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.