DE1076445B - Gasturbine mit luftgekuehlten Schaufeln - Google Patents

Description

Im Zusammenhang mit Turbinen, die mit einem Arbeitsmittel bei hoher Temperatur betrieben werden, z. B. Gasturbinen, ergeben sich oft Schwierigkeiten als Ergebnis einer veränderlichen Ausdehnung, die zwischen den in Berührung mit dem Arbeitsmittel stehenden Schaufeln und dem Rotor oder Stator auftritt, in welchem die S chaufel wurzeln gehalten werden. Wenn die Schaufelwurzeln — wie es üblich ist — unter enger Anpassung in Nuten eingesetzt sind, welche sich in dem die Wurzeln haltenden Teil befinden, so daß der Wärmeübergang zwischen den S chaufel wurzeln und dem sie haltenden Teil erheblich ist, fließt ein großer Teil der von dem Arbeitsmittel auf die Schaufel übertragenen Wärme in den die Schaufel haltenden Teil, wobei sich ein Anstieg in der Temperatur dieses Teils ergibt.

Man hat bereits versucht, diese Schwierigkeit bei einer axial durchströmten Gasturbine dadurch zu beseitigen, daß man für den Strom des Kühlmittels gerade durchgehende axiale Durchgänge vorsieht, die teilweise in den Schaufelwurzeln und den sich etwa zwischen denselben befindenden Zwischenringen und teilweise in dem unteren Teil der Nut, in welche die Schaufelwurzel eingepaßt ist, ausgebildet sind, und daß man vom Kompressor aus Luft durch die auf diese Weise gebildeten Durchgänge leitet. Dabei sind die Durchgänge derart geordnet, daß sie sich in der Richtung des Stroms des Arbeitsmittels erstrecken, während der Kühlluftstrom so vorgesehen ist, daß er im Gegenstrom zur Richtung des Arbeitsmittels verläuft. Wenn die Luft in dem Kühlgas erhitzt wird, wird der Wärmeübergang von der Kühlluft unmittelbar auf die die Schaufeln haltenden Teile ermöglicht, da sich die Kühlluft in direktem Kontakt mit diesen Teilen befindet. "

Die Erfindung bezweckt, den Strom der von dem Arbeitsmittel auf die Schaufeln übertragenden Wärme dadurch auf das Mindestmaß zu verringern, daß man den Schaufelwurzeln Wärme entzieht, bevor dieselbe auf die die Schaufeln haltenden Teile übergehen kann.

Erfindungsgemäß wird der Wärmeübergang von dem erhitzten Arbeitsmittel über die Schaufeln auf den Rotor und Stator dadurch auf ein Mindestmaß verringert, daß die Kühlluftdurchgänge ganz eingebettet in den Zwischenringen sowie in an sich bekannter Weise ganz eingebettet in den Schaufelwurzeln unmittelbar unterhalb der Verbindungsstelle von Schaufelblatt und S chaufel wurzel angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß durch den Strom der Kühlluft ein erheblicher Teil der Wärme abgeführt wird, bevor dieselbe in die Schaufelwurzel und von dort in den Stator oder Rotor eingedrungen ist.

Wenn die Turbine angelassen wird, erhitzen sich die Schaufelwurzeln und Zwischenringe verhältnis-Gasturbine mit luftgekühlten Schaufeln

Anmelder:

The British

Thomson-Housten Company Limited,
London

Vertreter: Dr. M. Herzfeld, Patentanwalt,
Düsseldorf, Kreuzstr. 32

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 6. Januar 1956

Bengt Erik Gustaf Forsling, Rugby, Warwickshire

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

mäßig schnell. Da jedoch die S chaufel würz ein und Zwischenringe genügend Spiel haben, um sich auszudehnen, treten nur verhältnismäßig geringe Temperaturspannungen auf. Andererseits erhitzen sich der Turbinenrotor und das Gehäuse allmählich und langsam auf Grund der Wärmeleitung der Schaufelwurzeln und Zwischenringe. Dieser Wärmefluß schreitet indes langsam fort, da den Schaufelwurzeln und Zwischenringen Wärme entzogen wird. Aus diesem Grunde ermöglicht das erfindungsgemäße Kühlungssystem ein schnelleres Anlaufen und Belasten der Gasturbinenanlage. Nach dem Anlaufen und Belasten der Anlage steigt die Temperatur des Rotors stufenweise und langsam, bis eine Gleichgewichtslage erreicht ist, in welcher der Wärmezufluß den Wärmeverlust durch die Wellenenden ausgleicht. Wenn die Belastung geändert wird, ändert sich auch die Temperatur des Rotors langsam in Richtung auf eine neue Gleichgewichtslage und so fort.

Die Durchgänge für den Strom der Kühlluft sind vorzugsweise in an sich bekannter Weise mit Rohrleitungen ausgekleidet, welche sich durch die in den Schaufelwurzeln und Zwischenringen befindlichen Durchgänge erstrecken.

Das Kühlmittel kann in die hohle Rotorwelle der Turbine eingeführt und von dort aus durch radiale Kanäle geleitet werden, die in einem ringförmigen Raum enden, in welchen die Durchgänge für das Kühlmittel sich erstrecken. Für diese im Anspruch 3

909 757/136

gekennzeichneten an sich bekannten Maßnahmen wird jedoch Schutz nur in Verbindung mit den übergeordneten Ansprüchen begehrt.

In den Zeichnungen ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise und mit Bezug auf eine Gasturbine veranschaulicht, d. h. eine Turbine, in welcher die gasförmigen Verbrennungsprodukte eines Treibstoffs als Arbeitsfluidum verwandt werden.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen die Erfindung verkörpernden Gasturbinenläufer. ίο

Fig. 2 ist ein Querschnitt an der Einlaßkante der Laufschaufeln in erster Stufe.

Fig. 3 veranschaulicht eine andere Möglichkeit zur Herstellung gasdichter Kühlkanäle.

Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch das Gehäuse und die Statorschaufeln, bei welchen das erfindungsgemäße Kühlungssystem für den, hohen Temperaturen ausgesetzten Teil der Schaufelausstattung verwandt wird.

In Fig. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Turbinenläufer. An seinem Umfang ist der Läufer mit axialen Nuten 2 von schwalbenschwanzförmigem Querschnitt versehen, in welche die Laufschaufeln 3 eingesetzt sind, die mit Zwischenringen 4 wechselweise aufeinanderfolgen, wobei die Schaufelwurzeln und Zwischenringe den gleichen Querschnitt besitzen. Die zu kühlenden Schaufelwurzeln und Zwischenringe sind mit hintereinanderliegenden axialen Löchern 5 versehen, durch welche das Kühlmittel geleitet wird. Um einen im wesentlichen gasdichten Durchgang zu schaffen, sind Rohrleitungen 6 durch die Löcher gelegt. Vor den Laufschaufeln der ersten Stufe sind Endringe 7 angebracht, die mit Aussparungen 8 versehen sind, welche eine ringsumlaufende Rinne bilden, die zu dem Zwecke dient, das aus den Rohrleitungen 6 austretende Kühlmittel zu sammeln und dasselbe in den gasförmigen Strom des Arbeitsfluidums an der Einlaßseite der Laufschaufeln erster Stufe abzuleiten, und zwar in einer im wesentlichen axialen Richtung und einem Bereich, der demjenigen benachbart liegt, in welchem die höchste Temperatur des Arbeitsfluidums herrscht.

Am Auslaß ende des Läufers sind zwei Scheiben 9 und 10 angebracht, die mit axialen Schultern 11 bzw. 12 versehen sind, welche eine muffenartige Verbindung bilden, durch die ein Auslecken des Kühlmittels aus dem Raum 13 zwischen den Scheiben in den das Arbeitsfluidum enthaltenden Durchgang verhindert wird. Die Verbindungsstelle kann geschweißt werden, um einen vollkommenen Verschluß zu gewährleisten.

Die Scheibe 9 ist mit Löchern 14 versehen, welche den in den Schaufeln und Zwischenringen befindlichen Löchern 5 entsprechen. Die Rohrleitungen 6 erstrekken sich in die Löcher 14, in denen sie zweckmäßig eingewalzt werden, um eine gasdichte Verbindung herzustellen. Die Scheibe 10 ist mit Gewindelöchern 15 versehen, in die Abschlußschrauben 16 eingepaßt sind, und zwar je eine vor jeder Rohrleitung 6, wodurch der Zugang zum Zwecke der Reinigung und Inspektion der Bohrungen ermöglicht wird.

Der Läufer 1 ist mit einer zentralen Bohrung 17 versehen, die mit dem Raum 13 durch radiale Löcher 18 in Verbindung steht. Ein dünnes, ummanteltes Rohr 19 erstreckt sich von dem Einlaßende des Läufers bis zu den Löchern 18. Das Rohr 19 ist mit einem inneren Schild 20 innerhalb des durch eine hohle Welle gebildeten Einlaß endes des Läufers verbunden. Das Rohr 19 und das Schild 20 dienen dazu, den Wärmeübergang von der Kühlluft zu den Innenwänden des Turbinenläufers zu reduzieren. Am Einlaßende des Rohrs 19 ist eine Abschlußscheibe 21 angebracht.

Vom Auslaß des Kompressors kommende Luft wird dem hohlen Turbinenläufer zugeführt. Ein Teil dieser Luft strömt — zu Kühlzwecken — in das Rohr 19 durch die Abschlußscheibe 21 ein, deren Durchmesser so eingestellt ist, daß der gewünschte Kühlluftstrom erzielt wird. Die Luft strömt zunächst durch die Löcher 18 in den Raum 13 und sodann durch die Rohrleitungen 6, welche die Schaufelwurzeln und Zwischenringe kühlen. Darauf wird die Luft in der ringsumlaufenden Rinne 8 gesammelt und dem Gasstrom an der Einlaßkante der Laufschaufeln der ersten Stufe zugeführt.

Das Einlaßende des Turbinenläufers ist mit einer (nicht dargestellten) Labyrinthdichtung versehen, \velcher vom Kompressorauslaß aus Luft zugeführt wird, so daß eine geringe Menge unter Druck stehender Dichtungsluft an der Außenfläche 22 des Einlaßendes des Turbinenläufers 1 entlanggeführt wird. Die Dichtungsluft, die gleichfalls als Kühlmittel für den Läufer wirkt, streicht zwischen dem Gehäuse und den Vorderflächen der Zwischenringe 7 hindurch in den Gasstrom.

Vor dem Anlaufen ist der Turbinenläufer kalt. Sobald die Verbrennungskammer angeheizt ist und das heiße gasförmige Arbeitsfluidum durch die Turbine strömt, nehmen die Laufschaufeln und Zwischenringe Wärme auf, die von dem gasförmigen Strom abgegeben wird. Die durch die Rohrleitungen 6 fließende Kühlluft entzieht den Schaufelwurzeln und Zwischenringen Wärme, so daß diese sich nur langsam erwärmen. Ein Teil der Wärme strömt durch die S chaufel wurzeln und Zwischenringe in den Läuferkörper. Da die Temperatur des gasförmigen Arbeitsfluidums in der ersten Stufe am höchsten und in der letzten Stufe am niedrigsten ist, ergibt sich, daß die Temperatur des Läufers am Einlaßende höher ist als am Auslaßende. Da ein Gegenfluß des Kühlmittels stattfindet, erreicht auch das Kühlmittel am Einlaßende des Läufers eine höhere Temperatur, so daß das Temperaturgefälle zwischen dem Arbeitsfluidum und dem Kühlmittel auf ein Mindestmaß gesenkt wird.

Wenn ein Beharrungszustand erreicht ist, dauert ein von den Schaufelwurzeln und Zwischenringen ausgehender, am äußeren Durchmesser zum Läufer führender Wärmestrom an, welcher durch den vom Läufer aus durch die Wellenenden gehenden Wärmestrom ausgeglichen wird.

Innerhalb des Läufers bilden sich — vorwiegend in axialen Richtungen — Wärmeströme, die teilweise auf dem Wärmeverlust durch die Wellenenden beruhen und teilweise — in der Richtung vom Einlaßende zum Auslaßende — durch das Temperaturgefälle im Läufer bedingt werden. Diese Wärmeströme bewirken eine Verringerung der Läufertemperatur an der heißesten Stelle, d. h. an der Einlaßstufe.

Gewünschtenfalls kann der Läufer mit ringsumlaufenden Einschnitten 23 versehen sein, die in gestrichelten Linien dargestellt sind, wodurch der Umfang des Läufers in Scheiben ausgebildet wird, welche freies Spiel besitzen, um sich unabhängig voneinander auszudehnen.

Die Schaufelwurzeln können an Stelle der in Fig. 2 gezeigten Schwalbenschwänze auch Schultern 24 aufweisen, wie in strichpunktierten Linien in Fig. 1 angedeutet, die mit entsprechenden Schultern an den Zwischenringen zusammenpassen, so daß ein Teil der

Zentrifugalkraft der Schaufeln von den Schaufelwurzeln über die Schultern auf die benachbarten Zwischenringe übertragen werden kann. Diese Ausbildungsform sollte nur in Verbindung mit einer besonders widerstandsfähigen Läuferkonstruktion verwandt werden.

In Fig. 3 ist eine andere Möglichkeit zur Erzielung gasdichter Kühlkanäle veranschaulicht. In diesem Falle sind an den Verbindungsstellen kurze Rohrleitungen eingesetzt und derart aufgewalzt, daß sie gasdichte Verbindungen bilden.

Fig. 4 veranschaulicht einen Querschnitt des Gehäuses und der Ausbildung der feststehenden Schaufeln einer Gasturbine, welche sechs Statorstufen besitzt, von denen die ersten drei gemäß der vorliegenden Erfindung gekühlt wenden. Das Gehäuse wird aus vier Teilen gebildet:

1. dem nicht gekühlten Turbinen-Einlaßgehäuse 27,

2. dem die gekühlten Statorstufen haltenden Zylinder 28,

3. dem die nicht gekühlten Statorstufen haltenden Zylinder 29, und

4. dem Auslaßgehäuse 30.

Das Einlaßgehäuse 27 ist mittels eines geschlitzten Ringes mit dem Zylinder 28 verbunden, so daß das Gehäuse 27 sich frei ausdehnen kann.

Die Statorschaufeln 31 sind zusammen mit den Zwischenringen 32 in axiale Einschnitte des Gehäuses 28 eingesetzt, die denjenigen des Läufers ähnlich ausgebildet sind. Die Endringe 33 sind mit durchgebohrten und durch Schraubenstopfen verschlossenen Löchern versehen, welche gasdichte Durchgänge zwischen den Auslaßöffnungen in den Endringen 33 und einer Kühlkammer 34 in dem Gehäuse 28 bilden. Rohrleitungen 35 sind durch die in den Schaufelwurzeln und Zwischenringen befindlichen Löcher hindurchgelegt und in die entsprechenden Löcher in den Endringen 33 eingewalzt. Die Abstandsringe 36 sind mit Aussparungen 37 versehen, welche eine Ringnut bilden.

Das Kühlmittel wird in die Kühlkammer 34 geleitet, strömt durch die Kanäle in den Endringen 33 und fließt alsdann durch die Rohrleitungen 35, so daß die Schaufelwurzeln 31 und die. Zwischenringe 32 gekühlt werden. Die aus den Rohrleitungen 35 austretende Luft wird in der Ringnut 37 gesammelt und in stromabwärts gerichteter Richtung an der Einlaßkante der Statorschaufeln 31 dem Hauptgasstrom zugeführt.

Die Erfindung kann im Rahmen der wesentlichen Gedanken mannigfach abgeändert und ausgestaltet werden. So können z. B. in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sich die Rohrleitungen 6 statt über die volle Länge nur über einen Teil der Länge des Statorteiles 4 erstrecken. Ein Teil des Kühlmittels strömt alsdann durch die Ausdehnungsspalte hauptsächlich zwischen den Schaufelwurzeln 3 und den Zwischenringen 4 in den Hauptstrom. Durch eine derartige Anordnung kann unter gewissen Bedingungen eine verbesserte Kühlung der ersten Stufe der Laufschaufeln 3 erzielt werden.

Bei einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, das Kühlmittel am Einlaßende der Turbine einzuführen, es sodann durch die Kühlkanäle zu leiten,

ίο und zwar zunächst in einer Richtung parallel zum Hauptgastrom bis in eine Umkehrkammer und anschließend im Gegenfluß zurück zum Einlaßende, wo gegebenenfalls das Kühlmittel dem Hauptstrom — wie in Fig. 1 veranschaulicht — zugeführt wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasturbine, deren Schaufeln durch vom Kompressor ausgehende Luft gekühlt werden, die in Berührung mit den S chaufel wurzeln und den sich etwa zwischen denselben befindenden Zwischenringen im Gegenstrom zur Richtung des Stroms des Arbeitsmittels in gerade durchgehenden axialen Durchgängen geleitet wird, wobei die Schaufelwurzeln und Zwischenringe in im Stator und Rotor ausgebildeten durchgehenden axialen Nuten eng eingepaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftdurchgänge ganz eingebettet in den Zwischenringen sowie in an sich bekannter Weise ganz eingebettet in den Schaufelwurzeln direkt unterhalb der Verbindungsstelle von Schaufelblatt und Schaufelwurzel angeordnet sind.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge in an sich bekannter Weise mit Rohrleitungen ausgekleidet sind, welche sich durch die in den Schaufelwurzeln und Zwischenringen befindlichen Durchgänge erstrecken.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in die hohle Welle eingeführt und von dort aus durch radiale Kanäle geleitet wird, die in einem ringförmigen Raum enden, in welchen die Durchgänge für das Kühlmittel sich erstrecken.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 865 773; schweizerische Patentschriften Nr. 272 066, 245 176, 231;

französische Patentschriften Nr. 978 608, 963 824; britische Patentschriften Nr. 612 097, 609 028, 316;

USA.-Patentschrift Nr. 2 618120;

deutsche Patentanmeldung D 146891a/46f kanntgemacht am 9. 12. 1954).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen