DE1144537B

DE1144537B - Arrangement for cooling the impellers and blading of turbo machines, especially gas turbines

Info

Publication number: DE1144537B
Application number: DEH39921A
Authority: DE
Inventors: Dr Helmut Hausenblas
Original assignee: Henschel Werke AG
Current assignee: Henschel Werke AG
Priority date: 1960-07-13
Filing date: 1960-07-13
Publication date: 1963-02-28

Description

Anordnung zur Kühlung der Laufräder und Beschaufelungen von Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen Die Erfindung richtet sich auf die Kühlung der Laufräder und Beschaufelungen von Turbomaschinen, die mit Treibmitteln höherer Temperaturen arbeiten. Bei dem Betrieb von Turbomaschinen der vorbezeichneten Art hat es sich als notwendig gezeigt, die Temperatur der Laufräder insbesondere in ihrer Mitte niedrig zu halten, damit z. B. die zulässige Betriebstemperatur im benachbarten Lager nicht durch einen vom Laufrad her durch den Lagerzapfen gelangenden Wärmefluß überschritten wird. Da die Temperatur der Laufradwandungen in ihrem Außenbereich jedoch höher liegt als der zulässige Wert in ihrer Mitte, werden bekanntermaßen Vorkehrungen getroffen, die darauf abzielen, das Vorliegen eines unerwünscht großen Temperaturgradienten in der Laufradwandung und damit das Auftreten hoher Temperaturzusatzspannungen zu verhindern.Arrangement for cooling the impellers and blading of turbo machines, in particular gas turbines The invention is directed to the cooling of the impellers and blading of turbomachines, which are operated with propellants at higher temperatures work. In the operation of turbo machines of the aforementioned type, it has become shown as necessary, the temperature of the impellers especially in their center to keep low, so that z. B. the permissible operating temperature in the neighboring Bearing not due to a heat flow coming from the impeller through the bearing journal is exceeded. Because the temperature of the impeller walls in their outer area however, higher than the allowable value in their midst are known to be Precautions are taken to avoid the presence of an undesirably large Temperature gradients in the impeller wall and thus the occurrence of high additional temperature stresses to prevent.

Im Rahmen der bekannten Maßnahmen liegt es. dem Laufrad gegenüber feststehende Verkleidungen zur Kühlluftführung anzuordnen, die aus einem wärmedämmenden Material bestehen können. Eine weitere bekannte Ausführung sieht vor, an den Füßen der Laufradschaufeln eine sogenannte Schaufelfußkühlung auszubilden, die eine Temperatursenkung in den Schaufeln und im Außenbereich des Laufrades ergibt. Diese Anordnung kommt dort zur Geltung, wo die Laufräder beispielsweise aus zwei axial dicht hintereinanderliegenden und miteinander verbundenen wandförmigen Laufradhälften bestehen, zwischen denen die für die Schaufelfußkühlung erforderliche Kühlluft den Schaufelfüßen zugeführt wird, oder bei jenen Ausführungsformen, die an Stelle einer Laufradhälfte eine Deckscheibe vorsehen, :die an der Aufnahme von Zentrifugalkräften der Schaufeln nicht beteiligt ist. In beiden Fällen ist es weiterhin bekannt, die Kühlluft durch eine hohl ausgebildete Welle und eine anschließ-.nde zentrale Bohrung in einer Laufradhälfte oder Deckscheibe in den obengenannten Zwischenraum zu führen, so daß sie also vom mittleren Bereich des Laufrades in dessen äußeren Bereich strömt. Diese Bohrung kann bei den bekannten Ausführungsform#en dadurch in Fortfall kommen, daß sie durch mehrere Löcher ersetzt wird, die auf einem oder mehreren vorzugsweise zentrisch zur Scheibe angeordneten Teilkreisen liegen.It is within the known measures. opposite the impeller to arrange fixed cladding for cooling air, which consists of a heat-insulating Material can exist. Another known design provides for on the feet of the impeller blades to form a so-called blade root cooling, which reduces the temperature results in the blades and in the outer area of the impeller. This arrangement is coming It comes into its own where the impellers, for example, consist of two axially close together and connected wall-shaped impeller halves exist between which the cooling air required for blade root cooling is supplied to the blade roots is, or in those embodiments, a cover plate instead of an impeller half provide: which does not take part in the absorption of centrifugal forces by the blades is. In both cases it is also known to pass the cooling air through a hollow Shaft and a subsequent central bore in one impeller half or cover plate to lead into the above-mentioned space, so that they are from the middle area of the impeller flows into its outer area. This hole can be used in the known Embodiments are eliminated by replacing them with several holes is arranged on one or more preferably centrally to the disc Partial circles.

Bevor die annähernd radial von der Turbomaschinenwelle abströmende Kühlluft die Kühlkanäle der Schaufelfüße erreicht, muß sie in jedem dieser Fälle einen relativ langen Weg an der Wandung des Laufrades entlangstreichen. Dabei ergibt sich ein Wärmeüberganz von den Laufradhälften bzw. den Deckscheib;.-n zur Kühlluft, der eine Kühlung des Laufrades mit sich bringt; andererseits wird aber dadurch die Kühlluft auf ihrem Wege bis zum Erreichen der Schaufelfüße derart erwärmt, daß ihre Temperatur mit der sie in die Kühlkanäle der Schaufelfüße eintritt, keine genügende Fußkühlung und damit keine erhebliche Verminderuno, der radialen Temperaturgradi#enten in den Laufradhälften gewährleistet. Diese Nachteile treten auch bei jenen bekannten Ausführungen auf, bei denen zwecks einer Herabsetzung von Temperaturzusatzspannungen in der Turbinenscheibe die Kühlung der Sch#eibenmitte durch eine abschnittsweise Isolierung, der Laufradwandungen oder durch einen Kühlluftzutritt in größerem Abstand von der Laufradachse geschwächt wird. Diese Maßnahmen wirken sich zwar auf das Temperaturgefälle aus, sie haben aber zur Folge, daß durch die relativ warme Scheibenmitte der Wärmeeinfall in die Welle und insbesondere in das benachbarte Wellenlauer verhältnismäßig hoch ist, wodurch diese Teile besonderen Belastungen ausgesetzt sind.Before the approximately radially flowing off from the turbomachine shaft Cooling air reaches the cooling channels of the blade roots, it must in each of these cases Stroke a relatively long way along the wall of the impeller. This results in heat is transferred from the impeller halves or the cover plate; - n to the cooling air, which brings a cooling of the impeller with it; on the other hand it becomes the Cooling air is heated on its way until it reaches the blade roots in such a way that its The temperature at which it enters the cooling channels of the blade roots is not sufficient Foot cooling and thus no significant reduction in the radial temperature gradients guaranteed in the impeller halves. These disadvantages also occur with those known Designs on which, in order to reduce additional temperature stresses in the turbine disk, the cooling of the center of the disk by means of a section Insulation, of the impeller walls or by means of a cooling air inlet at a greater distance is weakened by the impeller axle. These measures affect the temperature gradient off, but they have the consequence that the relatively warm center of the pane causes the heat to fall relatively high in the wave and in particular in the neighboring Wellenlauer is, whereby these parts are exposed to particular loads.

Im Gegensatz hierzu zielt die Erfindung darauf ab, die Temperaturverhältnisse durch eine stärkere Ab- kühlung des äußeren Rand-bereichs der Laufradscheibe zu verbessern. Sie schlägt als Lösung vor, daß die der Führung der Kühlluft dienenden Laufradwandungen abschnittsweise mit wärmedämmenden Auflagen versehen sind, welche sich zumindest bis dicht an die äußere Randzone des Laufrades erstrecken.In contrast, the invention aims, the temperature conditions through increased waste cooling the outer edge range to improve the rotor disk. As a solution, it proposes that the impeller walls serving to guide the cooling air are provided in sections with heat-insulating layers which extend at least as far as the outer edge zone of the impeller.

Diese Auflagen müssen naturgemäß an den Laufradwandungen fest haften, eine genügende Sicherheit gegenüber einem Thermoschock bieten und hinsichtlieh ihres Temperaturausdehnungskoeffizienten dem Material des Laufrades angepaßt sein. Keramische Werkstoffe, deren Verwendung in diesem Zusammenhang an sich bekannt ist, sind deshalb besonders geeignet.Naturally, these supports must adhere firmly to the impeller walls, offer sufficient security against a thermal shock and with regard to it theirs The coefficient of thermal expansion must be adapted to the material of the impeller. Ceramic Materials, the use of which is known per se in this context, are therefore particularly suitable.

Wenn gemäß der Erfindung vorgesehen ist, die der Führung der Kühlluft dienenden Laufradwandungen lediglich abschnittsweise mit der wärmedämmenden Auflage zu versehen, so liegt der nicht überdeckte Teil der Laufradhälften entweder unmittelbar hinter dem Eintritt der Kühlluft in den Zwischenraum zwischen zwei Laufradhälften oder unmittelbar vor dem Eintritt der Kühlluft in die Kühlkanäle der Schaufelfußkühlung und dehnt sich jeweils so weit aus, daß ein benachbartes Lager oder andere vor einer höheren Erwärmung besonders zu schützende Teile der Turbomaschine ausreichend gekühlt werden bzw. die Schaufelfüße und der äußere Randbereich der Laufradhälften so weitgehend gekühlt werden, daß ein befriedigender Temperaturgradient in der Wandung des Laufrades vorhanden ist. Darüber hinaus kann selbstverständlich in den Laufradhälften jeweils eine von der Auflage freie Zone im inneren sowie im äußeren Randbereich vorgesehen werden und die Anordnung sinngemäß sowohl bei den feststehenden als auch rotierenden Deckscheiben getroffen werden, wobei aber die wärmedämmende Auflage immer auf der von der Kühlluft bestrichenen Seite der Deckscheibe aufzubringen ist, da nur so der Wärmeübertritt aus den Deckscheiben in die Kühlluft wirksam begrenzt wird, was notwendig ist, damit die Kühlluft entsprechend der Aufgabenstellung möglichst kühl der Laufradrandzone zuströmt.If, according to the invention, it is provided that the impeller walls serving to guide the cooling air are only partially provided with the heat-insulating overlay, then the uncovered part of the impeller halves is either immediately behind the entry of the cooling air into the space between two impeller halves or immediately in front of the entry of the Cooling air enters the cooling channels of the blade root cooling and expands so far that an adjacent bearing or other parts of the turbomachine that are particularly to be protected from higher heating are adequately cooled or the blade roots and the outer edge area of the impeller halves are cooled to such an extent that a there is a satisfactory temperature gradient in the wall of the impeller. In addition, a zone free from support can of course be provided in the inner and outer edge area of the impeller halves and the arrangement can be made in the same way for the fixed and rotating cover disks, but the heat-insulating support always on the side that is swept by the cooling air is to be applied to the cover disk, since this is the only way to effectively limit the transfer of heat from the cover disks into the cooling air, which is necessary so that the cooling air flows as cool as possible to the impeller edge zone in accordance with the task at hand.

Die Länge der radialen Erstreckung der von der Auflage freien Zone der Laufradhälften ist fernerhin abhängig von ihrer Wandstärke und dem Wärmeanfall auf beiden Seiten des Laufrades.The length of the radial extension of the zone free from the support the impeller halves are also dependent on their wall thickness and the amount of heat generated on both sides of the impeller.

Neben den vorbezeichneten Maßnahmen können außerdem zur Schonung des Lagers oder andersartiger Teile der Turbomaschine die bekannten Wärmesperreinrichtungen zwischen der Laufradhälfte und dem Wellenzapfen angeordnet werden.In addition to the aforementioned measures, you can also save the Bearing or other types of parts of the turbo machine, the known thermal barrier devices be arranged between the impeller half and the shaft journal.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand einer Zeichnung erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen einstufigen Turbinenteil einer Gasturbine, deren Laufrad aus zwei gleichartigen Laufradhälften besteht, und Fig. 2 eine ähnliche Ausführung wie Fig. 1, jedoch in zweistufiger Ausführung.Two exemplary embodiments of the invention are explained using a drawing. 1 shows a cross section through a single-stage turbine part of a gas turbine, the impeller of which consists of two identical impeller halves, and FIG. 2 shows an embodiment similar to FIG. 1, but in a two-stage embodiment.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist das Laufrad 1 an dem Flansch 2 einer hohlen Turbomaschinerrwelle 3, die bei 4 gelagert ist, mittels Schrauben 5 befestigt. Das Laufrad 1 besteht im wesentlichen aus zwei wandförmigen Laufradhälften.6 und 7, zwischen denen die durch die Hohlwelle 3 und eine Bohrung 8 in der Wand 7 anströmende Kühlluft in die Kühlkanäle 9 zwecks Fußkühlung der Schaufeln 10 strömt. Um einer zu weit gehenden vorzeitigen Erwärmung der Kühlluft vorzubeugen, sind die Laufradhälften 6 und 7 mit einer wärme# dämmenden Auflage 11 und 12 versehen, die sich jeweils vom Einlaß der Kühlluft der Bohrung 8 bis an den Außenrand der Laufradhälften bzw. den Fußkühlkanälen 9 erstrecken.In the example shown in FIG. 1 , the impeller 1 is fastened to the flange 2 of a hollow turbomachine shaft 3, which is supported at 4, by means of screws 5. The impeller 1 consists essentially of two wall-shaped impeller halves 6 and 7, between which the cooling air flowing through the hollow shaft 3 and a bore 8 in the wall 7 flows into the cooling channels 9 for the purpose of foot cooling of the blades 10 . To prevent premature heating of the cooling air too far, the impeller halves 6 and 7 are provided with a heat-insulating pad 11 and 12, which each extend from the inlet of the cooling air of the bore 8 to the outer edge of the impeller halves or the foot cooling channels 9 .

In Fig. 2 ist im Unterschied zum vorstehenden Beispiel auch die zweite Laufradhälfte 6 des Laufrades 1 mit einer zentralen Bohrung 8 versehen, um einen Kühlluftzutritt zur gleichartig ausgebildeten zweiten Stufe zu ermöglichen. Diese Ausführungsforrn, setzt sich von dem Beispiel nach Fig. 1 insofern ab, als sich die wärmedämmenden Auflagen 11' und 12' nicht bis an den äußeren Rand der Laufradhälften 6 und 7 erstrecken, sondern kürzer ausgebildet sind, um eine intensivere. Kühlung des nicht überdeckten Bereiches, also der äußeren Randzone des Laufrades, zu bewirken und damit einen günstigeren Temperaturgradienten zu erzielen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 945 798, 420 782; schweizerische Patentschriften Nr. 329 161, 270 345, 265 628, 253 087; britische Patentschrift Nr. 621300; USA-Patentschrift Nr. 2 662 725. In FIG. 2, in contrast to the above example, the second impeller half 6 of the impeller 1 is also provided with a central bore 8 in order to allow cooling air to enter the second stage, which is of the same design. This embodiment differs from the example according to FIG. 1 in that the heat-insulating pads 11 ' and 12' do not extend to the outer edge of the impeller halves 6 and 7 , but are designed to be shorter in order to be more intensive. To bring about cooling of the uncovered area, i.e. the outer edge zone of the impeller, and thus to achieve a more favorable temperature gradient. Considered publications: German Patent Nos. 945 798, 420 782; Swiss patents Nos. 329 161, 270 345, 265 628, 253 087; British Patent No. 621300; U.S. Patent No. 2,662,725.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. An arrangement for foot cooling of the blading of turbo-machines, the impellers of which form walls which serve to guide cooling air flowing essentially radially out of a hollow turbo-machine shaft, characterized in that the impeller walls serving to guide the cooling air are provided in sections with heat-insulating pads, which are provided at least as far as the outer edge zone of the impeller.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the heat-insulating layer consists of a material firmly adhering to the impeller wall, the coefficient of thermal expansion of which is adapted to that of the impeller material and can withstand sudden temperature changes. 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the heat-insulating support consists of ceramic material.