DE849038C

DE849038C - Gasturbine

Info

Publication number: DE849038C
Application number: DEB7851D
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr-Ing Buechi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1942-05-23
Filing date: 1942-12-05
Publication date: 1952-09-11

Description

Gasturbine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit tangential von außen beaufschlagter, das Treibgas von der radialen Eintritts- in die axiale Austrittsrichtung umlenkender Lauf radsc'heilbe und an der Scheibe seitlich befestigten Lauf radschaufeln und besteht darin, daß der größere Teil jeder Schaufel ebene Seitenflächen besitzt, welche schief zur Rotorachse gestellt sind, und die LZotorschei;be ihrem äußeren Umfang entlang radial gerichtet vorgesehen ist, um das Treibgas zur Hauptsache in radialer Richtung aufzunehmen.
Damit die Beanspruchung der Schaufeln zufolge der auftretenden Fliehkräfte klein ausfällt, können die Schaufelflächen beim Eintritt einen Radius senkrecht auf die Turbinenachse enthalten. Den Laufschaufeln kann an ihren Austrittsenden eine derart bemessene Umbiegung .des Schaufelmaterials in der Drehrichtung des Turbinenrades gegeben werden, derzufolge die Schaufeln solche Durchgangsquerschnitte begrenzen, daß die relativen bzw. die absoluten Gasaustrittsgeschwindigkeiten im Austrittsquerschnitt je unter sich ungefähr gleich groß ausfallen. Die Umbiegung kann z. B. so groß sein, d;aß dadurch die absolute Austrittsgeschwindigkeit mindestens am äußeren Austrittsumfang des Turbinenrades eine Rotationskomponente erhält und innen am Austrittsende annä'liernd axial gerichtet ist. Es entsteht dann bei einem der Laufschaufelung nachgeschalteten Diffusor eine gute Geschwindigkeitsumsetzung in Druck auch in einem verhältnismäßig kurzen und sich verhältnismäßig stark erweiternden Diffusor. Um am äußeren Teil der Laufra@dschaufeln einen kleineren Umlenkwinkel von der radialen in die axiale Richtung zu erhalten, können die Laufschaufelaustrittskanten unter einem zur Turbinenachse schiefen Winkel endete: Dabei entsteht ferner eine Verminderung der Fliehkraftbeanspruchung des Schaufelmaterials in den Schaufelwurzeln.
Im Innern des an das Laufrad sich anschließenden Diffusors kann in Richtung der Turbinenachse ein konisch sich verjüngendes Leitstück ein.gabaut wein, um die Umsetzung der Geschwindigkeit in Druck verlustloser zu gestalten.
Der sich erweiternde Diffusor kann sich in Richtung der Turbinenachse direkt an den Laufradaustritt anschließen, oder es können die Abgase mittels einer Umlenkvorrichtung in einen beliebig anders gerichteten Diffusor überströmen.
Um während des Betriebes einen möglichst vollkonimenen Druckausgleich in axialer Richtung der umlaufenden Turbinenteile zu erhalten, werden auf der Rückseite,des Turbinenrades an einer gegenüber dem Außendurchmesser des Turbinenrades engeren Stelle Dichtungsvorrichtungen angeordnet. Um ein Hinübertreten von Abgasen gegen die angetriebene Seite zu verhindern, kann nach der Dichtungsstelle eine an die Atmosphäre oder an die Albgasleitung angeschlossene Leitung vorgesehen sein.
In den Zeichnungen ist derErfindungs,gegenstand an einigen beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Zahlen bezeichnet.
Die Fig. 1 bis 3 stellen eine Turbine entsprechend der Erfindung mit vier voneinander getrennten Gaszuleitungen dar. Es handelt sich dabei um eine einstufige Gasturbine, welche ein Gebläserad antreibt.
In Fig. i, welche einen Schnitt entsprechend der Linie 1-I der Fig. 2 darstellt, ist i das frei fliegende Turbinenrad, welches mittels der Welle 2 in der 'Üchse 3 gelagert ist. 4 ist das Turbineneintritts-1 3 gehäuse, 5 der die Eintrittsschaufeln 6 enthaltende Düsenring, und 7 ist ein mit Kühlraum8 versehenes 1bschlußstück zwischen dem Gaseintrittsgehäuse 4 und dem Gebläsesammelgehäuse 9. Das Laufrad besteht aus einem eigentlichen Radkörper i, aus welchem die Schaufeln 17 beispielsweise herausgearbeitet sind. Diese Schaufeln 17, von denen eine in der Radmitte in Ansicht dargestellt ist, haben die Eigentümlichkeit, daß sie mindestens mit ihren äußeren Teilen, d. ,h. am Eintrittsende i9, radial zur Radachse stehen und die annähernd ebenen Schaufelflächen quer zur Turbinenachse verlaufen. An den Wurzeln 18 der Schaufeln 17, wo letztere mit der Radscheibe i verbunden sind, sind die Schaufeln 17 aus Festigkeitsgründen verdickt.
In axialer Richtung gegen den Radaustritt 2o hin wird das Turbinenrad i zwischen den Schaufeln 17 so ausgehöhlt, daß verhältnismäßig schwach gebogene Begrenzungen 21 entstehen. Die Richtung und die Querschnitte der Laufradschaufelung sind so ausgeführt, daß die Gase an den Austrittskanten 20 mit Unterdruck und relativ hoher Geschwindigkeit aus- und in den geradlinig konisch erweiterten Diffusor22 eintreten. Die Ausbildung des Diffusors 22 ist so getroffen, daß am Ende 23 desselben sich der Druck der Gase annähernd auf den Außendruck verdichtet hat. Damit die Geschwindigkeitsumsetzung im Diffusor 22 wirkungsvoll ist, wird in seinem Innern im Anschluß an die Turbinenradnabe eine konisch sich verjüngende Einbaute 24 eingebaut. Diese verhindert, daß an der Innenseite der Laufradschaufelung eine verlustbringende plötzliche Verpuffung der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad erfolgt. Statt @daß der Diffusor 22 axial mit der Turbine angeordnet ist, kann derselbe auch in einer anderen Richtung, z. B. wie 22' zeigt, angeordnet sein. In diesem Fall werden dem Diffusor 22' die aus der Laufradschaufelung 17 austretenden Gase vorerst durch einen Krümmer 25 zugeführt, der ebenfalls eine Geschwindigkeitsverpuffung verhütende Einbaute 26' aufweisen kann.
Damit das heiße, sich ausdehnende Gaseintrittsgehäuse 4 gegenüber dem gekühlten Abschlußgehäuse 7, dem Turbinenrad i und auch dem Gebläsegehäuse 9 stets im Zentrum bleibt, werden beide Gehäuse 4 und 7 z. B. mittels vier mit ihren Achsen ,durch die Achse der Turbine gehenden Keile 27 gegeneinandergehalten.
Zur Kühlung der Turbinenscheibe kann auf der Rückseite derselben Kühlluftzufuhr erfolgen. Bei einer Ausbildung entsprechend Fig. i sind zu diesem Zweck auf der Rückseite des Turbinenrades i Schaufeln `28 vorgesehen, durch welche aus dem Raum 29 Kühlluft angesaugt wird. Diese Kühlluft kann aus der Atinosphärc entnommen werden oder aber auch z. B. durch die Leitung 3o aus dein Gebläsesammelgehäuse 9. Die Kühlge'bläseschaufeln 28 sind mit einer Deckscheibe 31 abgedeckt. Die damit geförderte Luft tritt durch in der Scheibe i mindestens außen entsprechend angeordnete und orientierte Öffnungen 32 in Richtung auf die Oberflächen der Schaufeln 17 bzw. ihren äußeren Enden i9 und Wurzeln 18 aus und setzt deshalb ihre Temperatur ebenfalls herab.
Um das Austreten von Gasen auf der Rückseite des Turbinenrades zu verhindern, sind Dichtungsstellen 33 angeordnet. Desgleichen können solche auch von kleinerem Durchmesser 34, beide z. B. an der mit dem Turbinenracl verbundenen Deckscheibe 3i, vorgesehen sein. Der Raum 35 zwischen diesen Dichtungsstellen 33 und 34 kann mit der Atmosphäre oder durch eine Leitung36 finit der Austrittsleitung 23 der Gasturbine in Verbindung stehen.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Linie II-II der Fig. i.

Man sieht im Zentrum dieser Figur die nähere Ausbildung der Laufradschaufeln 17, welche mindestens außen radial stehen, eben sind, aber quer zur Turbinenachse verlaufen. Die bei 20 liegenden Austrittskanten der Schaufeln sind ebenfalls radial oder nur wenig schief zur Radialen geneigt. Das Eintrittsgehäuse 4 der Turbine besteht aus einem Stück mit dem Diffusorteil 22. Die vier Eintrittskanäle io, 11, 12 und 13 sind so eng ineinandergewunden, daß ein möglichst kleiner Außendurchmesser des Gehäuses 1 entsteht. In den Eintritts-

spiralen nehmen die Durchflußquerschnitte der Zu-

leitungen 10, 1i, 12 und 13 so ab, daß bis zum

Eintritt in alle verengten Düsen 14 die gleiche

Geschwindigkeit herrscht und auch nur eine ver-

hältnismäfiig schwache Umlenkung der Gase in die

I?intrittsriclitung stattfindet. Zwischen den spiral-

f(.>i-nligeti Zuleitungen 1o, 1i, 12 und 13 sind vier

Treimzungen 15 angeordnet, zwischen welchen nur

tiocli je zwei ebenfalls tangential gestreckte Düsen-

scliatifeln 6 eingebaut sind, welche miteinander die

richtige Eintrittsrichtung und Geschwindigkeit der

Gase aufs Laufrad vermitteln. Infolge der tangen-

tialen Führung der Eintrittskanäle io, 1i, 12, 13

lizw. der Zungen i 5 und der Zwischenschaufeln 6

erleidet das Gas eine Umlenkung mit durchweg

großen Kriiniinungsradien. Es werden deshalb

darin nur kleine Verluste bis vor das Laufrad ent-

stehen. \lau erkennt in Fig.2 auch deutlich, wie

die Zuleitungen to, 1i, 12 und 13 bis zu ihren

:lustrittscnden stark und eng ineinander gewunden

sind. 22 zeigt den Querschnitt durch die Außen-

wand des Ditfusors und 24 einen solchen durch

seine Innenwand.

I`!g. 3 ist ein Schnitt nach der Linie III-III der

Fit. 2. \lan sieht darin, wie die vier getrennten

Lcitungii io. 11, 12 und 13 beispielsweise zuein-

ander liegen.

F ig. 4 stellt eine Ansicht mit partiellem Schnitt

durch eine Gasturbine mit nur zwei Eintritts-

leistungen i o und i i nach der Linie IV-IV von

F1,. 5 dar. i o ist der eine, i i der andere Gas-

eintritt. 17 sind die Laufradschaufeln mit ihren

Eintrittskanten i9 und den Austrittskanten 2o.

Diese :\tistrittskanten 20 sind hier schief zur Tur-

binenachse abgeschnitten. Es ist hier deutlich zu

erkennen, daß der innere engste Durchmesser des

Diffusors 22 kleiner ist als der Durchmesser der

äußeren Austrittskante2o derTurbinenschaufelni7.

Dies wird deshalb so ausgeführt, um die absolute

Gasaustrittsgescliwindigkeit aus dem Turbinenrad

an der 1?intrittsstelle des Diffusors 22 möglichst

zti erhalten, um dort Verpuffungsverluste zu ver-

meiden. I:s geschieht dies dadurch, indem man den

1?intrittsquerschnitt des D1ffUSOrS 22 mindestens so

klein macht, daß er der effektiven und absoluten

Gasaustrittsfläche der Turbinenschaufelung unter

Abzug der endlichen Schaufeldicken entspricht. Die

Schaufelaustrittskanten 2o liegen bei dieser Aus-

führung auf einer Kegelfläche, welche ihre Achse

in der 'ftirllinenaclise hat. Dadurch entsteht an der

äußeren .@ustrittsfläche des Turbinenrades eine

kleinere L'inlenkting. Wenn die relative Geschwin-

digkeit der Gase in der Turbinenschaufelung 17

ro - 1 als die absolute Austrittsgeschwindigkeit

- t' *'1.ici ist # 1

dieser Gase aus dein Rade bei 20 (s. Fig.8), ist

eine Unilenkung Hinter und außerhalb des Tur-

binenrades, bevor die Gase in den Diffusor ein-

treten. @@-cniger verlustreich. Eine kleinere Umlen-

kung der Gasc im Laufrad kann auch dadurch er-

zielt werden, indem man den Eintrittsdüsen 1,4 eine

zur Turbinenachse gegen .den Diffusor hin geneigte

Richtung gibt, wie dies durch die strichpunktierten

seitlichen 1)iisenwände 16 in Fig.4 angedeutet ist.

Es ist selbstverständlich und deshalb in Fig.4 nicht dargestellt, daß dann die radiale Eintrittsrichtung der Gase ins Laufrad auch gleich gewählt wird wie diejenige der Düsen 16.

Bei dieser Ausführungsform sind auf der Rückseite des Turbinenrades i ebenfalls Kühlschaufeln 28 angeordnet, welche die Kühlluft aus dem Raum 29 ansaugen. Diese Kühlschaufeln sind ebenfalls durch eine Deckscheibe 3i seitlich und außen abgeschlossen. In den einzelnen Schaufeln 17 sind hier aber mindestens außen Bohrungen 32' angebracht, durch welche die aus dem Kühlgebläse austretende Kühlluft gedrückt wird. Dies ist im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. i. Durch die Leitung 29 saugt das Kühlgebläse seine Luft von außen durch die Leitung 3o' an. :Der konisch verjüngte, innere Teil 24 des Diffusors ist hier aus einem Stück mit dem Radkörper i hergestellt. Es könnten aber auch gleichzeitig Kühlluftöffnungen 32, 32' und auch 32" (s. Fig. 6) in der Radscheibe i angebracht sein.
Bei einer Ausführung nach Fig. 4 entstehen, im Gegensatz zu einer Ausführung nach Fig. i, beim Gasaustritt keine Spaltverluste, weil hier keine Spalte zwischen den feststehenden bzw. den sich drehenden Bauteilen besteht.
Die Mitte der Radnabe sowie dieser Diffusorteil sind ausgehöhlt und werden durch ein bei 37 ein-und bei 38 austretendes Kühlmittel gekühlt.
In Fig. 5, welche einen Schnitt nach der Linie V-V von Fig.4, und zwar von links gesehen darstellt, sieht man wieder die Ausbildung der Laufradschaufeln 17 mit ihren radialen Eintrittskanten i9 und den nahezu radialen Austrittskanten 2o. Die eng ineinandergewundenen beiden Leitungen io und i i verengen sich auch hier spiralförmig gegen die zwei sie trennenden Zungen 15 .hin. Dazwischen sind im Düsenring 5 für jede Leitung nur je fünf Düsenschaufeln 6 angeordnet, welche die Gase auf das Laufrad führen.
Fig.6 zeigt eine axonometrische Ansicht des Turbinenrades i mit den Laufradschaufeln 17, ihren radial gerichteten Eintrittsenden i9 und den nahezu radial gerichteten Austrittsenden 20. Man erkennt sehr gut die in der Querrichtung zur Turbinenachse ebene Ausbildung der Laufradschaufeln und auch ihre namentlich in radialer Richtung und gegen die Turbinenscheibe hin zunehmende Schaufeldicke an den -Füßen 18.
Man sieht in Fig. 6 auch die in der Turbinenradscheibe i mindestens auf einem Durchmesser gebohrten Löcher 32 für den Durchtritt der Kühlluft, welche eine solche Richtung haben, daß die Kühlluft auf die Schaufeloberflächen, und zwarbesonders nahe der Schaufeleintrittskanten und der Schaufelwurzeln geführt wird. In Fig.6 erkennt man, daß dies dort auf beide Schaufeloberflächen, die Vorder- wie die Rückseite, erfolgt. Statt Öffnungen 32 können für diesen Zweck beispielsweise auch Nuten 32" am äußeren Rande der Turbinenscheibe i angeordnet sein.
In der Fig.7 ist das Eintrittsgeschwindigkeitsdreieck der Turbine 'beim Schaufeleintritt i9 dargestellt, wobei cl die absolute Gaseintrittsgeschwindigkeit, u1 die Geschwindigkeit am Radumfang und w, die erfindungsgemäß radial gerichtete, relative Gaseintrittsgeschwindigkeit darstellt.
Fig.8 zeigt die Geschwindigkeitsdreiecke am Sdhaufelradaustritt 20. u2 ist die Umfangsgeschwindigkeit am äußersten Austrittsdurchmesser, 2u2' die dortige relative Gasgeschwindigkeit und c2' die entsprechende absolute Gasgeschwindigkeit. u2' ist die kleinere Umfangsgeschwindigkeit an der Wurzel der Schaufel, w2" die relative Gasgeschwindigkeit an der gleichen Stelle und c2" die entsprechende absolute Gasgeschwindigkeit.
Erfindungsgemäß werden die Richtungen und die Querschnitte zwischen den Schaufeln 17, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, so gewählt, daß die relativen Gasgeschwindigkeiten w2 und w2' und die absoluten Geschwindigkeiten c2 und c2" beim Radaustritt annähernd gleich groß sind. Für die Herstellung der verschiedenen Austrittswinkel a2 und a2' werden beim Erfindungsgegenstand die Schaufelflächen vorerst als ebene Flächen hergestellt, entsprechend dem Austrittswinkel a2' an der Schaufelwurzel 18, und dann die äußeren Austrittsenden in die bezweckte andere Richtung entsprechend dem Austrittswinkel a2 , unter Umständen in warmem Zustand, umgebogen. Hierzu ist außen ein etwas kleinerer Schaufelanstellwinkel a2 zu wählen als innen, entsprechend a2'. Im Diffusorinnern muß sich ferner erfindungsgemäß eine axial gerichtete, absolute Geschwindigkeit c2' und ,am äußeren Diffusorumfang eine schwach tangential gerichtete, eine Drehung des Gasstrahls bewirkende Geschwindigkeit c2' ergeben. Beide Maßnahmen erfolgen deshalb, um im Diffusor 22 eine möglichst gute und gleichmäßige Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck und wenig Ablösung selbst in einem stärker sich öffnenden und relativ kurzen Diffusor zu erzielen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Rotor für eine Gasturbine mit tangential von außen beaufschlagter, das Treibgas von der radialen Eintritts- in die axiale Austrittsrichtung umlenkender Laufradscheibe und an der Scheibe seitlich befestigten Laufradschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Teil jeder Schaufel ebene Seitenflächen besitzt, welche schief zur Rotorachse gestellt sind, und die Rotorscheibe ihrem äußeren Umfang entlang radial ,gerichtet vorgesehen ist, um das Treibgas zur Hauptsache in radialer Richtung aufzunehmen.
2. Rotor für eine Gasturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelflächen beim Eintritt einen Radius senkrecht auf die Turbinenachse enthalten.
3. Rotor für eine Glasturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß den Laufschaufeln (17) an ihren Austrittsenden eine derart bemessene Umbiegung des Schaufelmaterials in der Drehrichtung des Turbinenrades gegeben wird, .derzufolge die Schaufeln solche Durchgangsquerschnitte begrenzen, daß die relativen bzw. die absoluten Gasaustrittsgeschwindigkeiten im Austrittsquerschnitt je unter sich ungefähr gleich groß ausfallen.
4. Rotor für eine Gasturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß den Laufschaufeln (17) an ihrem Austrittsende (20) eine solche Ausbildung und eine so große Umbiegung gegeben wird, daß dadurch die absolute Austrittsgeschwindigkeit mindestens am äußeren Austrittsumfang des Turbinenrades eine Rotationskomponente erhält und innen am Austrittsende annähernd axial gerichtet ist.
5. Rotor für eine Gasturbine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufelaustrittskanten, in dem durch die Radachse gehenden Schnitt gesehen, unter einem zur Turbinenachse schiefen Winkel enden mit dadurch entstehendem kleinerem Umlenkwinkel von der radialen in die axiale Richtung beim äußeren Teil der Laufradschaufeln als längs den Schaufelwurzeln (IS) und Verminderung der Fliehkraftbeanspruchung des Schaufelmaterials an den Schaufelwurzeln.
6. Gasturbine ;mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt des Diffusors gegenüber dem äußeren Austrittsdurchmesser der Laufradschaufelung derart verengt ist, daß er annähernd dem absoluten Schaufelaustrittsquerschnitt unter Abzug der dortigen endlichen Schaufelquerschnitte entspricht.
7. Gasturbine mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsdüsen unter einem zur Turbinenachse schiefen Winkel auf die gleichgericbteten Turbinenschaufeleintritte gerichtet sind, um damit einen kleineren Umlenkwinkel in der Laufradschaufelung zu erzwingen. B. Gasturbine mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens einteilige Turbineneintrittsgehäuse 'bis zu den eigentlichen Eintrittsdüsen mit derart abnehmenden, vorzugsweise runden Durchgangsquerschnitten ausgebildet ist, daß entsprechend den dort sukzessive zugeführten Gasmengen eine annähernd gleiche Gasgeschwindigkeit bis vor alle Eintrittsdüsen eingehalten wird. g. Gasturbine mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrfachen Gaseintrittsgehäuse die einzelnen getrennten Leitungen an ihrer Eintrittsstelle mindestens teilweise in Richtung der Turbinenachse nebeneinander angeordnet und bis auf die Eintrittsdüsen eng neben- und ineinandergewunden sind. io. Gasturbine mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufelung aus einem Stück mit dem Turbinenradkörper'besteht. i i. Gasturbine mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Turliinenrad- nal)e mindestens teilweise als innere, sich dre- hende Begrenzung des Diffusors über die Lauf- schaufelpartie hinaus verlängert ist. 1z. Gasturl)ine mit lZotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaseintritts- #ehüiuse finit seinen spiralförmig sich verengen- (Ieil Zuleitungen aus einem Stück mit dem I)ifftisorteil besteht. 13. Gasturbine mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das im Diffusor- innern liefindliche,gegen außen sich verjüngende

Füllstück mit dem äußeren Diffusorteil windestens teilweise aus einem ;Stück besteht. 14. Gasturbine mit Rotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite der Turbinenscheibe zwei Dichtungsstellen angeordnet sind und der Zwischenraum zwischen den beiden Dichtungen mit außerhalb z. B. der Atmosphäre oder der in die Atmosphäre führ@iiden Abgasleitung verbunden ist. Angezogene Druckschriften: F ranzösiche Patentschrift Nr. 845 65a.