DE744859C

DE744859C - Device for cooling exhaust gas turbines and their shafts

Info

Publication number: DE744859C
Application number: DEB191890D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinrich Holzapfel; Dr-Ing Alfred Mueller; Paul Kolb Muenchen
Original assignee: BMW Flugmotorenbau GmbH
Current assignee: BMW Flugmotorenbau GmbH
Priority date: 1940-09-26
Filing date: 1940-09-26
Publication date: 1953-02-23

Description

Einrichtung zur Kühlung von Abgasturbinen und deren Wellen Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, für die Läufer und Wellen von Abgasturbinen eine möglichst wirksame und geringen Leistungsaufwand beanspruchende Kühlung mit Luft als Kühlmittel zu schaffen.Device for cooling exhaust gas turbines and their shafts The invention deals with the task of creating a possible for the runners and shafts of exhaust gas turbines Effective and low-power cooling with air as the coolant to accomplish.

Zur Kühlung von Gasturbinenwellen ist es bekannt, die Welle zwischen den. Lagerstellen hohl auszubilden und durch das hohle Innere der Welle Kühlluft zu leiten. Dabei dient aber die Kühlluft ausschließlich zur Wärmeabfuhr in der Welle -und insbesondere dazu, die Temperaturbeanspruchung an den vorgesehenen. Lagerstellen herabzusetzen. Um die Kühlung auch auf den Turbinenläufer auszudehnen, wurde auch die Turbinenwelle mit dem Läufer von einem mit ihm umlaufenden Gehäuse umgeben.For cooling gas turbine shafts, it is known that the shaft between the. Bearing points to form hollow and cooling air through the hollow interior of the shaft to direct. However, the cooling air is used exclusively to dissipate heat in the shaft -and in particular, the temperature stress at the intended. Storage locations to belittle. In order to extend the cooling to the turbine runner, too the turbine shaft with the rotor is surrounded by a housing rotating with it.

Eine derartige Einrichtung zur Kühlung von Turbinen ist aber außerordentlich umständlich und bringt große Schwierigkeiten wegen der Fliehkräfte der großen, umlaufenden Massen mit sich; denn es ist zu berücksichtigen, daß eine Turbine mit hohen Drehzahlen umläuft. Außerdem ist die Anordnung eines umlaufenden Gehäuses kostspielig und die Abdichtung des umlaufenden Gehäuses an den Lagerstellen eine heikle Frage.Such a device for cooling turbines is extraordinary awkward and brings great difficulties because of the centrifugal forces of the large, rotating Masses with them; because it must be taken into account that a turbine with high speeds running around. In addition, the arrangement of a circumferential housing is expensive and the Sealing the surrounding housing at the bearing points is a tricky question.

Die Erfindung schlägt demgegenüber vor, die durch die hohle Turbinenwelle geleitete Kühlluft gleichzeitig zur Kühlung des am Ende der Welle befestigten, die Bohrung der Welle abschließenden Turbinenläufers oder deren mehrerer zu benutzen, wozu anschließend an die Welle entlang den Läuferrädern. Abdeckscheiben vorgesehen sind. die gleichzeitig zur Abdeckung der Kühlkanäle entlang den Läuferrädern und zur Verkleidung derselben dienen. Um den zum Heranführen der erforderlichen Kühlluftmenge notwendigen Querschnitt innerhalb der Welle zu halten, schlägt die Erfindung vor, den Wellenkörper selbst an den vorgesehenen Lagerstellen als Innenring für die verwendeten Wälzlager auszubilden. Dadurch wird trotz des großen Querschnitts zur Kühlluftführung im Innern der Welle der Durchmesser und damit die Beanspruchung der verwendeten Lager nicht vergrößert.In contrast, the invention proposes by the hollow turbine shaft conducted cooling air at the same time to cool the end turbine rotor attached to the shaft, the bore of the shaft or to use several of them, including following the shaft along the impellers. Cover disks are provided. at the same time to cover the cooling channels along serve for the impellers and to cover them. In order to introduce the the required amount of cooling air to keep the necessary cross-section within the shaft, the invention proposes the shaft body itself at the intended bearing points to be designed as an inner ring for the rolling bearings used. Despite the large cross-section to guide the cooling air inside the shaft of the diameter and so that the stress on the bearings used does not increase.

Das Turbinenlaufrad oder gegebenenfalls mehrere hintereinander werden am Ende der Welle angeordnet, und zwar sind die Laufräder ohne Innenbohrung ausgebildet, womit durch die Befestigung der Turbinenläufer am Ende der Welle diese abgeschlossen und die durch das hohle Innere der Welle strömende Kühlluft gezwungen wird, an dem Laufrad entlang, gefördert durch am Außenumfang vorgesehene radiale Uippen, zu strömen. Hier wird die Kühlluft durch Bohrungen in den Schaufelfüßen zur Wärmeabfuhr aus den höchst beanspruchten Teilen der Schaufeln und dem oder den Laufrädern herangezogen und tritt bei Anordnung mehrerer Räder nach Durchströmen der Schaufelfüße des letzten Rades hinter diesem wiederum durch einen zentral angeordneten Abführungsstutzen aus. Die Ausbildung der Turbinenläufer in festigkeitstechnischer Hinsicht günstiger Form, insbesondere ohne Mittelbohrung, ferner die Möglichkeit, die Läuferräder auf beiden Seiten zu kühlen, gestatten es, hohe Umfangsgeschwindigkeiten für die Turbine zuzulassen.The turbine wheel or possibly several in a row arranged at the end of the shaft, namely the impellers are designed without an inner bore, which is completed by attaching the turbine rotor to the end of the shaft and the cooling air flowing through the hollow interior of the shaft is forced to act on the To flow along the impeller, promoted by radial Uippen provided on the outer circumference. Here the cooling air is drawn out through holes in the blade roots to dissipate heat the highly stressed parts of the blades and the impeller (s) are used and occurs in the arrangement of several wheels after flowing through the blade roots of the last Wheel behind this in turn through a centrally arranged discharge nozzle the end. The design of the turbine rotor is more favorable in terms of strength Shape, especially without a central hole, also the possibility of the rotor wheels on Cooling both sides allows high peripheral speeds for the turbine to allow.

Ein weiterer Vorteil der von der Erfindung vorgeschlagenen Kühleinrichtung liegt darin, daß durch die gleichachsige, mittige Zu- und Abführung der Kühlluft und durch die Anordnung der radialen Rippen an dem Turbinenläufer oder deren mehreren der für die Kühlung erforderliche Leistungsaufwand gering ist. Dazu kommt noch, daß durch die an den Läuferrädern eintretende Erwärmung der Kühlluft infolge der dadurch entstehenden verschiedenen. Fliehkraftwirkung annähernd die auf dem Wege der Kühlluft auftretenden Strömungsverluste gedeckt werden.Another advantage of the cooling device proposed by the invention lies in the fact that the coaxial, central supply and discharge of the cooling air and by the arrangement of the radial ribs on the turbine runner or several thereof the power required for cooling is low. Additional to that, that due to the warming of the cooling air occurring at the impellers resulting various. Centrifugal effect approximates that on the way the cooling air occurring flow losses are covered.

Zur Ausführung der vorgeschlagenen Kühleinrichtung ist es ferner noch zweckmäßig, die zur Abdeckung der an den Turbinenläufern vorgesehenen radialen Rippen zur Förderung der Kühlluft und zur Abdeckung der Kühlluftführungen vorgesehenen Abdeckscheiben so auszubilden, daß sie gleichzeitig eine zweckmäßige Verkleidung der Läuferräder bilden. Es wird damit erreicht, daß die beim Umlaufen der Turbinenläufer entstehenden Pumpverluste klein gehalten werden.It is also necessary to implement the proposed cooling device expedient to cover the radial ribs provided on the turbine rotors intended to convey the cooling air and to cover the cooling air ducts To design cover plates so that they also provide a useful cladding of the rotor wheels. It is thus achieved that when the turbine rotor rotates resulting pumping losses can be kept small.

Bei der vorgeschlagenen Kühleinrichtung wird die Kühlluft nach außen völlig abgeschlossen über oder durch die zu kühlenden Teile geführt; mit anderenWorten bleibt der Kühlluftstrom unbeeinflußt von den Strömungsverhältnissen und den Drücken, die- in den. die Läufer umgebenden Räumen herrschen, womit bei allen. Betriebszuständen eine zuverlässige Kühlung gewährleistet ist. Als weiterer wesentlicher Vorteil muß noch hervorgehoben werden, daß mit der Turbinenwelle zu den Turbinenläufern neben der doppelten Kühlwirkung einerseits der Welle und andererseits des Läuferrades bei dieser Zuführung keine der sonst erforderlichenAbdichtungen, die insbesondere wegen der jeweils herrschenden hohen Temperaturen und hohen Drehzahlen schwierig auszubilden sind, notwendig ist.In the proposed cooling device, the cooling air is to the outside completely closed over or through the parts to be cooled; in other words the cooling air flow remains unaffected by the flow conditions and the pressures, the- in the. the spaces surrounding the runners prevail, with all of them. Operating states reliable cooling is guaranteed. Another major advantage must be still be emphasized that with the turbine shaft to the turbine runners alongside the double cooling effect of the shaft on the one hand and the impeller on the other with this supply none of the seals otherwise required, in particular difficult because of the high temperatures and high speeds prevailing in each case are to be trained is necessary.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsmäßigen Kühleinrichtung im Schnitt dargestellt.In the drawing is an embodiment of the inventive Cooling device shown in section.

In die hohl ausgebildete Turbinenwelle i tritt die Kühlluft beispielsweise durch die Bohrungen :2 ein und strömt dann durch die Wellenbohrung zu den am Ende derselben angebrachten Turbinenläufern 3 und q.. Selbstverständlich können ein oder mehrere Turbinenläufer vorgesehen sein. Die Kühlluft wird durch die zu beiden Seiten der Läuferräder in an sich bekannter Weise vorgesehenen radialen Rippen 5 beschleunigt und durch in den Schaufelfüßen vorgesehene Bohrungen 6 zur Wärmeabfuhr aus den hochbeanspruchten Schaufel- und Radteilen herangezogen. Der Austritt der Kühlluft erfolgt erfindungsgemäß wiederum gleichachsig mit der Zuführung der Kühlluft durch die Welle durch einen hinter dem letzten Läuferrad angeordneten Austrittsstutzen. 7. Zur Abdeckung der Kühlluftführungen sind erfindungsgemäß Abdeckscheiben $ vorgesehen, .die beispielsweise zweckmäßig mit der zur Befestigung der Turbinenläufer an der Welle bestimmten Vorrichtung verbunden sind. Die Abdeckscheiben 8 sind gleichzeitig so ausgebildet, daß sie eine Verkleidung der Laufräder bilden.The cooling air enters the hollow turbine shaft i, for example through the bores: 2 and then flows through the shaft bore to the one at the end the same attached turbine rotors 3 and q .. Of course, one or several turbine rotors may be provided. The cooling air is drawn through on both sides the rotor wheels accelerated in a known manner provided radial ribs 5 and through holes 6 provided in the blade roots for heat dissipation from the highly stressed ones Bucket and wheel parts are used. The exit of the cooling air takes place according to the invention again coaxial with the supply of cooling air through the shaft through a outlet nozzle arranged behind the last impeller. 7. To cover the According to the invention, cooling air ducts are provided, for example expediently with the device intended for fastening the turbine rotor to the shaft are connected. The cover plates 8 are designed at the same time so that they have a Form the fairing of the impellers.

Die Lagerung der Turbinenwelle i. erfolgt im dargestellten Beispiel durch zwei Wälzlager 9 und io, die nach dem Erfindungsvorschlag so ausgebildet und angeordnet sind, daß der sonst übliche, die Lauffläche für die Wälzkörper bildende Innenring in Fortfall kommt und der Außendurchmesser der Welle i selbst als Innenring für die Lager dient.The bearing of the turbine shaft i. takes place in the example shown by two roller bearings 9 and io, which are designed according to the inventive proposal and are arranged that the otherwise usual, the tread for the Rolling elements forming inner ring is omitted and the outer diameter of the shaft i itself serves as the inner ring for the bearings.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for cooling exhaust gas turbines and their shafts, wherein the turbine shaft itself is hollow and is passed through this cooling air, characterized in that the cooling air passed through the hollow shaft is used to simultaneously cool the turbine rotor attached to the end of the shaft and closing the shaft's bore or several (3, q.) is used, for which purpose cover disks (8) are provided next to the shaft (i) along the impellers, which simultaneously serve to cover the cooling channels along the impellers and to clad them.

2. Cooling device according to claim i, characterized in that that the turbine shaft (i) serving in its hollow interior to guide the cooling air on its outer circumference as an inner ring for the rolling elements for supporting the shaft intended bearing body (g, io) is used.