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Gasturbine, deren Läuferschaufeln innere Kühlkanäle aufweisen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, deren Läuferschaufeln innere Kühlkanäle
aufweisen.
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Die Läuferschaufeln von Gasturbinen sind häufig mit inneren Kanälen
versehen, durch welche während des Betriebes der Gasturbine ein Strömungsmittel
geleitet wird, etwa ein Kühlgas wie Luft. In dieses Kühlgas kann eine Flüssigkeit
eingesprüht werden, weil sich dadurch die Kühlmitteleigenschaften des Gases verbessern.
Durch derartige Maßnahmen erreicht man eine höher zulässige Gastemperatur, oder
aber man kann ein Material verwenden, welches unter gleichen Betriebsbedingungen
sonst nicht verwendet werden könnte.
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Die Erfindung geht nun aus von einer bereits vorgeschlagenen Gasturbine,
deren Läuferschaufeln innere Kühlkanäle mit Kanaleintrittsöffnungen an den Schaufelwurzeln
aufweisen und deren stationärer Aufbau mit Düsen ausgerüstet ist, die das Kühlmittel
in Richtung auf die umlaufenden Teile hin in dort in gleicher radialer Lage gegenüber
der Turbinenachse angeordneten Aufnahmeöffnungen abgeben.
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Erfindungsgemäß ist in an sich bekannter Weise seitlich an dem Läufer
eine ringförmige Läufersammelkammer ausgebildet, aus welcher die an den Schaufelwurzeln
liegenden Kanaleintrittsöffnungen gespeist werden, und es ist eine Reihe von Durchbrechungen
dieser ringförmigen Läufersammelkammer den Düsen als Kühlmittel-Aufnahmeöffnungen
ausgesetzt.
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Gegenüber dem Stand der Technik führen diese Maßnahmen zu einer erheblichen
Verbesserung des Wirkungsgrades einer Gasturbine insofern, als für einen bestimmten
Grad der Kühlung die notwendige Luftmenge wesentlich vermindert wird. Bekanntlich
stellt ja die für Kühlzwecke aus dem Arbeitsmittel abgezapfte Luft einen Verlust
dar, und je geringer dieser Verlust gemacht wird, um so günstiger wird der Gesamtwirkungsgrad
der Turbine.
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In einer Ausbildung der Erfindung ist die Gasturbine dadurch gekennzeichnet,
daß die Düsen mit ihren Achsen gegen die Turbinenachse geneigt sind, derart, daß
sie den Kühlmittelströmen in an sich bekannter Weise eine Geschwindigkeitskomponente
in der Umfangsrichtung des Turbinenläufers erteilen.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Gasturbine, bei
der in bekannter Weise zwischen Läufer und stationärem Aufbau eine durch Labyrinthdichtungen
abgedichtete, von den Kühlmittelströmen der Düsen durchsetzte Zwischenkammer ausgebildet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüberliegenden Seiten der Zwischenkammer
die Düsen und die Durchbrechungen angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist diese Gasturbine, bei
der in bekannter Weise eine stationäre Zwischenwand in axialem Abstand von der Läuferscheibe
liegt, welche sich über annähernd die gesamte radiale Ausdehnung der Läuferscheibe,
d. h. von der Läuferwelle bis zur Schaufelwurzel, erstreckt und zusammen mit Teilen
der Läuferscheibe einen durch Labyrinthdichtungen abgedichteten, über eine die Zwischenwand
durchsetzende Leitung mit Kühlmittel versorgten Raum bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Düsen auf einer zwischen der Läuferscheibe und der Zwischenwand untergebrachten,
mit ihrem radial äußeren Rand an der Zwischenwand angebrachten Düsenringscheibe
ausgebildet sind, welche zusammen mit Teilen der Läuferscheibe die Zwischenkammer
bildet, wobei die Düsen aus dem Raum zwischen der Läuferscheibe und der Zwischenwand
sowie den daran anschließenden Raum zwischen der Düsenringscheibe und der Zwischenwand
mit Kühlmittel versorgt werden.
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In einer weiteren Ausbildung ist -die Gasturbine mit einer an sich
bekannten, an der Läuferscheibe angebrachten Ringplatte versehen, welche zusammen
mit der Läuferscheibe die Läufersammelkammer bildet, und dadurch gekennzeichnet,
daß die nach der Läufersammelkammer führenden Kühlmittel-Aufnahmeöffnungen Durchbrechungen
dieser Ringplatte nächst deren äußeren Rand sind.
In einer Weiterbildung
ist diese Gasturbine, bei der in an sich bekannter `'eise die Ringplatte bis zur
Läuferwelle heranreicht und auf der der Läuferscheibe zugekehrten Seite der Ringplatte
radial verlaufende Leitflächen angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitflächen von den Aufnahmeöffnungen her kommendes Kühlmittel nach der Nabe der
Läuferscheibe hin gefördert wird. um Löcher in dieser Nabe zu durchsetzen.
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In einer weiteren Ausbildung ist die Gasturbine in an sich bekannter
Weise mit zwei Läuferscheiben und stationären Leitschaufelkränzen zwischen den von
den Läuferscheiben getragenen Laufschaufelkränzen versehen, wobei die Leitschaufeln
zwei an ihren radial inneren Rändern miteinander zu einer stationären Sammelkammer
vereinigte Ringscheiben tragen, und dadurch gekennzeichnet, daß in der einen dem
Läufer zugekehrten Ringscheibe die Düsen ausgebildet sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Es stellt dar
Fig. 1 einen Schnitt längs der Achse durch eine erste Ausführungsform, Fig. 2 eine
Teilansicht der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie
III-III der Fig. 2, Fig. 4 eine zweite Ausführungsform.
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Zuerst werden die Fig.l bis 3 betrachtet; man findet in diesen eine
zweistufige. in axialer Richtung durchströmte Gasturbine.
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Die Turbine umfaßt ein Statorgehäuse 10; dieses Statorgehäuse wiederum
ist Träger von zwei Kränzen von düsenförmigen Leitschaufeln 11, 12, welche sich
quer durch den Arbeitsmittelkanal der Turbine erstrecken. Innerhalb des Leitschaufelkranzes
11 befindet sich eine Statorkonstruktion 13, während eine Zwischenstufenkonstruktion
14 innerhalb der Leitschaufeln 12 ausgebildet und ebenfalls von diesen Leitschaufeln
getragen ist. Daneben umfaßt die Maschine natürlich die Turbinenläufer.
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Zu den Läufern gehört eine Hochdruckstufenläuferscheibe 15, welche
auf einer Welle 16 sitzt und auf ihrem Umfang einen Kranz von Hochdruckläuferschaufeln
17 trägt. Unabhängig von der Läuferscheibe 15 ist eine weitere Läuferscheibe 18.
Diese sitzt auf einer Welle 19 und trägt auf ihrem Umfang die Läuferschaufeln 20
der Ni ederdruchstufe.
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Die Läuferschaufeln 17 und 20 sind an ihrem Aufbau einander ähnlich;
jede Schaufel umfaßt einen Wurzelteil mit einem verzahnten Befestigungsabschnitt
21. Dieser verzahnte Befestigungsabschnitt 21 greift in einen entsprechend verzahnten
Kanal am Umfang der Läuferscheibe 15 bzw. 18 ein. Ferner gehört zu jeder Läuferschaufel
eine Plattform 22, welche zusammen mit den Plattformen der übrigen Schaufein einen
Ring bildet. Dieser Ring stellt einen Teilabschnitt des Gaskanals der Turbine dar.
Zwischen der Plattform 22 und dem verzahnten Befestigungsabschnitt erstreckt sich
ein Fußabschnitt 23. Die Fußabschnitte 23 haben geringere Abmessung in Umfangsrichtung
als die Plattformen 22, so daß also zwischen jedem Paar von Läuferschaufeln ein
axial gerichteter Tunnel 24 vorliegt. Der stromunterseitige Ausgang eines jeden
Tunnels 24 ist durch eine Verschlußplatte 25 abgeschlossen, welche auf der Läuferscheibe
befestigt ist und sowohl an den stromunterseitigen Flächen der Scheibe als auch
an den Schaufelwurzeln anliegt. In jeder Schaufel ist ein Kanal 26 mit einer Eintrittsöffnung
27 ausgebildet. Die Eintrittsöffnungen münden in die Tunnels 24, die Austrittsöffnungen
der Kanäle dagegen, führen durch die Spitzen der Schaufeln hindurch.
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Es folgt nun die Beschreibung derjengen Teile der Turbine, welche
den Transport von Druckluft nach den Kanälen 26 während des Laufs der Turbine gestatten.
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Die Druckluftversorgung umfaßt ein Zuflußrohr 28. welches an den stationären
Teil 13 angeschlossen ist und durch eine Zwischenwand 29 hindurch in einen Sammelraum
30 mündet; einen Sammelraum, welcher zwischen der Zwischenwand29 und einer ringförmigen
Platte 31 ausgebildet ist. Die ringförmige Platte 31 ist auf der stromoberseitigen
Fläche der Turbinenscheibe 15 befestigt. Der Abfluß von Druckluft aus dem Raum 35
ist durch Labyrinthdichtungen 32, 33 unterbunden; diese Labyrinthdichtungen 32,
33 befinden sich an radial inneren und radial äußeren Stellen zwischen der Platte
31 und dem stationären Teil 13.
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An der Zwischenwand 29, und zwar an deren äußerem Rand, ist ein Ring
34 angeschweißt, welcher zwischen der Platte 31 und der Zwischenwand 29 liegt. In
dem Ring 34 ist ein Kranz von Düsen 35 ausgebildet; die Achsen dieser Düsen sind,
wie man am besten aus Fig.3 entnehmen kann, zur Rotationsachse der Turbine schräg
gestellt, so daß die, durch diese Düsen strömendeDruckluft ein.eGeschwindigkeitskomponente
in der Rotationsrichtung des Turbinenläufers erhält. Die Richtung dieser Komponente
ist durch den Pfeil 36 in der Fig. 3 angezeigt. Auf seiner stromabwärts gerichteten
Fläche trägt der Ring 34 in radialen Abständen nebeneinander vier ringförmige Rippen
37, welche in axialer Richtung nach der strornoberseitigen Fläche der Platte 31
hin gerichtet sind und die stationären Elemente der Labyrinthdichtung 33 darstellen.
Eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Rippen 39 ist auf der Platte 31 ausgebildet.
Diese Rippen 39 bilden die rotierenden Elemente der Labyrinthdichtung 33, welche
mit den Rippen 37 zusammenarbeiten. Zwischen den Rippen 37 und 39 ist eine Reihe
von ringförmigen Kammern definiert, von denen eine immer in die nächstfolgende übergeht;
die Düsen 35 münden in die mittlere Kammer 40. Die Druckluftstrahlen werden durch
die Kammer 40 hindurch nach einem Kranz von Eintrittsöffnungen 41 in der Platte
31 gelenkt.
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Die Platte 31 bildet zusammen mit der stromaufwärts gerichteten Fläche
der Hochdruckturbinenscheibe 15 einen rotierenden Druckluftverteilungsraum. In radialer
Richtung erstreckt sich die Platte 31 von der Nabe der Scheibe 15 bis nahe an die
Plattformen 22 der Turbinenschaufeln 17 heran. An ihrem äußeren Rand trägt diese
Platte einen Flansch 42, welcher an stromoberseitigen Flächen der Fußabschnitte
23 anliegt. Ferner trägt die Platte über ihren Umfang verteilt Hakenelemente 43,
welche mit Vorsprüngen 44 am Umfang der Rotorscheibe 15 im Eingriff stehen. Ein
axial gerichteter Flansch 45 ist schließlich am radial inneren Rand der Platte 31
angebracht. Der Flansch 45 ist in eine Radialebene eingebogen und schließt sich
mit seinem in der Radialebene liegenden Abschnitt an das rotierende Glied 46 der
Labyrinthdichtung 32 an. Dieses rotierende Glied 46 hat die Form eines Ringes und
ist auf die Welle 16 aufgeschraubt. Auf der stromabwärts gerichteten Seite der Platte
31 sind endlich radial vorstehende Leitflächen 47 angebracht, welche sich vorn radial
inneren Rand der Platte 31 radial nach außen bis kurz vor die Eintrittsöffnungen
41 erstrecken.
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Die aus den Düsen 35 ausströmende Druckluft strömt durch die Kammern
40 und die Eintrittsöffnungen 41 hindurch und teilt sich sodann in zwei Ströme
auf.
Der erste Strom fließt zwischen der Platte 31 und derLäuferscheibe15 hindurch nach
einer ringförmigen Sammelkammer 48, welche zwischen dem äußeren Rand der Platte
31 und den Schaufelwurzeln begrenzt liegt. Von dieser Sammelkammer 48 ausgehend,
verteilt sich die Luft auf die Tunnels 24, um schließlich durch die Eintrittsöffnungen
27 in die Kühlkanäle 26 der Schaufeln 27 zu gelangen.
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Der zweite Luftstrom fließt in radialer Richtung nach der Achse der
Turbine hin, und zwar zwischen den Leitflächen 47 nach dem Ringraum 49, welcher
im Bereich der Nabe der Läuferscheibe 15 liegt, Diesen Ringraum verläßt die Druckluft
durch Bohrungen 50 der Läuferscheibe, um nach der Achsbohrung der Scheibe zu gelangen.
Zwischen der Welle 16 und der Welle 19 ist eine rotierende Laby rinthdichtung 51
vorgesehen, so daß ein übermäßig starker Abfluß von Druckluft durch die Achsbohrung
der Scheibe 15 nach stromaufwärts vermieden ist und der größere Teil der Druckluft
stromabwärts nach einem Raum 52 gelangt; einem Raum, der zwischen der stromunterseitigen
Fläche der Läuferscheibe 15 und der stromoberseitigen Fläche der Läuferscheibe 18
eingeschlossen liegt. Der Raum 52 ist auf seinem radial äußeren Umfang wiederum
durch Labyrintlrdichtungen 53 abgeschlossen, welche den Abfiuß von Druckluft aus
diesem Raum in Grenzen halten. Die stationären Elemente der Laby rinthdichtungen
53 gehören dem Zwischenstufenstator 14 an.
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Der Zwischenstufenstator 14 umfaßt eine Zwischenwand 54, welche mit
ihrem radial äußeren Rand am inneren Rand der Leitschaufeln 12 der zweiten Stufe
befestigt ist und an ihrem inneren Rand zwei Ringe 55, 56 trägt, welche sich ebenfalls
in radialer Richtung ausdehnen. Die Ringe 55, 56 bilden zusammen eine stationäre
Sammelkammer 57. Die Druckluft, welche in den Raum 52 gelangt, tritt in den Sammelraum
57 durch einen Kranz von Bohrungen 58 in den Ring 56 ein.
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An der stromoberseitigen Fläche der Läuferscheibe 18 ist an deren
Rand ein Ring 59 befestigt. Dieser Ring 59 bildet zusammen mit den Wurzeln der Schaufele
20 einen Druckluftverteilerraum 60. Ein äußerer Randflansch 61 des Rings 59 liegt
nächst den Plattformen 22 an den Schaufelwurzeln an, während ein radial innerer
Flansch 62 im Eingriff mit einem Klauenring am Rand der Läuferscheibe 18 steht.
Zwei in radialem Abstand nebeneinander angeordnete ringförmige Rippen 63 stehen
in axialer Richtung aus dem Ring 59 hervor und bilden zusammen mit entsprechenden
Rippen 64 des Rings 56 eine Labyrinthdichtung.
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Die Ringe 56 und 59, die Labyrinthdichtung 53 und die Labyrinthdichtung
63, 64 definieren eine abgeschlossene Ringkammer 65, durch welche hindurch Druckstrahlen
durch eine Reihe von Düsen 66 gerichtet werden. Die Düsen 66 stellen nämlich die
Ausflußöffnungen der stationären Sammelleitung 57 dar. Die Düsen 66 sind den Düsen
35 in ihrer Form ähnlich. Die aus ihnen austretenden Druckluftstrahlen sind nach
den Eintrittsöffnungen 67 des Sammelraums 60 hin gerichtet, und zwar mit einer Geschwindigkeitskomponente
in der Rotationsrichtung des Läufers.
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Die in den Sammelraum 60 des Läufers durch die Eintrittsöffnungen
67 eintretende Luft wird auf die Tunnels 24 verteilt, welche zwischen den Fußabschnitten
23 der Schaufeln 20 ausgebildet sind, und strömt sodann von diesen Tunnels aus durch
die Eintrittsöffnungen 27 nach den Kanälen 26, um diese Kanäle an den Spitzen der
Schaufeln wieder zu verlassen In Fig.4 ist eine andere Ausführungsform dargestellt.
Sie eignet sich für die Zufuhr von Druckluft nach der Hochdruckstufe einer mehrstufigen
Turbine.
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Das Turbinengehäuse ist mit 70 bezeichnet; es trägt einen Kranz von
düsenartigen Eintrittsleitschaufeln 71. An diese Eintrittsleitschaufeln 71 schließt
sich radial nach innen ein Stator 72 an. Eine Läuferscheibe 73 mit einem Kranz von
Laufschaufeln 74 bildet den Läufer; die Schaufeln 74 sind ähnlich aufgebaut wie
die Schaufeln 17 und 20 und sind auch auf dem Umfang der Läuferscheibe 73 in ähnlicher
W eise befestigt wie diese.
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Druckluft wird in die Kanäle 26 der Schaufeln 74 auf folgende Weise
eingeführt: Eine in radialer Ebene liegende Zwischenwand 75 des Stators 72 definiert
zusammen mit der stromoberseitigen Fläche der Scheibe 73 einen abgeschlossenen Raum
76; aus diesem Raum kann die Druckluft nur in beschränktem Maß ausströmen, da er
an der Übergangsstelle von der Zwischenwand nach dem Läufer durch eine Labyrinthdichtung
77 abgeschlossen ist. Ein Druckluftversorgungsrohr 78 führt durch die Zwischenwand
75 hindurch nach dem Raum 76.
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Ein erster Teilstrom der nach dem Raum 76 eingeführten Luft strömt
in radialer Richtung nach auswärts durch die Öffnungen 79 hindurch nach einem Sammelraum81,
welcher zwischen dem radial äußeren Teil der Zwischenwand 75 und einem an der Zwischenwand
befestigten Ring 80 ausgebildet ist.
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An den Ring 80 schließt sich nächst seinem radial inneren Rand, jedoch
außerhalb der Öffnungen 79, ein axial gerichteter Flausch 82 an. Dieser Flansch
82 bildet zusammen mit den Rippen eines von der Läuferscheibe 73 getragenen Flansches
83 eine Labyrinthdiehtung, welche den Raum 76 gegen eine Kammer 84 abschließt. Aus
der Kammer 84 kann auch an deren radial äußerer Begrenzung Druckluft nur im beschränkten
Maß ausströmen; denn durch von dem Ring 80 ausgehende Flansche 85 sowie ringförmige,
von einer weiteren Ringplatte 87 getragene Rippen 86 ist auch hier eine Labyrinthdichtung
gebildet. Die Ringplatte 87 ist an der stromaufwärts gerichteten Fläche der Läuferscheibe,
und zwar an derem Rand, befestigt.
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Am äußeren Rand der Ringplatte 87 läuft diese in einen Flansch 88
aus, welcher an den Schaufelwurzeln nächst den Plattformen 22 anliegt; an ihrem
radial inneren Ende trägt die Ringplatte 87 einen Flansch 89, welcher durch Eingriff
mit einem Klauenring der Läuferscheibe die Stellung der Ringplatte 87 sichert.
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Zusammen mit der stromoberseitigen Randzone der Läuferscheibe und
den Wurzelabschnitten der Schaufeln 26 bildet die Ringplatte 87 einen Sammelraum
90 mit von der Kammer 84 herkommenden Eintrittsöffnungen 91; durch Austrittsdüsen
92 der Ringkammer 81 strömt Druckluft durch die Kammer 84 hindurch nach den Eintrittsöffnungen
91 der rotierenden Ringkammer 90. Auch die Düsen 92 sind in ihrer Form den Düsen
35 und 66 ähnlich. Sie teilen den Druckluftströmen, welche nach den Eintrittsöffnungen
91 hin gerichtet sind, eine Geschwindigkeitskomponente in der Rotationsrichtung
des Läufers 73 mit.
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Ein zweiter Teilstrom der in den Raum 76 eintretenden Luft strömt
in radialer Richtung nach innen und gelangt von dem Raum 76 durch Bohrungen 93 in
der Nabe der Läuferscheibe hindurch in die Achsbohrung der Scheibe; von dort strömt
die Luft in Richtung der Strömung des Arbeitsmittels; der Strom in entgegengesetzter
Richtung ist durch eine Labyrinthdichtung
94 zwischen der
Turbinenwelle 16 _und der Turbinenwelle 19 unterbunden.
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Die durch die Achsbohrung der Läuferscheibe 73 strömende Luft kann
zur Kühlung der Laufschaufeln einer zweiten Turbinenstufe herangezogen werden, genauso
wie in der Ausführungsform der Fig. 1.