DE1300346B

DE1300346B - Gasturbine

Info

Publication number: DE1300346B
Application number: DED47996A
Authority: DE
Inventors: Matsuki Masakatsu; Torisaki Tadao
Original assignee: DIRECTOR OF NAT AEROSPACE LAB
Current assignee: DIRECTOR OF NAT AEROSPACE LAB
Priority date: 1964-08-19
Filing date: 1965-08-17
Publication date: 1969-07-31
Also published as: GB1075975A; US3318573A; CH452998A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einer auf einer Welle angeordneten Läuferscheibe, an deren Umfang eine Vielzahl von Schaufeln mit ihrem Schaft befestigt ist, und mit Kühlluft für die Schäfte führenden Leitplatten, die Kammern bilden, die einen zum Eintrittsspalt radial nach außen versetzten Austrittsspalt aufweisen, so daß die Kühlluft die Kammern unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte durchströmt.
Bei einer solchen bekannten Gasturbine ist eine Führungsplatte vorgesehen, die auf der Welle montiert ist und die eine Seite des Läufers abdeckt und sich mit diesem dreht. An dem Umfang der Führungsplatte sind ringförmig angeordnete Platten vorgesehen, wodurch mechanisch die Bahn der Kühlluft an den heißen Arbeitsgasen abgedichtet ist. Die Kühlluft tritt dabei an einem in der Nähe der Welle vorgesehenen Einlaß ein, fließt durch die auf Grund der Drehung der Führungsplatte und des Läufers verursachte Zentrifugalkraft nach außen, wird dort um 90° durch die Ringplatten umgeleitet und gelangt an den Schaufelschäften vorbei zum Auslaß. Die dabei zwangläufig auftretenden großen Zentrifugalkräfte sind nachteilig, und es ist notwendig, eine mechanische Abdichtung vorzusehen, damit durch die hohe Zentrifugalbeschleunigung die Kühlgase nicht zu schnell nach außen entweichen, was wiederum zur Folge hat, daß heiße Gase von außen nach innen gesaugt werden. Diese Maßnahmen haben sich auch noch insofern als nachteilig erwiesen, als ein von den heißen Gasen mechanisch abgedichteter Kühlluftweg einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert.
Zur Kühlung von Läuferscheiben einer Gasturbine ist es außerdem bekanntgeworden, Kühlspalten bildende Verdrängerkörper vorzusehen, wobei aber nur die Druckdifferenz vor und nach dem Läufer ausgenutzt wird.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung des bisher erforderlichen konstruktiven Aufwands eine Verbesserung der Kühlung einer Gasturbine zu erzielen.
Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art eine an sich bekannte außen am Schaufelschaft in einer zur Radialrichtung senkrechten Ebene verlaufende Fußplatte und auf beiden Seiten des Schaufelschafts in zur Drehachse senkrechten Ebenen verlaufende Leitplatten eine auf dem Bereich des Schaufelschafts beschränkte Kammer bilden, wobei an der Läuferscheibe ein Eintrittsspalt und auf der gegenüberliegenden Seite der Läuferscheibe am Arbeitsteil der Schaufel ein Austrittsspalt vorgesehen ist, und daß Leitringe mit dem Turbinengehäuse Kühlkammern auf beiden Seiten der Läuferscheibe und mit Außenringen Kammern auf beiden Seiten der zwischen zwei Schäften vorgesehenen Kammer bilden.
Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein Kühlungsprinzip verwirklicht, das eine hochwirksame Kühlung allein durch die Gaszirkulation in den entsprechend angeordneten Kammern erreicht, wobei eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlluft stattfindet und in wirksamer Weise die heißen Gase an ihrem Eintreten in den Bereich an der Läuferscheibe gehindert werden. Durch die Erfindung werden damit konstruktiv aufwendige mechanisch abgedichtete Kühlluftwege vermieden. Außerdem wird in besonders günstiger Weise eine Kühlung des Schaufelschafts erreicht.
Zur Unterstützung der Gaszirkulation ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß an den radial auf dem Schaufelschaft verlaufenden Leitplatten zu den Außenringen weisende Zungen vorgesehen sind.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Läuferscheibe im Bereich der seitlichen Kühlkammern mit konkaven Wölbungen versehen.
Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen zeigt F i g. 1 eine Teilansicht im Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung, F i g. 2 eine Vorderansicht entsprechend F i g. 1, F i g. 3 eine Ansicht entsprechend F i g. 1 mit abgewandelten Leitplatten, F i g. 4 eine Ansicht entsprechend F i g. 2 einer abgewandelten Ausführungsform, F i g. 5 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Gasturbine im Schnitt längs der Linie IH-111 in Fig.2.
In den Zeichnungen ist eine Welle 1 dargestellt, auf der eine Läuferscheibe 2 sitzt, die durch die Welle 1 in Drehungen versetzt wird. Die Arbeitsteile 3 der Schaufel sind über Schaufelschäfte 4 am Umfang der Läuferscheibe 2 angebracht. Zur Verhinderung einer Wärmeübertragung von den Arbeitsteilen 3 zu der Läuferscheibe 2 werden die Schaufelschäfte 4 als Kühlflächen benutzt, wozu in zur Drehachse senkrechten Ebenen verlaufende Leitplatten 5, 6 vorgesehen sind. Mit dieser Anordnung und durch die Druckdifferenz, die in der Zone vor und nach der Läuferscheibe 2 besteht, sowie durch die auf Grund der Drehbewegung der Läuferscheibe erzeugte Zentrifugalkraft wird Kühlluft kräftig in den Raum gedrückt, der zwischen den Leitplatten 5 und 6 ausgebildet ist, wobei Eintrittsspalte 7, 7' und Austrittsspalte 8, 8' vorgesehen sind, durch die die Luft ausgetrieben wind, um den Schaufelschaft 4 zu kühlen und eine Wärmeübertragung zu der Läuferscheibe 2 zu verhindern. Der Eintrittsspalt 7 liegt in radialer Richtung näher an der Läuferscheibe 2 als die Austrittsöffnung B. Die Spalte 7' und 8' sind an der Kammer B ausgebildet, die fest zwischen den Leitplatten 5, 6 und dem Schaufelschaft 4 angeordnet ist.
Wenn die Oberfläche des Schaufelschafts 4 für die Kühlung nicht ausreicht, können Kühlrippen 10 zusätzlich vorgesehen werden, wie es in F i g. 4 dargestellt ist.
Die Leitplatten 5, 6 können mit einer außen am Schaufelschaft 4 in einer zur Radialrichtung senkrechten Ebene verlaufenden Fußplatte 9 aus einem Stück gebildet sein (F i g. 3) oder mit der Fußplatte 9 verbunden sein (F i g.1), wobei die Leitplatten fest genug gestaltet sein müssen, um der bei der Drehung der Läuferscheibe 2 entwickelten Zentrifugalkraft standhalten zu können.
Um das Gas mit hohen Temperaturen (hg), das von den Düsen 13 (F i g. 5) ausgeht, am Eintreten in die Kammern 16 und 17 zu hindern, sind Zungen 11 und 12 entweder an den oberen Enden der Leitplatten 5 und 6 oder an der Fußplatte 9 vorgesehen. Durch die Anordnung der Zungen 11 und 12 fließt die Luft längs der beiden Seitenflächen der Läuferscheibe 2 zu den Außenringen 14 und 15 (F i g. 5), um das Gas mit hoher Temperatur am Eintreten in die Kammern 16 und 17 zu hindern. Wenn es erforderlich ist, kann Kühlluft cal zu Kühlzwecken verwendet werden, und Kühlluft cal in den Kühlkammern 22,23 kann ebenfalls an den entsprechenden Seiten der Läuferscheibe 2 zu Kühlzwecken ausgenutzt werden.
Zur Vereinfachung der Zeichnung ist nicht dargestellt, daß die Düsen 13 von dem Turbinengehäuse getragen werden, wobei die Wände 24, die die Düsen 13 halten, an der Welle 1 mittels Lager befestigt sind.
Schließlich werden die Kammern 16,17 und 22, 23 durch die Reibung der Läuferscheibe erhitzt. Um diese Erhitzung zu verhindern, wird die Kühlluft cal in die Kammern 22, 23 eingeführt, z. B. in die Nähe der Welle 1, wie es in F i g. 5 dargestellt ist. Weiterhin ist die Läuferscheibe 3 mit konkaven Wölbungen 20, 21 versehen, und in den seitlichen Kühlkammern 22, 23 sind Leitringe 18,19 angeordnet, so daß die Luft in der Nähe der beiden Seitenflächen der Läuferscheibe 2 fließt und durch die Leitringe 18,19 in Richtung längs der Pfeile, in F i g. 5 mit gestrichelten Linien dargestellt, d. h. von dem Eintritt längs der konkaven Wölbungen 20, 21 und der Leitringe 18,19 in die seitlichen Kühlkammern 22, 23.
Bei der erfindungsgemäßen Gasturbine wird die Läuferscheibe unter einer geringen Temperatur gehalten, so daß es möglich ist, die Temperatur des Arbeitsgases bei Verwendung von hitzebeständigem Stahl für die Turbinenschaufeln zu erhöhen. Dadurch wird nicht nur der Wirkungsgrad der Gasturbine wesentlich verbessert, sondern es ist auch möglich, einen preiswerten zugfesten Stahl anstatt eines sehr teuren hitzebeständigen Stahls für die Läuferscheibe zu verwenden, da bei dieser eine verhältnismäßig geringe Temperatur nicht überschritten wird. Weiterhin ist es möglich, Titan-Legierungen für die Läuferscheibe zu verwenden, wodurch es ermöglicht wird, das Gewicht der Turbine zu verringern, was insbesondere für den Flugzeugbau von Bedeutung ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Gasturbine mit einer auf einer Welle angeordneten Läuferscheibe, an deren Umfang eine Vielzahl von Schaufeln mit ihrem Schaft befestigt ist, und mit Kühlluft für die Schäfte führenden Leitplatten, die Kammern bilden, die einen zum Eintrittsspalt radial nach außen versetzten Austrittsspalt aufweisen, so daß die Kühlluft die Kammern unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß eine außen am Schaufelschaft (4) in einer zur Radialrichtung senkrechten Ebene verlaufende Fußplatte (9) und auf beiden Seiten des Schaufelschafts (4) in zur Drehachse senkrechten Ebenen verlaufende Leitplatten (5, 6) eine auf den Bereich des Schaufelschafts (4) beschränkte Kammer (B) bilden, wobei an der Läuferscheibe (2) ein Eintrittsspalt (7) und auf der gegenüberliegenden Seite der Läuferscheibe (2) am Arbeitsteil (3) der Schaufel ein Austrittsspalt (8) vorgesehen ist, und daß Leitringe (18,19) mit dem Turbinengehäuse (24) Kühlkammern (22, 23) auf beiden Seiten der Läuferscheibe (2) und mit Außenringen (14,15) Kammern auf beiden Seiten der zwischen zwei Schäften (4) vorgesehenen Kammer (B) bilden.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den radial auf dem Schaufelschaft (4) verlaufenden Leitplatten (5, 6) zu den Außenringen (14,15) weisende Zungen (11 bzw.12) vorgesehen sind.
3. Gästurbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferscheibe (2) im Bereich der seitlichen Kühlkammern (22, 23) mit konkaven Wölbungen (20, 21) versehen ist.