DE563092C - Waermeschutz fuer ein radial durchstroemtes Gasturbinenrad - Google Patents

Description

Bei Gasturbinen mit großen Umfangsgeschwindigkeiten haben die Radscheiben, die dieselben befestigenden Verbindungselemente sowie die Schaufeln teils den großen mechanischen, teils aber den durch die heißen (ungefähr 6oo° bis iooo⁰ C) Gase hervorgerufenen Wärmebeanspruchungen standzuhalten. Demzufolge muß das Konstruktionsmaterial dieser Bestandteile auf hoher Temperatur große Festigkeit besitzen und auch Oxydationswirkungen widerstehen. Beim heutigen Stande unserer Kenntnisse sind aber diese Forderungen selbst einzeln schwer, gleichzeitig natürlich noch weniger zu erfüllen. Berücksichtigt man außerdem, daß die Beschaufelung der Turbinenräder mit möglichst gutem hydraulischem Wirkungsgrad arbeiten soll, dann sieht man erst die großen Schwierigkeiten, welche beim Bau von Gasturbinen zu überwältigen sind. Die bekannten Ausführungen suchen diese Schwierigkeiten in der Weise zu bekämpfen, daß die Schaufeln wie auch die Radscheiben gekühlt werden, womit aber teils thermische, teils mechanische Verluste verbunden sind. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die genannten Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, daß die den großen mechanischen Beanspruchungen unterliegenden Bauteile gegen Wärme is.oliert werden und so auf niedriger Temperatur gehalten werden können, die Isolierstoffe dagegen von den mechanischen Beanspruchungen entlastet werden;

Die vorliegende Erfindung betrifft derartige Isoliermittel für ein Gasturbinenrad, das aus zwei durch radial gerichtete Schaufeln verbundene Scheiben besteht, zwischen denen die heißen Verbrennungsgase strömen. Die Erfindung besteht darin, daß die von den heißen Verbrennungsgasen bespülten Radoberflächen oder Bauteile des Laufrades, deren niedrige Temperatur durch eine von gekühlten, an den Außenseiten der Radscheiben angeordneten Gehäusewänden bewirkte Wärmeabfuhr aufrechterhalten wird, ganz oder teilweise durch isolierende Gasschichten bedeckt werden.

Der Erfindungsgegenstand ist in Abb. 1 in Längs-, in Abb. 2 im Querschnitt dargestellt. In dieser letzteren Abbildung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Schaufeln ersieht-Hch.

In Abb. ι ist Radscheibe 2, welche mit Scheibe 3 sowie mit Schaufeln 4 ein radial, und zwar von außen nach, innen durchströmtes Turbinenrad bildet, auf der Turbinenwelle 1 gekeilt. Die Scheibe 2 ist an ihrer den heißen Gasen ausgesetzten Oberfläche mit Wärmeisolation 5 versehen, welche beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwischen Lamellen derartig eingeschlossenen Gasschichten besteht, daß dieselben in ruhendem Zustand verbleiben. Diese Lamellen können unter An-

wendung von Distanzstücken mit Schrauben oder Nieten an der Scheibe befestigt werden, wie dies schematisch dargestellt ist. Die Scheibe 3 ist nicht mit Gasisolation, "sondern mit einer sonstigen, aus anderem Isolationsmaterial hergestellten Schicht bedeckt. Diese Isolationsschicht sowie die zur Wärmeisolation 5 gehörigen Lamellen können,-wie-in Abb. 2 gezeigt, natürlich auch aus einzelnen to Kreisringsektoren zusammengebaut_r oder- in anderer Weise geteilt werden und an den Stoßstellen an der zu isolierenden Scheibe mit Hilfe von Schrauben, Nieten usw. auch einzeln" befestigt werden. Welle 1 ist gleichfalls mit Wärmeisolation 7 versehen. In Abb.- 2 ist für verschiedene Ausführungsfälle die Beschaufelung sowie die Isolierung· der die zwei Scheiben verbindenden Konstruktionsteile ersichtlich. Die Schaufeln 4 können Schaufeln 4' ohne Isolation sein, in diesem Falle dienen jedoch vorteilhaft andere isölierteBestandteile dazu, die Scheiben untereinander zu verbinden. Ein Beispiel hierfür ist Spindel 8, welche eine Wärmeisolation 9 trägt. Schaufel 4" besitzt an ihrem ganzen Umfange die zwischen Lamellen 10 eingeschlossene Gasschichtisolation, Schaufel 4'" dagegen ist nur an einem gewissen Teil ihrer Länge mit Isolation 11 versehen, der übrige Teil der Schaufel ist nicht isoliert. Schaufeln der Ausführungsart 4" und 4" eignen sich, da sie" Isolation besitzen, die aus dem Zusammenbau der Scheiben stammende mechanische Beanspruchung aufzunehmen bzw. zu übertragen. Die Anwendung der Schaufeln 4'" ist dort vorteilhaft, wo die Schaufeln aus irgendeinem Grunde nicht ausschließlich radial·, sondern wie z. B. beim Gasaustritt schief gerichtet sind.

Die in Abb. 1 dargestellten nicht bewegten Wände 13 sind Teile des Turbinengehäuses, Diese sind an ihrer vom Turbinenrad abgekehrten Seite z, B durch Flüssigkeits- oder Luftkühlung gekühlt. Die Kühlung hat die Bestimmung, die Laufscheiben für alle Fälle auf einer niedrigen Temperatur zu erhalten. Von den Scheiben und den die Scheiben verbindenden Bauteilen, wie Schaufeln, Bolzen, usw., wird nämlich trotz der"Wärmeisolierung allmählich eine gewisse, wenn auch geringe . Wärmemenge aufgenommen, welche den zwischen den beiden Seiten'der "Isolierung bestehenden. Temperaturunterschied langsam ausgleichen, jedenfalls aber bald verringern würde, deshalb also abgeführt werden' muß. Zwischen Wärmeaufnahme (durch die Isolierschicht) und Wärmeabfuhr (durch Scheibenkühlung) tritt dann nach Erreichen eines bestimmten Temperaturunterschiedes, bei welchem die Temperatur der Bauteile die Festigkeit und Betriebssicherheit derselben noch nicht gefährdet, ein Beharrungszustand ein. Die.Kühlung ist also eine unerläßliche Vorbedingung für die gute Wirkung der Maschine; die durch sie abgeführte Wärme ist jedoch gering, jedenfalls viel geringer, als wenn Wärmeisolation überhaupt nicht angewendet wäre. Die Kühlung erfolgt dabei so, daß die von den -Schaufeln und sonstigen Verbindungsteilen aufgenommene Wärme zufolge der mit den Radscheiben bestehenden guten metallischen Verbindung durch direkte Wärmeleitung auf diese letztere und von hier zusammen mit der von den Scheiben aufgenommenen Wärmemenge auf das Kühlmittel übertragen wird. Hier gilt als Kühlmittel nicht nur die die vom Turbinenrad abgekehrte Seite der Gehäusewand bespülende Kühlflüssigkeit bzw. Kühlluft, sondern auch die zwischen ' ruhender Gehäusewand und umlaufender Radscheibe befindliche dünne Gasschicht, welche sich in heftiger Strömung befindet und deshalb besonders geeignet ist, eine energische Wärmeübertragung von den Lauf scheiben auf die kälteren Wände zu sichern.

Die Gasschichten der Isolation können mit den Arbeitsgasen in Verbindung stehen, indem man etwa die Zwischenräume zwischen den Lamellen an dem äußeren Umfang der Radscheibe oder an der Welle nicht abschließt oder an sonstigen Stellen der Scheibenfläche für solche Verbindungen sorgt. Dieselben können dazu dienen, um die Lamellen durch Ausgleich etwaiger Druckdifferenz zwischen beiden Lamellenseiten von mechanischen Beanspruchungen zu entlasten. Zwischen je zwei hierzu dienenden Öffnungen soll jedoch kein wesentlicher Druckunterschied herrschen, um Gasaustausch in diesem Wege tunlichst zu verhindern, da jede Einströmung von heißem Gas mit Wärmeverlust verbunden ist. Eine · Schwankung des Druckes der Treibgase hat die gleiche Folge, weshalb das vorliegende Turbinenrad besonders für mit gleichbleibendem Überdruck arbeitende Gasturbinen ■ ge- 105, eignet ist.

Die Wärmeisolierung der beanspruchten Konstruktionsteile ist jedoch nicht nur in der behandelten Form möglich. Jede Verzögerung der Gasströmung in der Nähe der Wände unterstützt die Wärmeisolierung. Eine derartige Verzögerung der Gasströmung kann z. B. durch¹ Anordnung von Nuten oder Einkerbungen in den Wänden erreicht werden.

Am einfachsten, wenn auch weniger wirksam, kann die Wärmeisolierung auch dadurch erreicht werden, daß die in bezug auf die Turbinenscheiben relative Strömungsgeschwindigkeit der heißen Gase auf sehr niedrigem Werte gehalten wird. In diesem Falle entstehen nämlich dicht an die . Wände anschließende ruhende Gasschichten, welche den Wärme-

durchlaß sehr erschweren. Die niedrige Geschwindigkeit hat auch den weiteren Vorteil, daß die Reibungsverluste bei der Strömung sich verringern, wodurch sehr guter hydraulischer Wirkungsgrad erreicht werden kann. Die Anwendung von niedrigen relativen Geschwindigkeiten wird deshalb z. B. auch in den Fällen der Beschaufelung 4', 4", 4'" sehr empfohlen, da bei großen relativen Strömungsgeschwindigkeiten zufolge der Verengung der Durchströmungsquerschnitte, entstanden durch Spindel· 8 und ihre Isolation 9 sowie durch Verdickung der Schaufeln wegen ihrer Isolation, mit großen hydraulischen Verlusten zu rechnen wäre.

Bei Verwirklichung der kleinen relativen Strömungsgeschwindigkeiten muß auch die Rolle des sogenannten Kanalwirbels im Laufrad berücksichtigt werden. Diese Wirbelbe-

ao wegung ist mit inneren Strömungen verbunden, welche an der Rückseite der Schaufeln die Geschwindigkeit herabsetzen, an der vorderen aber vergrößern. Kleine Strömungsgeschwindigkeiten können in der Tat vorteilhaft "nur dann verwirklicht werden, wenn.diese inneren Strömungen nach Möglichkeit verringert werden. Wie die Hydraulik lehrt, kann dies dadurch erreicht werden, daß die Schaufelteilung Δ in Abb. 2 möglichst klein gewählt, d. h. sehr dichte Beschaufelung angewendet wird. Diese dichte Beschaufelung wird bei den kleinen Durchströmungsgeschwindigkeiten jedoch keine wesentlichen Reibungsverluste verursachen.

Gleichfalls in den Rahmen der "Erfindung gehört auch diejenige Ausführung, bei welcher die bezüglich der Isolierung verschiedenen Schaufeln an demselben Laufrad kombiniert werden. Ein Teil der Schaufeln wird also, gemäß Beispiel 4" als spannungsübertragende, isolierte Schaufeln, die übrigen aber als Schaufeln 4' ohne Isolation ausgebildet.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmeschutz durch oberflächlich angewendete Wärmeisoliermittel für aus einem durch radiale Schaufeln verbtindenen Scheibenpaar' bestehendes, radial durchströmtes Gasturbinenrad, dadurch gekennzeichnet, daß die vom heißen Verbrennungsgas bespülten. Radoberflächen sowie sonstigen Bauteile, deren niedrigere Temperatur durch eine von gekühlten, an den Außenseiten der Radscheiben angeordneten Gehäusewänden bewirkte Wärmeabfuhr aufrechterhalten wird, ganz oder teils durch wärmeisolierende Gasschichten bedeckt werden.

2. Wärmeschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gasisolationsschicht durch dünne Lamellen abgetrennte ruhende Gasschichten dienen,

3. Wärmeschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der dicht an den die Strömung begrenzenden Wänden entstehenden, zur Wärmeisölie- "e₅ rung beitragenden, ruhenden Gasschicht durch Erniedrigung der relativen Strömungsgeschwindigkeit des Treibgases erhöht wird.

4. Wärmeschutz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu isolierenden gasbespülten Wandungen zwecks Erhöhung der Stärke der ruhenden isolierenden Grenzschicht uneben oder rauh gemacht werden, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Treibgases in der Nähe der Wandung verringert wird.

5. Wärmeschutz nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhaltung einer relativ ruhenden wärmeisolierenden Gasschicht der bei der Durchströmung des Treibgases entstehende Kanalwirbel durch sehr dichte Schaufelteilung erniedrigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen