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Mehrstufiger Läufer für Axialturbinen, insbesondere Gasturbinen hi-
Erfindung bezieht sich auf Läufer von zwei-oder mehrstufigen Axialturbinen und betrifft
insbesondere einen Läufer für Gasturbinen-.
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Zwei oder mehrstufige Axialturbinen, die unter hohen Geschwindigkeiten
arbeiten sollen, verursachen holte zentrifugale Beanspruchungen; bei diesen Turbinen
und inbesondere bei Gasturbinen., bei @velcIicn die ll(>ti-icl)stenil)erattlrenderBeschaufelung
und arn Uinfatige des Läufers hoch sind, ist es zweckmäßig, die einzelnen Schaufelreihen
auf besonderen bzw. im Abstand voneinander angeordneten IZiiderir oder Scheilxn
vorzusehen, anstatt alle Schaufelreihen auf einer gernein.samen 'fromme! anzuordnen.
Bei derBauart,bei welcherdieeinzelnen Schaufelreihen auf besonderen oder im Abstand
voneinander liegenden Rädern bzw. Scheiben angeordnet sind, bietet das Umschließen
der Enden der dazwischenliegenden Re'i'hen von Statorschaufeln besondere Schwierigkeiten.
Wann Hüllringe Verwendung finden, die von den Spitzen der Statorschaufeln getragen
werden, so muß zwischen diesen Hüllringen und den Felgein der Läuferräder ein axiales
Spiel vorgesehen sein. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß es schwierig
ist, dieses
Spiel hinreichend klein zu halten, um Leckverluste des
Antriebsmediums zu vermeiden, die, die W irkung der Beschaufelung ernstlich beeinträchtigen.
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Ähnliche Probleme entstehen bei Axialkompressoren, bei denen eine
Lösung in der Weise gefunden wurde, daß die Spalte zwischen den einzelnen die beweglichen
Schaufeln tragenden Rädern durch Ringe ausgefüllt werden, die an ihren Rändern Flansche
aufweisen, mit denen sie unter die Felgen benachbarter Räder greifen und deren Außenfläche
mit den Außenflächen der benachbarten Radfelgen in gleicher Flucht liegen; auf diese
Weise bildet die Radanordnung mit ihren Zwischenringen außen die Form einer vollständigen
Trommel.
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Die Temperaturschwankungen in einem Kompressor sind gegenüber den
in einer Turbinei auftretenden Schwankungen gering, so daß die Ausdehnungserscheinungen
von minderer Bedeutung sind. Die in den voraufgegangenen Absätzen beschriebene Bauart
würde für eine Turbine, die unter einer irgendwie nennenswerten Last zu arbeiten
hat, ungeeignet sein, und zwar wegen der Kriechbeanspruchungen.
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Gemäß der besten zur Zeit üblichen Praxis, wenigstens auf dem Gebiete
der Gasturbinen, sind die Läuferschaufeln für gewöhnlich in den Felgen der Turbinenräder
mittels gezackter Schaufelfüße befestigt, die gelegentlich als Tannenbäume bezeichnet
werden; die vorliegende Erfindung macht von dieser Bauart Gebrauch.
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Gemäß der Erfindung ist die Axialbreite der Felgen benachbarter Turbinenräder
bzw. -scheiben größer als die Axialbreite der daran befestigten Schaufeln, so daß
die Auszackungen an den Schaufelfüßen nicht die ganze Axiallänge der gezackten Schlitze
in den Radfelgen einnehmen; der Spalt zwischen einander benachbarten Radfelgen ist
durch Abdeckplatten ausgefüllt, die in ihrer Zahl der Anzahl der Schaufeln in jedem
Rad entsprechen und gezackte Enden haben, die auf beiden Seiten in den Teilen der
gezackten Schlitze der benachbarten Radfelgen gelagert sind, welche von den Schaufelfüßen
nicht in Anspruch genommen werden.
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Die Oberflächen dieser Platten können g°wölbt geformt sein, wobei
der Mittelpunkt der Wölbung in der _lchse der Turbinenwelle liegt, so daß sie nach
dem Zusammenbau einen vollständigen Ring bilden, der mit denSchaufelplattenderbenachbarten
Turbinenräder bündig liegt. In gewissen Fällen können aus Gründen der leichteren
Herstellung die Außenflächen der Platten flach gelassen werden; in diesem Falle
hat der vollständige Ring eine polygonale Umfangsfigur, die einem Kreis sehr angenähert
ist. Die Umfangsabmessungen der tauben Platten sind derart, daß zwischen jeder tauben
Platte und der nächsten ein kleines Spiel verbleibt. Infolge der Ausdehnung wird
sich dieser Spielraum schließen, wenn die Temperatur ansteigt; die Umfangsabmessungen
der tauben Plattem sind so gewählt, daß selbst bei schwierigsten Temperaturbedingungen
sich der Spielraum niemals vollständig schließen kann; auf diese Weise wird sichergestellt,
daß die tauben Platten keine zusätzliche Beanspruchung auf die Turbinenräder ausüben.
Auf Grund dieser Überlegung wird das Spiel so klein wie möglich gehalten.
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Gemäß der Erfindung ist jede taube Platte mit einem kleinen Schlitz
oder einer Nut an oder nahe ihrer einen Kante vorgesehen, wodurch eine Öffnung zwischen
ihr und der nächsten tauben Platte ge,-bildet wird; durch diese Öffnung kann Kühlluft
entweichen, die in den Raum zwischen den benachbarten Turbinenrädern eingeführt
wird, um letztere zu kühlen. Die entweichende Luft bild@e,t über den Schaufelfüßen
und den Schaufelplatten d°rSchaufelreihe eine Kühlluftschicht, die sich über den
Ring der tauben Platten erstreckt. Auf diese Weise wird durch die Anordnung der
Nuten erreidht, daß Kühlluft durch die Spalte zwischen benachbartem Turbinenrädern
hindurchtritt, um die Räder selbst zu kühlen; außerdem aber gelangt ein Kühlluftstrom
über die Platten und die inneren Schaufelenden der zweiten und evtl. folgenden Stufe
der Läuferbeschaufelung. Die äußeren Flächen der die erste und letzte Schaufelstufe
tragenden Räder werden in der üblidhen Weise durch Luft gekühlt; die Luft entweicht
hierbei durch den Spalt zwischen dem Düsenring und der ersten Reihe der umlaufenden
Schaufeln sowie durch den Spalt zwischen der letzten Reihe der umlaufenden Schaufeln
und dem Auslaßkrümmer. Die durch die erste dieser beiden Spalte entweichende Luft
kühlt die Platten und inneren Enden der Schaufeln der ersten Stufe der Rotorbeschaufelung.
Darüber hinaus dient die Luft, welche durch die Spaltabstände zwischen benachbarten
Turbinenrädern hindurchtritt, dazu, die unteren Flächen der tauben Platten selbst
zu kühlen.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in
seiner Anwendung auf zweistufige Turbinen mit getrennten Rotorscheiben veranschaulicht.
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Fig. i ist ein Axialschnitt durch den Rotor einer zweistufigen Turbine;
Fig. 2 zeigt eine Teilansicht der Anordnung nach Fig. i in Richtung des Pfeiles
2 gesehen; Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie 3-3 und zeigt in größerem Maßstab
eine einzelne Abdeckplatte; Fig. 4 ist eine ähnliche Darstellung der Fig. 3 und
zeigt eine einzelne Turbinenschaufel.
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Der Turbinenrotor besteht aus zwei Scheiben io, i i, die an einem
Lagerteil 12 befestigt sind, und zwar mittels eines Bolzens 13 und einer Mutter
14; die Scheiben sind gegeneinander durch Keile o. d@gl. 15 und durch Keile 16 mit
dem Lagerteil 12 verbunden.
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Die Scheibe io trägt eine Reihe von Schaufeln 17 und die Scheibe i
i eine Reihe von Schaufeln 18. Die Schaufelfüße 17a, 1811 haben Tannenbaumform (vgl.
Fig. 4) ; jede Schaufel besitzt eine! Grundplatte 17b bzw. 18b. Die Felgen der Scheiben
i o, I I haben Axialschlitze joa, 11,7 (Fig. 2) zur Aufnahme des tannenbaumartigen
Schaufelfußes. Jede Scheibe besitzt eine gleiche Anzahl von Schaufeln, und die Schaufelfüße
17a, i 8a und die Schlitze ioa, I 1a !haben im Querschnitt die gleiche tannenbaumartige
Form. Die Schlitze ioa, 1 ia liegen in Umfangsrichtung in
gleicher
Flucht, d. h. wenn man stirnseitig auf sie sieht, so fällt jeder Schlitz ioa genau
mit einem Schlitz i ja zusammen.
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Die axiale Breite der Schaufelgrundplatten 17b entspricht derjenigen
der Schaufelfüße 17a; sie ist aber geringer als die axiale Breite der Felgen der
Scheibe to. Das gleiche gilt für die Schaufelwurzeln 18a, die Schaufelgrundplatte.n
18b und die Scheibe i i ; sind also die Schaufeln, wie die Fig. i und 2 zeigen,
vor den Scheiben angeordnet, so sind die einander gegenüberliegenden Enden der Schlitze
ioa, i j a unausgefüllt.
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Die Grundplatten 17b der Schaufeln stoßen in der Umfangsrichtung im
wesentlichen aneinander; das gleiche gilt für die Schaufelgrundplatten 18b; es bleibt
nur soviel Spiel zwischen ihnen, daß eine Ausdelinung möglich ist; dieGrundplatten
der Schaufeln einer jeden Schaufelreihe bilden also gewissermaßen eine zusammenhängende
Trommelfläche. Der Spalt zwischen diesen Flächen wird durch eine Reihe von Abdeckplattenigausgefüllt,die
tannenbaumähnliche Füße iya aufweisen; diese Füße gleichen genau denen der Schaufeln
und sie sind eingefügt in die offenen Enden der Schlitze ioa, 1 ja. Die tauben Platten
i9 füllen im wesentlichen denSpalt zwischen den Schaufelplatten 17b, 18b aus, und
sie bilden eine zusammenhängende Umfangsfläche, wobei gerade soviel Spiel, und zwar
sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung vorgesehen ist, daß eine Ausdehnung
erfolgen kann. Der Ring der Abdeckplatten i9 bildet also auf eine Weise zusammen
mit den Schaufelplatten 17b, i8b eine im wesentlichen zusammenhängende, trommelähnliche
Fläche, welche die Innenwandung des Turbinenringraumes bilden, von dem aus sich
die Schaufeln erstrecken.
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Um die einander gegenüberliegenden Flächen der Scheiben io und i i
zu kühlen, wird Luft in den Raum 21 zwischen den Scheiben eingeführt, und zwar .durch
die Spalte 22, 23, 2.4 und 25 sowie durch eine Öffnung 26 hindurch, die in dem Lagerteil
12 vorgesehen ist. Die so dem Spalt 21 zugeführte Luft gelangt durch die Schlitze
nach außen, die in die Abdeckplatten i9 eingeschnitten sind; durch diese Schlitze
hindurch gelangt die Luft in den Turbinenricigraum und dient dazu, die Platten 17b
und die inneren Enden der Schaufeln 17 der zweitenTurbinenstufe zu kühlen.
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Diese Bauart des zwischen den einander benachbarten Reihen von Schaufelplatten
liegenden Teiles der Innenwandung des Turbinenringraumes verhütet, daß zusätzliche
Wärmebeanspruchungen auf die Scheiben ausgeübt werden; auch die den mittleren Teil
der Ringraumwandung bildenden Bauteile selbst sind im wesentlichen von Wärmebeanspruchungen
frei.
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Aus Gründen der einfachen Darstellung wurde als Ausführungsbeispiel
eine zweistufige Turbine ausgewählt; es ist aber ohne weiteres klar, daß die beschriebene
und dargestellte Bauart ebensogut auch bei einer Turbine mit Drei- oder Mehrstufen
zur Anwendung kommen kann, bei der die einzelnen Reihen der Läuferschaufeln auf
besonderen Scheiben sitzen. Es ist klar, daß in einem solchen Falle die Schaufeln
jeder Zwischenstufe in der Felge der zugehörigen Scheibe so angeordnet sind, daß
ein Teil eines jeden die Schaufel haltenden gezackten Schlitzes auf beiden Enden
der Schaufelwurzel unbesetzt bleibt.
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Bei den oben veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind für die verschiedenen Stufen getrennte Scheiben verwendet; die beschriebene
Bauart kann aber ebensogut bei einer Turbine zur Anwendung kommen, bei welcher der
Rotor aus einem einzigen Schmiedestück besteht und die einzelnen Scheiben mit einem
gemeinsamen Nabenteil o. dgl. aus einem Stück bestehen.