DE1078814B - Anordnung zur Kuehlung von Gasturbinenlaeufern - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung von Gasturbinenläufern, wobei eine Kühlmittelströmung seitlich an den Fußteilen der Schaufeln vorbeigeleitet wird und ein ringförmiges Teil vorgesehen ist, das Finger aufweist, die in die Schaufelzwischenräume ragen, um die Kühlmittelströmung von der Treibmittelströmung zu trennen.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art ist ein ringförmiges Teil vorgesehen, das zusammen mit der Turbinenläuferscheibe einen Durchlaß für das Kühlmittel bildet. Der zylindrisch verlaufende äußere Randabschnitt dieses Teils ist an der Stelle der Schaufeleintrittskanten etwas ausgeschnitten, so daß kurze Finger entstehen, die zwischen die Schaufeln ragen.

Da bei der bekannten Anordnung die Deckscheibe am äußeren Umfang nicht von den Schaufelsockeln nach außen abgestützt ist, muß sie die gesamten auf sie wirkenden Zentrifugalkräfte selbst aufnehmen. Sie muß daher verhältnismäßig stark ausgeführt sein und sehr fest mit dem Läufer verbunden werden. Die Verbindung geschieht bei der bekannten Anordnung dadurch, daß die zwischen die Schaufeln ragenden Finger mit dem Läufer verschweißt werden. Diese starre Verbindung hat auf der anderen Seite den Nachteil, daß eine Bewegung zum Ausgleich von Wärmespannungen und unterschiedlichen Ausdehnungen im Betrieb zwischen diesen Teilen nicht möglich ist. Ferner werden die Wärmespannungen, die durch die unterschiedliche Erwärmung der äußeren und der inneren Abschnitte der Deckscheibe entstehen, auf die Schweißstellen übertragen, die entsprechend stark ausgeführt sein müssen. Hierdurch werden Arbeitsaufwand und Materialkosten bei der Herstellung vergrößert, ohne daß die Gefahr von Verwerfungen und Rissen im Betrieb mit Sicherheit beseitigt ist.

Ein anderer Weg wird bei einer anderen bekannten Anordnung zur Kühlung eines Gasturbinenläufers beschritten, bei der im Abstand von der einen Stirnseite der Läuferscheibe eine sich mit dieser drehende Scheibe angebracht ist. In den Zwischenraum wird von der Welle her Kühlluft geleitet. Die Scheibe ist am Rand der Läuferscheibe auf der Höhe der Schaufelfußnuten so befestigt, daß die Kühlluftströmung von der Treibmittelströmung getrennt ist. Die Läuferscheibe und die Schaufelfüße enthalten Kanäle, durch die die Kühlluft strömt. Eine Kühlung der Schaufelfüße außerhalb des Umfangs der Laufradscheibe ist bei dieser Anordnung aber nicht möglich. Außerdem werden die Laufradscheibe und die Schaufelfüße durch die Kühlluftkanäle geschwächt.

Demgegenüber liegt das Ziel der Erfindung in der Schaffung einer Anordnung der eingangs angeführten Art, mit der die Kühlung der Schaufelfüße außerhalb Anordnung zur Kühlung
von Gasturbinenläufern

Anmelder:

General Electric Company,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. rer. nat. G. Hauser,
Patentanwälte, München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. Dezember 1956

Gerhard Sonder, Cambridge, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

des Laufradscheibenumfangs möglich ist, die aber einfach, billiger und betriebssicherer als die bekannten Anordnungen ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Finger des ringförmigen Teils unter die Schaufelsockel ragen und zwischen die sich nach außen erweiternden Flanken benachbarter Schaufelschäfte derart eingekeilt sind, daß die Keilwirkung durch die auf das ringförmige Teil wirkenden Zentrifugalkräfte verstärkt wird, und daß in an sich bekannter Weise im Abstand von der einen Stirnseite der Läuferscheibe eine sich mit dieser drehende Scheibe angebracht ist, deren Umfang an dem ringförmigen Teil anliegt und mit diesem und der Läuferscheibe einen Durchlaß zur Zuführung des Kühlmittels zu den Schaufelschäften bildet.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind die oben angeführten Nachteile vermieden. Die auf das ringförmige Teil einwirkenden Zentrifugalkräfte werden vollständig von den Schaufelschäften aufgenommen, so daß das ringförmige Teil verhältnismäßig schwach, ja sogar aus einem biegsamen Material gefertigt werden kann. Es wird einfach mit seinen Fingern zwischen die Schaufelschäfte eingeschoben; jede weitere Befestigung, wie Anschweißen od. dgl., entfällt. Hierdurch wird einerseits die Herstellung ganz beträchtlich vereinfacht und verbilligt, und andererseits kann sich dadurch das ringförmige Teil allen durch die Erwärmung hervorgerufenen Bewegungen des Läufers und der Schaufeln mühelos anpassen. Durch die Zentrifugalkräfte wird es stets in inniger

909' 768/118

Berührung mit den Flanken der Schaufelschäfte gehalten, so daß bei allen Betriebsbedingungen eine wirksame Trennung des Kühlmittels vom Antriebsmittel gewährleistet ist.

Dadurch, daß beim Erfindungsgegenstand zwei getrennte Teile an Stelle der einstückigen Deckscheibe ■bei der bekannten Anordnung vorgesehen sind, wird eine weitere Vereinfachung der Herstellung und eine besonders gute Anpassung an alle Betriebsbedingungen erreicht. Die Scheibe liegt mit ihrem Umfang an dem ringförmigen Teil an, ist aber nicht fest damit verbunden, so daß sie dessen Bewegungen zum Ausgleich der Wärmeausdehnungen und Zentrifugalkräfte nicht stört. Umgekehrt kann die Scheibe bei unterschiedlicher Erwärmung den Wärmespannungen beliebig folgen, ohne daß diese Kräfte auf das ringförmige Teil übertragen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 die Stirnansicht eines Turbinenlaufrades, von der Kompressorseite gesehen,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie H-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Scheibe, des ringförmigen Teils und der Finger mit einer einzelnen Schaufel,

Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV von Fig. 5,

Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts des Laufrades, in Richtung zum Kompressor hin gesehen, und

Fig. 6 eine abgeänderte Ausführungsart.

In der Zeichnung ist das Turbinenlaufrad einer Gasturbine mit 1 bezeichnet. Das Laufrad besitzt eine Turbinenscheibe 2, welche mittels eines verdickten Nabenabschnitts 3 an der Turbinenwelle 4 befestigt ist, um den (nicht dargestellten) Kompressor der Maschine anzutreiben, sowie eine Anzahl von Turbinenschaufeln 5, von denen jede aus einem Beaufschlagungsabschnitt 6, einem Sockel 8, einem Schaft 10 und einem schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß oder Befestigungsabschnitt 12 besteht, der in einem schwalbenschwanzförmigen Schlitz 14 im Umfangsteil der Scheibe 2 liegt. Der schwalbenschwanzförmige Fuß 12 ist in dem Schlitz 14 durch übliche Einrichtungen verriegelt.

Der Schaft 10 jeder Turbinenschaufel ragt eine beträchtliche Strecke über den Umfang 16 der Scheibe hinaus, und zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen dieses Schaftes, welche den Schäften der benachbarten Schaufeln zugewandt sind und über den Umfang hinausragen, haben bei 17 einen so geringen Abstand voneinander, daß ein verhältnismäßig schmaler Schaftabschnitt entsteht, welcher sich über den größten Teil der frei liegenden Schaftlänge erstreckt, worauf sie sich nach außen aufweiten, wie bei 18 (Fig. 1 und 5) dargestellt ist, und in den Sockel 8 übergehen. Die anderen Enden der Seitenflächen 17 des Schaftes gehen in den schwalbenschwanzförmigen Umriß des Befestigungsabschnitts 12 über. Die anderen einander gegenüberliegenden Seitenflächen 19 des Schaftabschnitts 10 und des Befestigungsteils 12 sind gerade und parallel, wobei die dazwischen bestehende Dicke etwa über die gesamte Länge gleichförmig und etwa gleich der Dicke der Turbinenscheibe ist, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Es ist jedoch zu bemerken, daß die Seitenflächen 19 abgeschrägt sein können.

Die Turbinenschaufeln 5, drehen sich zwischen den Statorschaufeln oder Leitschaufeln 22 der Turbine, welche zwischen dem äußeren Statormantel 24 und den inneren Statormänteln 25 und 27 befestigt sind.

Auf der Welle 4 ist eine Kühlmittelscheibe 26 gelagert. Diese Scheibe kann entweder an der Welle 4 befestigt sein, oder die Mittelnabe 30 der Scheibe 26 kann gleitbar auf der Welle gelagert sein. In axialer Richtung erstreckt sich von der Scheibe 26 ein hohler Rohrabschnitt 34, auf welchem eine Labyrinthdichtung 36 angebracht ist. Die Labyrinthdichtung 36 wirkt mit einem Rohrabschnitt 40 zusammen, der an der Trennwand 42 befestigt ist, deren Umfang in einer üblichen

ίο Weise an dem inneren Abschnitt des inneren Mantels 25 angebracht ist. Die Innenfläche der Scheibe 26 steht in einem Abstand von der Stirnfläche 44 der Scheibe 2 und den entsprechenden Seitenflächen 19 der Schaufelschäfte, so daß ein Kühlmittelraum 46 zwischen der Scheibe 26 und der Scheibenfläche 44 sowie zwischen der Scheibe 26 und den entsprechenden Seitenflächen 19 der Schaufeln 10 entsteht. Die Scheibe 26 weist eine Anzahl Löcher 48 auf, die radial innerhalb des Rohres 34 liegen und in einem Kreis angeordnet sind.

Durch diese Löcher strömt Druckluft von dem Kompressor der Maschine über die von dem Rohr 34 umschlossene Luftkammer 49 in den Raum 46. Die der Scheibe 44 und den Flächen 19 der Schaufeln 5 zugewandte Seite der Scheibe 26 ist mit einer Anzahl von Flügeln 50 besetzt, welche in radialer Richtung verlaufen. Die Flügel können auch in anderer Richtung angeordnet sein. Der Umfangsabschnitt 51 der Scheibe überlappt den ringförmigen Flansch 52 eines L-förmigen ringförmigen Streifens 54, wobei die beiden Teile aneinander anstoßen. Der Flansch 52 verläuft im wesentlichen in radialer Richtung nach außen und endet in einem ringförmigen Abschnitt 56, welcher in gewissem Abstand radial weiter außen als der Umfang 16 der Laufradscheibe 2 liegt. Der ringförmige Abschnitt 56 ist mit einer Anzahl von Kerben 58 versehen, welche eine Anzahl von Fingern 60 bilden, die im Abstand vom Umfang 16 der Laufradscheibe liegen. Jede Kerbe 58 erfaßt ohne Spiel einen Schaft 10 einer Schaufel 5, und die Finger 60 ragen in die Zwischenräume zwischen nebeneinanderliegenden Schaufelschäften. Die Kanten oder Seitenwände 64 und 66 jeder Kerbe 58 und der dazwischenliegenden Finger 60 liegen dicht an den nach außen aufgeweiteten Seitenflächen 18 des Schaftes 10 an, welcher in der Kerbe und zwischen den nebeneinanderliegenden Fingern 60 liegt, und die Innenseite 62 der Kerbe liegt dicht an der Seitenfläche 19 des Schaftes an, so daß praktisch jeder Finger 60 zwischen die auseinanderstrebenden Seitenflächen 18 von zwei nebeneinanderliegenden Schäften eingekeilt ist. Diese Konstruktion ermöglicht es, daß die Finger 60 als Schwingungsdämpfer wirken. Der Streifen 54 ist weder an den Schäften 10 noch an der Scheibe 26 befestigt. Der Abstand der Scheibe 26 von der Seitenfläche 44 der Laufradscheibe 2 und die Abmessungen des Streifens 54 und der Kerben 58 sind so gewählt, daß durch die Einwirkung des Umfangteils 51 der Scheibe 26 auf den Abschnitt 52 der Streifen 54 in der gezeigten Lage gehalten wird, in welcher die Innenseiten 62 der Kerben 58 dicht an die Seitenflächen 19 der Schäfte gepreßt und die Finger 60 zwischen die Seitenteile 18 der nebeneinanderliegenden Schäfte eingekeilt sind.

Da die Finger 60 in radialer Richtung einen Ab

stand vom Umfang 16 der Laufradscheibe 2 haben, werden durch die Seitenflächen 17 und 18 der nebeneinanderliegenden Schäfte, den Abschnitt desUmfangs 16 zwischen nebeneinanderliegenden Schäften und den zwischen zwei Schäften liegenden Finger 60 Kühlmittelkanäle 68 gebildet. Diese Kühlmittelkanäle 68 stehen in Verbindung mit dem Kühlraum 46 zwischen

•der Scheibe 26 und der Seitenfläche 44 der Laufradscheibe 2, und zwar über den Kühlmittelzwischenraum 69 zwischen den Seitenflächen 19 der Schäfte 10 und den Innenflächen des Abschnitts 52 und des Umfangteils der Scheibe 26. Das Kühlmittel, in dem angenommenen Beispiel Druckluft, strömt von der Kammer 49 über die öffnungen 48 in den Raum 46. Es fließt in radialer Richtung durch die Zwischenräume 46 und 69 an der Seitenfläche 44 der Laufradscheibe 2 und den Flächen 19 der Schäfte 10 entlang, und es wird dann durch den Abschnitt 56 und die Finger 60 des Streifens 54 im rechten Winkel umgelenkt und in und durch die Kanäle 68 und damit gegen die Seitenfläche 17 und 18 der Schäfte geleitet, welche die Wände dieser Kanäle bilden. Von dort gelangt das Kühlmittel in das Abgasrohr der Turbine. Es liegt also eine bewegte Kühlmittelschicht zwischen dem heißen Antriebsmittel und den Abschnitten der Rotorscheibe 2, welche gewöhnlich dem heißen Antriebsmittel ausgesetzt sind, und die Wärme wird von den Schäften 10 abgeführt, bevor sie in die Scheibe 2 übertreten kann.

Der knappe Sitz zwischen den Kanten 64., 66 und 62 jeder Kerbe und den anliegenden Seiten 18 und 19 der Schäfte ergibt eine wirksame Abdichtung zwischen den Kanälen 68, welche das Kühlmittel enthalten, und dem Raum, der das heiße Antriebsmittel enthält, in welchem sich die Schaufelabschnitte 6 bewegen. Der knappe Sitz zwischen dem Unifangsabschnitt 51 und dem ringförmigen Abschnitt 52 des Streifens 54 bildet gleichfalls eine wirksame Dichtung zwischen den Kühlkanälen 48, 69 und 68 einerseits und dem Kanal des heißen Antriebsmittels sowie dem Raum 74 zwischen der Scheibe 26 und der feststehenden Scheibe 42 andererseits. Die Labyrinthdichtung 36 und der Rohrabschnitt 40 ergeben eine Dichtung gegen den Durchtritt von heißem Antriebsmittel, das in den Raum 74 eingedrungen ist. Der gesamte Weg des Kühlmittels von der Luftkammer 49 durch die öffnungen 48., die Zwischenräume 46 und 69 und die Kanäle 68 ist gegen das heiße Antriebsmittel abgedichtet.

Der knappe Sitz zwischen den Kanten 64, 66 und 62 der Kerben und den beiden Seitenflächen 18 sowie der einen Seitenfläche 19 der Schäfte 10 ergibt ferner eine Dämpfung der Schwingungen, der Schäfte und damit der Schaufeln.

Die Zentrifugalkraft des Laufrades bei der Drehung drückt die Kanten 64 und 66 der Finger gegen die nach außen auseinanderstrebenden Seitenflächen der Schäfte, so daß bei hohen Geschwindigkeiten eine ausgezeichnete Abdichtung und Schwingungsdämpfung erreicht wird. Die Zentrifugalkraft und die auftretenden hohen Temperaturen bewirken, daß sich die Schäfte radial nach außen strecken und ausdehnen, so daß sich die auseinanderstrebenden Abschnitte der Schäfte sowie die Sockel 8 in radialer Richtung nach außen bewegen, wodurch sich die Zwischenräume zwischen den Sockeln der nebeneinanderliegenden Schaufeln verbreitern. Jedoch werden die erfindungsgemäß vorgesehenen Metallfinger gleichfalls durch die Zentrifugalkraft radial nach außen bewegt, so daß der enge Sitz zwischen den Seitenflächen 18 der Schäfte und den Kanten 64 und 66 der Finger aufrechterhalten wird, wodurch die radiale Ausdehnung der Schäfte kompensiert wird. Dies ergibt sich daraus, daß der Streifen 54 weder an der Scheibe 26 noch an den Schäften 10 befestigt ist und aus einem Material besteht, welches eine gewisse Biegsamkeit besitzt, z. B. aus Stahl oder einem anderen wärmebeständigen Material, und eine verhältnismäßig geringe Dicke besitzt. Daher kann sich der Streifen 54 in radialer Richtung frei bewegen und biegen, so daß er in Berührung mit den Seitenflächen 18 bleibt. Praktisch bewirkt die Zentrifugalkraft, daß sich die Finger in radialer Richtung sogar noch weiter nach außen bewegen, als die Schäfte gestreckt werden, so daß die Finger noch dichter gegen die auseinanderstrebenden Abschnitte 18 gekeilt werden; Es ist offensichtlich, daß eine Verformung der Schäfte und der Streifen 54 infolge der Zentrifugalkraft nicht dazu führt, daß sich die Seiten 19 der Schäfte und die Kanten 62 der Kerben voneinander wegbewegen.

Die Scheibe 26 dient als wirksamer Strahlungs schirm, und da sie am Rand keine Last trägt, kann sie die verhältnismäßig hohen Wärmebeanspruchungen aushalten, welche infolge dieser Schirmwirkung darauf ausgeübt werden.

Die Zentrifugalkraft des Rotors bewirkt, daß das Kühlmittel in radialer Richtung an der Seitenfläche 44 der Scheibe 2 und den Flügeln 50 entlang nach außen strömt, und die Flügel 50 dienen dazu; sie auf der jeweils herrschenden Laufradgeschwindigkeit zu halten, so daß der Wärmeübertragungskoeffizient entlang der Scheibenfläche einen niedrigen Wert besitzt. Wenn die Kühlluft zwischen den Schaufelschäften durch die Kanäle 68 strömt, erzeugen die großen Zentrifugalkräfte darin starke Konvektionsströme, welche sehr große Wärmeübertragungsfaktoren zwischen den heißen Schaufelschäften und dem Kühlmittel ergeben. Die Schaufelschäfte, welche infolge ihrer verhältnismäßig kleinen Querschnitte einen hohen Wärmewiderstand besitzen, werden daher sehr wirksam gekühlt, und sie besitzen einen großen Temperaturgradienten. Dieser Temperaturgradient erzeugt jedoch keine Beanspruchungen. Nur eine geringe Menge der Wärme tritt in die Laufradscheibe ein, welche deshalb nur einen geringen Temperaturgradienten ertragen muß.

Erfindungsgemäß wird also die größte Kühlwirkung nahe der Wärmequelle erreicht, wobei die Temperaturgradienten in Teilen auftreten, die sie ohne weiteres aushalten können. Da der Temperaturgradient und die dadurch hervorgerufenen Beanspruchungen in der Turbinenscheibe auf einem Mindestmaß gehalten werden und der Temperaturgradient in der Schaufel möglichst groß gemacht wird, wird von den zur Verfügung stehenden Eigenschaften die beste Anwendung gemacht, um große Wärmeübertragungskoeffizienten an der Stelle zu erzeugen, wo sie am dringendsten benötigt werden. Das Kühlmittel ist in wirksamer Weise gegen das heiße Antriebsmittel während des Betriebs des Rotors abgedichtet, die Schwingungen der Schaufeln sind gedämpft, und die Dicht- und Schwingungsdämpfungswirkung wird durch die Zentrifugalkräfte nicht beeinträchtigt, sondern in Wirklichkeit sogar dadurch vergrößert.

Die Kühl- und Dämpfungseinrichtung nach vorliegender Erfindung ist billig und einfach, da sie im wesentlichen nur aus den beiden Teilen 26 und 54 besteht. Sie ist äußerst dauerhaft und besitzt eine große Lebensdauer, da die Kanten 64 und 66 der Kerben 58 und die Wände 18 der Schäfte, auch wenn sie im Betrieb abgenutzt werden, immer noch unter Erzielung einer wirksamen Dichtungs- und Dämpfungswirkung durch die Zentrifugalkräfte des Rotors dicht gegeneinandergepreßt werden.

Wie in Fig. 6 dargestellt ist, kann gemäß einer anderen Ausführungsform die rotierende Antriebswelle 4 zwischen dem Kompressor und dem Turbinenrotor hohl sein, wobei dann die komprimierte Luft

vom Kompressor in den Raum 46 über diese hohle Welle eingeführt wird. Der Raum 49, welcher in den Fig. 1 und 2 lediglich eine die Welle 4 umgebende Luftkammer ist, liegt bei der Ausführungsform von Fig. 6 innerhalb der hohlen, rotierenden Antriebswelle 4 des Kompressors.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Kühlung von Gasturbinenläufern, wobei eine Kühlmittelströmung seitlich an den Fußteilen der Schaufeln vorbeigeleitet wird und ein ringförmiges Teil vorgesehen ist, das Finger aufweist, die in die Schaufelzwischenräume ragen, um die Kühlmittelströmung von der Treibmittelströmung zu trennen, dadurch gekennzeichnet, daß die Finger (60) des ringförmigen Teils (54) unter die Schaufelsockel (8) ragen und zwischen die sich nach außen erweiternden Flanken (17,18) benachbarter Schaufelschäfte (10) derart eingekeilt sind, daß die Keilwirkung durch die auf das ringförmige Teil wirkenden Zentrifugalkräfte verstärkt wird, und daß in an sich bekannter Weise im Abstand von der einen Stirnseite (44) der Läuferscheibe (2) eine sich mit dieser drehende Scheibe (26) angebracht ist, deren Umfang (51) an dem ringförmigen Teil (54) anliegt und mit diesem und der Läuferscheibe einen Durchlaß zur Zuführung des Kühlmittels zu den Schaufelschäften bildet.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Teil (54) einen L-förmigen Querschnitt besitzt und daß der Umfang (51) der Scheibe (26) an dem radialen Schenkel (52) des ringförmigen Teils so anliegt, daß dessen Finger (60) zwischen den Flanken (17,18) der Schaufelschäfte (10) gehalten werden.

3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Scheibe (26) konzentrisch zur Turbinenwelle (3) in an sich bekannter Weise ein zylindrisches Teil (34) angebracht ist, das zur Zuführung des Kühlmittels vom Kompressor dient, und daß in der Scheibe (26) Öffnungen (48) angebracht sind, durch die das Kühlmittel in den Zwischenraum zwischen der Scheibe (26) und der Lauf er scheibe eintritt.

4. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Teil (54) aus einem biegsamen Material besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 855 021;
deutsche Auslegeschrift A 20665 I a/46f (bekanntgemacht am 30. 5. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen