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Flüssigkeitsgekühlte Gasturbine Bei Gasturbinen für sehr hohe Temperaturen
erweist sich bei der heutigen Werkstofftechnik eine intensive Innenkühlung als unumgänglich
notwendig, da sonst die Werkstoffe den hohen Temperaturen nicht standhalten würden.
Wenngleich auch Vorschläge vorliegen, zur Innenkühlung ein Kühlgas zu verwenden,
so läßt sich doch auf diesem Wege wegen des schlechten Wärmeüberganges und der geringen
spezifischen Wärme des Kühlmittels eine intensive Wärmeabfuhr nicht in befriedigendem
Maße erreichen. Man wählt daher besser die Flüssigkeitsinnenkühlung, bei welcher
das Kühlmittel, im allgemeinen Wasser, so hoch erhitzt wird, daß es in Dampf übergeht.
Wo die Dampfbildung erfolgt, entweder bereits bei der Berührung mit den zu kühlenden
Teilen oder durch Ausdampfen aus der freien Oberfläche des Kühlmittelringes im Turbineninneren,
ist für die nachstehenden Darlegungen unerheblich. Der entstehende Dampf wird üblicherweise
durch eine Wellenbohrung (Hohlwelle) abgeführt.
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Bei der Flüssigkeitsinnenkühlung treten mehrere Probleme nebeneinander
auf. Das erste Problem ist die Bereitstellung einer hinreichenden Kühlmittelmenge.
Die Lösung ist an sich nicht sehr schwierig. Entweder kann man die Lage der Oberfläche
des Kühlmittelringes überwachen und abhängig hiervon die Kühlmittelzufuhr steuern,
oder man kann, was einfacher ist, eine größere Kühlmittelmenge, zuführen als gebraucht
wird und den überschuß abfließen lassen. Hier entstehen keine Schwierigkeiten grundsätzlicher
Art, wenngleich die praktische Durchführung nicht immer einfach ist.
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Wesentlich schwieriger zu behandeln ist die Frage der Stabilität der
Innenkühlung, die durch zwei Erscheinungen gefährdet werden kann, nämlich einmal
Zurückdämmung oder Durchschlagen des Dampfes durch den Kühlmittelring oder Schwingungen
durch Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels.
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Man könnte daran denken, eine gesicherte Strömung des Kühlmittels,
d. h. eine Strömung, die durch den Dampf nicht gestört werden kann, dadurch
zu erreichen, daß man das Kühlmittel mit einem so hohen Druck zuführt, daß ein Zurückdämmen
oder Durchschlagen des Kühlmittelstromes nicht möglich wäre. Das setzt aber den
zusätzlichen Einsatz von Pumpen entsprechend hohen Druckes voraus, also zusätzlichen
und technisch schwierigen Bauaufwand. Zur Erzielung derStabilität derKühlmittelzufuhr
und Strömung, d. h. zur Sicherstellung der Kühlmittelzufuhr unabhängig von
den Druckschwankungen im Verdampfungsraum des Turbinenläufers wird gemäß der Erfindung
ein an sich bekannter, durch unterschiedliche Erwärmung des Kühlmittels in miteinander
verbundenen, radial oder annähernd radial gerichteten Kanälen hervorgerufener selbsttätig
stabilisierter Thermosyphon-Kreislauf des Kühlmittels im flüssigen Zustand vorgesehen.
Diesem Kühlmittelkreislauf wird in dem stärker erwärmten Teil des Kanalsystems an
einer gegenüber dem Höchstdruck im Flüssigkeitskreislauf einen verringerten Druck
aufweisenden Stelle die zur Verdampfungskühlung des Läufers dienende Kühlflüssigkeit
entnommen.
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Es sei bemerkt, daß die Anwendung eines Therrnosyphon-Kreislaufes
für das Kühimittel eines Gasturbinenläufers an sich bekannt ist, jedoch liegt in
diesem Fall der Kreislauf innerhalb des Verdampfungsraumes. Es kann hierdurch eine
stabilisierende Wirkung im Sinn der Erfindung nicht geschaffen werden.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand der Zeichnuncr erläutert
werden, in der verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben sind.
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1 bedeutet den Turbinenläufer, der durch einen angeflanschten
Hohlwellentei12 innerhalb eines schematisch angedeuteten Lagers 3 abgestützt
sein kann. Der Läuferl trägt die Laufschaufeln100, die beim Betrieb durch Treibgas
verhältnismäßig hoher Temperatur, z. B. von 1000' C beaufschlagt werden.
Der Läuferkörper ist an seinem. linken Ende durch den Stirnteil la abgeschlossen.
lb bedeuten eingesetzte oder eingeschweißte Scheiben, durch die der Innenraum des
Läuferkörpers in Kühlmittelkammern lc unterteilt wird. An den Läuferstimteil la
ist ein Rohrteilld angesetzt, der zur Ableitung des in den Kühlmittelkammern lc
des Läufers entstehenden
Dampfes dient. 4 sind neben dem Turbinenläufer
angeordnete Gehäuseteile, die den Hohlwellentei12 sowie das Dampfabführungsrohr
1 d und die Kühhnittelzuführung für das dem Läufer zugeführte Kühlmittel
bzw. den erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlmittelkreis umschließen. Selbstverständlich
muß auch der feststehende Teil der Turbine mit den Leitschaufeln noch in einem Gehäuse
angeordnet sein, welches zur Vereinfachuna in der Zeichnung nicht wiedergegeben
ist. Für die Zuführung des Kühlmittels ist das Zuführungsrohr 5 vorgesehen,
welches in die zwischen den Wandteilen4a, 4b liegende Kammer6 eintritt. In gleicher
Weise ist für die Abführung des überschüssigen, im Kreislauf in der Turbine umgewälzten
Kühlmittels das Kühlmittelabführungsrohr7 vorhanden, das in den Raum 8 zwischen
den GehäuseteilenJ,b, 4c einmündet. 4d, 4e und 41 bedeuten Abdichtungen
an den Gehäusewandteilen4a bis 4e, durch welche eine Abdichtung an der umlaufenden
Hohlwelle 2 des Turbinenläufers, einem innerhalb des Hohlwellenteiles angeordneten
Kühlmittelführungskörper 9, welcher ebenfalls umläuft, und dem mit dem Läuferkörper
verbundenen Dampfableitungsrohrld ermöglicht wird. Innerhalb des Hohlwellenteiles
2 wird nun durch die Einfügung des konzentrischen Kühlmittelzuführungskörpers9 ein
äußerer Kana110 für die Kühlmittelzuführunc, sowie ein innerer Kanal 11 für
die Kühlmittelabführuno, geschaffen. Zur Ermöglichung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufes
sind sodann im Flansch der Hohlwelle2 Kanäle 12 mit horizontal verlaufenden Kanalteilen
13
vorgesehen. an die sich U-förmig gestaltete Kanalteile 14 innerhalb des
Stimwandteiles la des Turbinenläufers anschließen. 15 bedeuten zu der angrenzenden
Wasserkammer lc des Turbinenläufers führende, ebenfalls über den Umfang verteilte
Kühlmittelzuführungskanäle, die in die U-förmigen Kanäle14 in dem Stirnwandteilla
einmünden und auf einem kleineren Durchmesser liegen als die Kanalteile13 bzw. äußeren
Enden der Kanäle 12 und 14. An ihren innenliegenden Enden münden die Kanalteile
14 in einen ringförmigen Sammelraum 16 innerhalb des Hohlwellenflansches
2 ein, aus dem die Kühlflüssigkeit durch den bzw. die inneren Kanäle des Kühlmittelführungskörpers
9 in den Gehäuseraum 8 abgeleitet werden kann. Aus diesem kann sie
durch die äußere Zuleitung 7 abströmen.
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In dem Kühlmittelführungskörper 9 können an dem über die Hohlwelle2
hinausragenden Tei19a etwa radial oder schrägverlaufende Bohrungen 18
vorgesehen
werden, die eine gewisse Pumpwirkung ausüben. Unter Umständen kann auf dem Teil
9a noch ein zusätzlicher Kranz20 mit Bohrungen oder Schaufeln vorgesehen werden,
durch den die Pumpwirkung der öffnung 18 unterstützt wird. Zweckmäßigerweise
werden die eine Pumpwirkung erzeugenden öffnungen oder Schaufeln 18 bzw.
20 so bemessen, daß nur ein begrenzter Druck erzeugt wird, der einerseits ausreicht,
einen Teil des Druck-abfalls innerhalb des Kühlmittelumlaufes in den Räumen
16
und dem Kanal 11 auszugleichen, andererseits in dem Raum
8 einen gewissen Überdruck hervorzurufen, wodurch das Eindringen von Dampf
aus dem links neben dem Gehäuseteil 4c bzw. neben dem Dampfabführunc,srohr
1 (1 liegenden Dampfsammelraum verhindert wird. Bei der beschriebenen Anordnung
ergibt sich infolge der unterschiedlichen Erwärmung des Kühlmittels in den Kanälen
12 bzw. 14 des Stirnwandteiles la ein natürliches Druckgefälle, das auch ohne die
Anwendung einer äußeren Pumpe während des Betriebes eine stetige Umwälzung des Kühlmittels
über den Dampfzuführungskanal 5, Flüssigkeitsraum 6, die Kanäle
10, 12, 13, 14, den Flüssigkeitsraum 16, Ableitungskanal
11, die Kanäle 18, 20 und den Flüssigkeitsraum 8 sowie die
Ableitung 7 möglich macht. Dieser Flüssigkeitsumlauf kann dabei noch durch
die Pumpwirkung der Radialkanäle 18
und gegebenenfalls die Kanäle oder Schaufeln
20 unterstützt werden. Infolge dieser Anordnung ergibt sich nun, daß am Eintritt
des Kühlmittels in die in das Innere des Turbinenläufers führenden Kühlmittelkanäle
15 stets ein Überdruck gewährleistet ist und eine Rückströmung der Kühlflüssigkeit
aus der an den Stirnwandteil la anschließenden Flüssigkeitskammerlc des Läufers,
die durch Ausgleichskanäle 21 mit den übrigen Kammern, 1 c verbunden ist,
nicht erfolgen kann. Wie schon ausgeführt war, kommt die Strömung in dem geschlossenen
Kühlflüssigkeitskreislauf im wesentlichen durch die unterschiedliche Erwärmung der
durch die Kanäle 12 bzw. 14 in entgegengesetzter Richtung strömenden Flüssigkeit
zustande (Thermosyphonwirkung), weil der Kanal 12 der verhältnismäßig kalten Sperrluft
(Verdichtungsendtemperatur des Verdichters), der Kanal 14 dagegen dem wärmeren Dampfraum
1 c benachbart ist.
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Die Ausbildung des Kanalsystems für den äußeren Kühlmittelkreislauf
kann selbstverständlich auch in verschiedener Hinsicht ab-ewandelt werden; so können
die Kanäle 12 und 14 insbesondere ringförmig gestaltet sein.
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Fior. 2 zeiat eine solche Abwandlung, bei der innerhalb des Flanschteiles2a
des Hohlwellenkörpers2 ein kegelförmiger, sich nach -der Drehachse zu -erweiternder
Raum30 vorgesehen wird, in dem durch einen scheibenförmigen Einsatzkörper31 Ringräume
30 a, 30 b geschaffen werden, die an Stelle der Kanäle
12 bzw. 14 die Umleitung des über die Kanäle10 bzw. 11 zu- und abströmenden
Kühlmittels ermöglichen. Bei dieser Anordnung sind in dem Stirnwandteil la lediglich
die Kühlmittelzuführungskanäle 15
zu den Kühlmittelkammern
1 c des Läufers 1 vorhanden. Dabei liegen diese Zuleitungskanäle
15 wieder auf einem kleineren Durchmesser als die die Kühlmittelumleitung
ermöglichende Verbindung30e der Ringräume 30a, 30b. Die Wirkungsweise
der in Filor. 2 angegebenen Anordnung ist die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 1. Bezüglich der Kanalausbildung sowie Ausbildung der einzelnen
Turbinenteile ergeben sich jedoch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unter Umständen
günstigere Verhältnisse.
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In Fig. i der Zeichnung ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
wiedergegeben, das sich dadurch auszeichnet, daß die Kühlmittelkammern
1 c des Läufers im Innern abgeschlossen sind und nur durch Radialkanäle,
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Ringsammelraumes, mit dem in der Turbinenachse
lieaenden Dampfleitungskanal verbunden sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der Filg.
3 bedeuten Ic wieder die durch Kanäle21 in Verbindung stehenden Kühlmittelkammern,
denen über Zuführungskanäle 15 von dem Kanalabschnitt 14 eines geschlossenen,
außerhalb des eigentlichen Turbinenläufers liegenden Flüssigkeitskreislaufes das
Kühlmittel zugeführt wird. Dieses wird unter Kühlung des Läufers bzw. des mit diesem
verbundenen Schaufelsystems
100 in den Kammern lc verdampft.
Erfindungsgemäß sind nun bei dieser Anordnung die sich vorzugsweise entsprechend
der Gestaltung des Stirnwandteiles sowie der in den Läuferkörper eingesetzten Scheiben
verjüngenden Kühlmittelkammern lc an der Stelle des kleinsten Radius abgeschlossen.
In der linken Figur der Zeichnung sind zu diesem Zweck zwischen dem Stirnwandteil
la und der angrenzenden Scheibelb Abschlußscheiben40 vorgesehen, die am Umfang versetzt
mit einer Anzahl von Bohrunggen 40a versehen sind. Diese Bohrungen, in welche die
Kühlflüssigkeit der Kammemle hineinsteht, können in einen Ringraum 41 einmünden,
der wiederum durch weitere versetzte Bohrungen 42 durch eine Hohlwelle43 in den
Dampfableitungskana144 einmündet. Auf der rechten Seite der Zeichnung ist eine or
geänderte Ausführung wiedergegeben, bei der der Abschluß der Kühlmittelkammern unmittelbar
durch die Formgebung der in den Turbinenläufer eingesetzten Scheiben 1 b
erfolgt. Hierbei werden Kanäle für den Dampfaustritt durch Nuten 45 in den Scheibenkörpern
1 b gebildet. 41 bedeutet wieder ein Ringraum, 42Bohrungen in dem Dampfableitungsrohr43.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 ergibt sich insbesondere der
Vorteil, daß etwaige Druckschwankungen auf der Dampfseite nur die Verschiebung oder
Bewegung einer verhältnismäßig geringfügigen Kühlflüssigkeitsmenge zur Folge haben
können und Schwingung gen der Kühlmittelmengen in den Räumen 1 c unmöglich
sind.
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Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsbeispiele, wie die Gestaltung
der Kanäle des äußeren Kühlmittelkreislaufes, die Ausbildung des Turbinenläufers,
können selbstverständlich abgeändert werden. Unter Umständen könnte auch außerhalb
des Gehäuses 4 noch eine Umwälzpumpe für den geschlossenen Kühlmittelkreislauf vorhanden
sein.