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Gekühltes Laufrad für Radialgasturbinen Die Erfindung bezieht sich
auf gekühlte Laufräder für Radialgasturbinen, insbesondere in Frischgasturbinenanlagen,
die Schaufeln mit warmfesten Einsatzstücken aufweisen und bei denen der Schaufelträger
ringförmige Kühlräume begrenzt. Bei einer bekanntgewordenen Ausführungsform dieser
Art ist der Schaufelträger als dünnwandige, konkave Ringscheibe aus austenitischen
Stählen ausgeführt, die mit dem massiven, aus Ferritstahl bestehenden Nabenkörper
des Läufers Ringräume geringer Höhe einschließen, über die ein gasförmiges Kühlmittel
zunächst in die Schaufelhohlräume und über in den Schaufeln angebrachte Ausnehmungen
in die gasführenden Schaufelkanäle eingeleitet wird, so daß auf diese Weise eine
Kühlung verwirklicht wird. Wenn auch die dünnwandige, konkave Ringscheibe an ihren
Randteilen an Ringstücken, die ebenfalls aus Ferritstahl bestehen, festgelegt wird,
so lassen sich trotzdem Flatterschwingungen der Ringscheibe insbesondere dann nicht
vermeiden, wenn beispielsweise bei Verpuffungsbrennkraftturbinen das Brenngas stoßartig
mit Impulsen, entsprechend dem in den Verpuffungskammern durch Versetzung der Arbeitsspiele
auftretenden Rhythmus, zugelassen wird.
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Es sind auch schon Doppelschaufelräder, die Rükken gegen Rücken angeordnet
worden sind, bekanntgeworden, bei denen das eine Schaufelrad als Verdichter, das
andere Schaufelrad als Turbine arbeitet. Zum Stand der Technik gehören auch Doppelschaufelräder,
bei denen die Schaufelradtemperatur turbinenseitig dadurch herabgezogen wird, daß
auf der Verdichterseite geförderte Luft zum Teil entnommen und über hierzu bestimmte
Ausnehmungen im Schaufelradkörper den turbinenseitig angeordneten Schaufeln zugeführt
wird, um dort die thermischen Beanspruchungen auf ein dem Werkstoff zumutbares Maß
absenken zu können. Aber auch bei diesen Ausführungen hat sich - gezeigt, daß bei
hohen Drehzahlen und bei etwa über 800' C liegenden Treibmitteltemperaturen
Schaufel- und Läuferschwingungen auftreten, die den Wirkungsgrad und die Lebensdauer
derartiger Räder vor allem dann beeinträchtigen, wenn sie in Verbindung mit Verpuffungsbrennkraftturbinen
Anwendung finden sollen.
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Damit ergibt sich die Aufgabe, die Ausbildung des gekühlten Laufrades
für Radialgasturbinen so zu treffen, daß die Schwingungen der Radialschaufeln mindestens
gedämpft, wenn nicht beseitigt werden und daß das Auftreten von Resonanzschwingungen
unmöglich gemacht wird. Es ist der weiteren Aufgabe zu genügen, die Radialschaufelräder
mit einer Flüssigkeitskühlung zu versehen, um die mechanische und thermische Belastbarkeit
des Läufers wesentlich zu erhöhen, den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage
verbessern und vor allem ein derartig ausgebildetes Laufrad in Verpuffungsbrennkraftturbinen
anwenden zu können, ohne daß im Dauerbetrieb die Schwierigkeiten auftreten, die
bei den bisherigen Laufradausbildungen für diesen Fall zu beobachten waren.
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Ein zur Lösung dieser Aufgaben dienendes, gekühltel Laufrad für Radialgasturbinen,
insbesondere in Frischgastarbinenanlagen, kennzeichnet sich, ausgehend von der Ausbildung
der Schaufeln als warmfeste Einsatzstücke und der Begrenzung eines ringförmigen
Kühlraumes durch den Schaufelträger, erfindungsgemäß dadurch, daß die Einsatzstücke
jeweils aus einem Stück mit wenigstens dem an den Schaufelkanalgrund peripher angeschlossenen
Schaufelteil bestehen und die gegen die Brenngas-Strömung abgeschlossenen Räume
für die Kühlflüssigkeit zwischen den Einsatzstücken der Schaufeln und dem die Kühlräume
von radial innen begrenzenden, in an sich be-
kannter Weise als Nabenkörper
des Laufrades ausgebildeten Schaufelträger gebildet sind. Diese Einsatzstücke, die
spanabhebend oder spanlos bearbeitet sein können, geben zunächst in an sich bekannter
Weise die Möglichkeit, sie mit der erforderlichen hohen Genauigkeit einer mechanischen
Bearbeitung auch dann unterziehen zu können, wenn sie als Preßstücke ausgebildet
sind. Wesentlich ist aber vor allem die Mög-
lichkeit, die Kühlräume mit ausreichend
großen Querschnitten dimensionieren zu können. Auch in der Wandstärke der den nabenseitigen
Schaufelkanalgrund bildenden Schaufelteile ist man keinerlei Beschränkungen unterworfen,
so daß durch Formverlauf und periphere Festlegung dieser den Schaufelkanalgrund
bildenden Schaufelrandteile zu erreichen ist, daß Flatterschwingungen
der
Schaufeln unmöglich gemacht werden. Sämtliche zu bearbeitenden Flächen, auch diejenigen
des Nabenkörpers, sind gut zugänglich, so daß die auch als Ursache für das Auftreten
von Schwingungen in Betracht kommenden Gewichtsverlagerungen mit Sicherheit beseitigt
werden können.
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Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, um den so gekennzeichneten,
grundsätzlichen Erfindungsgedanken verwirklichen zu können. -Zunächst kann
zur Bildung der weiteren Schaufelteile der Nabenkörper selbst dienen, indem er den
an den Schaufelkanalgrund peripher angeschlossenen Teil der Einsatzstücke jeweils
zu einer Schaufel vervollständigt. Dadurch verfestigt der massive und widerstandsfähige
Nabenkörper die Schaufeln in einem so hohen Grade, daß die gewünschte Schwingungsfreiheit
der Schaufeln zu erreichen ist. Die Einsatzstücke sind zweckmäßig außer an den Verbindungsstellen
mit Abstand vom Nabenkörper und von den rippenartigen Ansätzen desselben angeordnet,
so daß die so gebildeten Schaufel- und Radhohlräume mit im Verhältnis zur Einsatzstückstärke
großem Querschnitt an die Kühlmittelzu- bzw. -ableitungen angeschlossen sind.
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Das gleiche Ziel ist dadurch erreichbar, daß, ausgehend von der an
sich bekannten Maßnahme, derartige Einsatzstücke zu einem als Preßstück ausgebildeten,
gemeinsamen Ringkörper zu verbinden, die Schaufeln an dem Ringkörper in Form von
Faltrippen ausgebildet sind. Es entsteht dadurch eine Art kronenartig ausgebildeter
Schaufelhaube, der jede gewünschte Schwingungsfestigkeit erteilt werden kann. Diese
Schaufelhaube kann an den Verbindungsstellen mit dem Nabenkörper wieder mit Abstand
von diesem angeordnet sein, wobei die Bemessung dieses Abstandes die Möglichkeit
mit sich bringt, die Kühlräume auf jedes gewünschte Ausmaß bringen zu können. Der
Ringkörper ist also außer an den Verbindungsstellen mit Abstand vom Nabenkörper
angeordnet, und es sind wieder die zwischen beiden Teilen liegenden Schaufel-und
Radhohlräume mit im Verhältnis zur Ringkörperstärke großem Querschnitt an der Kühlmittelzu-
bzw. -ableitung angeschlossen.
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Beide Ausführungsformen geben, ausgehend von Laufrädern, bei denen
der Kühlraum auf dem Querschnitt kleinsten Durchmessers an die Kühlmittelzuleitung
angeschlossen ist und der Nabenkörper eine vom Bereich des größten Kühlraumdurchmessers
zur Radwelle führende Kühlmittelableitung aufweist, die Möglichkeit, den Nabenkörper
so auszubilden, daß er ün Bereich des größten Kühlraumdurchmessers Ausnehmungen
aufweist und daß diese Ausnehmungen durch eine an die Laufradnabe bzw. an die Radwelle
angeschlossene Abschlußscheibe abgedeckt und untereinander zu einem Raum verbunden
sind, der die Verbindung zur Kühlmittelableitung bildet.
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Ist der Nabenkörper im Bereich der Einsatzstückenden kleinen und größten
Durchmessers wulstförinig verdickt, wobei die walstförnligen Verdickungen als Kühlraumabschlüsse
dienen, so hat man es in der Hand, durch Bemessung der Wulstdicke den Querschnitt
des Kühlraumes festzulegen, so daß es also nur einer entsprechenden Bemessung des
Wulstes bedarf, um die gewünschten Mindestkühlraumquerschnitte verwirklichen zu
können.
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Die Zeichnung gibt beide Ausführungsformen beispielsweise wieder.
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Abb. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein mit einzelnen Einsatzstücken
ausgeführtes Laufrad, das in Abb. 2 in einem senkrechten Längsschnitt nach Linie
II-II der Abb. 1 wiedergegeben ist; Abb. 3 gibt das gleiche gekühlte
Radiallaufrad, das zur Verwendung in einer Frischgasturbine, insbesondere Verpuffungsturbine,
geeignet ausgebildet ist, teilweise ün peripher verlaufenden Schnitt nach Linie
111-111 der Abb. 2, teilweise in Ansicht wieder; Abb. 4 zeigt, wiederum im senkrechten
Längsschnitt, das Ausführungsbeispiel eines gekühlten Radialschaufelrades für den
Fall, daß sämtliche Einsatzstücke zu einem gemeinsamen Ringkörper verbunden sind,
während Abb. 5 das Schaufelrad nach Abb. 4 teilweise im peripheren Schnitt
gemäß Linie V-V dieser Abbildung, teilweise in Ansicht veranschaulicht.
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In den Abb. 1 bis 3 bezeichnet 6 den Nabenkörper
des Schaufelrades, dessen Stärke von der Nabe ab zum Umfang des Rades hin allmählich
abnirnm . Bei 7
weist der Schaufelträger 6 rippenartige Ansätze
auf, die einen Teil der radial verlaufenden Schaufeln bilden. Zur weiteren Bildung
der Schaufeln sind die warmfesten Einsatzstücke 9 in Form von Segmenten vorgesehen,
die an die Wurzeln und an die oberen Stegflächen der Rippen 7 angeschweißt
sind. Dadurch entstehen zwischen den Rippen 7 und den Einsatzstücken
9 Hohlräume 8, die zur Schaufelkühlung dienen. Um dabei den erforderlichen
Durchfluß des Kühlmittels zu gewährleisten, sind in dem Randbereich des Nabenkörpers
6, der längs der Schnittlinie III-111 der Abb. 2 peripher verläuft, Ausnehmungen
angeordnet, die die Räume 8 mit einem weiteren Raum 13 verbinden,
der dadurch auftritt, daß auf den hohlzylindrisehen Ansatz 19 des Nabenkörpers
6 die Deckscheibe 12 aufgeschoben und an ihren Randteilen mit dem Ansatz
19bzw. einer wulstförmigenVerdickung 17 des Nabenkörpers 6 verschweißt
ist. Die Kühlräume 8 haben ' wie Abb. 3 zeigt, in peripherer
Richtung die Ab-
messung a, in Richtung senkrecht zur Kühlraumlängserstreckung,
wie Abb. 2 zeigt, die Abmessung h. Es besteht ohne weiteres die Möglichkeit, den
Werten a und h die Mindestgrößen von etwa 2 mm und 3 mm geben
zu können, so daß sich ein ungehinderter Durchfluß des Kühlmittels, das durch ein
Wellen-bzw. Nabenrohr eingeführt und außerhalb dieses Nabenrohres abgeführt wird,
einstellt. Dadurch, daß den Einsatzstücken jede erforderliche und geeignete Bearbeitung
erteilt werden kann, ist es möglich, den Aufbau derartiger gekühlter Radialschaufelräder
so zu treffen, daß die Räder im, Betrieb praktisch schwingungsfrei umlaufen, auch
wenn das Treibmittel Temperaturen von 800' C und mehr besitzt. Durch die
Flüssigkeitskühlung bleiben die- Beanspruchungen der Schaufel- und Schaufelträgerwerkstoffe
in erträglichen Grenzen, und die Schaufelräder können mit hohen mechanischen und,
thermischen Wirkungsgraden betrieben werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Abb. 4 und 5 dargestellt.
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Gegenüber der Ausführungsform nach der Abb. 1
bis
3 unterscheidet sich diese Ausführungsform dadurch, daß sämtliche Einsatzstücke
9 zu einem gemeinsamen Ringkörper 14 verbunden sind, dessen Faltrippen
15 die Radialschaufeln bilden. Dadurch gelingt es wieder, Kühlräume beliebig
großer Weite- zu schaffen, so daß dem Abstanda der kühlraumbildenden Schaufelwandungen
in Abb. 5 ein Mindestwert von 2 mm, dem Abstand h in Abb. 4 ein Mindestwert
von 3 mm erteilt werden kann, ohne daß die Erfindung
auf
die Verwirklichung gerade dieser Mindestabstände beschränkt ist. Eine Deckscheibe
18, die wieder auf einen zylindrischen Ansatz 19 der Nabenschaufelradhohlwelle
10 aufgeschoben ist und die einen kragenartigen Ansatz 11 besitzt,
dient wieder zur Bildung des Kühlmittelabflußraumes 13, der mit dem Außenraum
des Kühlrohreinsatzes 20 verbunden ist, während das Kühlrohr 20 selbst die Kühlräume
mit Kühlmittel versorgt. Der Randscheibenteil des Radkörpers 16 bildet wieder
den verdickten Wulst 17, der einerseits zum Anschweißen des Ringkörpers 14,
andererseits der Deckscheibe 18 dient, während der Begrenzungsrand kleinsten
Durchmessers des Ringstückes 14 mit dem Nabenkörper 16 vereinigt ist.