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"Laufrad für eine Gasturbine" Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad
für eine Gasturbine, dessen mit Austrittsöffnungen versehenen Hohlschaufeln ein
Kühlmittel aus einem ringförmigen Sammelraum zugeführt wird.
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Bei einem bekannten derartigen Laufrad befindet sich ein ringförmiger
Sammelraum für Kühlluft in der Läuferscheibe. Von diesem Sammelraum führen beiderseits
des Schaufelfußes jeder Schaufel radiale Bohrungen und Rohre in jeweils einen über
der Fußplatte angeordneten Sammeiraum, der seitlich und oben durch Bleche abgedeckt
ist. Die Bleche jedes Sammelraumes sind mit der Fußplatte bzw. mit dem Schaufelmantel
sowie untereinander durch Schweißen oder Löten verbunden. Die Herstellung einer
Vielzahl von derartig zusammengesetzten und abgedichteten Sammelräumen für ein Laufrad
ist aufwendig und dementsprechend teuer. Außerdem sind diese Sammelräume für eine
Flüssigkeitskühlung der Schaufeln nicht geeignet, da die auf die in den Sammelräumen
befindliche Flüssigkeit einwirkenden Fliehkräfte die verhältnismäßig dünnen Bleche
und deren Verbindungsnähte bei hohen Drehzahlen so stark belasten, daß im Laufe
der Zeit Schäden auftreten können.
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Bei einem weiteren bekannten Laufrad einer Gasturbine wird den Schaufeln
Kühlluft durch einen Ringraum zugeführt, der von einer Seite der Läuferscheibe und
einem im Abstand davon angeordneten profilierten Blechring gebildet wird, der mit
dem Turbinengehäuse fest verbunden
ist. An seinem äußeren Umfang
und an seiner Innenseite weist der Ringraum jeweils einen Ringspalt auf. Bei der
Verwendung eines flüssigen Kühimittels würde besonders eine sorgfältige Abdichtung
des ver.-hältnismäßig langen äußeren Ringspaltes gegenüber der den Fliehkräften
ausgesetzten Flüssigkeit Schwierigkeiten bereiten. ilberdies ist die Wirbelbildung
einer Flüssigkeit in dem schmalen Ringraum zwischen der sich drehenden Läuferscheibe
und dam stillstehenden Ringblech so stark, daß sich unerwünscht hohe Reibungsverluste
ergeben.
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Es sind auch Turbinenlauf räde fbekannt, bei denen das Kühlmittel
aus einem Ringraum in der Läuxerscheibe durch radiale Bohrungen, die sich in den
Schaufelfüßen fortsetzen, unmittelbar in die Schaufeln geführt wird. Dabei muß die
Außenseite des Schaufelfußes jeder Schaufel nach dem Einschieben in die entsprechende
Ausnehmung der Läuferscheibe mit dieser dicht verschweißt werden, um ein Austreten
von Kühlmlttel durch die Spalte zwischen dem Schaufelfuß und der Läuferscheibe zu
vermeiden. Ein einfaches Auswechseln einzelner Schaufeln ist damit nicht mehr möglich.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
in jeder Übertrittsöffnung eine Drosselbohrung angeordnet, die den Zustrom von Kühlmittel
zur Schaufel bestimmt und den Druck des Kühlmittels bei Bedarf, d. h. bei Verwendung
flüssiger Kühlmittel und bei hohen Drehzahlen, abbaut.
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Bei der Verwendung flüssigkeitsgekühlter Schaufeln kann das Laufrad
nach der Erfindung eine den Sammelraum in zwei koaxiale Ringräume aufteilende Trennwand
aufweisen, in der mindestens ein federbelastetes Ventil angeordnet ist, das bei
Überschreiten einer bestimmten Drehzahl
des Laufrades öffnet bzw.
beim Unterschreiten derselben schließt.
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Durch diese Maßnahme wird in vorteilhafter Weise ein Auslaufen von
Kühlflüssigkeit in das Gehäuse der abgeschalteten Turbine vermieden.
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Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Schnitt
durch einen Teil eines Turbinenlaufrades einer Kraftfahrzeug-Gasturbine mit gekühlten
Schaufeln.
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Das Turbinenlaufrad 11 ist zusammen mit einer Scheibe 12, die der
Zufuhr eines Kühlmittels dient, durch Schrauben 13 am Flansch 14 einer Welle 15
befestigt, an deren anderem Ende ein nicht dargestelltes Verdichterlaufrad angeordnet
ist. In eine Ausnehmung 16 in der Nabe 17 des Turbinenlaufrades 11 ist ein Zentrierstück
18 eingesetzt, das in eine entsprechende Ausnehmung 19 in der Nabe 20 der Scheibe
12 greift und dadurch die Scheibe 12 mit dem Turbinenlaufrad 11 zentriert.
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Ein koaxial zur Welle 15 angeordnetes Rohr 21 für Kühlmittel. führt
in eine axiale Bohrung 22 in der Nabe 20 der Scheibe 12. Zwischen dem feststehenden
Rohr 21 und der sich im Betrieb drehenden B ohrung 22 ist eine Labyrinthdichtung
23 angeordnet.
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Die Läuferscheibe 24 des Turbinenlaufrades 11 ist mit Schaufeln 25
bestückt, die jeweils mit ihrem mit einem Tannenbaumprofil versehenen Schaufelfuß
26 in einer entsprechenden Ausnehmung 27 in der Läuferscheibe 24 befestigt sind.
Die Schaufeln 26 sind als Hohlschaufeln ausgebildet, die im Schaufelfuß 26 eine
t)bertrittsdffnung 28 und im Schaufelmantel 29 Austrittsöffnungen 30 für das Kühlmittel
aufweisen, die in der Zeichnung durch einige Bohrungen schematisch angedeutet sind.
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Die Scheibe 12 enthält einen inneren Ringraum 31, der durch eine Wand
von einem äußeren Ringraum 33 getremlt ist. Der innere Ringraum 31 dient zusammen
mit dem äußeren Ringraum 33 als Sammelraum für das Kühlmittel. Der innere Ringraum
31 ist durch eine radiale Bohrung 34 mit einem zentralen Hohlraum 35 in der Nabe
20 verbunden, in den das Rohr 21 einmündet.
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Vom inneren Ringraum 31 führt eine radiale Bohrung 36 durch die Wand
32 in den äußeren Ringraum 33. Im äußeren Ringraum 33 ist ein von einer Feder 37
belastetes Ventil 38 angeordnet, das mit einem Ventilteller 39 den als Ventilsitz
40 ausgebildeten äußeren Rand der Bohrung 36 abdichtet. Eine am Schaft 41 des Ventiles
38 befestigte, mit Durchgangsbohrungen 42 versehene Scheibe 43, die in der Bohrung
36 gleiten kann, dient zur Führung des Ventiles 38. Ein Verschlußstopfen 44 erlaubt
das Einsetzen oder Herausnehmen des Ventiles 38. Durch Drehen des Verschlußstopfens
44, dessen innere Stirnseite 45 als Federwiderlager ausgebildet ist, kann die gewünschte
Spannung der Feder 37 eingestellt werden.
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Vom äußeren Ringraum 33 führen Übertrittsöffnungen 46 zu den entsprechenden
Übertrittsoffnungen 28 im Schaufelfuß 26. In zwei einander gegenüberliegende Übertrittsöffnungen
28 und 46 ist jeweils eine Buchse 47 eingesetzt. Ein Bund 48, der in einer Erweiterung
der Übertrittsöffnung 46 der Scheibe 12 liegt, sichert die axiale Lage der Buchse
47. In der Buchse 47 ist eine Querwand 49 angeordnet, die eine Drosselbohrung 50
enthält. Die Buchse 47 kann gegebenenfalls noch mit einem oder mehreren Dichtringen
versehen werden.
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Die Wirkungsweise der Scheibe 12 sei am Beispiel einer Kühlung der
Schaufeln 25 mit Wasser erläutert. Das von einer Pumpe geforderte Kühlwasser fließt
durch das Rohr 21 in den Hohlraum 35 und von dort durch die Bohrung 34 in den inneren
Ringraum 31. Erreicht das Turbinenlaufrad 11 eine bestimmte Drehzahl, so hebt sich
unter der Einwirkung der Fliehkraft der Ventilteller 39 vom Ventilsitz 40 ab und
öffnet die Bohrung 36. Dadurch strömt Kühlwasser in den äußeren Ringraum 33 und
fließt weiter durch die Drosselbohrungen 50 in den Buchsen 47 in die hohlen Schaufeln
25. Durch die Austrittsöffnungen 30 gelangt Kühlwasser auf den von den Verbrennungsgasen
erhitzten Schaufelmantel 29, wo es verdampft und dabei den Schaufeln 25 Wärme entzieht.
Die gute Kühlung, die dadurch erreicht wird, ermöglicht höhere Gastemperaturen und
damit eine größere Wirtschaftlichkeit der Gasturbine.
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Die genau bemessenen Drosselbohrungen 50 sorgen für eine gleichmäßige
Verteilung des Kühlwassers auf die einzelnen Schaufeln 25. Die bei hohen Drehzahlen
auftretende Drucksteigerung des Kühlwassers durch die Fliehkraft wird durch die
Drosselbohrungen 50 zum größten Teil wieder abgebaut. Die Drosselbohrungen 50 sind
so bemessen, daß nicht mehr Kühlwasser den Schaufeln 25 zufließt, als durch die
Austrittsöffnungen 30 wieder ausfließen kann. Dadurch wird eine Ansammlung von Kühlwasser
in den hohlen Schaufeln 25 vermieden, die bei hohen Drehzahlen des Turbinenlaufrades
11 eine starke Belastung durch die Fliehkräfte mit sich bringen würde. Der Schaufelmantel
29 kann aus diesem Grunde verhältnismäßig dünnwandig ausgeführt werden.
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Wird die Gasturbine abgeschaltet, so kann die Feder 37 beim Unterschreiten
der Schaltdrehzahl den Ventilteller 39 infolge der verringerten Fliehkräfte auf
den Ventilsitz 40 drücken. Das im äußeren Ringraum
33 befindliche
Kühlwasser fließt noch vor dem Stillstand des Turbinenlaufrades 11 durch die Austrittsöffnungen
30 aus und verdampft. Wegen des geschlossenen Ventils 38 kann kein weiteres Kühlwasser
aus dem inneren Ringraum 31 nachströmen, so daß bei stillstehendem Turbinenlaufrad
11 kein Kühlwasser aus den Schaufeln 25 ins Turbinengehäuse ausfließen kann.
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Die Kühlmittelzuführung durch eine Scheibe nach der Erfindung eignet
sich besonders für ein flüssiges Kühlmittel, sie kann aber auch mit Vorteil für
gasförmige Kühlmittel oder für einen wechselweisen Betrieb mit gasförmigen und flüssigen
Kühlmitteln angewandt werden. Statt reinen Hohlschaufeln können auch solche mit
einem Kern verwendet werden.
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Es ist auch möglich, statt einer vom äußeren Ringraum zum Schaufelfuß
führenden Übertrittsbohrung jeweils mehrere Übertrittsbohrungen für jede Schaufel
vorzusehen. Statt einem Ventil können auch mehrere Ventile am Umfang der Scheibe
angeordnet werden.