Einrichtung zur Kühlung rotierender Teile einer mehrstufigen Turbine für heisses Medium Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrich tung zur Kühlung von rotierenden Teilen einer mehr stufigen Turbine, für heisses Medlum, die mindestens zwei durch eine Welle getragene Laufräder aufweist, welche durch einen an deren Umfang befestigten Di stanzring verbunden sind, wobei Mittel zur Zufüh rung eines Kühlmediums, in den zwischen den Lauf- radscheiben befindlichen Raum und Schaufeln zur Bewegung des Kühlmediums in, diesem Raum vor gesehen sind.
Es ist bekannt, die Laufradscheiben und Distanz ringe einer mehrstufigen Turbine für heisses Medium durch Zirkulation eines gasförmigen Kühlmittels zu kühlen, wobei die Zirkulation desselben durch natür- lich#e Konvektion hervorgerufen wird'.
Dieses Kühlverfahren bringt jedoch schwer zu lösende Probleme mit sich. Wenn z. B. zwei axial distanzierte Laufradscheiben auf einer rotierenden Welle oder einem ähnlichen Körper montiert sind und die Kühlluft durch die, Welteund zwischen die Schei ben eingeführt wird, erfolgt die Konvektion radial auswärts, um die Scheiben zu kühlen. Wenn die Scheiben an ihrem Umfang von aussen her erwärmt werden, hängt die Wirksamkeit der freien Konvek- tionskühlung von der Temperaturdifferenz zwischen der einströmenden Kühlluft und der am Umfang der Scheiben befindlichen Kühlluft sowie dem Durchmes ser der Scheiben ab.
Bei gegebenem Innen- und Aussendurchmesser der Laufradscheiben ergibt sich ein kritisches Teimperaturgefälle, unterhalb welchem natürliche oder freie Konvektion der Kühlluft nicht stattfinden kann. Je kleiner also das erwähnte Durch messerverhältnis ist, desto grösser muss das Tempe raturgefälle sein, um eine freie Konvektion zu erzeu gen. Bei Turbinen miteinem grossen Arbeitsbereich und mit einem kleinen Eintrittsdurchmesser zur Zu führung der Kühlluft kann auf die natürliche Kon- vektion für eine genügende Kühlung nicht abgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb die Schaffung einer Kühleinrichtung, welche diesen Nach teil vermeidet.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Laufradscheiben eine mit denselben in Drehverbindung stehende Ring scheibe vorgesehen ist,die den vorerwähnten Raum.
in zwei Teilräume unterteilt, wobei die, radiale Erstrek- kung der Ringscheibe kleiner ist als der radiale Ab- standder Innenfläche des Distanzringes von -der Ro tationsachse der Turbine, und dass an beiden Seiten der Ringscheibe radialgerichtete Schaufeln befestigt sind, wobei das Kühlmedium durch stromaufwärts liegende Öffnungen in der Welle auf der einen, Seite der Ringscheibe in den Raum eingeführt und, durch stromabwärts liegende Öffnungen in der Welle auf der andern Seite der Ringscheibe aus dem Raum ab geführt wird.
In :der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh- rungsforrn der Erfindung dargestellt. Es zeigen.
Fig. <B>1</B> einen Teil einer mehrstufigen Gasturbine im Axialschnitt, wobei in dieser Ausführungsform zwei verschiedene Befestigungsarten für die Schau feln dargestellt sind, Fig. 2 einen Teil der Gasturbine in einem Quer schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. <B>1</B> und Fig. <B>3</B> einen Teilschnitt entlang der Linie<B>3-3</B> in Fig. <B>1.</B>
In Fig. <B>1</B> ist eine mehrstufige, Gasturbine dar gestellt, die eine aus den Teilen<B>10, 11</B> und 14 be stehende Welle aufweist, welche hohl ist, um die Zu- füh,rung von Kühlluft von einer geeigneten Quelle aus, wie z. B. einem Kompressor, zu ermöglichen. Die zwei zwinander koaxialen zylindrischen, Teile,<B>10</B> und<B>11</B> der Welle sind miteinander durch die Stütz- ringe, 14 fest verbunden, welche die Kühlluft umlen ken. Die Scheiben der Turbinenlau#fräder, welche mit 12 bezeichnet sind, werden von dem Wellenteil<B>10</B> getragen und sind koaxiali zu demselben angeordnet.
Die dargestellte Anordnung entspricht einer Anwen dung, in einem Gasturbinen-Triebwerk, wobei klar ist, dass statt der dargestellten Welle<B>10, 11,</B> 14 andere Mittel zur Zuführung der KühJ1uft zur Verwendung gelangen können. Die Laufradscheiben 12 begrenzen zwischen sich eine Kammer<B>13.</B> An den Laufradschei- ben 12 sind in bekannter Weise Laufschaufeln <B>15</B> be festigt.
Der nach der Leichtbauweise konstruierte Rotor erhält seine Torsionsstabilität durch Verwen dung von Distanzringen<B>16,</B> wobei diese durch Be festigungsmittel<B>17</B> an den Laufradscheiben 12 be festigt sind. Um den Durchfluss von heissen Gasen von einer Turbinenstufe zur andern zu verhindern, sind die Distanzringe <B>16</B> an ihrem Umfange mit Rippen<B>18</B> versehen, die zusammen mit einem stationären Dich tungsring, welcher in strichpunktierten Linien, an gedeutet ist, Labyrinthdichtung--n bilden.
Der Durchfluss von Kühlluft zwischen die Lauf- radscheiben 12 und durch die Kammer<B>13</B> wird durch Öffnungen<B>19</B> und 20 in dem Teil<B>10</B> der Welle er möglicht, so dass die vom nicht dargestellten Kom pressor zuströmende Kühlluft durch die Öffnungen <B>19</B> in die Kammer<B>13</B> einströmt u-nd durch die öff- nungen 20 aus dieser austritt.
Da sich die Distanzringe<B>16</B> in der Nähe der heissen Gase befinden, müssen- dieselben und die ihnen benachbarten Teile am Umfange der Laufrads scheiben 12 genügend gekühlt werden, um einen<B>zu-</B> verlässigen Betrieb zu gewährleisten. Wie schon. er wähnt, können sich Bedingungen ergeben, bei wel chen die Temperatur der Distanzringe<B>16</B> und der durch die Öffnungen<B>19</B> einströmenden Kühlluft so wie die Radialdistanz zwischen dies-en Öffnungen<B>19</B> und den Distanzringen,<B>16</B> so sind, dass eine freie Konvektionsströmung nicht hervorgerufen wird,.
Das heisst, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen eine kritische Temperaturdifferenz bzw. ein Wärmegefälle zwischen der einströmenden Kühlluft und den Di stanzringen<B>16</B> vorhanden ist, welches bei einem ge gebenen Durchmesserverhältnis eine freie Konvek tion nicht erzeugt und somit unterhalb diesem Wert keine Strömung hervorruft.
Unglücklicherweise sind die Betriebsbedingungen eines Düsentriebwerkes mit einer mehrstufigen, Gasturbine der dargestellten Art so, dass eine natürlich-- Konvektionsströmung oft nicht auftritt, so dass die Distanzringe<B>16</B> und die diesen benachbarten Teile am Umfange der Laufradscheiben nicht oder ungenügend gekühlt werden.
Um die Konvektionsströmung der Kühlluft zu fördern, ist eine sich in radialer Richtung erstreckende Ringscheibe, 21 innerhalb jeder Kammer<B>13</B> vor gesehen, welche Scheibe auf dem Wellenteil<B>10</B> auf nicht näher bezeichnete, Weise befestigt ist, sich par allel zu den Laufradscheiben 12 erstreckt und die Kammer<B>13</B> in zwei Teilkammern unterteilt. Dabei ist die radiale Erstreckung der Ringscheibe 21 kleiner <B>C</B> als der radiale Abstand der Innenfläche des Distanz ringes<B>16</B> von der Rotationsachse der Tu#rbine. Um eine Kühlluftströmung um denselben herum zu erzeu gen, ist die Ringscheibe 21 vorzugsweise massiv.
Zwi schen<B>je</B> zwei benachbarten Laufradscheiben 12 be findet sich eine solche Ringscheibe 21, wobei die Öffnungen<B>19</B> auf der einen und die Öffnungen 20 auf der anderen Seite der Ringscheibe- 21 zu liegen kommend. Die gewählte Anordnung bringt es mit sich, dass die Ringscheiben 21 mit gleicher Drehzahl wie die Laufradscheiben 12 rotieren, wobei erstere be stimmt sind, der in die Kammern<B>13</B> eintretenden Kühlluft eine radiale Geschwindigkeitskomponente, zu erteilen, diegegen die heissen Turbinenteile, welche gekühlt werdken müssen, gerichtet ist.
Infolge der gro ssen. Radialgeschwindigkeit ist die Beschleunigung der Luft ausserordentlich stark und kann bei Turbinen dieser Art 12 000-20 <B>000 g</B> ausmachen. Eine Unter suchung zeigt, dass der Wärmeaustausch ungefähr proportional,<B>ZU g1/3</B> ist. Bei Wärmeaustausch durch Konvektion im Falle einer Gasturbine der beschrie benen Art ist der Wänneübertragungskoeffizient mehr als 30mal grösser als der entsprechende Koeffizient bei<B>1 g.</B>
Um die Winkelgeschwindigkeit der einströmenden Kühl,luft auf diejenige der Laufradscheiben zu er höhen, -sind Schaufeln 22 vorgesehen, welche auf der stromaufwärts liegenden Seite der Ringscheiben, 21 angeordnet sind. Die Schaufeln 22 sind vorzugsweise gleichmässig über den Umfang der Ringscheiben 21 verteilt und erstrecken sich in radialer Richtung. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, können, beispielsweise vier Schaufeln, an der stromaufwärtigen Seite jeder Ring scheibe 21 vorgesehen sein, die sich senkrecht zu die ser erstrecken.
Selbstverständlich ist es möglich, auch eine andere Zahl von Schaufeln zu verwenden<B>'</B> wobei auch der zwischen, diesen und der Ringscheibe 21 eingeschlossene Winkel verändert werden kann. Die Schaufeln 22 erstrecken sich bis in die Nähe der Laufradscheiben 12 und haben von den Öffnungen <B>19</B> einen kleineren Abstand als von den Distanzrin#gen <B>16.</B> Die Schaufeln 22 sind durch Schrauben<B>23</B> an den Ringscheiben 21 befestigt. Um den Schaufeln 22 eine Drehbewegung zu vermitteln, welche der Dreh zahl der Laufradscheiben 12 entspricht, ist jeder Schaufel 22 ein Verbindungsglied 24 zugeordnet, das das radial äussere Ende der Schaufel 22 mit den Be festigungsmitteln,<B>17</B> verbindet.
Die in Fig. <B>1</B> zwischen der zweiten und dritten Tur binenstufe gezeigte Anordnung entspricht einer ab geänderten Ausführungsform bezüglich der Anord nung und Befestigung der Schaufeln, welche leichter ist und die Verbindungsglieder 24 nicht benötigt. Wie aus der Fig. <B>1</B> hervorgeht, können. die Schaufeln 22 durch einen Ring<B>25</B> direkt mit den Laufradscheiben 12 verbunden sein, wobei der Ring<B>25</B> in seiner Funktion dem Wellenteil<B>10</B> entspricht. Der Ring<B>25</B> -besitzt Öffnungen<B>26,</B> welche für den Einlass der Kühlluft entsprechend den Öffnungen<B>19</B> dient.
Jede Ringscheibe 21 wird, bei dieser Anordnung ebenfalls vom entsprechenden Ring<B>25</B> getragen, so dass der- sel,be mit den, übrigen Teilen des Roters mitrotiert.
Die einströmende Kühlluft erhält durch. die Schau- feln22eineWinkelgeschwindigkeit,welche derjenigen der Laufradscheiben 12 im wesentlichen entspricht, wobei grosse Zentrifugalkräfte entstehen. Diese Kräfte können grösser als 1000#O <B>g</B> sein. Demzufolge wird die Kühlwirkung gegenüber der natürlichen Konvek- tionsströmung stark erhöht, insbesondere dann, wenn die zu kühlenden Flächen. in geeigneter Weise aus gebildet sind, um die Kühlluft, welche in einer stark beschleunigten Strömung fliesst, dürch Konvektion auszunützen.
Die Innenfläche des Distanzringes<B>16</B> weist eine Mehrzahl von sich in axialer Richtung er streckenden Flügeln<B>27</B> auf, deren Ausbildung aus den Fig. <B>1</B> und<B>3</B> hervorgeht. Jeder<B>Flügel 27</B> erzeugt eine Konvektionsströmung, die, radial einwärts ge richtet wird. Der axiale Verlauf der Flügel<B>27</B> ge- währl,eistet, dass die Kühlluftströmung zwischen dem Ring<B>16</B> und der Ringscheibe 21 nicht behindert wird,.
Infolge der -vorhandenen Spalträume ergibt sich ein gewisser Schlupfverlust, wobei dieser<B>jedoch</B> durch Wahl der Zahl der Schaufeln 22 beeinflusst werden kann. Wenn die Zahl der Schaufeln 22 un endlich wird, findet dir, Kühlung nur durch Schlupf der Luft statt. Im vorliegenden Fall ist jedoch diese Kühlwirkung relativ klein und der Hauptanteil der letzteren entsteht durch die verstärkte Konvektions- kühlung. Infolge des Dralles und der resultierenden hohen Geschwindigkeit sowie des grossen Druckgefäl les an der stromabwärts liegenden Seite der Ring scheibe 21 ist es erwünscht, an dieser Seite Schaufeln 28 vorzusehen, die bezüglich Form und Anzahl den Schaufeln 22 :entsprechen.
Diese Schaufeln<B>28</B> ver hindern die Bildung einer Drallströmung und leiten die Tangentialströmung der Luft in eine Radialströ- mung zurück. Hierdurch wird ein grosser Teil der zur Beschleunigung der Luft geleisteten Arbeit zurück gewonnen, indem die Schaufeln<B>28</B> durch-die Kühl luft beaufschlagt werden.
Viel wichtiger ist hingegen d,eir Vorteil, dass diese Schaufeln eine Mitrotation. der zwischen der Ringschelbe 21 und der Laufradscheibe 12 in der Kammer<B>13</B> befindlichen Luft bewirken und deshalb das Druckgefälle, ider radial einwärtsströmen- den Luft, die durch die Öffnung 20 austritt, reduzie- Ten.
Die Gasturbine kann auch nur zwei, Laufräder bzw. Stulfen aufweisen.