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Einrichtung zum Kühlen von Turbinenscheiben einer Gasturbine Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum Kühlen von Turbinenscheiben einer Gasturbine, bei
denen das Kühlmittel in axialer Richtung seitlich an zwischen den mit Fußplatten
versehenen Schaufelblättern und den Schaufelfüßen vorgesehenen Stegen vorbeigeleitet
und über einen sich axial anschließenden, zwischen den Turbinenscheiben angeordneten
Ringraum der nächsten Turbinenstufe zugeleitet wird.
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Bei stationären. Großgasturbinen ist es vorteilhaft und zweckmäßig,
die Turbinenscheiben aus ferritischem Stahl herzustellen, da Turbinenscheiben aus
austenitischem Stähl schwer herstellbar sind und demzufolge eine große Ausschußgefahr
mit sich bringen, die die Schmiedeteile wesentlich verteuern. Um bei einem wirtschaftlichem
Temperaturniveau vor der Turbine den hohen Anforderungen an die Lebensdauer gerecht
zu werden und dabei die Temperatur am Umfang der Turbinenscheiben unter 500° C zu
halten, damit ein ferritischer Stahl wirtschaftlich anwendbar ist, ist eine Kühlung
der Turbinenscheiben unumgänglich.
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Derartige Kühleinrichtungen sind bereits mehrfach bekannt. Es wird
beispielsweise Kühlluft an den Fußteilen der Turbinenschaufeln -vorbeigeleitet und
der Treibmittelströmung der Gasturbine zugeführt. Zu diesem Zweck sind zwischen
den Schaufelblättern und den Schaufelfüßen Schaufelschäfte angeordnet, zwischen
denen Kühlmittelkanäle gebildet sind, die vom Verdichter abgezweigte Luft zugeführt
erhalten. Diese Kühlung erstreckt sich nur über eine Turbinenstufe, und das Kühlmedium
wird dem Treibmittelstrom in einem verhältnismäßig hohem Druckbereich zugeführt.
Daraus ergibt sich, daß einmal der Kühlmittelstrom zwischen den einzelnen Turbinenstufen
unterbrochen und somit an diesen Stellen ein nachteiliger Wärmeeinfall zu erwarten
ist und zum anderen die Kühlluft einen entsprechend hohen Druck und damit auch eine
höhere Temperatur aufweisen muß, als es bei einer Einführung der Kühlluft in den
Bereich niedrigsten Druckes der Treibmittelströmung der Fall wäre. Außerdem ist
der Luftverbrauch durch die Art der Kühlmittelführung verhältnismäßig groß und wird
natürlich durch die relativ hohe Temperatur der Kühlluft, die durch die hohe Verdichtung
hervorgerufen wird, noch vergrößert.
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Weiterhin ist auch bekannt, Kühhnittelkanäle über mehrere Turbinenstufen
zu führen. Hierbei wird das Kühlmittel, um eine wirtschaftliche Kühlung überhaupt
zu erzielen, im Gegenstromprinzip von der letzten zur ersten Turbinenstufe, der
Stufe höchsten Druckes geleitet und danach zur Schleierkühlung-an den Schaufelfüßen
in Richtung der Treibmittelströmung entlanggeführt. Es ergeben sich bei dieser Art
der Kühlung ähnliche Verhältnisse, wie bei der vorher beschriebenen Kühlung. Die
Art der Kühlmittelführung, die bedingt ist durch die Kühlmittelkanäle selbst, erfordert
hierbei wiederum einen verhältnismäßig hohen Luftverbrauch. Gleichzeitig
bringt der Kühlmittelaustritt im Bereich hohen Druckes eine Entnahme der Kühlluft
aus den Verdiehterstufen entsprechend hohen Druckes mit sich, so daß die Verluste
auch entsprechend groß werden.
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Schließlich sind auch noch Einrichtungen zur Turbinenscheibenkühlung
bekannt, die Kühlmittelkanäle in Form von in den Fußteilen der Turbinenschaufeln
befindlichen Bohrungen aufweisen. Diese Kühlmittelkanäle sind dabei wiederum als
durchführende Kanäle ausgebildet, wobei im Gegenstromprinzip gekühlt wird, oder
sie führen durch einzelne Scheiben jeweils zu denn Treibmittelstrom, und zwar in.
Strömungsrichtung der Treibmittelströmung. Auch bei diesen Kühleinrichtungen sind
die gleichen Nachteile vorhanden wie bei den bereits beschriebenen Kühleinrichtungen,
und es ist nicht möglich, bei Temperaturen vor der Turbine, die über 650° C liegen,
die Turbinenscheiben unter 500° C zu kühlen, so daß bei Verwirklichung höherer Arbeitsmitteltemperaturen
Turbinenscheiben aus austenitischem Stahl Verwendung finden müssen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zum Kühlen von Turbinenscheiben einer Gasturbine zu schaffen, mit der eine wesentlich
intensivere Kühlung bei geringem Kühlluftverbrauch möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe an der eingangs erwähnten Einrichtung
zum Kühlen von Turbinenscheiben einer Gasturbine dadurch gelöst, daß im Bereich
der Turbinenscheiben zwischen den Stegen der Turbinenschaufeln und lose zwischen
ihnen
eingelegten, mit Distanzteilen versehenen, sich durch Flichkraftwirkung
nach außen anpressenden Verdrängerkörpern Kühlspalte angeordnet sind, deren Fortsetzung
in axialer Richtung zur nächsten Turbinenstufe zwischen in dem Ringraum radial angeordneten
Stegen und in gleicher Art eingelegten Verdrängerkörpern gebildet ist.
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Durch diese Kühleinrichtung ist es möglich, einen großen Kühleffekt
zu erzielen. Die erzeugte Spaltströmung bewirkt eine derart günstige Wärmeabfuhr,
daß auf eine Schleierkühlung und damit auf eine Einführung der Kühlluft im höchsten
Druckbereich der Turbine verzichtet werden und die Kühlluft erst nach der letzten
Turbinenstufe dem Gastrakt zugeführt werden kann. Die Kühlluft kann demzufolge einer
verhältnismäßig niedrigen Verdichtungsstufe entnommen werden, so daß die Verluste,
die durch die Entnahme von Verdichterluft entstehen, sehr gering sind, da außerdem
durch den günstigeren Kühleffekt auch die Kühlluftmenge geringer geworden ist. Verstärkt
wird die Kühlwirkung noch dadurch, daß die Turbinenschaufeln aus austenitischem
Material mit schlechter Wärmeleitzahl bestehen und so den Wärmeeinfall über den
mit kleinem Querschnitt versehenen Steg auf ein Mindestmaß beschränken. Mit Hilfe
dieser Kühleinrichtung ist es möglich geworden, Arbeitsmitteltemperaturen vor der
Turbine von über 650° C zu verwirklichen, ohne dabei austenitischen Stahl für die
Turbinenscheiben verwenden zu müssen oder die Lebensdauer zu beeinträchtigen.
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Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß die Maßnahme, Teile
unter Fliehkraftwirkung nach außen anpressen zu lassen, an sich zwar bekannt isst,
aber bisher lediglich dazu eingesetzt wurde, um bei einer Gasturbinenkühleinrichtung
den Kühlkanal nach außen abzudichten oder um Schaufelschwingungen zu dämpfen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die radial innere Begrenzung
des Ringraumes als eine an sich bekannte, zwischen zwei Turbinenscheiben angeordnete,
mit einem Deckring versehene zusätzliche Scheibe ausgebildet und die radial äußere
Begrenzung aus mit den auf der Scheibe befestigten radialen Stegen aus einem Teil
bestehenden, einen Ring darstellenden Deckplatten zusammengesetzt. Die äußere Begrenzung
muß aus austenitischem Stahl hergestellt werden, um den Temperaturanforderungen
gerecht zu werden. Durch die Erfindung ist es möglich, die aus austenitischem Stahl
in dieser Größe schwer herstellbaren Ringe aus einzelnen Deckplatten herzustellen,
die mit den auf der zusätzlichen Scheibe befestigten Stegen ein T-artiges Profil
bilden. Diese Stege werden mit ihren Füßen beispielsweise in auf dem Umfang der
zusätzlichen Scheibe angeordneten Nuten aneinandergereiht und bilden dann mit den
einzelnen Deckplatten einen geschlossenen Ring, der die äußere Begrenzung des Ringraumes
darstellt. Mit diesen Deckplatten, die seitlich an Ansätze der Fußplatten der Schaufelblätter
angepaßt sind, ist eine genügende Dichtheit für die Kühlmittelkanäle zu erzielen.
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Zweckmäßigerweise sind nach der Erfindung die Verdrängerkörper in
an sich bekannter Weise als aus dünnem Blech bestehende geschlossene Hohlkörper
ausgebildet und mit gedrückten Abstandswarzen versehen. Die Abstandswarzen lassen
sich fertigungstechnisch besonders einfach herstellen, während durch die Ausbildung
der Verdrängerkörper als Hohlkörper außer dem -herstellungsmäßigen Vorteil auch
noch der Vorteil besteht, daß.dadurch die Wärmestrahlung abgehalten wird, so daß
eine Erwärmung der Turbinenscheiben auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist.
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Als günstigste Quersahnittsform der Kühlspalte hat sich die U-Form
ergeben, da damit eine optimale Kühlwirkung bei kleinstem Luftverbrauch zu erzielen
ist. Es ist natürlich auch möglich, bei anderen konstruktiven Voraussetzungen andere
Querschnittsformen anzuwenden.
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Um ein günstiges Verhältnis zwischen Fertigungsaufwand und Kühlwirkung
zu erzielen, ist die Anzahl der in dem Ringraum gebildeten Kühlspalte geringer als
die der im Bereich der Turbinenscheiben vorgesehenen Kühlspalte, für welche Maßnahme
jedoch Schutz nur in Verbindung mit dem Gegenstand des Hauptanspruches beansprucht
wird.
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Schließlich ist nach der Erfindung die Breite der Kühlspalte zur Wahrung
eines gleichmäßigen Temperaturniveaus in den Turbinenscheiben entsprechend unterschiedlich
gestaltet. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit beeinlußt, die die Wärmeübergangszahlen
in den einzelnen Stufen entsprechend staffeln. Ein selbständiger Schutz wird auch
für diese Maßnahme nicht begehrt.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, die Erfindung sinngemäß auf
andere Turbinenrotoren mit anderen Schaufelfußteilen anzuwenden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, und zwar zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Turbinenstufen
einer stationären Gasturbine, F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie II-Il aus Fig.
1, F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie III-111 aus F i g. 2.
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Die in F i g. 1 dargestellten Turbinenstufen bestehen im wesentlichen
aus zwei Turbinenscheiben 1, den Turbinenschaufeln 2 und den Turbinenleitschaufeln
3. Die Turbine wird über einen Kanal 4 in Richtung des Pfeiles 5 mit dem Treibmittel
beaufschlagt. Die erste Turbinenscheibe 1 ist mit einem mit ihr rotierenden ringförmigen
Deckel 6 versehen, der mit ihr den Zuführungskanal zu Kühlspalten 7 (s. F i g. 2
und 3) bildet. Zwischen den Turbinenscheiben 1 befindet sich eine zusätzliche Scheibe
8 mit einem Deckring 9. Der Deckring 9 ist mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden
Nut 10 versehen, welche die Füße von radial verlaufenden Stegen 11 aufnimmt. Die
Stege 11 bestehen mit Deckplatten 12 aus einem Teil und bilden mit ihnen im Querschnitt
ein T-Profil. Die Deckplatten 12 ergeben einen geschlossenen Ring, der mit dem Deckring
9 zwischen den Turbinenscheiben 1 einen Ringraum 13 bildet. Der Ringraum 13 ist
durch die Stege 11 unterteilt. Zwischen den Turbinenlaufschaufeln 2 und den Schaufelfüßen
14 sind Stege 15 (s. F i g. 2) vorgesehen. Zwischen die Stege 15 und zwischen die
radialen Stege 11 sind Verdrängerkörper 16 lose eingepaßt, und es werden dadurch
die Kühlspalte 7 gebildet. Die Verdrängerkörper 16 sind mit Abstandswarzen 17 versehen,
die die Spaltbreite bilden. Bei Rotation der Turbine werden die Verdrängerkörper
16 unter Fliehkraftwirkung an Fußplatten 1.8 der Turbinenschaufeln 2 gedrückt, während
die Verdrängerkörper 16 in dem Ringraum 13 an die einen Ring bildenden Deckplatten
12 gedrückt werden. Da die Anzahl der im Bereich der Turbinenscheiben 1 gebildeten
Kühlspalte 7 größer ist als die
der in dem Ringraum 13 gebildeten
Kühlspalte, ist zwischen den Kühlspalten 7 der Turbinenscheibe 1 und den Kühlspalten
7 des Ringraumes 13 in axialer Richtung auf jeder Seite ein ringförmiger Beruhigungsraum
19 vorgesehen.
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Die vom Verdichter abgenommene Kühlluft wird über eine Leitung
20 und Drosselstellen 21 in Richtung des Pfeiles 22 den Kühlspalten
7 zugeführt. Die Kühlluft wird über alle Turbinenstufen geführt und über einen Ringspalt
23 der Treibmittelströmung zugeleitet. Mit diesen über alle Turbinenstufen führenden
Kühlspalten ist durch die Spaltströmung eine derart günstige Kühlwirkung erreicht,
daß auf eine Schleierkühlung an den Schaufelfüßen verzichtet werden kann und die
Kühlluft der letzten Turbinenstufe mit entsprechend niedrigem Druck zugeführt wird.
Hierdurch kann die Kühlluft einer Verdichterstufe verhältnismäßig niedrigen Druckes
entnommen werden.