CH340669A - Gasturbine mit einem mehrstufigen, mindestens teilweise gekühlten Rotor - Google Patents

Gasturbine mit einem mehrstufigen, mindestens teilweise gekühlten Rotor

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CH340669A
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rotor
cooling gas
gas turbine
cooling
blades
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Inventor
Frieder Albert
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Sulzer Ag
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    • 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
    • F01D5/02Blade-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
    • F01D5/084Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades the fluid circulating at the periphery of a multistage rotor, e.g. of drum type

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description


  Gasturbine mit einem mehrstufigen, mindestens teilweise gekühlten Rotor    Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem  mehrstufigen, mindestens teilweise gekühlten Rotor.  



  Der Erfindung liegt die bekannte Aufgabe zu  grunde, die mechanisch hoch beanspruchten     Teile     einer Gasturbine vor einer grossen     Aufheizung    durch  den heissen     Arbeitsmittelstrom    zu schützen, da     über-          lagerungen    von hohen thermischen und hohen mecha  nischen Beanspruchungen zur Überschreitung der  zulässigen Festigkeitsgrenze des Materials und damit  zu dessen Zerstörung führen würde.  



  Der Rotor einer Gasturbine ist am meisten ge  fährdet, da er ringsum von heissem Arbeitsmittel  umströmt wird. Die angestrebte Kühlung des Rotors  gewinnt dadurch noch an Bedeutung, dass sie die  Verwendung von     ferritischem    Material für seine Her  stellung ermöglicht. Dieses Material ist billiger als       austenitisches,    leichter zu bearbeiten und hat einen  viel kleineren     Wärmeausdehnungskoeffizienten.     



  Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein Kühl  gas an den     Laufschaufelfüssen    oder an den     Leit-          schaufelspitzen    austreten zu lassen, um es als Kühl  gasschleier zwischen der     Rotoroberfläche    und dem  heissen Arbeitsmittel wirken zu lassen. Ein derartiger  Kühlschleier vermischt sich aber sehr bald mit dem  heissen     Arbeitsmittelstrom,    so dass die Kühl- und       Abschirmwirkung    sehr unvollkommen bleibt und  ausserdem der Wirkungsgrad der Turbine sich ver  schlechtert.  



  Bei einer andern bekannten Anordnung ist ein  als Hohlzylinder ausgeführter     Laufschaufelträger    an  geordnet, der seinerseits durch eine Tragscheibe mit  der auf der Welle sitzenden Nabe verbunden ist.  Ein im Innern des Hohlzylinders und durch Löcher  in der Tragscheibe parallel zum     Arbeitsmittelstrom     geführter     Kühlgasstrom    kühlt     Laufschaufelträger    und       Laufschaufelfüsse.    Diese Ausführung hat jedoch den  Nachteil, dass die von dem heissen     Arbeitsmittelstrom       unmittelbar     beaufschlagte        Rotorfläche    trotz der Küh  lung im Innern sehr hohe Temperaturen annimmt,

    zumal auch die Laufschaufeln den grössten Teil  ihrer aufgenommenen Wärme an den Laufschaufel  träger übertragen. Aus diesen Gründen ist ein grosser       Kühlgasstrom    notwendig, um den     Laufschaufelträger     wirksam zu kühlen. Hinzu kommt, dass der im  wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylinders be  sitzende     Laufschaufelträger    zwar eine verhältnis  mässig einfache Führung des Kühlgases ermöglicht,  aber wegen der     Fliehkraftbeanspruchung    nicht mit  solch grosser Umfangsgeschwindigkeit oder Drehzahl  angetrieben werden kann, wie es dem heutigen Stand  der Entwicklung entspräche.  



  Deshalb ist man inzwischen zu kompakten Ro  toren und zu Rotoren, welche aus mehreren Schei  ben zusammengesetzt sind, übergegangen, die ihrer  seits als Körper gleicher Festigkeit gestaltet sind.  Bei einer dieser Ausführungen mit kompaktem Rotor  körper sind aus Gründen der rationellen Fertigung  sowie der Festigkeit     Laufschaufelreihen        in    radialen  Schlitzen angeordnet. Bei dieser Ausführung war  aber die Kühlung des Rotors selbst, wie auch der  Schaufelfüsse bisher schwierig.  



  Diese Schwierigkeit wird durch die     Erfindung     beseitigt. Diese ist gekennzeichnet durch eine der  Schaufelzahl eines Schaufelkranzes entsprechende  Zahl von     Kühlgaskanälen,    die sich in axialer Rich  tung über die zu kühlende Oberfläche des Rotor  körpers erstrecken und von dieser     Oberfläche    sowie  von den Fussplatten der Laufschaufeln begrenzt  sind.  



  Zweckmässig sind bei einer Ausführung der Erfin  dung die     Kühlgaskanäle    an einen Raum zwischen  einer     Stirnseite    des Rotors und einer Deckscheibe  angeschlossen und der Raum seinerseits ist mit  einer     Kühlgasquelle    verbunden.      Es ist ausserdem von Vorteil, wenn die zwischen  den     Schlitzen    für die Schaufelfüsse verbleibenden       Rotorstege    als Verdrängungskörper in die Kühlgas  kanäle hineinragen, so dass enge     Kühlgaskanäle    ent  stehen.  



  Bei der Kühlung kommt es darauf an, im System  der     Turbomaschinenanlage    durch den     Kühlgasstrom     entstehende Verluste so niedrig wie möglich zu       halten.    Dies lässt sich erreichen, wenn das Kühlgas  mengenmässig auf ein Minimum reduziert und durch  eine hohe Geschwindigkeit in sehr engen Kanälen  zu möglichst grosser Wirkung gebracht wird. Wegen  des hohen, zur Verfügung stehenden Druckgefälles  ist dieses     Verfahren    im vorliegenden Falle leicht  anwendbar.  



  Es ist deshalb zweckmässig, den Querschnitt der       Kühlgaskanäle    durch die Formgebung der Verdrän  gungskörper so zu bemessen, dass ihr Widerstands  beiwert für den     Kühlgasstrom    mindestens gleich  gross ist dem     Widerstandsbeiwert    der     Kühlgaszufüh-          rung    von der     Kühlgasquelle    bis zu den Kühlgas  kanälen.  



  Die Erfindung setzt an und für sich keine spe  zielle Bauart des Rotors und der Schaufelbefestigung  voraus. Doch hat sich eine Bauart als besonders  zweckmässig und einfach erwiesen, die darin besteht,  dass der Rotor in axialer Richtung mit einem Halte  profil ausgestattete Längsschlitze besitzt, in welchen  die Füsse der Laufschaufeln angeordnet sind, wobei  sich - in axialer Richtung gesehen - zwischen  den     Laufschaufelkränzen        Abdeckringe    befinden, wel  che sich bei     Fliehkraftdehnung    gegen die Lauf  schaufelfüsse abstützen.

   Bei dieser Gestaltung von  Rotor und Laufschaufeln kann sich zweckmässig ein  Sammelraum für das abzuführende Kühlgas zwischen  der     stromabwärts    gelegenen Stirnseite des Rotors  und einer daran anschliessenden Deckplatte befin  den.  



  Ein Beispiel für eine Ausführung der Erfindung  ist in der beigefügten Zeichnung schematisch dar  gestellt.  



       Fig.    1 zeigt einen Rotor 1 mit beispielsweise  drei Kränzen von Laufschaufeln 2, 3, 4 im Längs  schnitt. Das den Rotor aufnehmende Turbinenge  häuse 5 trägt ein feststehendes     Leitschaufelgitter    6,  7, B. Die Laufschaufeln 2, 3, 4 sind mit ihren Füssen  9, 10, 11 in axialen Schlitzen 12 des Rotors 1  eingelassen.

   Am Eintritt 13 des Arbeitsmittels in  den Schaufelkanal 16 befindet sich an der Stirn  seite 14 des Rotors 1 eine Deckscheibe 15, welche  zusammen mit der     Stirnseite    14 einen Raum 18  umschliesst, an welchen sich ein in axialer Richtung  verlaufender     Kühlgaskanal    17     anschliesst.    Zwischen  Gehäuse 5 der Turbine und dem Rotor 1 befindet  sich eine     Labyrinthdichtung    19.

   Das Kühlgas wird  an der Stelle 20 zugeführt, tritt durch den Spalt 21  in den Raum 18 und passiert von da aus den     Kühl-          gaskanal    17 mit hoher Geschwindigkeit, wobei es  sowohl die     Oberfläche    des Rotors 1 als auch die  Füsse und Stege der Schaufeln 2, 3, 4 umströmt    und kühlt. Zwischen den Kränzen der Schaufeln 2,  3, 4 sind     Abdeckringe    22, 23, 24, 25 angeordnet,  die die     Kühlgaskanäle    gegenüber dem Schaufelkanal  16 abschliessen. Am Ende der     Kühlgaskanäle    befin  det sich eine Deckplatte 26, welche mit der strom  abwärts gelegenen Stirnseite 27 des Rotors 1 einen  Sammelraum 28 für das abzuführende     Kühlgas     bildet.

    



       Fig.    2 zeigt einen Ausschnitt des Querschnittes  durch den Rotor an der Stelle des Kranzes mit den  Schaufeln 2, die Fussplatten 33 aufweisen. Die pro  filierten Schaufelfüsse 9 sind in entsprechend ge  formte axiale Schlitze im Rotor 1 eingelassen.    Zwischen jeder Fussplatte 33 und dem Schaufel  fuss 9 befinden sich Stege 32, welche die Flieh  kräfte der Schaufel auf den Fuss übertragen. Die  zwischen den axialen Schlitzen im Rotor 1 stehen  bleibenden Stege 35 ragen als Verdrängungskörper  in die     Kühlgaskanäle    17 hinein, welche von den  Fussplatten 33 und der     Rotoroberfläche    begrenzt  sind.  



  Aus der Darstellung sind ohne weiteres die  besonderen Vorteile der Kühlung zu entnehmen.  Diese wirkt durch die     zwangläufige    Führung des  Kühlgases nur an bestimmten Stellen, dort aber sehr  intensiv, nämlich besonders an den durch die Flieh  kräfte hoch beanspruchten Stegen 32 sowie an den  Fussplatten 33 und an der     Oberfläche    des Rotors 1.  Die Kühlung der Fussplatten und Stege entlastet  diese Bauteile vor unzulässigen thermischen Bean  spruchungen und verhindert einen unmittelbaren  Wärmeübergang von den Schaufeln in das Material  des Rotors.  



  Der Rotor ist somit nicht dem Arbeitsmittel  strom unmittelbar ausgesetzt, sondern durch die       Kühlgaskanäle    ringsum vom     Arbeitsmittelstrom    iso  liert. Diese Wirkung wird erreicht mit einfachen  baulichen Mitteln und ohne grossen Aufwand an  Bearbeitungskosten; sie ergibt sich aus der beson  deren Anordnung der Laufschaufeln im Abstand  vom Rotor. Da diese Schaufeln mit ihren Füssen in  axialen Schlitzen des Rotors eingelassen sind, erge  ben sich bei guter Montage der Schaufeln die     Kühl-          gaskanäle    gewissermassen von selbst. Nur die Ab  deckringe und die Deckplatten sind für die Kühl  einrichtung als besondere Bauteile erforderlich.

   Da  das Kühlgas sich nicht mit dem     Arbeitsmittelstrom     mischen kann, beeinträchtigt die erfindungsgemässe  Kühleinrichtung auch nicht den Wirkungsgrad der  Turbine, und es wird nur so viel Kühlgas verbraucht,  wie tatsächlich aus thermischen Gründen erforder  lich ist.  



  Die Kühleinrichtung lässt sich den     jeweiligen     konstruktiven Besonderheiten einer Turbomaschine  mit einfachen Mitteln weitgehend anpassen. So kann  es genügen, die     Kühlgaskanäle    unter den Lauf  schaufelfussplatten durch einfache Aussparungen an  den Schaufelfüssen zu ersetzen, wodurch gegebenen  falls     Abdeckringe    und Stege gespart werden können.      Bei grösseren Rotoren beispielsweise kann der Steg  auch so kurz gehalten werden, dass die Verdrän  gungskörper nicht nötig sind.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Gasturbine mit einem mehrstufigen, mindestens teilweise gekühlten Rotor, gekennzeichnet durch eine der Schaufelzahl eines Schaufelkranzes entsprechende Zahl von Kühlgaskanälen, die sich in axialer Rich tung über die zu kühlende Oberfläche des Rotor körpers erstrecken und von dieser Oberfläche sowie von den Fussplatten der Laufschaufeln begrenzt sind. UNTERANSPRÜCHE 1. Gasturbine nach dem Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlgaskanäle an einen Raum zwischen einer Stirnseite des Rotors und einer Deckscheibe angeschlossen sind und der Raum sei nerseits mit einer Kühlgasquelle verbunden ist. 2.
    Gasturbine nach dem Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Schlitzen für die Schaufelfüsse verbleibenden Rotorstege als Ver drängungskörper in die Kühlgaskanäle hineinragen. 3. Gasturbine nach dem Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kühlgaskanäle durch die Formgebung der Verdrängungskörper so bemessen ist, dass ihr Widerstandsbeiwert für den Kühlgas strom mindestens gleich gross ist dem Widerstands beiwert der Kühlgaszuführung von der Kühlgasquelle bis zu den Kühlgaskanälen. 4.
    Gasturbine nach dem Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Füsse der Laufschaufeln in axialen Schlitzen des Rotors angeordnet sind und dass sich - in axialer Richtung gesehen - zwischen den im Abstand voneinander angeordneten Lauf schaufelkränzen Abdeckringe befinden. 5. Gasturbine nach dem Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für das abzuführende Kühlgas ein Sammelraum vorgesehen ist, der sich zwischen der stromabwärts gelegenen Stirnseite des Rotors und einer daran anschliessenden Deckplatte befindet.
CH340669D 1956-04-06 1956-04-06 Gasturbine mit einem mehrstufigen, mindestens teilweise gekühlten Rotor CH340669A (de)

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