 40 ein Laufrad 42 mit einer Vielzahl von Turbinenschaufeln 44 auf, die von diesem radial nach außen abstehen. Das Laufrad 42 weist eine Vielzahl von umlaufend im Wechsel angeordneten Schwalbenschwanznuten 62 und Scheibenstege 64 auf, wobei jede Nut 62 von angrenzenden Scheibenstegen 64 gebildet wird, die an seiner Peripherie 66 angeordnet sind. Jede Schwalbenschwanznut 62 nimmt einen entsprechenden Tannenbaumfuß 68 von einer der Schaufeln 44 auf. Die Schwalbenschwannuten 62 und die Tannenbaumfüße 68 werden mit der so genannten Tannenform dargestellt, obwohl andere, dem Stand der Technik entsprechende Formen des Zusammenschlusses zwischen Schaufel und Laufrad verwendet werden können. Die Schaufeln 44 sind axial in die axial verlaufenden Schwalbenschwanznuten 62 eingebracht. Auf Grund der komplementären Zusammenschlusskonfigurationen der Schwalbenschwanznuten 62 und der Tannenbaumfüße 68 werden die Schaufeln 44 radial im Laufrad 42 gehalten. Zusätzlich zu dem Tannenbaumfuß 68 weist jede Schaufel 44 oberhalb des Tannenbaumfußes 68 einen Schaftbereich 70, eine am äußeren Ende des Schaftbereichs befestigte plattenartige Plattform 72 und einen Schaufelblattbereich 74 auf, der sich radial von der Plattform 72 nach außen und in den Primärgasstrom erstreckt. Die Schaufelplattformen 72 von angrenzenden Schaufeln 44 stoßen so aneinander, dass sie eine radiale innere Begrenzung des Primärgasstroms bilden.
  • Am vorderen Haltering 46 ist ein radial abstehender, ringförmiger Flansch 76 ausgebildet, um in eine radial abstehende Schulter 78 einzugreifen, die auf der nach vorn zeigenden Fläche des Laufrads 42 ausgebildet ist. Der Eingriff des Flansches 76 in die Schulter 78 sichert den vorderen Haltering 46 am Laufrad 42. Die Außenkante 80 des vorderen Halterings 46 stößt an die nach vorn zeigende Fläche jedes Tannenbaumfußes 68 und Scheibenstegs 64, sodass die Schaufeln 44 daran gehindert werden, sich axial in Vorwärtsrichtung zu bewegen. Das Laufrad 42 ist mit einem hinter der Schulter 78 befindlichen zurückgestutzten Bereich 82 ausgeführt, der die Böden der Schwalbenschwanznuten 62 schneidet und dadurch die Strömungsverbindung zwischen der Plenumkammer 54 und jeder der Vielzahl von axial verlaufenden Plenumkammern 84 herstellt, die von den Böden der Schwalbenschwanznuten 62 des Laufrads und der radialen Innenfläche 86 der Tannenbaumfüße 68 der Schaufel gebildet werden.
  • Jede Schaufel 44 weist einen im Wesentlichen radial verlaufenden Spülungsschlitz 88 auf, der in ihrer nach vorn zeigenden Fläche ausgebildet ist, wobei die Spülungsschlitze 88 dem vorderen Haltering 46 gegenüberliegen. Genauer gesagt ist jeder Spülschlitz 88 in der nach vorn zeigenden Fläche des Tannenbaumfußes 68 und des Schaftbereichs 70 der entsprechenden Schaufel 44 ausgebildet. Ein erstes Ende jedes Spülschlitzes 88 befindet sich an der radialen Innenfläche 86 des Tannenbaumfußes 68 (oder zumindest an einem Punkt, der zur Außenkante 80 des vorderen Halterings 46 radial nach innen liegt) und steht in Strömungsverbindung mit einer entsprechenden der Plenumkammern 84. Das zweite Ende jedes Spülschlitzes 88 befindet sich an einem Punkt auf der nach vorn zeigenden Fläche des Schaftbereichs 70, der radial außerhalb der Außenkante 80 liegt und steht in Strömungsverbindung mit dem Radhohlraum 52, der sich zwischen dem Hochdruckrotor 22 und dem Niederdruckrotor 40 der ersten Stufe befindet. Demgemäß kreuzen die Spülschlitze 88 radial die Außenkante 80 des vorderen Halterings 46 und stellen die Strömungsverbindung zwischen den Plenumkammern 84 und dem Radhohlraum 52 her.
  • Während des Betriebs des Triebwerks 10 wird aus einer Quelle, zu welcher nicht ausschließlich der Hochdruckverdichter des Triebwerks 10 gehören kann, Kühlluft auf konventionelle Weise zur Plenumkammer 54 geleitet. Aus der Plenumkammer 54 strömt Kühlluft radial nach außen in die axial verlaufenden Plenumkammern 84. Dem Stand der Technik entspricht, dass ein Teil der in jede Plenumkammer 84 einströmenden Kühlluft zum Kühlen der Schaufel 44 in interne Kühlkanäle (nicht dargestellt) der entsprechenden Schaufel 44 geleitet wird. Ein anderer Teil der Kühlluft strömt durch den entsprechenden Spülschlitz 88 in den Radhohlraum 52. Da die Kühlluft an diesem Punkt mit einem höheren Druck beaufschlagt ist als der Primärgasstrom, strömt sie aus dem Radhohlraum 52 in den Primärgasstrom. Infolgedessen verbindet sich der die Spülschlitze 88 durchströmende Luftstrom mit der Leckageströmung entlang der Labyrinthdichtung 50, um den Radhohlraum 52 zu spülen und das Einströmen von Heißgas zu verhindern.
  • Die durch alle Spülschlitze 88 hindurchtretende Gesamtströmungsmenge sollte ausreichen, um den Radhohlraum 52 adäquat zu spülen, aber nicht größer als nötig sein, da sich ein exzessiver Spülstrom nachteilig auf die Gesamttriebwerksleistung auswirken würde. Folglich sind die Spülschlitze 88 so dimensioniert, dass eine zweckmäßig Spülstromrate sichergestellt ist. In der Regel weisen die Spülschlitze 88 eine Tiefe von ungefähr 1,27–2,54 mm (50–100 mils) auf. Die Spülschlitze sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, als Teil des Schaufelgussteils ausgebildet, um zusätzliche Bearbeitungsoperationen zu vermeiden.
  • Es gilt zu beachten, dass nicht jede Schaufel 44 notwendigerweise mit einem Spülschlitz 88 versehen sein muss. Beispielsweise kann jede andere Schaufel 44 mit einem Schlitz versehen werden, solange die Spülschlitze 88 so dimensioniert sind, dass sie einen ausreichenden Spülstrom in den Radhohlraum ermöglichen. Wird jedoch jede Schaufel 44 mit einem Spülschlitz 88 versehen, ist nur eine Schaufelkonfiguration (d. h. eine mit Schlitzen versehene) zur Fertigstellung des Rotors 40 erforderlich.
  • Wie in 3 dargestellt, werden die Spülschlitze 88 vorzugsweise in einem Winkel zu einem von der Mittelachse 17 gezeichneten Radius angeordnet. Werden die Spülschlitze 88 in einem Winkel umlaufend in Drehrichtung des Rotors 40 angeordnet, wird die aus den Spülschlitzen 88 austretende Kühlluft verwirbelt, was die durch Gasreibung bewirkte Wärmeaufnahme im Radhohlraum 52 reduziert, und zum Hochdruckrotor 22 zurückgedrängt.
  • In 4 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In diesem Fall sind keine Schlitze in den Schaufeln 44 ausgebildet, sondern jeder Scheibensteg 64 weist einen im Wesentlichen radial verlaufenden Spülschlitz 188 auf, der in seiner nach vorn zeigenden Fläche ausgebildet ist und dem vorderen Haltering 46 gegenüberliegt. Ein erstes Ende jedes Spülschlitzes 188 befindet sich an einem Punkt, der zur Außenkante 80 des vorderen Halterings 46 radial nach innen liegt und an die benachbarte Schwalbenschwanznut 62 grenzt, sodass es in Strömungsverbindung mit einer entsprechenden der Plenumkammern 84 steht. Das zweite Ende jedes Spülschlitzes 188 ist zur Außenkante 80 radial nach außen (vorzugsweise an der Laufradperipherie 66) angeordnet und steht in Strömungsverbindung mit dem Radhohlraum 52. Demgemäß kreuzen die Spülschlitze 188 radial die Außenkante 80 des vorderen Halterings 46 und stellen die Strömungsverbindung zwischen den Plenumkammern 84 und dem Radhohlraum 52 her. Wie in der ersten Ausführungsform sind die Spülschlitze 188 vorzugsweise in einem Winkel umlaufend in Richtung der Rotordrehung angeordnet. Während des Triebwerkbetriebs wird Kühlluft aus der Plenumkammer 54 in die Plenumkammern 84 geleitet, und ein Teil dieser Luft strömt durch die Spülschlitze 188 in den Radhohlraum 52, in dem sie sich mit der Leckageströmung entlang der Labyrinthdichtung 50 verbindet, um den Radhohlraum 52 zu spülen und das Einströmen von Heißgas zu verhindern.
  • In 5 ist eine andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier weist jede Schaufel 44 einen im Wesentlichen radial verlaufenden Spülschlitz 288 auf, der in ihrer nach hinten zeigenden Fläche ausgebildet ist, wobei die Spülschlitze 288 dem hinteren Haltering 48 gegenüberliegen. Genauer gesagt, ist jeder Spülschlitz 288 in der nach hinten zeigenden Fläche des Tannenbaumfußes 68 und des Schaftbereichs 70 der entsprechenden Schaufel 44 ausgebildet. Ein erstes Ende jedes Spülschlitzes 288 befindet sich an einem Punkt, der zur Außenkante 81 des hinteren Halterings 48 radial nach innen liegt, und steht über einen zwischen dem hinteren Haltering 48 und dem Laufrad 42 ausgebildeten ringförmigen Spalt 90 mit einer entsprechenden der Plenumkammern 84 in Strömungsverbindung. Das zweite Ende jedes Spülschlitzes 288 befindet sich an einem Punkt auf der nach hinten zeigenden Fläche des Schaftbereichs 70, d. h. zur Außenkante 81 radial nach außen und in Strömungsverbindung mit einem Radhohlraum 92, der sich zwischen dem Niederdruckrotor 40 der ersten Stufe und dem Niederdruckstator 56 befindet. Demgemäß kreuzen die Spülschlitze 288 radial die Außenkante 81 des hinteren Halterings 48 und stellen Strömungsverbindung zwischen den Plenumkammern 84 und dem Radhohlraum 92 her. Wie bei den vorherigen Ausführungsformen sind die Spülungsschlitze 288 vorzugsweise in einem Winkel umlaufend in Richtung der Rotordrehung angeordnet. Während des Triebwerkbetriebs wird Kühlluft aus der Plenumkammer 54 in die Plenumkammern 84 geleitet, und ein Teil dieser Luft strömt durch den Spalt 90 und die Spülschlitze 188 in den Radhohlraum 92, in dem sie sich mit der Leckageströmung an der Dichtung verbindet, um den Radhohlraum 92 zu spülen und das Einströmen von Heißgas zu verhindern. Als Alternative können die Spülschlitze 288 in den nach hinten zeigenden Flächen der Scheibenstege 64 statt in den nach hinten zeigenden Flächen Schaufeln 44 ausgebildet werden.
  • Obwohl verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, in denen Spülschlitze in axialen Flächen der Schaufeln oder Scheibenstege geschaffen werden, gilt es zu beachten, dass Spülschlitze alternativ in der Außenkante des vorderen oder des hinteren Halterings ausgebildet werden können. Obwohl die vorliegende Erfindung ferner vollständig im Zusammenhang mit dem Niederdruckturbinenrotor 40 der ersten Stufe beschrieben wurde, sollte klar sein, dass sich die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf andere Turbinenrotoren, z. B. auf den Hochdruckrotor 22, anwenden lässt. Im Hochdruckrotor 22 würden Schlitze in den nach vorn zeigenden Flächen der Schaufeln 26 oder der Scheibenstege des Laufrads 24 ausgebildet, sodass Kühlluft auf eine ähnliche wie die oben beschriebene Weise aus der Plenumkammer 38 in den Radhohlraum 36 geleitet werden kann, der sich zwischen dem Hochdruckrotor 22 und dem Hochdruckstator 18 befindet. Als Alternative können die Spülschlitze in den nach hinten zeigenden Flächen der Schaufeln 26 oder der Scheibenstege des Laufrads 24 ausgebildet werden, sodass Kühlluft aus der Plenumkammer 38 am hinteren Haltering 30 vorbei und in den Radhohlraum 52 geleitet werden kann, der sich zwischen dem Hochdruckrotor 22 und dem Niederdruckrotor 40 befindet.
  • Im Vorangegangenen wurde ein Turbinenrotor beschrieben, der einen Kühlluftstrom zum adäquaten Spülen von benachbarten Radhohlräumen bereitstellt.

Claims (7)

  1. Turbinenrotor (40) mit einem diesen durchströmenden Primärgasstrom und einen an diesen angrenzenden Radhohlraum (52), der mit dem Primärgasstrom in Strömungsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenrotor (40) Folgendes umfasst: ein um eine Mittelachse (17) drehbares Laufrad (42) mit einer Vielzahl von umlaufend im Wechsel angeordneten Schwalbenschwanznuten (62) und Scheibenstege (64) an seiner Peripherie; eine Vielzahl von Schaufeln (44), wobei jede dieser Schaufeln (44) einen in einer entsprechenden der Schwalbenschwanznuten (62) steckenden Tannenbaumfuß (68) und einen Schaftbereich (70) oberhalb des Tannenbaumfußes (68) aufweist; eine Vielzahl von in axialer Richtung angeordneten Plenumkammern (84), die von den Schwalbenschwanznuten (62) und den Tannenbaumfüßen (68) definiert werden, wobei die in axialer Richtung angeordneten Plenumkammern (84) während des Betriebs der Turbine Kühlluft aufnehmen und in Strömungsverbindung mit den internen Kühlkanälen stehen; und einen am Laufrad (42) befestigten Haltering (46) dessen Außenkante (80) Kontakt zu den Schaufeln (44) und den Scheibenstegen (64) hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering ferner Folgendes umfasst: Spülschlitze (88) zum Leiten von Luft von der Vielzahl der in axialer Richtung angeordneten Plenumkammern (84) in den Radhohlraum (52).
  2. Turbinenrotor (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Spülschlitze (88) in einer der Schaufeln (44) in einer nach vorn zeigenden Fläche ausgebildet ist und dem Haltering (46) gegenüberliegt, wobei jeder der Spülschlitze (88) die Außenkante (80) des Halterings (46) radial kreuzt.
  3. Turbinenrotor (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Spülschlitze (288) in einer der Schaufeln (44) in einer nach hinten zeigenden Fläche ausgebildet ist und dem Haltering (48) gegenüberliegt, wobei jeder der Spülschlitze (288) die Außenkante (81) des Halterings (48) radial kreuzt.
  4. Turbinenrotor (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Spülschlitze (188) in jedem der Scheibenstege (64) in einer nach vorn zeigenden Fläche ausgebildet ist und dem Haltering (46) gegenüberliegt, wobei jeder der Spülschlitze (188) die Außenkante (80) des Halterings (46) radial kreuzt.
  5. Turbinenrotor (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Spülschlitze (288) in jedem der Scheibenstege (64) in einer nach hinten zeigenden Fläche ausgebildet ist und dem Haltering (48) gegenüberliegt, wobei jeder der Spülschlitze (288) die Außenkante (81) des Halterings (48) radial kreuzt.
  6. Turbinenrotor (40) nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Spül schlitze (88, 188, 288) in einem Winkel zu einem von der Mittelachse (17) gezeichneten Radius angeordnet ist.
  7. Verfahren zum Spülen eines Radhohlraums in einer Gasturbine, die über einen Primärgasstrom und einen Turbinenrotor (40) mit einem Laufrad (42) verfügt, das mindestens eine in ihm ausgebildete Schwalbenschwanznut (62) sowie eine Schaufel (44) aufweist, zu der interne Kühlkanäle in der Schwalbenschwanznut (62) und ein Radhohlraum (52) gehören, der an den Turbinenrotor (40) angrenzt und in Strömungsverbindung mit dem Primärgasstrom steht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Ausbilden einer Plenumkammer (84) zwischen der Schwalbenschwanznut (62) und der Schaufel (44), wobei die Plenumkammer in Strömungsverbindung mit den internen Kühlkanälen (84) steht; Zuführen von Kühlluft zu der Plenumkammer; und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass Kühlluft durch die Spülschlitze (88) von der Flenumkammer in den Radhohlraum (52) geleitet wird.
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