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Kühlungseinrichtung für Turbinenlaufräder Die Erfindung bezieht sich
auf eine Kühlung für Turbinenlaufräder, die in radialer Richtung zwischen dem mit
hocherhitztem Treibmittel beaufschlagten äußeren Schaufelkranz und .einem inneren
in Umfangsrichtung zusammenhängenden Radteil einen in Umfangsrichtung unterteilten
Kranz besitzen. Solche Turbinenlaufräder, bei denen der äußere Kranz des Rades,
welcher innerhalb des Treibschaufelkranzes liegt, mit radialen Einschnitten versehen
ist, um die Tangentialspannungen zu vermeiden, sind bekannt. Auch hat man vorgeschlagen,
gegen diesen mit radialen Einschnitten versehenen Kranz Wasser unter Wirkung eines
gespannten Druckgases, z. B. Luft, zu spritzen, um das Rad zu kühlen. Bei dieser
Art der Kühlung können besonders dann, wenn die Verschaufelung des Rades mit hocherhitzten
Verbrennungsgasen beaufschlagt wird, sich wegen des meist unvermeidlichen Schwefelgehaltes
dieser Gase durch das eingespritzte Wasser Säuren bilden, die den Werkstoff des
Rades angreifen. Außerdem übt das .auf das Rad treffende Wasser wegen der hohen
Geschwindigkeit des Rades, daß das Wasser im Augenblick des Auftreffens beschleunigen
muß,- eine starke « bremsende Wirkung auf das Rad aus und verzehrt dadurch einen
Teil der Leistung, die die Treibgase an das Rad abgeben.
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Ebenso ist es bekannt, Turbinenlaufräder ohne Unterteilung des äußeren
Kranzes zwischen wassergekühlten ruhenden Gehäusewandungen laufen zu lassen, in
der Weise, daß, das die Laufräder umgebende Kühlinittel seine Wärme an die gekühlten
Gehäusewandungen abgibt. Auch ist vorgeschlagen, solche Laufräder in Gehäusen ohne
Kühlmantel durch Kühlgase zu kühlen, die auf dem Wege von der Nabe zum Kranz der
Laufradscheibe und in Bohrungen der Schaufeln Wärme aufnehmen, die sie m einem außenliegenden
Kühler wieder abgeben, um dann aufs Neue der Laufradnabe wieder zugeführt zu werden.
Dabei wird der Laufradkranz weniger, die Laufradnabe stärker ,gekühlt, wodurch in
der Laufradscheibe große Temperaturunterschiede entstehen, die zusätzliche Spannungen
zur Folge haben. Die langen besonderen Leitungen für das Kühlgas gestatten nur eine
beschränkte Kühlgasmenge im Kreislauf herumzutreiben und ergeben für diese. wegen
der erheblichen Reibungswiderstände bereits einen großen Leistungsbedarf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung des Turbinenlaufrades
so zu gestalten, daß selbst bei hohen Treibgastemperaturen hohe Umfangsgeschwindigkeiten
möglich sind, ohne die zulässige Beanspruchung des Laufradwerkstoffs zu überschreiten,
um hierdurch eine bessere Brennstoffausnutzung, als sie bisher möglich war, zu erzielen.
Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf der Erkenntnis, daß bei den bekannten Laufradkühlungen,
bei
denen ein flüssiges Kühlmittel durch den Radkörper selbst geführt wird, hohe zusätzliche
Flielikraftspannungen hervorgerufen werden, ferner auf der weiteren Erkenntnis der
bereits erwähnten Gefahr der Säurebildung und Bremswirkung beim Auf-. spritzen von
Wasser auf ein mit radialei^t-Einschnitten versehenes Rad, schließlich auf der Erkenntnis,
daß bei einem Rad ohne radiale Einschnitte durch Übertragung der Wärme des Rades
an die Wände des wassergekülilteti Gehäuses kaum eine hinreichende Kühlwirkung wird
erzeugt werden können. Eine wirkungsvolle Kühlung kann erzielt werden, wenn der
in Umfangsrichtung unterteilte Laufradkranz gemäß der Erfindung durch im Kreislauf
zwischen dein Radkranz und der ihm gegenüberliegenden, am stärksten gekühlten -Gehäusewand
umgewälzte Gase gekühlt wird, deren Kreislauf durch radiale Führunben in einem von
innen nach außen gerichteten Teil getrennt ist. Hierdurch und weil der in der- Umfangsrichtung
unterteilte Laufradkranz hohe Temperaturren annehmen kann, ohne daß tangentiale
Spannungen auftrot#--n, wird eine Kühlung erzielt, bei der so hohe Umfangsgeschwindigkeiten
des Laufrades möglich sind, wie sie bisher bei Verbrennungsturbinen wegen der heißen
Treibgase nicht möglich waren. Dabei wirkt es giinstig, wenn die ringföt-migen Teile
der Gehäusewandungen, die den mit radialen Einschnitten t-crselienen Laufradkränzen
gegenüberstehen, stärker gekühlt werden, als die inneren, von diesen ringförmigen
Teilen der Gehäusewandungen ums--hlossenen Geh_iusen-aiidteile.
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Die Zeichnung stellt die Erfindung beispielsweise dar. Die Schaufeln
a in Abb. i sind mit ihren Schaufelkörpern b und den Füßen c in den Laufradkranz
d in an sich bekannter Weise eingesetzt. Sollen jedoch die radialen Einschnitte
in dein Laufradkranz, :s-elche für die Schaufelkörper b vorgesehen sind, deichzeitig
die Wirkung haben, daß durch sie zusätzliche Zugspannungen in dem Rand, die andernfalls
durch die Erwärmung des äußeren Kranzes auftreten würden, verhindert werden, so
muß in Umfangsrichtung zwischen den Schaufelkörpern b und dein zwischen ihnen befindlichen
Werkstoff des Laufr:idkranzes d ein geringes Spiel von wenigen Hundertstel eines
'Millimeters gelassen werden, «-elches im betriebswarmen Zustand des Rades vürschwindet.
Soll dieses Spiel nicht von vornherein vorgesehen werden, so müssen noch besondere
Einschnitte e im Laufradkranz (l zwischen den Schaufelkörpern 15 vor-@esehen werden.
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L m die von den Schaufeln a in die Schaufelkörper b abströmende Wärme
wirksam durch die Gase, welche die Seitenflächen des Laufradkranzesd sowie die Schaufelkörperb
bespült, abführen zu können, muß auch diejenigeWärme abgeführt werden, welche durch
die Reibung der Seitenflächen des Laufradkranzes an dieser Kühlluft erzeugt wird.
Die iädiale Breite x des unterteilten Kranzes muß genügend breit gemacht werden,
damit die wärmeabgebenden Flächen groß genug sind und vor allem auch weiter nach
der Welle zu gelegene Flächen, an denen die Reibung wegen der dort geringeren Umfangsgeschwindigkeit
geringer ist, Wärme vom unterteilten Kranz abgeben zu können. Diese Verbreiterung
des unterteilten Kranzes in radialer Richtung kann beispielsweise durch die Einschritte/
geschehen, die Abb. i zeigt.
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Um die Reibung der Luft an den Seitenflächen des Radkranzes so klein
wie möglich zu machen, empfiehlt es sich, darauf zu achten, daß die Flächen der
Schaufelkörper b und Füße c, welche einen Teil der Seitenflächen bilden, völlig
glatt in diesen Flächen liegen und auch die Einschnitte f nicht offen bleiben, sondern
ausgefüllt oder doch wenigstens verkleidet werden. Ausgefüllt können diese Einschnitte
f durch Einfügen von Leichtinetall werden, während man sie auch dadurch verkleiden
kann, daß man den Schaufelkörpern b über die Schaufelfüße c hinausgehende Fortsätze
in der Form der 1#.inschnitte f gibt, die jedoch in axialer Richtung nur eine geringe
Stärke aufweisen, da diese schon genügt, um die äußere glatte Oberfläche der Ra.dseitenwand
zu erzielen.
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Da es für die Vermeidung zusätzlicher Wärmespannung wichtig ist, daß
die Temperatur des ganzen inneren Radteils möglichst die gleiche ist und erst in
den mit radialen Einschnitten versebenen Ringteil des Rades ein allmählicher Anstieg
der Temperatur stattfindet, empfiehlt es sich, die Kühlflüssigkeit den Kühlräumen
der das Laufrad kühlenden Wände etwa im Abstand des inneren Teils des eingeschnittenen
Laufradkranzes von der Radmitte zuzuführen, um von da aus teils nach außen, teils
nach innen zu strömen und außen und innen abgeführt zu werden.
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Wie Abb. 2 zeigt, kann dies z. B. dadurch geschehen, daß die Kühlflüssigkeit,
die auch rückgekühltes ü1 sein kann, in einen Ringkanal i eingeführt wird, aus dem
es durch enge Spalten auf dem ganzen inneren und äufseren Umfang des Kanals an der
zu kühlenden Wand in die Kühlräume k und m übertritt.
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Bildet der in Umfangsrichtung unterteilte Laufradkranz glatte, den
gekühlten Gehäusewandungen zugekehrte Wände, so kann der Erfindung gemäß die radiale
Führung der im Kreislauf benutzten Kühlgase dadurch in einer.
von
innen nach außen und einen von außen nach innen gerichteten Teil. getrennt werden,
daß gemäß Abb. 3 besondere Külüringe tz vorgesehen werden, welche selbst in Ruhe
bleiben, aber von Kanälen o für die Kühlluft umgeben sind. In diesen Kanälen o umkreist
die Kühlluft die Kühlringe n, weil sie in dem Zwischenraum zwischen Kühlring. und
Rad nach außen getrieben wird und dann in den Kanälen o um die Kühlringe n herum,
einen Weg zum Rad zurückfindet. Die in Abb.3 eingezeichneten Pfeile geben die Bewegungsrichtung
des Kühlgases an. Die Kühlgase werden dabei nicht in einem Meridianschnitt, sondern,
da sie in Umfangsrichtung des Rades mitgenommen werden, in schraubenförmigen Spiralen
strömen. Erreicht wird auf diese Weise, daß den- Kühlgasen eine eindeutige lebhafte
Strömung aufgezwungen wird und daß die Flächen, an denen sich die, Kll @lgase, ehe
sie zum Rad zurückkehren, abkühlen können, vervielfacht werden, wodurch :eine wirkungsvolle
Kühlung des Radkranzes erreicht wird.
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Andere Ausführungen der Erfindung sind in den Abb. q. bis 6 beispielsweise
dargestellt. Statt der radialen Führungen für den Kreislauf der Kühlgase durch einen
festen Kühlring tt (Abb. 3) in .einen von innen nach außen und einen von außen nach
innen gerichteten Teil zu trennen, kann diese Trennung auch durch Kanäle geschehen,
die im Laufradkranz oder den Schaufelkörpern selbst verlaufen, wobei die Kühlgase
auf einem Umfang der Welle näher gelegen ist, als die Austrittstelle, so daß die
Fliehkraft die Kühlluft hindurchtreibt.
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Die Abb. q. zeigt :einen Meridianschnitt durch den äußeren Teil eines
Laufrades., während Abb.5 einen Schnitt in Richtung der Mittelebene darstellt, bei
dem jedoch der innere Teil mit dem Ring 8 in Ansicht gezeichnet ist. Diese zu beiden
Seiten des Rades z in den Hohlkehlen, die von dem Rad a und dem es umgebenden Wulstring
7 gebildet werden, vorgesehenen Ringe 8 bestehen zweckmäßig aus Leichtmetall und
sind mit Schaufeln 13 versehen. Aus den dadurch gebildeten Ringräumen tritt die
Kühlluft, die von den Schaufeln i3 dieser Ringe 8 infolge der Fliehkraft gefördert
wird, durch Bohrungen 9 in den Spalt io der Schaufelfüße 6 über, aus dem die Luft
dann durch feine, parallel zur Achse des Laufrades verlaufende Bohrungen 14. oder
Spalten 15 austretenkann. Dabei führt sie die Wärme ab, welche von den Schaufeln
3 zu deren Füßen 6 radial von außen nach innen zu strömen sucht. Der mit Löchern
14 für die Kühlluft durchsetzte Schaufelkörper, den die Abb.5 zeigt, ist in Abb.6
perspektivisch dargestellt. Bei dem in Abb.5 am weitesten links befindlichen Schaufelkörper
sind die Spalten 15 durch Einsägen in den Werkstoff des Schaufelfußes selbst hergestellt,
während bei den rechts befindlichen Schaufelkörpern besondere Füllstücke 16, die
zweckmäßigerwei:se aus Leichtmetall bestehen, in Kerben der Schaufelkörper eingeklemin.t
sind, wobei schmale Spalten 15 zwischen diesen Stücken 16 frei bleiben, durch die
die Kühlluft aus dem Raum io nach außen hindurchtreten kann. Der der Welle am nächsten
liegende Spalt wird auf der einen Seite vom Radkörper 7 begrenzt. In den feinen
Bohrungen oder Spalten wird die Wärme in besonders wirkungsvoller Weise auf die
Kühlluft übertragen.
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Um die Reibung des Rades und des Schaufelkranzes an der umgebenden
Luft gering zu halten, umschließen die Gehäusewände 18 das Rad mit geringem Spiel
und sind außerdem durch Kühlwasser, welches bei i g in den Kühlwasserraum ein- und
bei 2o wieder austritt, gekühlt.