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Gasturbine Bei bekannten Gasturbinenvorschlägen hängt die Gesamtnutzleistung
der Gasturbineneinrichtung in einem wesentlichen Grade von der Temperatur des sich
:in der Turbine entspannenden Arbeitsmittels ab und ist um so günstiger, je höher
die Temperatur des Arbeitsmittels ist. Das Verhalten bekannter Baustoffe bei hoher
Temperatur stellt der .Erhöhung der Temperatur Grenzen, so daß es nicht zweckmäßig
erscheint, mit bekannten Baustoffen über 5oo bis 6oo ° C hinauszugehen. Insbesondere
bezieht sich dies auf die für eine große Umfangsgeschwindigkeit entworfenen Gasturbinen,
bei welchen die die Schaufeln bzw. die zwischen den Schaufeln befindlichen Zrvis,chenstüclze
tragenden Bauteile, d. h. die Scheiben, Trommeln u@sw., unter der Wirkung - der
Flifehkraft derart in Anspruch: genommen sind, daß die Schwierigkeit oft nicht einmal
in der Empfindlichkeit der Baustoffe gegenüber einer eventuellen Oxydation liegt,
sondern vielmehr in dem Umstande, daß bei einer hoben Temperatur in diesen Stoffen
nur noch eine mäßige Beanspruchung zulässig ist. Außerdem ist es ein unangenehmer
Umstand, d;aß im Falle der Anwendung hoher Temperaturen beträchtliche- thermische
Dehnungen entstehen, die in bezug auf die Ausbildung des Baues gleichfalls in mancher
Hinsicht nachteilig sind.
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Die Erfindung bezieht sich auf solche Gasturbinen, bei welchen der
mittlere Durchmesser irgendeines stehenden oder umlaufenden Schaufelkranzes wenigstens
- annähernd mit dem Mittelwert der mittleren Durchmesser der ihm benachbarten Schaufelkränze
übereinstimmt, und es können bei :derartigen Gasturhinen die eben erwähnten Nachteile
auf die Weise -ausgeschaltet werden, daß die die Temperatur der Turbinenanlage bestimmenden
hohen Gastemperaturen nur an
den vorn heilten Gasstrom bespülten
Bauteilen, d. h. an den Schaufeln, sowie an den den Arbeitsraum der Turbine längs
der Strömung begrenzenden Bauteilen an den Bunden oder Flanschen der Schaufeln beim
sich an dem im Schaufelträger befestigten Schaufelfuß anschließenden Ende des S:haufelbiattes
und auch an den flanschartigen Teilen der Zwischenstricke, welche mit dein strömenden
Arbeitsmittel in Berührung korntnen. auftreten, während die Träger dieser Bauteile,
z. B. Scheiben, Trommeln oder Ringeinsätze des Gehäuses, bereits eine viel niedrigere
Temperatur aufweisen. Derartige Ausführungen, bei welchen die erwähnten Bunde und
Flanschen der Schaufeln und Zwischenstücke eines Trägers zu je einer einheitlichen
Führungswand des Arbeitsmittel-:tromes zusammengesetzt sind, sind vorgeschlagen
worden, sie können jedoch keine befriedigende-Wärmeisolierfähigkeit bieten, da zufolge
der gewöhnlichen Ausbildung ihrer Schaufelbefestigung eine reichliche Wärmeströmung
über den Schaufelfuß entsteht, die sich nur durch weniger bauliche und in anderer
Hinsicht unverläßliche Lösungen einigermaßen beschränken läßt. Erfindu ngsgemäß
kann nun nie nötige Wärmeisolierfä igkeit in einer einfachen baulichen Lösung dadurch
gesichert werden, daß als Verbindungen zwischen den einzelnen Flächenstücken der
Führungswände oder zwischen den einzelnen Flanschen und den in dem Träger befestigten
Teilen, wie z. B. Schaufelfüßen, nichtgekühlte und freistehende Verlängerungsstücke
vorgesehen sind, deren Länge zwecks Verringerung der Überströinung von Wärine aus
dem Arbeitsmittelstrom zum Schaufelträger -ein Mehrfaches ihrer Querschnittsstärke
beträgt. Der 'Feinperaturabfall zwischen den Gasen und den erwähnten Trägerteilen
wird deshalb bereits rin Falle einer geringen Kühlung bedeutend sein. Dieser Umstand
ist infolge der Vermeidung der vorhin erwähnten Nachteile schon an und für sich
vorteilhaft; ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht außerdem darin, daß sie
infolge ihrer wärmei.sollerenden Wirkung die Wärmeverluste vermindert und hierdurch
auch die Nutzleistung der Turbine günstig beeinflußt. Dabei kann auch eine Innenkühlung
der Schaufelträger, in erster Reihe die des! Fliehkräften ausgesetzten Läufers zweckmäßig
sein, um den erwähnten nachteiligen Einfluß hoher Temperaturen hiervon noch mehr
fernzuhalten, was um so mehr zulässig ist, da die Kühlung- im Falle eines geeigneten
Kühlmittels praktisch keinen Wärmeverlust verursacht und :die .durch Kühlung abgeführte
Wärmemenge auch in sonstigen Fällen unbedeutend ist. Um der Erfindung leichter verständlich
zu machen, stellt Abb. i den Längsschnitt eine Ausführungsbeispieles der erfindungsmäßigen
Gasturbine (Turbinengehäuse und Läufer) dar.
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Abb. 2 zeigt beispielsweise die Vorderansicht, Seitenansicht und Obenansicht
einer Schaufel, Abb. 3 den Querschnitt und Ansieht eines Zwischenstückes, während
in Abb..I ein anderes Beispiel des Turbinenläufers und der Beschaufelung, schließlich
in Abb. 5 die Vorder- und Seitenansicht einer Schaufel der letztgenannten Beschaufelung
ersichtlich ist.
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Der Läufer, welcher aus den auf der in den Lagern 2 und 3 gelagerten
Welle 4 befestigten Scheiben 5 zusammengestellt ist, befindet sich gemäß Abb. i
im Turbinen.:-häuse i. Bei diesen Ausführungsbeispiel trägt der Läufer die mit den
Nieten 6 an den Scheiben 5 befestigten umlaufenden Schaufeln-; sowie die zwischen
den umlaufenden Schaufelkränzen angebrachten Zwischenstücke Die im Turbinengehäuse
angebrachten Ringeinsätze 9 tragen die mittels der Nieten 1o befestigten
Schaufeln i i und Zwischenstücke 1g-. Das heiße Arbeitsmittel tritvunter Hochdruck
durch die Eintrittsöffnung 13 ins Turbinengehäuse ein und verläßt es nach Entspannen
bei der Austrittsöffnung 14. Der Einlaßkanal 15 dient zur Zuführung des zweckmäßigerweise
gasartigen, zur inneren Kühlung des Läufers dienenden Kühlmittel:, welches durch
diesen Kanal ins Innere des Läufers gelangt und, nachdem es durch die auf den Scheiben
5 ausgebildeten Öffnungen 16 den Läufer durchströmt hat, die Turbine durch den Austrittskanal
1; verläßt. Die Dichtungen 18 und i9 dienen zur Absonderung des Arbeitsmittels und
des Kühlmittels voneinander, während die Stopfbüchsen 2o und 21 die Absonderung
des Kühlmittels von der Umgebung bezwecken. Falls der Ständer der Turbine mit künstlicher
Kühlung zu versehen ist, wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel das Kühlmittel
durch die Üfinung .:2 in den Kühlraum 23 des Ständers eintreten und denselben durch
die Austrittsöffnung -g-4. verlassen.
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Bei den auf Abb. 2 dargestellten Schaufeln trägt der vom Gasstrom
unmittelbar bespülte Schaufelteil g-5 (das Schaufelblatt) an seinem dem Schaufelträger
-zugekehrten, nicht freien Ende einen Bund oder Flansch 26. welcher in dem Verlängerungsstück
oder in den Verlängerungsstücken g-7 fortgesetzt wird. Diese Verlängerungsstücke
sind an dem die Schaufeln tragenden Bauteil, z. B. der Scheibe 5, in bekannter Weise
mittels des Schaufelfußes ß befestigt.
Die auf Abb.3 dargestellten
Zwischenstücke sind an ihrer vom Gasstrom bespülten Seite zu einem breiten Flansch
28 erweitert, welcher in dem Verlängerungsstück 29 fortgesetzt ist. In dieser Weise
sind auch die Schaufeln ii und ,die Zwischenstücke r2 ausgestaltet, die in den Ringeinsätzen
9 befestigt sind, mit dem Unterschied jedoch, daß sie entgegengesetzt gekrümmt sind.
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Die Bunde der Flanschen 26 und 28 der dargestellten Schaufeln und
Zwischenstücke bilden eine zur Begrenzung des strömenden Arbeitsmittels dienende
einheitliche Oberfläche, obgleich die Schaufeln und die Zwischenstücke besondere
Bauteile sind. Nachdem sowohl die Schaufeln ,als auch die erwähnten Bunde und Flanschen
vom Gasstrom unmittelbar bespült sind, ist der Wert der Wärmeübertragungszahl zwischen
denselben und dem Gasstrom hoch. Zwecks Abdrosselung der Überströmung der aufgenommenen
Wärme und zwecks Wärmeisolierung der Schaufelträger sind die Verlängerungen 27 und
29 so lang gewählt und sind ihre Querschnitte - innerhalb der mit Rücksicht auf
die Festigkeit zulässigen Grenzen - derart vermindert, daß sie gegenüber der Wärmeströmung
.einen beträchtlichen Widerstand auszuüben vermögen und somit für die Schaufelträger
als Wärmeisolierung dienen können. Sowohl bei den auf Abb. 3 veranschaulichten Z«rischenstücken
als auch bei den Schaufeln ist es wichtig, diese in der Umfangsrichtung aus mehreren
besonderen Stücken anzufertigen, da auf diese Weise die aus den ungleichen Erwärmungen
entstehenden schädlichen Wärmespannungen in hohem Grade beseitigt werden können.
Hierbei ist es auch wichtig, die zwischen den zur Begrenzung des Gasstromes dienenden
Flanschkränzen und den Schaufelträgern befindlichen Verlängerungen der Schaufeln
und Zwischenstücke in der Umfangsrichtung möglichst gut dichtend aneinanderzttpassen,
damit sie die Überströmung des Arbeitsmittels zwischen den unter verschiedenen ID#rii#clke#n
stehenden Räumen der Turbine etwa nach Art der Labyrinthdichtung verhindern können.
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Nachdem trotz der wärmeisolierenden Wirkung der geschwächten und verlängerten
Verlängerungsstücke auf die Tragteile eine geringe Wärmemenge noch immer übergehen
kann, ist es zwecks Erniedrigung der Temperatur dieser Teile zweckmäßig, für Kühlung
sowohl des Ständers als auch des Läufers zu sorgen. Die Kühlung des Läufers kann
mittels eines gasartigen oder flüssigen Kühlmittels, zweckmäßigerweise mittels der
durch den Verdichter für die Gasturbinenanlage gelieferten verdichteten Luft, bewerkstelligt
werden, in welchem Falle die vom Läufer auf diese Art abgeführte Wärme überhaupt
keinen Verlust bedeutet. Es ist aber auch notwendig, für einen gut dichtenden Abschluß
des Inneren des Läufers vom Arbeitsraum der Turbine zu sorgen, was bei dem auf Abb.
i dargestellten Ausführungsbeispiel mit der gut dichtenden gegenseitigen Anpassung
der Flanschen 3o der Scheiben erreicht werden kann. Es ist aber auch möglich, die
Dichtungsflanschen nicht in axialer, sondern in radialer Richtung aneinanderzulegen.
D:,e Kühlung des Ständers kann zweckmäßigerweise mittels eines in den Ständer eingeführten
gasartigen oder flüssigen Kühlmittels bewerkstelligt werden, zu diesem Zwecke kann
aber auch das vom Verdichter der Turbinenanlage gelieferte verdichtete Arbeitsmittel
verwendet werden.
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Bei dem auf Abb. 4. dargestellten Aus= führungsbeispiel dient die
an der Welle 31 befestigte, von den Scheiben 32 und 33 getragene Trommel 3.4 zur
Aufnahme der innlaufenden Schaufeln 35. Das Kühlmittel tritt durch die Öffnungen
36 in die Trommel ein und verläßt diese bei den Öffnungen 37. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Schaufelfüße nicht mit Nieten, sondern mit schwalbenschwanzförmigen Verdickungen
38 in der Trommel befestigt.
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Die auf Abb. 5 in zwei Ansichten dargestellten Schaufeln 35 der Trommel
gemäß Abb. q. sind beim dem Schaufelträger zugekehrten Ende des Schaufelblattes
39 mit den Flanschen q.o ausgestaltet, welche Flanschen auf die in Abb. q. dargestellte
Weise eine einheitliche Grenzfläche für den Strom des Arbeitsmittels bilden. Diese
Flansche gehen bei jeder Schaufel in das geschwächte Verlängerungsstück 41 über,
welches beim Schaufelfuß im Schwalbenschwanz 38 endigt. Die Abmessungen (Länge und
Querschnitt) des Verlängerungsstück es 41 sind so gewählt, daß dasselbe als Wärmeisolator
.für den Träger der Schaufeln dienen kann.
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Mit Rücksicht darauf, daß die zwischen den Schaufelkränzen befindlichen
Zwischenstücke nicht immer notwendigerweise angewendet werden müssen, ist .es wichtig,
daß in einem solchen Falle die Verlängerungsstücke der Schaufeln in der Umfangsrichtung
gut dichtend aneinandergepaßt werden.
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Nachdem die Verlängerungsstücke dr Schaufeln sowohl dem Läufer als
auch dem Ständer gegenüber als Wärmeisolatoren dienen, ist .es zweckmäßig, diese
aus einem Baustoff herzustellen, dessen Wärmeleitzahl niedrig (nach Tunlichkeit
niedriger als die Wärmeleitzahl des Schmiedeeisens) ist. Ein solcher Stoff ist z.
B. der austenitische Stahl.
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Die durch die Erfindung gebotenen Vorteile können mit Ziffern gekennzeichnet
werden,
welche sich auf eine tatsächliche Lösung beziehen. Bei dieser
Lösung ist die Tempeperatur des die Schaufeln umspülenden Gase hoher Geschwindigkeit
6oo ° C, wobei die Temperatur des Schaufelbundes im Punkte A der Abb. 2 555 ° C
ist, während diejenige des Schaufelfußes im Punkte B 386 ° C beträgt. Die Temperatur
des zur inneren Kühlung des Läufers dienenden Gases, in diesem Falle also der vom
Verdichter der Anlage gelieferten, ungefähr auf io at verdichteten Luft beträgt
300° C.
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Die Temperatur der Schaufelträger, ungefähr 38o' C, stellt einen solchen
Wert dar, welcher keinerlei Schwierigkeiten mehr verursacht. Die Verlustwärme beträgt
bei dieser Lösung ungefähr i v. H. der eingeführten Wärme, und der Temperaturabfall
in dem zur Wärmeisolierung dienenden Verlängerungsstück der Schaufel ergibt sich
zu 555 minus 386 = i69° C.
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Die in der Beschreibung behandelten Ausführungen sind nur beispielsweise
als Lösungen zu betrachten und gehören alle, sowohl in jeder beliebigen Vereinigung
als auch bei Verwirklichung derselben Grundgedanken in anderen Bauformen, in den
Rahmen der Erfindung. So z. B: kann die Turbine axial oder radial durchströmt sein
oder Übergangsformen zwischen diesen beiden Grenzfällen darstellen.