DE1023275B - Gas- oder Abgasturbine - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Gas- oder Abgasturbinen, d. h. auf solche Turbinen, die von heißen Verbrennungsgasen angetrieben werden. Allgemein gesprochen, kommt als Anwendungsgebiet jede beliebige Gasturbine in Betracht, bei der eine Kühlung benötigt wird. Insbesondere ist die Erfindung mit Vorteil bei Gasturbinen-Kraftanlagen anwendbar, die zum Antrieb der Luftschraube von Flugzeugen Verwendung finden.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, die Kühlung solcher Turbinen zu verbessern.

Bei bekannten Gas- oder Abgasturbinen, die aus Rotorscheibe und Statorscheibe vor bzw. hinter dem Rotor bestehen, ist neben der einen Seitenfläche der Rotorscheibe ein ortsfester Ringkörper angeordnet, und es sind Vorrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe ein Kühlmittel dem inneren Umfangsabschnitt des Ringraumes zwischen der Rotorscheibe und dem ringförmigen Körper zugeführt wird. Bei einer anderen bekannten Bauart sind zwei Rotorscheiben und ein dazwischenliegender Ring von Statorschaufeln vorgesehen, wobei am Statorschaufelring ein sich nach innen erstreckender ringförmiger Körper befestigt ist. Dieser liegt also zwischen, jedoch im Abstand von den benachbarten Seitenflächen der Rotorscheibe. Weiter sind dabei Vorrichtungen zur Zuführung eines Kühlmittels zu den inneren Umfangsabschnitten der Spalträume vorgesehen, die zwischen den Rotorscheiben und dem dazwischenliegenden ringförmigen Körper liegen.

Bekannt ist auch die Ausbildung des Zwischenbodens als doppelwandigen, hohlen Ringkörper.

Bei derartigen Turbinen ist es allgemein zweckmäßig, das Kühlmittel mit großer Geschwindigkeit über die zu kühlende Oberfläche zu leiten, um eine gute Wärmeübertragung zu erzielen. Andererseits ist es bei Gasturbinen unzweckmäßig, große Mengen von Kühlluft zu verwenden. Diese fließt üblicherweise zusammen mit den heißen Auspuffgasen ab und verringert dabei den Nutzeffekt der Maschine.

Um eine besonders wirksame Kühlung bei Gasoder Abgasturbinen der eingangs beschriebenen Art zu erzielen, weist gemäß der Erfindung der Ringkörper an seiner der Seitenfläche der Rotorscheibe gegenüberliegenden Fläche mehrere spiralförmige Rippen auf, so daß das Kühlmittel auf seinem Wege nach außen zwischen der Rotorscheibe und dem ortsfesten Ringkörper in einer spiralförmigen Bahn über die Rotorscheibe streicht. Auf diese Weise ist es möglich, eine Anzahl von Führungskanälen für die Kühlluft zu schaffen, die bei großer Länge nur einen kleinen Querschnitt aufweisen. Dabei ist die Geschwindigkeit der durch diese Kanäle hindurchfließenden Kühlluft erheblich größer, als wenn man einfache Gas- oder Abgasturbine

Anmelder:
D. Napier & Son Ltd., London

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 20. November 1953

Reginald Henry Douglas, London,
ist als Erfinder genannt worden

radial gerichtete Kühlrippen verwenden würde. Außerdem bewirkt die große Länge einer jeden einzelnen Rippe, daß die Kühlluft besonders gut ausgenutzt, d. h. eine große Wärmemenge an sie abgegeben wird. Daher wird hierbei eine erheblich kleinere Kühlluftmenge benötigt. Schließlich sind auch die Kühlrippen nach der Erfindung am Statorkörper befestigt, und auf diese Weise werden die technischen Schwierigkeiten vermieden, die sich ergeben, wenn derartige Kühlrippen am Turbinenrotor befestigt werden. Der Rotor der Turbine ist bekanntlich einer hohen Fliehkraftbeanspruchung ausgesetzt und muß daher so leicht wie möglich ausgeführt werden. Mit Vorteil ist eine Turbine nach der Erfindung in an sich bekannter Weise mit zwei Rotorscheiben und dazwischenliegendem Ring von Statorschaufeln ausgerüstet. Dabei ist es zweckmäßig, den Zwischenboden als an sich bekannten hohlen und doppelwandigen Ringkörper auszubilden und die einander gegenüberliegenden Seitenwandungen innen durch Abstandsplatten zu versteifen, die sich von einer Seitenwand zur anderen erstrecken. Schließlich ist es bei einer Turbine nach der Erfindung zweckmäßig, wenn man das axiale Spiel zwischen dem ringförmigen Körper und der benachbarten Fläche einer Rotorscheibe mit etwa ¹Z₁₀ des axialen Abstandes zwischen benachbarten Rotorscheiben bemißt.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt eine durch die in einer Brennkammer erzeugten heißen Gase betriebene Turbine einer Kraftanlage, die zum Antrieb eines Flugzeuges dient.

Fig. 1 zeigt die gesamte Kraftanlage in Seitenansicht, teilweise aufgebrochen und im Schnitt;

Fig. 2 zeigt in größerem Maßstab und im Schnitt die eine Hälfte der Gasturbine, in

der Rotorwelle in Verbindung stehen, so daß Kühlluft aus der hohlen Rotorwelle in die Spalträume zwischen je einem Zwischenstufenkörper 28, 29 und der benachbarten Rotorscheibe 21, 22, 23 eintreten kann.

Die Kühlluft wird von dem Hauptverdichter 1 geliefert und gelangt von einer Stelle, die in der Strömungsrichtung unmittelbar vor der letzten Stufe 38 liegt, nach innen in eine Leitung 37, die innerhalb der Rotorachse des Verdichters liegt. Die Bewegung der

Fig. 3 ist der gleiche Schnitt wie Fig. 2, jedoch in io Kühlluft wird durch Schaufeln unterstützt, die auf noch größerem Maßstab veranschaulicht; einer der Rotorscheiben des Verdichters sitzen und

nach Art einer Fliehkraftpumpe wirken. Die L·eitung 37 führt durch die hohle Wellenanordnung 8 unmittelbar in das innere der Motorwelle 6 der Turbine.

Die Öffnungen 34 leiten die Kühlluft in die Ringräume, welche — in der Strömungsrichtung gesehen — hinter den Rotorscheiben liegen; die Öffnungen 34 sind im Querschnitt größer als die öffnungen 35, welche die Luft in die Räume einführen, die -— in der

Fig. 4 zeigt die Stirnansicht eines der Ringkörper, und zwar teilweise aufgebrochen, so daß ein Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2 sichtbar wird.

Die Kraftanlage besteht grundsätzlich aus einem 15
Axialverdichter 1, mit dessen Hilfe Druckluft mehreren Brennkammern 2 zugeführt wird, in denen sie
in bekannter Weise zusammen mit Brennstoff, der
durch Leitungen 3 zugeführt wird, zur Verbrennung
gelangt; die Verbrennungsprodukte werden dem 20 Strömungsrichtung gesehen — vor den Rotorscheiben Arbeitsraum einer Turbine 4 zugeführt und gelangen liegen. Die Folge davon ist, daß auf der — in der dann durch die Auspuffdüse 5 nach außen. Die Welle6 Strömungsrichtung gesehen — hinteren Seite der der Turbine ist mit der Welle 7 des Verdichters 1 un- Rotorscheiben ein höherer Luftdruck herrscht und auf mittelbar gekuppelt, und zwar mittels einer hohlen, den Rotor der Turbine ein axialer Gegendruck ausrohrförmigen Welle 8. Das vordere Ende der Ver- 25 geübt wird, und zwar in einer solchen Richtung, daß dichterwelle steht über ein in Fig. 1 mit 9 bezeichnetes dem dynamischen Druck entgegengewirkt wird, Differentialgetriebe mit einer Welle 10 in Verbindung, welcher von der Gasströmung durch die Turbine herauf der eine in der Zeichnung nicht veranschaulichte rührt. Der Austritt der Kühlluft an der Peripherie Luftschraube sitzt. eines jeden der erwähnten Ringräume wird mittels der

Die Turbine weist drei scheibenförmige Rotoren 21, 30 üblichen Schneidkantendichtungen 39 begrenzt, die an 22 und 23 auf, die auf der Rotorachse 6 gelagert sind. den Wurzeln der Rotorschaufeln 25 vorgesehen sind. Jede Rotorscheibe trägt an ihrem äußeren Umfang Jeder Zwischenboden 28, 29 wird aus zwei im Abeine Reihe im Abstand voneinander angeordneter stand voneinander liegenden, ringförmigen Blech-Turbinenschaufeln 25, so daß auf diese Weise drei scheiben 40, 41 gebildet, die an ihrem inneren und Turbinenrotorringe gebildet werden. Zwischen den 35 äußeren Umfang nach innen gebogene schräge Flan-Rotorringen, und zwar in der Strömungsrichtung des sehe haben. Die inneren und äußeren Ränder der Arbeitsmittels vor ihnen, sind entsprechende Stator- Scheiben 40 und 41 sind mit einem inneren Ring 42 ringe 26 angeordnet, von denen jeder am Umfang eine
Reihe im Abstand voneinander angeordneter Statorschaufeln trägt, deren äußere Enden in einem Stator- 40 Enden der Statorschaufeln 26 in der oben beschriegehäuse 27 verankert sind. benen Weise verbunden sind.

Die inneren Enden der Schaufeln 26 der zwischen Das Innere eines jeden Zwischenbodens steht über

den Stufen angeordneten Statorringe stehen mit
hohlen, ringförmigen Zwischenboden 28, 29 in Verbindung, die aus Blech bestehen und zwischen den 45 dung, so daß in dem Innern der Zwischenboden ein benachbarten Rotorscheiben 21, 22 und 23 liegen, und mittlerer Druck aufrechterhalten und der auf den zwar unter Belassung eines kleinen axialen Spiels.
Jede Gruppe von je drei benachbarten Statorschaufeln
ist an ihren inneren Enden an einer für alle Schaufeln
gemeinsamen Grundplatte 30 (Fig. 4) befestigt, die 50
mit einer am Umfang der zugehörigen Körper 28 bzw.

verschweißt, der die Labyrinthdichtung 32 aufweist, und mit einem äußeren Ring 43, mit dem die inneren

eine Bohrung 53 in den Lagerstücken 42 und 32 mit der Mitte der Labyrinthdichtung 32, 33 in Verbin-

liegenden Stelle mittels eines tangentialen Verbindungsgliedes 31 gelenkig gekuppelt ist. Auf diese Weise können die Schaufeln sich bei Erwärmung in

Wandungen 40, 41 ruhende Differentialdruck verringert wird. Diese Wandungen können daher verhältnismäßig dünn ausgebildet sein.

Im Innern eines jeden Zwischenbodens 28, 29 sind mehrere radial verlaufende, etwa rechteckigen Querschnitt aufweisende Stütz- bzw. Abstandsplatten vorgesehen, die mehrere Ausschnitte bzw. öffnungen 45 aufweisen, um ihr Gewicht niedrig zu halten und der

radialer Richtung ausdehnen, und dennoch ist eine 55 in dem Körper eingeschlossenen Luft die Möglichkeit

genaue und sichere Lagerung der Zwischenböden 28, sichergestellt, und zwar konzentrisch zur Turbinenwelle 6. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen benachbarten Rotor-

zum Umlaufen zu geben. Obwohl die Zwischenböden daher nur an ihrem äußeren Umfang verankert sind, sind sie doch so steif genug, um den Druckunterschieden standhalten zu können, die auf ihre beiden

scheiben 21, 22, 23 in axialer Richtung etwa 5 cm; 60 einander gegenüberliegenden ringförmigen Außen

flächen wirksam sind.

Die äußeren, in der Strömungsrichtung vorderen und hinteren Flächen der Scheiben 40, 41 eines jeden Zwischenbodens tragen spiralförmige Rippen 46, die

dabei beträgt das axiale Spiel zwischen einer Rotorscheibe und der gegenüberliegenden Fläche des benachbarten Zwischenbodens 28,29 ungefähr 5 mm. An
der inneren, zylinderförmigen Wand eines jeden Zwischenbodens ist eine Labyrinthdichtung 32 vorgesehen, 65 aus an dem Körper angeschweißten Blechen bestehen die mit einem zylindrischen Flanschansatz 33 eines können; sie bewirken, daß die Kühlluft auf ihrem Abdichtungsgliedes zusammenwirkt, das zwischen je Wege nach außen spiralförmig über die Fläche der einem Paar benachbarter Rotorscheiben liegt. Jedes Rotorscheiben 21, 22 und 23 streicht; infolgedessen Abdichtungsglied weist zwei radiale Bohrungen wird die Weglänge und die Kühlwirkung der Luft in od. dgl. 34, 35 auf, die mit radialen Öffnungen 36 in 70 bezug auf die durchgehende Luftmenge vergrößert.

Die spiralförmigen Rippen 46 werden zweckmäßig so ausgebildet, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist; sie bilden dabei verhältnismäßig schmale, spiralförmige Kanäle, deren Komponente, in der Umfangsrichtung gesehen, wesentlich größer ist als die Kornponente in radialer Richtung. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf Rippen vorgesehen, die sich je über einen Winkel von ungefähr 300° erstrecken. Das innere Ende einer jeden Rippe liegt in einer Entfernung von ungefähr 9,5 cm von der Achse des Turbinenrotors, während der Abstand des äußeren Endes von dieser Achse etwa 16,5 cm beträgt. In diesem Falle sind die Kanäle 47 zwischen den Rippen etwa 1 cm breit.

Entsprechende spiralförmige Rippen 46 sind auch auf den Statorwänden 48 vorgesehen, so daß sie der in der Strömungsrichtung vorderen Fläche der ersten Rotorscheibe 21 und in der Strömungsrichtung hinteren Fläche der letzten Rotorscheibe 23 gegenüberliegen; in den Spalt zwischen den Wandungen und den benachbarten Rotorscheiben wird gleichfalls Kühlluft zugeführt.

Am hinteren Ende der hohlen Turbinenwelle 6 ist zusätzlich ein Druckausgleichkolben 50 vorgesehen, der an seinem Umfang eine Labyrinthdichtung 51 aufweist, welche mit einem festen Teil des Turbinengehäuses zusammenwirkt und so eine im wesentlichen luftdichte Verbindung mit ihm schafft. Der Kolben 50 liegt in einem domartigen Verschlußdeckel 52, der gleichfalls gasdicht im Turbinengehäuse angeordnet ist. Unter nennenswertem Druck stehende, durch die hohle Turbinenwelle 6 zugeführte Luft wird unmittelbar in den Raum zwischen dem Kolben und dem Verschlußdeckel geleitet; auf diese Weise übt sie auf den Kolben 50 und die Turbinenwelle entgegen der Strömungsrichtung einen axialen Gegendruck aus, der dem dynamischen, in axialer Richtung wirksamen Druck entgegenwirkt, welcher von dem durch die Turbine strömenden Gas ausgeübt wird.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Rotorscheiben an den Wurzeln der Rotorschaufeln 25 etwa 42 cm. Der Durchmesser des ersten Dichtungsgliedes 33, das zwischen der ersten und der zweiten Rotorscheibe 21, 22 liegt, beträgt an der Stelle, wo es mit der Labyrinthdichtung

32 an der Innenfläche des ersten Zwischenstufenkörpers 28 zusammenwirkt, etwa 13,7 cm; der entsprechende Durchmesser des zweiten Dichtungsgliedes

33 beträgt 12,7 cm. Die Relativgeschwindigkeit der beiden miteinander in Berührung stehenden Teile jeder dieser Labyrinthdichtungen ändert sich natürlich gemäß einem direkten Vielfachen ihrer Durchmesser. Bei der beschriebenen Anordnung entstehen Relativgeschwindigkeiten in der Größenordnung eines Drittels der Geschwindigkeit, die eintreten würde, wenn die Zwischenstufendichtungen neben den Wurzeln der Schaufeln 25 der Rotorringe liegen würden. Die beschriebene Bauart ermöglicht außerdem eine wirksame Kühlung der Schaufeln der Rotorscheiben und der damit zusammenwirkenden Teile. Außerdem wird in gewissem Maße der auftretende Axialdruck ausgeglichen, wobei gleichzeitig eine leichte und gedrungene Bauart sichergestellt ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gas- oder Abgasturbine mit einer Turbinen-Rotorscheibe, die einen Ring von Rotorschaufeln aufweist, und mit einem Ring von Statorschaufeln, der in der Strömungsrichtung vor bzw. hinter dem Rotorring liegt, mit einem ortsfesten, neben der einen Seitenfläche der Rotorscheibe angeordneten Ringkörper und mit Vorrichtungen, mit deren Hilfe ein Kühlmittel den inneren Umfangsabschnitten des Ringraumes zwischen der Rotorscheibe und dem ringförmigen Körper zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (28) an seiner der Seitenfläche der Rotorscheibe (21) gegenüberliegenden Fläche mehrere spiralförmige Rippen (46) aufweist, so daß das Kühlmittel auf seinem Wege nach außen zwischen der Rotorscheibe und dem ortsfesten Ringkörper in einer spiralförmigen Bahn über die Rotorscheibe streicht.

2. Gas- oder Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise mit zwei Rotorscheiben (21, 22) und dazwischenliegendem Ring von Statorschaufeln ausgebildet ist.

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenboden (28) als an sich bekannter doppelwandiger, hohler Ringkörper ausgebildet ist und die einander gegenüberliegenden Seitenwandungen (40, 41) innen durch Abstandsplatten (44) versteift sind, die sich von einer Seitenwand zur anderen erstrecken.

4. Turbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Spiel zwischen dem ringförmigen Körper (28) und der benachbarten Fläche einer Rotorscheibe (21) etwa ¹Z₁₀ des axialen Abstandes zwischen benachbarten Rotorscheiben beträgt.

5. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (46) in gleichen radialen Abständen über den Umfang um die Turbinenachse verteilt sind und daß die Verbindungslinien von Anfang und Ende jeder Rippe mit der Turbinenachse einen, Winkel miteinander einschließen, der wesentlich größer ist als der Winkel, den die innenliegenden Anfänge zweier benachbarter Rippen mit der Turbinenachse bilden.

6. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe einen Winkel von wenigstens 180°, vorzugsweise 275° und mehr, bezogen auf die Turbinenachse, überspannt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 767 312, 737 397; schweizerische Patentschrift Nr. 270 345; französische Patentschrift Nr. 919 016.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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