DE665762C

DE665762C - Einrichtung zur Kuehlung von Turbinen, insbesondere Gasturbinen

Info

Publication number: DE665762C
Application number: DER97305D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Hingst
Original assignee: Rheinmetall Borsig AG
Current assignee: Rheinmetall AG
Priority date: 1936-09-12
Filing date: 1936-09-12
Publication date: 1938-10-03

Description

Einrichtung zur Kühlung von Turbinen, insbesondere Gasturbinen Es ist bereits bekannt, eine Kühlung der Räder von Gasturbinen dadurch zu bewirken, daß ein Isülilluftstrom zu beiden Seiten des Rades von der Nabe zum Schaufelkranz geführt wird, der sich mit den aus den Düsen austretenden Arbeitsgasen vermischt. Hierbei sind noch Einrichtungen getroffen, um den Radschaufeln selbst Kühlluft -zuzuleiten und so für die Abführung der Wärme aus den Schaufeln zu sorgen. Dein entlang des Rades geführten Luftstrom wird infolge der hohen Umfangsgeschwindigkeit eine große Relativgeschwindigkeit erteilt, die für die Abführung der Wärme aus dem Rad an und für sich von großem Vorteil ist. Der Mangel dieser Art der Kühlung besteht darin, daß durch die nach wie vor auf das Rad zur Einwirkung kommenden Temperaturen in diesen Spannungen hervorgerufen werden, die ziz einer größeren Bemessung der Radfluerselniitte zwingen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wärinefluß so zu gestalten, daß keine oder nur geringe zusätzliche Beanspruchungen in dein Rad hervorgerufen werden. Erfindungsgemäß ist zu diesem Zwecke der Turbinenläufer finit Ausnahme des Schaufelkranzes von einem mit ihm umlaufenden Geliäuse umgeben, wobei zwischen diesem Gehäuse und dem Turbinenläufer Kanäle für den Durchtritt des Kühlmittels vorgesehen sind, die in an sich bekannter Weise mittels zwischen den Schaufelfüßen oder in dein Läufer angeordneten Durclitrittskanälen für das Kühlmittel miteinander verbunden sind. Es kann also ein Kühlmittelstrom entlang der Läuferwelle und der einen Radseite zwischen den Schaufelfüßen hindurch zur anderen Radseite geleitet und durch den anschließenden Hohlwellenteil abgeführt «-erden. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß das den Turbinenläufer einschließende Gehäuse mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Läufer selbst umläuft. Auf diese Weise wird bewirkt, daß im Bereich des Rades keine oder nur wenig Wärine abgeführt wird, da die Relativgeschwindigkeit der Luft gegenüber dem Rad praktisch gleich Null ist. Die von den Schaufeln auf das Rad sonst zur Einwirkung kommende Wärine wird dadurch ständig abgeführt, daß das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit durch die zwischen den Schaufelfüßen oder in der Nähe der Schaufelfüße in dem Rad angeordneten Kühlmittelkanäle strömt. Infolge dieses Umstandes bleibt das Rad nur verhältnismäßig geringen Temperaturen unterworfen, die aber auch über das ganze Rad gleichmäßig zur Einwirkung kommen, da infolge der geringen Relativgeschwindigkeit des Kühlmittels in diesein Bereich der Wärmeübergang nur mäßig ist. Der Temperaturverlauf in dem Rad und damit die Beanspruchungen von der Nabe bis zur äußeren Begrenzung des Rades bleiben also nahezu unverändert.
Es sind weiterhin Mittel vorgesehen, um den Wärmeaustausch an den Stellen größter Wärmeeinwirkung beispielsweise an den Lagern zu fördern und auch eine Kühlung des Turbinengehäuses selbst zu bewirken.
Besondere Vorteile ergeben sich bei Gasturbinen, insbesondere Abgasturbinen, die mit einem Kreiselverdichter zusammengebaut sind, da in diesen Fällen die von dem Kreiselverdichter geförderte Luft zur Kühlung der Gasturbine verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf Turbinen beschränkt, bei denen Luft zur Kühlung benutzt wird; es kann auch Sattdampf als Kühlmittel verwendet werden. Bei Dampfturbinen, die in dieser Weise gekühlt werden, ergibt sich der Vorteil eines geringen Dampfverbrauches, da die Turbinen mit hohen Temperaturen betrieben werden können.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigen Abb. i einen Längsschnitt durch eine Gasturbine, die mit einem Verdichter zusammengebaut ist, Abb. ? einen Längsschnitt einer mit einem Verdichter zusammengebauten Gasturbine mit anderer Führung des Kühlmittels, Abb. 3 einen teilweisen Schnitt einer Gasturbine mit Kühlung des Turbinengehäuses, Abb. d die Anordnung und den Kühlmittelweg bei einet- mit einem Niederdruck- und einem Hochdruckverdichter zusammengebauten Gasturbine.
Der aus den Wellen 2, 3 und dem Rad d bestehende Turbinenläufer ist vollständig von einem Gehäuse umgeben. Das Gehäuse besteht aus den Hohlwellen 7, 8 und den Scheiben 9, io, die mit dem Turbinenläufer Kanäle i i, i-2, 15, 16 bilden. Die Wellen 2,3 des Turbinenläufers sind an den Enden mit den Hohlwellen 7, 8 des Gehäuses fest verbunden. Die Abstützung des Läufers einschließlich des Gehäuses erfolgt in den Lagern 18. In der Nähe der Schaufelfüße sind in dem Rad 4. selbst oder zwischen den Schaufelfüßen Kanäle 2o vorgesehen, die ein Überströmen des Kühlmittels von der einen Seite des Rades 4 zur anderen Seite zulassen. Das Kühlmittel kann entweder von einem besonderen Gebläse oder einer Gebläsestufe durch die Kühlmittelkanäle gepreßt werden.
Die den Radkörper .4 zu beiden Seiten begrenzenden Scheiben 9;, io sind oberhalb der Külilmittelkanäle 2o seitlich angelenkt. Auf diese Weise ist der ganze Turbinenläufer von einem Kühlmittelkanal eingeschlossen. Das Kühlmittel kann also die Welle ?, darauf das Rad -i und anschließend die Welle 3 umströmen. Die Querschnitte des Kühlmittellüa.nals werden verschieden gewählt, um eine Kühlung an den Stellen mehr oder müider großer Wärmeeinwirkung zu erreichen. So kann die Wärmeabfuhr in Nähe der Lager 18 dadurch gesteigert werden, daß die Hohlwellen 7, 8 an diesen Stellen mit Rippen 32 versehen sind, die in die Kühlmittelkanäle i i und 16 vorspringen. Des weiteren werden die Kühlmittelkanäle 2o am Schaufelkranz möglichst eng ausgebildet, um dem Kühlmittel eine hohe Geschwindigkeit zu erteilen und den Übergang der den Schaufeln mitgeteilten hohen Temperaturen des Arbeitsmittels auf das Rad 4 zu verhindern. Zweckmäßig werden die Schaufelfüße im Winkel zur Läuferachse eingesetzt, um die für den Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel zur Verfügung stehende Fläche zu vergrößern.
Im Bereich des Rades selbst ist eine Abführung von Wärine nicht erforderlich; sie muß im Gegenteil sogar vermieden werden, um den Temperaturverlauf annähernd gleichbleibend zu halten und damit das Auftreten von unzulässigen Spannungen im Radkörper zu unterbinden. Dies wird dadurch erreicht, daß der Kühlmittelkanal 12 oder i 5 seitlich des Rades .I einen grollen Durchströmduerschnitt erhält, Utn zu verhindern, daß das Kühlmittel beim Umströmen der Radseiten eine relative Bewegung annimmt, sind die Scheiben 9, io auf den Innenseiten finit radial gerichteten Rippen 33 versehen.
Bei der Ausführung nach Abb. i ist eine Gasturbine mit einem Axial-Radial-Verdich- i ter zusammengebaut, der beispielsweise für die Aufladung einer Verbrennungskraftmasehine, z. B. von Flugzeugen, bestimmt ist. Zum Zwecke der Zuführung des Kühlmittels; in diesem Falle Kühlluft, ist eine Zweigleitung 34. der Druckleitung 35 an den Lagerdeckel 36 der Gasturbine angeschlossen. Die Luft tritt durch Bohrungen 37 der Muffe 38, die die Hohlwelle 7 mit der Welle 2 des Läufers verbindet, und durchströmt darauf in der oben beschriebenen Weise die Kanäle i i, 12, 20, 15, 16. Die Hohlwelle 8 steht durch Kanäle 39 mit dein Leitkanal 4o der Endstufe des Verdichters in Verbindung. Das Kühlmittel wird also in einem ständigen Kreislauf durch die Gasturbine geführt; die für die Vorverdichtung in den .#\xialstufen 41, 4.:2 aufgewendete Arbeit geht daher nicht verloren. In derZweigleitung 34 ist ein Regelventil 4..4 angeordnet, durch welches die der Gasturbine zugeführte Luftmenge geregelt werden kann. Die Einsstellung kann von Hand oder selbsttätig z. B. in Abhängigkeit vom atmosphärischen Druck erfolgen.
Die Abb. z (obere Schnittansicht) zeigt die Kühlmittelführung bei einer Gasturbine, deren Läufer fliegend gelagert ist. Die Gasturbine ist ebenfalls mit einem Verdichter zusammengebaut. Der Kühlinittelkanal 16 steht in Verbindung mit einem Leitkanal 45. Die in der Vorstufe 4.1 verdichtete Luft tritt durch die Kanäle 46 in den zwischen der Hohlwelle 8 und der Welle 3 des Turbinenläufers gebildeten Ringkanal 16 und strömt in entgegengesetztem Sinne wie bei der Ausführung mach Abb. t dein Lagerdeckel 36 .der Gasturbine zu. Die in der Gasturbine angewärmte Luft kann von hieraus den Flugzeugkabinen zur Belüftung zugeführt «-erden. Ein Teil der Kühlluft kann ferner als Sperrluft für die Dichtungsbüchsen _8 benutzt werden, um ein Übertreten der Arbeitsgase aus dem mit dem Gaskanal 4o in Verbindung stehenden Raum 51 zwischen dein Turbinengehäuse 52 und den Scheiben 9, io zu dein Kühlluftkanal oder zu dein Lager 18 zu verhindern.
Bei fliegend gelagertem Turbinenläufer läßt sich auch eine Kühlung des Turbinengehäuses 52 erreichen. Dies ist aus der unteren Schnittansicht der Abb. 2 und aus der vergrößerten Darstellung in Abb. 3 ersichtlich. Der Raum 51 zwischen <lein Turbinengehäuse 52 und der Scheibe io ist mit den von dein Gehäuse eingeschlossenen Kühlmittelkanälen verbunden. I rie Luft, «-elche aus den Kanälen 37 der Verbin<tung smufte 38 austritt, strömt durch den Raum 51 und wird am Düsenaustritt 53 von den Gasen mitgerissen. Die Scheibe io wird also allseitig von dem Kühlmittel umspült.
Gemäß) Abb..l. ist auf der einen Seite der Gasturbine ein N iederdruckverdicliter und auf der anderen Seite ein Hochdruckverdichter auf der Hohlwelle angeordnet. Die von dein Niederdruckverdichter 55 verdichtete Luft wird zum Teil durch die Kanäle geschickt, <<-elche von den Hohlwellen 7, 8 und den Scheiben 9, io eingeschlossen sind. Der größere Teil der verdichteten Luft wird durch die Leitung 56 über einen Zwischenkühler 57 dein Hochdruckverdichter 58 zugeleitet. Die aus der Hohlwelle 8 austretende Luft wird der ersten Stufe des Hochdruckverdichters 58 wieder zugeführt. Eine Regelung der Kühlluftinenge kann durch ein Drosselorgan 6o, welche:, in der Druckleitung 56 des N iederdruckverdichters 5 5 angeordnet ist, bewirkt werden. Die in der Abb.4 beispielsweise dargestellte Anordnung ist noch in anderer Beziehung vorteilhaft. Wird der Läufer der Gasturbine und der Verdichter in normaler Weise, also in vier Lagern abgestützt, so ist er statisch überbestimmt. Bei Änderung eines Lagerpunktes würden sich daher Betriebsstörungen ergeben. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung, die die Lagerung der Verdichter und der Gasturbine in den Hohlwellen vorsieht, nicht eintreten, da jeder Teil der Verdichtergruppe, also sowohl der Niederdruckverdichter 55 als auch der Hochdruckverdichter 58 und der Turbinenläufer einwandfrei statisch bestimmt ist. Der Wellenteil jeder Maschine ist in zwei Stützpunkten gelagert, nämlich der Turbinenläufer in den Punkten 65, 66, der Niederdruckverdichter in den Lagern 67, 68 und der Hochdruckverdichter in den Lagern 69, 70. -

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Kühlung von Turbinen, insbesondere Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenläufer mit Ausnahme des Schaufelkranzes von einem mit ihm umlaufenden Gehäuse (7, 8, 9, io) umgeben ist und zwischen diesem Gehäuse und dem Turbinenläufer Kanäle (11, 12, 15, 16) für den Durchtritt des Kühlmittels vorgesehen sind, wobei die Kanäle (12, 15) zu beiden Seiten des Läufers durch in an sich bekannter Weise zwischen den Schaufelfüßen oder in dein Läufer angeordnete Durchtrittskanäle (ZO, 29) für das Kühlmittel miteinander verbunden sind.
2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (11, 12, 15, 16) an den Stellen größter Wärmeeinwirkung, insbesondere an den Lagern und an den Schaufeln, verengt sind.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das umlaufende Gehäuse (7, 8) an den Lagerstellen mit den Kühlinittelumlauf beschleunigenden Rippen (32), die sich in die Kühlmittelkanäle (11, 16) erstrecken, versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das umlaufende Gehäuse (9, io) an der Innenseite mit radial verlaufenden Rippen (33) versehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kanäle für das Kühlmittel begrenzende Welle (2, 3) des Turbinenläufers an ihren Enden mit der Hohlwelle (7, 8) des umlaufenden Gehäuses fest verbunden ist, wobei nur die Hohlwelle in den Lagern (18) abgestützt ist.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen i bis 5, insbesondere zur Kühlung einer Abgasturbine, die mit einem Kühlmittel fördernden Kreiselverdichter zusammengebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stufen des Verdichters auf der Hohlwelle (8) angeordnet und die Kühlmittelkanäle an eine Vorstufe (41) oder Stufengruppe des Verdichters angeschlossen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkanal (16) der Hohlwelle (8) mit dem Leitkanal (40) der Endstufe des Verdichters verbunden ist und das der Endstufe entnommene Kühlmittel nach .Durchströmen der Kühlkanäle dieser Stufe wieder zugeleitet wird. B. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (11, 12, 15, 16) an der Austrittsseite des Kühlmittels an den Innenraum (51) des feststehenden Turbinengehäuses (52) angeschlossen sind. g. Einrichtung nach den Ansprüchen i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite der Kühlmittelkanäle mit den Dichtungsbüchsen (48) der Turbine durch Zweigleitungen verbunden sind. i o. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuführungsleitung (34) des Kühlmittels zu den Dichtungsbüchsen ein Drosselorgan (44) angeordnet ist. i i. Einrichtung nach Anspruch 6, mit zu beiden Seiten der Turbine angeordneten Verdichterstufen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Überströmleitung (56) von dem Niederdruckverdichter (55) zum Hochdruckverdichter (58) ein Drossel-Organ (6o) vorgesehen ist.