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Gekühlter, fliegend gelagerter Turbinenläufer, insbesondere Läufer
von Antriebs- oder Hilfsmaschinen von Flug- und Fahrzeugen Laufräder von Turbinen,
insbesondere von Gasturbinen, werden zur Herabsetzung des schädlichen Einflusses
der hohen Temperaturen des Treibmittels und zur Erhöhung der Beanspruchungsfähigkeit
des Baustoffes vielfach in der Weise gekühlt, daß eine Kühlflüssigkeit durch Hohlräume
des Laufrades getrieben wird. Diese Art der Kühlung hat wesentliche Nachteile, die
ihre Anwendung bei Turbinen für den Flug- und Fahrzeugbetrieb praktisch ausschließen.
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Wird eine reine Flüssigkeitskühlung, d. h. ohne Verdampfung des Kühlmittels,
angewendet, so werden zur Abführung der Wärme große Kühlflüssigkeitsmengen erforderlich,
und es treten infolge der die Radräume vollständig füllenden Kühlflüssigkeit hohe
zusätzliche Beansuruchuneen auf, die zu einer kräftigen Querschnittsbemessung des
Rades zwingen. Es wird ferner ein Pumpenaggregat mit einer besoii<leren Antriebsmaschine
und eine Kühleinrichtung für die Zurückkühlung der die Wärme abführenden Flüssigkeit
notwendig, was eine umständliche, raum- und gewichtsbeanspruchende Bauweise zur
Folge hat.
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Wird die Kühlung des Turbinenlaufrades durch Verdampfung des zugeleiteten
Kühlmittels vorgenornmen, so kommt zwar der Nachteil der Mitführung großer Kühlflüssigkeitsmengen
in Fortfall, es ist aber auch in diesem Falle eine raum- und gewichtsbeanspruchende
Bauart notwendig, da die Zuführung eine Pumpe und die Niederschlagung des Dampfes
einen Kondensator bedingt. Bei der Verdampfungskühlung
wird es
als weiterer Mangel empfunden, daß sich der Kühlmittelzufluß selbst bei Anwendung
einer besonderen Regelung nur unvollkommen in Übereinstimmung mit dem Kühlmittelbedarf
bringen läßt. Dies kann zu einer Auffüllung der Kühlmittelräume mit der Kühlflüssigkeit
oder zu einer ungenügenden Kühlung des Rades führen, so daß die Gefahr besteht,
daß das mit hoher Umfangsgeschwindigkeit umlaufende Laufrad zu hoch beansprucht
wird.
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Die Flüssigkeitskühlung unter Zuhilfenahme von Pumpen ist auch deswegen
zu verwerfen, weil die Beaufschlagung der zu kühlenden Flächen mit der Kühlflüssigkeit
bei Lagenänderungen des Fahrzeuges nicht gesichert ist. Dieser Mangel zeigt sich
auch, wenn, wie es bereits vorgeschlagen wurde, der Zufluß des zurückgekühlten bzw.
kondensierten Kühlmittels im freien Fall zu der zu kühlenden Maschine erfolgt. Nachteilig
ist ferner, daß bei der Abdichtung der die Kühlflüssigkeit zu- und abführenden Leitungen
bzw. der Dampfabführungs, Leitung an dem Turbinenläufer große Schwierigkeiten bestehen.
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Es ist bereits der Vorschlag gemacht worden, die Kühlung der den hohen
Treibmitteltemperaturen unterliegenden Teile des Laufrades durch eine in dem hohl
ausgebildeten Turbinenläufer eingeschlossene Flüssigkeitsmenge zu bewirken. Das
Kühlmittel tritt hierbei unter dem Einfluß der Fliehkraft von der Welle her zu einer
unterhalb der Schaufelwurzel gelegenen Kühlkammer und bildet dort einen Flüssigkeitsring,
der durch die Wärmeaufnahme ständig verdampft wird. Der gebildete Dampf strömt zu
einem in der Läuferwelle vorgesehenen Kondensator zurück und wird durch Wärmeaustausch
mit einer Kühlflüssigkeit niedergeschlagen, worauf das Kondensat unter dem Einfluß
der Zentrifugalkraft von neuem an die zu kühlenden Flächen gelangt. Die Kühlung
wird zwar unabhängig von einer großen Kühlflüssigkeitsmenge und einer Pumpe und
auch bei selbsttätiger Anpassung des Kühlmittelzuflusses an den Kühlmittelbedarf
erlangt; sie ist aber an ein besonderes Wärmeaustauschmittel mit Rückkühler und
Pumpe für die Niederschlagung des Dampfes und einen umständlichen und raumbeanspruchenden
Aufbau der den Kondensator aufnehinenden Laufradwelle gebunden. Auch bereitet die
Abdichtung der Rückflüssigkeit am Läufer erhebliche Schwierigkeiten.
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Zur Beseitigung dieser Übelstände wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den Kondensator auf der Stirnseite des Laufrades anzuordnen und die Kühlflächen
für die Niederschlagung des bei der Abführung der Wärme aus dem Laufrad sich bildenden
Dampfes durch die umgebende Luft zu kühlen. Bei Flug- und Fahrzeugen kann eine vorzügliche
Kühlung dadurch erlangt werden, daß die Kühlflächen mit dem Fahrtwind beaufschlagt
werden. Der Kondensator kann aus einem zylindrischen Behälter bestehen, der in einen
konzentrisch zur Radscheibe gelegenen Hohlraum eingesetzt oder auf die Radscheibe
aufgesetzt wird. Der außenliegende Teil des Kondensators trägt Rippen zur Steigerung
des Wärmeaustausches. Der Kondensator läuft-also mit dem Turbinenrad um, so daß
die ihn umgebende Luft oder der Fahrtwind mit hoher relativer Geschwindigkeit zur
Einwirkung kommt. Zusammenfassend ergeben sich durch die erfindungsgemäße Anordnung
des Kondensators folgende Vorteile: geringe Kühlflüssigkeitsmenge, selbsttätige
Regelung der Kühlflüssigkeitszufuhr, Fördersicherheit in jeder Lage, Fortfall von
Pumpen und Rohrleitungen für die Zu- und Abführung sowie des Kreislaufes der Rückkühlflüssigkeit
und der Stopfbüchsendichtungen, geringer Platz- und Raumbedarf, einfache Bauart.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
dargestellt.
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Das fliegend gelagerte Turbinenlaufrad besteht aus der mit der Welle
und der Schaufelung aus einem Stück hergestellten Scheibe a und der lZingscheibe
b, die bei c miteinander verschweißt sind. In die Ringscheibe b wird, nachdem in
den Hohlraum des Rades eine bestimmte Kühlflüssigkeitsmenge eingefüllt wurde, der
aus dem topfartigen Behälter d bestehende Kondensator eingesetzt und z. B. durch
Bolzen f mit dieser verschraubt. Der Kondensator d ist auf seinem nach außen herausragenden
Teil mit Kühlrippen ä ausgestattet, die in Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft
stehen, oder, wie dargestellt ist, durch den Fahrtwind gekühlt werden, welcher z.13.
mittels des Rohres lt herangeführt wird. Der beim Betrieb der Turbine unterhalb
der Schaufeln bei k sich bildende Dampf wird durch die infolge der Umlaufbewegung
des Läufers mit hoher Geschwindigkeit an den Kühlrippen vorbeistreichende Luft schnell
niedergeschlagen, worauf das Kondensat unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft wieder
in die von den beiden Scheibenteilen a und b eingeschlossene Kühlkammer
m gelangt. Wird der Fahrtwind zur Kühlung herangezogen, so läßt sich die Kühlwirkung
wesentlich steigern oder eine Verkleinerung der Kühlflächen erreichen. Die Beanspruchungen
im Läufer werden durch die Anordnung des Kondensators kaum beeinflußt, da der Kondensator
ohne weiteres aus Aluminium oder aus einem anderen Leichtbaustoff gefertigt sein
kann. Um eine Sprengung des Kondensators bei zu hohen, im Innern auftretenden Dampfdrücken
zu vermeiden, ist bei o zweckmäßig ein Sicherheitsventil angeordnet; die von ihm
verschlossene CSffnung läßt sich zur Nachfüllung des Kühlmittels bei etwaigen Verlusten
benutzen.