Einrichtung zur Kühlung des Laufrades einer Verbrennungsturbine. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung des Lauf rades<I>einer</I> Verbrennungsturbine, das in ra dialer Richtung zwischen dem mit hoch er hitztem Treibmittel beaufschlagten äussern Schaufelblattkranz und einem innern, in der Ui mfangsrichtung mit diesem Schaufelblatt kranz zusammenhängenden scheibenförmigen Teil einen in der Umfangsrichtung unterteil ten Kranz besitzt. Scheibenförmige Gastur binenlaufräder, bei denen die innerhalb des Treibschaufelblattkranzes liegende äussere Partie des scheibenförmigen Teils mit radia len Einschnitten zwecks Vermeidung von Tangentialspannungen versehen sind, sind bekannt. Es ist auch schon in Vorschlag ge bracht worden, gegen diese mit radialen Ein schnitten versehene Partie Wasser zu sprit zen, um sie zu kühlen.
Diese Art der Küh lung hat aber den Nachteil, dass, namentlich wenn die Besehaufelung des Laufrades mit hoch erhitzten Verbrennungsgasen beauf- eehlagt wird, denen meistens ein gewisser Schwefelgehalt innewohnt, durch das ein- gespritzte Wasser Säuren gebildet werden. die den Werkstoffdes Laufrades angreifen.
Ausserdem übt die auf die Scheibe auftref fende Kühlflüssigkeit, zum Beispiel Wasser, wegen der grossen Umfangsgeschwindigkeit des Rades, welche die Kühlflüssigkeit im Augenblick ihres Auftreffens beschleunigen muss. eine beträchtliche bremsende Wirkung auf die Scheibe aus und verzehrt dadurch einen Teil der Energie, die die Treibgase an das Laufrad abgeben.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Art der Kühlung ist die den Gegenstand der Er findung bildende -Einrichtung zur Kühlung .des Laufrades einer Verbrennungsturbine derart ausgebildet, dass der zwischen dem Treibschaufelblattkranz und dem scheiben förmigen Teil des Laufrades befindliche, un terteilte Kranz, in welchem keine Tangen tialspannungen der Seheibe sollen auftreten können, von Kühlgasen umspült wird.
Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die zwischen dem Laufrad und den gehr nahen Wänden des Gehäuses be findlichen Gase, die sich bei hoher Umfangs geschwindigkeit des Laufrades in vehementer Turbulenz befinden, durch besonders inten sive Kühlung derjenigen Teile der Gehäuse wände, welche dem erwähnten, in der Um fangsrichtung unterteilten Kranz gegenüber liegen, hinlänglich kühl gehalten werden. Statt dessen kann aber auch Kühlluft durch engspaltige Organe, die im erwähnten Kranz vorgesehen sind, durchgetrieben werden.
Die beigegebenen Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes, sowie Einzelheiten und Einzelheitsvarianten dieser Beispiele dar.
Fig. 1 ist eine Stirnansicht einen Sektors des zwischen dem Treibschaufelkranz und der scheibenförmigen Partie des Laufrades gelegenen Kranzes von der radialen Breite X, Fig. 2 eine Seitenansicht dieses Kranzes, Fig. 3 eine Seitenansicht einer Detailvariante des Kranzes; Fig. 4 ist ein Meridianschnitt des Turbi nengehäuses mit Seitenansicht des Lauf rades; Fig. 5 zeigt eine Variante eines Einzel teils des Turbinengehäuses in grösserem Mass stab; Fig. 6 ist eine Stirnansicht eines Aus führungsbeispiels des Laufrades; Fig. 7 ist ein quer zur Axe dieses Laufrades verlau fender Querschnitt durch den Treibsehaufel- kranz, und Fig. 8 ein Querschnitt von zwei benachbarten Schaufeln, beide in grösserem Massstab;
Fig. 9 ist ein Vertikalschnitt parallel zur Axe des Laufrades eines andern Ausfüh rungsbeispiels, Fig. 10 ein dazu senkrechter Schnitt, also quer zur Laufradaxe, wobei je doch der innere ringscheibenförmige Teildes Kranzes in der Stirnansicht dargestellt ist.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines der gemäss Fig. 9 und 10 ausgebildeten Schaufelfüsse; Fig. 12 und 13 sind Querschnitte von zwei Varianten von Schaufelfüssen gemäss Fig. 9 und 10; Fig. 14 zeigt im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel an einem Turbinen laufrad und an dessen Gehäuse.
Gemäss Fig. 1 und 2 sind die Turbinen treibschaufeln<I>a</I> mit ihren Füssen<I>b</I> und den Fussenden c in radiale Einschnitte des Schei benkranzes d des Laufrades eingesetzt, der eine radiale Breite X besitzt. Behufs Ver meidung von Spannungen in der Umfangs richtung des scheibenförmigen Teils des Laufrades, welche durch die Erwärmung des äussern Schaufelkranzes hervorgebracht wür den, ist in der Umfangsrichtung zwischen den Füssen b und dem Werkstoff des Kran zes d ein ganz .geringes Spiel von nur weni gen hun.dertsteln Millimetern vorhanden, das beim Betrieb der Turbine verschwindet.
An Stelle .dieses (nicht dargestellten bezw. nicht darstellbaren) Spiels können gemäss Fig. 1 radiale Einschnitte e zwischen zwei benach barten Schaufelfüssen b vorgesehen sein. Um die von den Schaufelblättern der Schaufeln a in die Schaufelfüsse <I>b</I> abströmende Wärme durch die die Stirnflächen des Kranzes d und ,die Schaufelfüsse bespülende Kühlluft wirk sam abfübren zu können, ist es zwe.cltmässig, auch die .durch die Reibung der Stirnflächen des Kranzes an dieser Kühlluft hervorge brachte Wärme abzuführen,
denn diese Wärme darf namentlich bei hoben Umfaugs- geschwindigkeiten, die wünschenswert sind, nicht vernachlässigt werden, da sie mit der fünften Potenz des Radius des Kranzes wächst und dadurch bei hohen Umfangsge schwindigkeiten so hohe Werte annimmt, dass die nur im einfachen Verhältnis des Ra dius wachsende Kühlung durch die Luft nicht mehr imstande ist, mit den gewünsch ten möglichst niedrigen Temperaturunter schieden die Wärme von den äussern Teilen des Laufrades abzuführen.
Um zu verhin dern, dass die Wärme radial von aussen nach innen im Werkstoff der Scheibe bis zu dem jenigen Teil dieser letzteren vordringen kann, der nicht mehr durch radiale Ein schnitte e g eaen zusätzliche Wärmespannun gen geschützt ist, sind die radialen Ein schnitte für die Aufnahme der Schaufelfüsse b weiter nach der Radmitte hin vorgetrieben, wodurch die Einschnitte f entstehen. Diese Einschnitte schliessen Stirnflächenteile des Kranzes d zwischen sich ein, deren Umfang s- geschwindigkeit schon so viel geringer ist,
dass die durch die Kühlung abgeführte Wärme grösser ist als diedurch die Reibung dieser Teile der Stirnflächen und der sie be- spülenden Kühlluft erzeugte Wärmemenge. Infolgedessen sind diese Flächen imstande, den Überschuss der Wärme abzuführen, der von den weiter aussen gelegenen Flächen wegen der grossen Reibung nicht abgeführt werden kann.
Auf diese Weise ist es also immer, auch in ganz schwierigen Fällen, möglich, den innern Teil der Scheibe, der nicht durch radiale Einschnitte von tangen tialen Spannungen befreit ist und auch nicht befreit werden darf, um zu möglichst hohen Umfangsgeschwindigkeiten bei gegebenen Festigkeitseigenschaften des verwendeten Werkstoffes gelangen zu können, vor ungün stigen zusätzlichen Wärmespannungen zu be wahren.
Damit die immerhin verhältnismässig tie fen radialen Einschnitte f den nicht einge schnittenen innern Teil der Scheibe nicht zu stark durch die Fliehkraft belasten, ist der Kranz d gemäss Fig. 2 zwischen den gekühl ten Stirnflächen des Laufrades mit einer Ringnut g versehen, deren axiale Breite nach der Scheibenmitte hin abnimmt.
Lm die Reibung der Luft an den Stirn flächen des Scheibenkranzes so klein als möglich zu machen, empfiehlt sich die Mass nahme, die Stirnflächen der Schaufelfüsse b völlig bündig mit jenen Stirnflächen zu ge stalten und die Einschnitte f nicht offen zu lassen, sondern zum Beispiel mit Leichtme tall auszufüllen oder sie zu verkleiden. Bei der Ausbildung gemäss Fig. 2 bilden Lamel len h in die Einschnitte f ragende Fortsätze der Schaufelfüsse, welche Lamellen in axia ler Richtung nur ganz geringe Stärke zu haben brauchen, da sie eben nur den Zweck haben, eine ebene Oberfläche der Stirnflä chen zu erzielen.
Bei der Variante gemäss Fig. '3 ist die an den scheibenförmigen Teil des Laufrades anschliessende Partie d' des Kranzes d, auf welcher die durch Reibung an der Luft er zeugte Wärme geringer ist als die Wärmeab fuhr und die zweckmässigerweise in radialer Richtung möglichst schmal sein sollte, mit ringsum laufenden Rippen und Rillen verse hen, in welche Zähne an den durch Kühl flüssigkeit gekühlten Wänden eingreifen, wodurch die der Kühlung ausgesetzte Ober fläche entsprechend grösser wird.
Dein Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 liegt .die Überlegung zu Grunde, dass behufs Vermeidung von zusätzlichen Wärmespan nungen im Laufrad die Temperatur im schei benförmigen Innenteil des Rades möglichst gleichmässig sein, sollte und dass, also erst in dem mit den radialen Einschnitten für die Aufnahme der Schaufelfüsse versehenen Kranz, wo die durch Reibung an der Kühl luft erzeugte Wärme geringer ist als die Wärmeabfuhr, ein allmählicher Anstieg der Temperatur stattfinden soll.
Üm dies zu er reichen, ist in die Kühlgehäuse j, an denen sich die zur Kühlung,des radial unterteilten Kranzes dienende Luft abkühlt, ein Ring kanal i an einer etwa Odem Abstand des eben erwähnten Kranzes von ,der Radmitte ent sprechenden Stelle eingesetzt, aus welchem Kanal die Kühlflüssigkeit, zum Beispiel Wasser oder rückgekühltes 01, durch enge Spälte in die Kühlräume k und ms hinüber- tritt, in denen sie die feststehenden,
dem Laufrad zugekehrten zu kühlenden Wände bestreicht, worauf sie,die Gehäuse j bei z', z"' verlä,sst. Die Kühlwände befinden sich vor teilhafterweise im Abstand von wenigen Mil limetern von den Stirnflächen .des Laufrades.
LTm bei Turbinenlaufrädern mit sehr ho her Umfangsgeschwindigkeit noch eine genü gende Kühlung des erwähnten, von tangen- tialer Spannung freizuhaltenden Kranzes zu erzielen, ist gemäss Fig. 5 an Stelle der ge mäss Fiz. 4 gekühlten Gehäusewände ein von einem Kanal o für Kühlluft oder Kühlgase umgebener feststehender Kühlring n vorgese hen. In dem Kanal o umkreisen Kühlluft oder Kühlgase den Kühlring n in Richtung der Pfeile.
Da die Kühlluft oder die Kühl gase in der Umdrehungsrichtung des Lauf rades mitgenommen werden, werden sie nicht in Richtung eines Meridians, sondern in schraubenlinienförmigen Spiralen strömen. Infolgedessen werden die Berührungsflächen, an denen sich die Kühlluft oder Kühlgase abkühlen können, bevor sie nach Ausführung eines Kreislaufes wieder mit dem Laufrad in Berührung kommen, gleichsam vervielfacht; dementsprechend ist die Kühlwirkung am Scheibenkranz besonders ausgiebig.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 bis 8 bezeichnet 2 den scheibenförmigen Teil eines Turbinenlaufrades, 3 den Treibschaufel- kranz, der auf dem ganzen Umfang mit Aus nahme der Bogenstrecke A von heissen Treib gasen, auf dieser Strecke A dagegen von Kühlluft oder -gasen beaufschlagt wird. Zwi schen jenen Teilen 2 und 3 befindet sich der zur Aufnahme der Schaufelfüsse bestimmte, also radial eingeschnittene Kranz 4, der min destens auf dem Umfangsteil A von Kühl luft beaufschlagt wird, wobei er gleichsam eine Sperrzone für die vom Schaufelkranz 3 aufgenommene Wärme gegenüber dem schei benförmigen Teil 2 bildet.
Da die Zeit, in welcher die Schaufeln des Kranzes 3 von hei ssen Treibgasen beaufschlagt werden, bei 3000 Umdrehungen in der Minute weniger als 0,2 Sekunden beträgt, kann bei genügen der Breite des Kranzes 4 in radialer Rich tung die Wärme nicht von den heissen Schaufelblättern bis zu den Schaufelfüssen und damit in den Teil 2 des Laufrades ge langen, dies aber nur, wenn radial einge schnittene der Kranz auf dem nicht von Kühlluft bestrichenen Teil seines Umfanges auch nicht von heissen Treibgasen getroffen wird. Um zu verhindern, dass die heissen Treibgase bis in die auf dem Kranz 4 befindlichen Schaufelfüsse 4' vordringen können, sind letztere gemäss Fig. 7 von den Treibschaufeln 3 selbst durch Scheidewände 5 abgesperrt.
Um die Wärme abgebende Oberfläche der Schaufelfüsse '4' möglichst gross zu haben, sind bei der in Fig. 7 links befindlichen Schaufel die den Hohlraum umgebenden Flä chen mit Rinnen. 11 versehen, die in der axia len Strömungsrichtung der Treibgase ver laufen.
Die Absperrung des Innenteils des Lauf rades gegen die von den Schaufelblättern aus .den heissen Treibgasen aufgenommene Wärme kann durch die in den Fig. 7 und 8 darge stellte Anordnung von radialen Bohrungen 22 unterstützt werden, weil durch sie die metallische Querschnittsfläche und mithin der Querschnitt für den Wärmestrom verrin gert wird. Durch die Bohrungen 22 wird selbstverständlich auch das Gewicht der Schaufeln vermindert, was wie die Kühlung des scheibenförmigen Teils 2, die Möglichkeit gewährt, die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades zu erhöhen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 9 und 10 ist der zur Aufnahme der Schaufel füsse bestimmte,,die radiale Breite X aufwei sende Kranz des Laufrades durch einen fel genartigen Kranz 7 gegenüber dem scheiben förmigen Teil 2 abgeschieden. Die Hohlkeh len an der innern Seite jenes Kranzes 7 sind mit ungefähr tangential gerichteten Schau feln 13 versehen, die an den Stirnseiten mit- telst ringscheibenförmigen, vorteilhafterweise aus Leichtmetall bestehenden Lamellen 8 ab geschlossen sind.
Durch die Schaufeln 13 wird Kühlluft, die in das. Gehäuse durch die in der Nähe der Radmitte vorgesehenen Öff nungen 21 eintritt und in den engen Zwi schenräumen zwischen der Scheibe 2 und den Gehäusewänden durch die Wirkung der Zen- trrifugalkraft nach aussen getrieben wird, durch Sohrungen 9 des Kranzes in radial gerichtete Kammern 10 zwischen den zur Aufnahme der Köpfe 6 der Schaufelfüsse bestimmte Pfannen getrieben.
Aus den Kam mern 10 tritt ,die Kühlluft in axialer Rich- teng entweder durch zahlreiche enge Öff nungen 14 oder durch enge Schlitze 15 aus, wobei sie die Wärme abführt, die in den Schaufelblättern der Schaufeln 3 und ihren Köpfen 6 in radialer Richtung von aussen nach innen zu strömen sucht. Den mit feinen Bohrungen 14 versehenen Teil eines Schau felfusses zeigt Fig. 11 in perspektivischer Darstellung.
Bei dem in Fig. 10 zu äusserst links stehenden Schaufelfuss sind Schlitze 15 vorgesehen, die durch Einsägen in den Werk stoff hergestellt sein können, während bei den rechts stehenden Schaufelfüssen aus Leichtmetall bestehend gedachte Füllstücke 16 in Kerben der Schaufelfüsse eingeklemmt sind, wobei Spälte 15' zwischen den Füll stücken freibleiben, durch welche Spälte die Kühlluft abziehen kann. Sowohl in den Boh rungen 14 als in den Spälten 15 und 15' wird die von den Schaufelblättern aufgenommene Wärme auf die Kühlluft oder Kühlgase über tragen.
Um die Reibung des scheibenförmigen Teils 2 an der ihn umgebenden Kühlluft auf ein Mindestmass herabzusetzen, umschliessen die mit Kühlflüssigkeit in Berührung stehen den Wände 18 des Gehäuses jenen Teil 2 mit geringem Spiel von wenigen Millimetern. Die Kühlflüssigkeit tritt durch die Öffnun gen 19 (oben) ein und bei 20 aus und bestreicht auf ihrem Wege die Gehäuse wände 18.
Bei den Varianten gemäss Fig. 12 und 13 tritt die Kühlluft, die in die Kammer 10 zwischen zwei Scbaufelfussköpfen 6 gelangte, durcb schmale Spälte 17', zum Beispiel von 0,1 mm, zwischen den Schaufelfussen und dem Radkranz nach aussen, wodurch der von den Treibschaufeln 3 radial nach innen ge richtete Wärmestrom abgelenkt und eine kräftige Kühlung der Schaufelfüsse erzielt wird. Bei der Ausbildung nach Fig. 13 sind der Schaufelfuss und die ihn aufzunehmen bestimmte Öffnung im Kranz mit ineinander greifenden Zacken versehen, so dass die Kühl luft einen zickzackförmigen Weg 17" zu durchziehen hat.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 14 stellt eine weitere Ausbildung desjenigen ge mäss Fig. 4 und der Variante gemäss Fig. 5 dar. Für den Rückfluss des die von Wasser durchflossenen Kühlringe 25 in schrauben linienförmigen Spiralen umkreisenden Stro- mes der Kühlluft .oder Kühlgase aus dem Raum 2,6, wo die Temperatur der Kühlluft am niedrigsten ist, sind mehrere Kränze von Kanälen 27, 28, 29 vorgesehen, deren Mün dungen dem scheibenförmigen Te@1 2 des Laufrades gegenüberstehen.
Der Kranz der in entsprechend grosser Anzahl vorhandenen Kanäle 29 besitzt einen Gesamtdurchgangs querschnitt, der erheblich grösser ist als der jenige der Kanäle 28, welcher seinerseits den Durchgangsquerschnitt der Kanäle 27 über trifft. Hierdurch soll erreicht werden, dass in verschiedenen Abständen von der Lauf- radaxe verschiedene Kühlluftmengen austre ten; man kann diese Mengen mit Hilfe einer zweckmässigen Anordnung und Anzahl der Kanäle 27 bis 29 derart bemessen, dass die Temperatur des scheibenförmigen Teils 2 des Laufrades wenigstens nahezu gleichmässig ist.
Im Abstand der Kanäle 29 von der Axe ist die abgeführte Wärmemenge selbstver ständlich am grössten, weil dort der von .den heissen Schaufeln 3 kommende Wärmestrom, sowie die durch die Reibung .des- Laufrades an .dem es umgebenen Medium erzeugte Wärme am grössten ist. Durch die Kanäle 28 ist eine schon viel geringere Wärmemenge und durch die Kanäle 27 wohl nur die Rei bungswärme abzuführen, so dass für sie eine entsprechend geringere Menge Kühlluft von nöten ist. Zur Führung der Kühlluft sind auf den der Scheibe 2 zugekehrten Enden der als Röhrchen ausgebildeten Kanäle 27 biss 29 Ringscheiben '30 bezw. 31 bezw. 32 angebracht.
Die Kühlflüssigkeit kann den Kühlringen 25 durch einige Rohre 33 zuge führt und durch an geeigneten Stellen vor gesehene (nicht gezeichnete) Ablaufrohre ab geführt werden.
Die Füsse 23 .der Triebschaufeln 3 sind bei diesem Ausführungsbeispiel ungewöhn lich lang, um den durch die radialen Unter brechungen vor tangentialen Spannungen ge schützten Kranz so leicht als möglich aus führen zu können. Der innerste Teil 24 der Schaufelfüsse 23 umklammert :den mit ringsum laufenden Rippen versehenen Rand des scheibenförmigen Teils 2 des. Laufrades, welcher zur Erleichterung seines Gewichtes mit (nicht gezeichneten) radialen Aussparun gen bis zu einer gewissen Tiefe versehen sein kann.