DE863152C

DE863152C - Kuehleinrichtung fuer Turbinenraeder

Info

Publication number: DE863152C
Application number: DEB7853D
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr-Ing Buechi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1940-09-21
Filing date: 1941-08-16
Publication date: 1953-01-15
Also published as: NL61768C; USRE23172E; CH228283A; US2364189A; FR887438A; BE442789A; GB556105A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 15. JANUAR 1953

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung an Turbinenrädern für heiße Treibgase mit mindestens auf einer Seite des Turbinenrades angeordneten Kühlgebläseschaufeln.

Es ist bekannt, Kühlluft in radialer Richtung durch durchbohrte Schaufeln in den die Schaufeln außen umgebenden Raum abzugeben. Bei einer solchen Ausbildung ist es auch bekannt, die Kühlluft gegen den Austritt oder in die Leitschaufeln der Turbine überzuleiten, wobei sie außen zu den Leitschaufeln geführt wird. Es ist auch bekannt, bei abgasturbinengetriebenen Gebläsen Gebläseluft direkt auf die Turbinenschaufeln zu leiten sowie dieselbe dort Arbeit leisten zu lassen. Ferner ist schon vorgeschlagen worden, Kühlluft zwischen dem Turbinenrad und einem mit ihm umlaufenden Gehäuse durchzuleiten, wobei diese Kühlluft zwischen den Schaufelfüßen oder im Läufer selbst angeordnete Durchtrittskanäle hindurch von der einen auf die andere Turbinenseite gelangt.

Demgegenüber besteht das Kennzeichen vorliegender Erfindung darin, daß im die Eintrittsseite der Gase abschließenden Turbinengehäuse mit Leitschaufeln versehene Umlenkungen von solcher Form und Austrittsrichtung angeordnet sind, daß mindestens ein Teil der von den Gebläseschaufeln geförderten Kühlluft in die axiale Richtung auf einen innerhalb des nur mit heißen Treibgasen be-

aufschlagten Teils der .,Laufradschaufelung gelegenen Bezirk umgelenkt wird. Die Leitschaufeln für die Kühlluft können mit solcher Richtung auf die Laufradschaufelung ausgeführt sein, daß die eintretende, durch die Läufradkühlung aber bereits erwärmte Kühlluft in sonst an sich bekannter Weise \ 'eine" Arbeitsleistung am .Turbinenrad verrichtet. Ferner kann die Umlenkung der Kühlluft aus der radialen in die axiale Richtung auch lauf radseitig ίο durch wulstförmige Abrundung des Radumfanges gefördert werden. Der nicht durch die Laufradschaufelung geführte Rest der Kühlluft oder ein Tei'l von. ahm kann mittels innerhalb der Schaufelfüße durchgehender, an sich bekannter Öffnungen von der Turbineneintrittsseite direkt zur Turbinenaustrittsseite geleitet werden. Der nicht durch die Laufradschaufelung geführte Rest der Kühlluft· oder ein Teil von ihm kann mittels zwischen den Schaufelfüßen und dem peripheren Teil des Türbinenrades angeordneter axialer öffnungen von der Turbineneintrittsseite direkt' zur Turbinenaustrittsseite geleitet werden. Ferner kann ein Teil der Kühlluft aus den Räumen zwischen den Schaufelfüßen und dem peripheren Teil des Turbinenrads durch die Turbinenschaufeln hindurch, und zwar nahe der .Eintrittskante der heißen Gase radial nach außen geführt werden.

In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen des Erfindüngsgegenstandes dargestellt.

Die Fig. ι veranschaulicht im Schnitt ein einstufiges .turbinengetriebenes. Gebläse, ,wobei auf., beiden Seiten des Turbinenrades eine Kühlgebläseschaufelung angeordnet ist;

Fig. 2, 3 und 4 zeigen Einzelheiten für die Führung des vom Kühlgebläse geförderten Kühl" mittels;

Fig. 5 stellt einen Schnitt durch ein einstufiges gasturbinengetriebenes Gebläse dar, bei welchem eine Kühlgebläseschaufelung nur am Eintrittsstirnende des Turbinenrades angeordnet ist;

Gleiche oder gleichartige Teile sind mit gleichen Zahlen bezeichnet.

In Fig. ι ist 1 ein Turbinenrad und 2 das von demselben angetriebene Gebläserad, 3 ist ein zweiteiliges, gekühltes Turbinengehäuse, welches das Gebläsenad umschließt, 4 sind dia Zuleitungen für die Gase zur Turbine, und 5 ist der Düsenring, durch welchen die Gase auf die Schaufelung 6 des Turbinenlaufrades 1 gelangen. 7 ist der Eintrittsstutzen des Gebläses und 8 das DifFusorgehäuse desselben. Das Turbinenrad 1 ist an den Lagerstellen 9 und 10 durch einen im Gebläsegehäuse feststehenden -Lagerträger 11 und die Lagerbüchse 12 einseitig gelagert. Andererseits ist das Gebläserad 2 durch die hülsenförmige Verlängerung 13 mit dem Turbinenrad ι verbunden.

Der Erfindninigsigegenstand'bezieht sich auf die in Fig. ι auf beiden Seiten des Turbinenrades 1 angeordneten Küfolgebläseschaufelunigen 14 .und 24. Durch diese Schaufelungen 14 bzw. 24 wird das von der Radnabe her eintretende Kühlmittel (Luft usw.) angesaugt und nach dem äußeren Teil· des Turbinenlaufrades gefördert]. Währenddes Durchganges 'durch die Schaufeln 14 bzw. 24 kühlt die durchgehende Luft bereits die Turbinenradscheibe 1, und diese Kühlwirkung setzt sich beim Austreten aus der Kühlgebläseschaufelung 14 bzw. 24 fort. Nachher wird die Kühlluft aus den Schaufeln 14 durch die feststehende Leitschaufelung 15 in die sich drehende Schaufelung 6 des Turbinenlaufrades 1 abgelenkt, so daß zwischen den radial weiter außen durch die Turbinenschaufelung 6 gehenden heißen Treibgasen und den eigentlichen Schaufelfüßen 19 ein Schleier von kalter Luft durchgeblasen wird. Dadurch werden nicht nur die Außenwände des Turbinenrades, die Schaufelfüße 19 und die inneren Schaufelpartien 18 gekühlt, sondern es wird auch der Wärmefluß der im äußeren Schaufelteil 6 durchströmenden heißen Gase gegen das Rad 1 hin stark vermindert und dadurch auch die außen liegenden Schaufelteile gekühlt. Durch den Trichter 16 wird die Kühlluft in einfacher Weise auf der Eintrittsseite der Turbine von außen zugeführt, wenn, wie in Fig. ι dargestellt, ein überhängend angeordnetes Turbinenrad verwendet wird.

Die von der Kühlgebläseschaufelung 24 angesaugte und geförderte Kühlluft wird durch Bohrungen 25 von außen angesaugt.

15 sind beispielsweise außerhalb des Gebläserades im festen Turbinenteil liegende bzw. dort eingesetzte Kühlluftleitschaufeln. Die Leitschaufeln 15 lenken die aus der Schaufelung 14 austretende Luft nach rechts' in den inneren Teil der Turbinenlaufschaufelung 6 um und zweckmäßig in einem solchen Winkel, daß sich eine beste Kühlwirkung ergibt oder sich noch eine Arbeitsleistung dieser Kühlluft am Turbinenrad 1 einstellt. Um eine bessere Kühlung des Laufradumfanges bzw. eine verlustlosere Umlenkung der Kühlluft zu erzielen, kann außerhalb der Kühlgebläseschaufelung 14 am Turbinenrad ι eine das Kühlmittel in die Leitschaufelung 15" besser umlenkende Verdickung 17 ein- oder beidseitig vorgesehen sein.

In der Fig. 2 sieht man an einem Turbinenschaufelsegment, das in vergrößertem Maßstab gezeichnet ist, wie und wo die Kühlluft durch die Turbinenschaufelung 6 sowie aber auch zwischen den Turbinenfüßen hmdurchströmt. Die radial innenliegenden Partien 18 der Turbinenschaufeln 6 werden durch die aus der Kühlluftleitschaufelung 15 austretende Kühlluft gekühlt. Die Füße 19 der Turbinenschaufeln 6 sind so ausgebildet dargestellt, daß in der Nähe der Nahtstellen 21 zwischen den einzelnen Schaufeln und eventuell auch teilweise am Turbinenrad 1 Hohlräume 20 entstehen, durch welche ebenfalls mindestens ein Teil der Kühlgebläseluft gegen die Austrittsseite der Turbinenschaufeln 6 geleitet wird. Dadurch werden die Schaufelfüße 19 sowie der äußere Teil des Turbinenrades 1 gekühlt. Damit die Turbinenschaufelung 6 dennoch fest auf dem Turbinenrad 1 sitzt, ist die Ausbildung so getroffen, daß sich die Turbinenschaufeln jeweils außen an den Flächen 21 berühren. Bei einer Ausbildung der .Schaufelfüße 19 nach Fig. 2 können beispielsweise auch die zylindrischen

Schaufelwurzeln22 noch durch die Löcher 23 durchbohrt sein. Durch solche Löcher 23 wird ein weiterer Teil der Gebläsekühlluft 'Streichen und die Schaufel wurzeln 19 direkt bzw. das Turbinenrad 1 noch indirekt zusätzlich kühlen. Durch die Kühlung wird nicht nur eine Herabsetzung der Temperatur des Turbinenrades und der Schaufelfüße erreicht, wodurch diese Teile auch bei hoher Treibgastemperatur noch eine höhere Materialfestigkeit bewahren, sondern es wird dadurch wegen der geringeren Wärmeausdehnung der ineinandergepaßten Teile eine kleinere Beanspruchung derselben und ein besseres Zusammenhalten erzielt. Die Kühlgebläseschaufeln 14 sind aus Festigkeitsgründen am zweckmäßigsten als radiale Rippen ausgebildet. Diese verbürgen die kleinste Turbinenradbeanspruchung und, wenn sie aus einem Stück mit dem Turbinenrad 1 bestehen, auch einen maximalen Wärmeübergang. Durch die durch diese Schauf elung 14 bzw. 24 strömende Luft wird das Turbinenrad ι bereits gekühlt.

In der Fig. 3 sieht man die feststehende Leitschaufelung 15 für das Umlenken der Kühlluft zu der Turbinenlaufschaufelung 6 von der Turbinenradseite aus sowie die für den. Eintritt der heißen Gase bestimmten, radial außerhalb liegenden Düsenschaufeln 5 für das Treibmittel der Turbine.

Ein Teil Kühlluft kann auch durch in den Turbinenschaufeln 6 angebrachte Bohrungen, die z. B.

die Kühlluft aus den Hohlräumen 20 oder sonstwie empfangen, geleitet werden. Dadurch werden die Schaufeln 6 über ihre ganze Länge noch zusätzlich und direkt gekühlt.

In der Fig. 4 sieht man an einem Turbinenschaufelsegment, das in größerem Maßstab gezeichnet ist, wo die Kühlluft durch die Turbinenschaufelung 6 sowie aber auch zwischen den Turbinenfüßen hindurchströmt. Die inneren Partien 18 der Turbinenschaufeln 6 werden durch die aus der Leitschaufelung 15 austretende Kühlluft gekühlt. Die Füße 19 der Turbinenschaufeln 6 sind so ausgebildet, daß in der Nähe der Nahtstellen 21 zwischen den einzelnen Schaufeln und am Turbinenrad ι Hohlräume 20 entstehen, durch welche ebenfalls mindestens ein Teil der Kühlgebläseluft gegen die Austrittsseite der Turbinenschaufeln 6 geleitet wird. Dadurch werden die Schaufelfüße 19 sowie der äußere Teil des Turbinenrades 1 gekühlt. Damit die Turbinenschaufelung 6 dennoch fest auf dem Turbinenrad 1 sitzt, ist die Ausbildung so getroffen, daß sich die Turbinenschaufeln jeweils auf Flächen 21 berühren. Bei einer Ausbildung der Schaufelfüße nach Fig. 4 können beispielsweise auch die zylindrischen Schaufelwurzeln 22 noch mit Löchern 23 versehen sein. Durch solche Löcher 23 wird ein weiterer Teil der Gebläsekühlluft streichen und das Turbinenrad 1 noch zusätzlich kühlen. Durch die Kühlung wird nicht nur eine Herabsetzung der Temperatur des Turbinenrades und der Schaufelfuße erreicht, wodurch diese Teile noch eine höhere Materialfestigkeit bewahren, sondern es wird dadurch wegen der geringeren Wärmeausdehnung der ineinandergepaßten Teile eine kleinere Beanspruchung derselben und ein besseres Zusammenhalten erzielt.

In der Fig. 5 ist ein einstufiges abgasturbinengetriebenes Gebläse dargestellt, wobei aber nur auf der Gaseintrittsseite des Turbinenrades 1 eine Kühlgebläseschaufelung 14 angeordnet ist.

Der Erfindungsgegenstand kann auch bei in anderen Strömungsrichtungen beaufschlagten Turbinen angewandt werden, desgleichen auch bei mehrstufigen Turbinen für einzelne oder alle Räder zur Anwendung gelangen. Er hat den großen Vorteil, daß die zur Förderung des Kühlmittels aufgewandte Energie ohne große Überleistungsverluste zu einem erheblichen Teil wieder zurückgewonnen werden kann. Wegen der durch die Kühlwirkung bereits an den Radscheiben eintretenden Erwärmung des Kühlmittels findet dies in erhöhtem Maß statt, als wenn dasselbe ohne vorherige Erwärmung von außen direkt auf die Turbinenschaufelung geleitet wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Kühleinrichtung an Turbinenrädern für heiße Treibgase mit mindestens auf einer Seite des Turbinenrades angeordneten Kühlgebläseschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß im die Eintrittsseite der Gase abschließenden Turbinengehäuse mit Leitschaufeln (15) versehene Umlenkungen von solcher Form und Austrittsrichtung angeordnet sind, daß mindestens ein Teil der von den Gebläseschaufeln geförderten Kühlluft in die axiale Richtung auf einen innerhalb des nur mit heißen Treibgasen beaufschlagten Teils der Laufradschaufelung gelegenen Bezirk umgelenkt wird.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (15) für die Kühlluft mit solcher Richtung auf die Laufradschaufelung (6) ausgeführt sind, daß die eintretende, durch die Laufradkühlung aber bereits erwärmte Kühlluft in sonst an sich bekannter Weise eine Arbeitsleistung am Turbinenrad (1) verrichtet.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung der Kühlluft aus der radialen in die axiale Richtung auch laufradseitig durch wulstförmige Abrundung (17) des Radumfanges gefördert wird.
4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht durch die Laufradschaufelung (6) geführte Rest der Kühlluft oder ein Teil von ihm mittels innerhalb der Schaufelfüße (19, 22) durchgehender, an sich bekannter Öffnungen (23) von der Turbineneintrittsseite direkt zur Turbinenaustrittsseite geleitet wird.
5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht durch die Laufradschaufelung (6) geführte Rest der Kühlluft oder ein Teil von ihm mittels zwischen den Schaufelfüßen (19) und dem peripheren Teil des

Turbinenrades angeordneter axialer Öffnungen (20) von der Turbineneintrittsseite direkt zur Turbinenaustrittsseite geleitet wird.
6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kühlluft aus den Räumen (20) zwischen den Schaufelfüßen (19) und dem pheripheren Teil des Turbinenrades durch die Turbinenschaufeln (6) hindurch, und zwar nahe der Eintrittskante der heißen Gase radial nach außen geführt wird.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 665762, 346599; schweizerische Patentschriften Nr. 205 304,

I79S52, 159497; britische Patentschrift Nr. 504781.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen