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Kühlung von Abgasturbinen Die Erfindung bezieht sich auf die Kühlung
von Abgasturbinen, bei denen ein Teil des Schaufelkranzes des Turbinenrades durch
Kühlluft beaufschlagt wird. Die Erfindung besteht darin, daß neben der Beaufschlagung
bis ungefähr 1/s des Schaufelkranzes des Turbinenrades durch Kühlluft gleichzeitig
die Außenseite oder Innenseite oder die Außenseite und Innenseite des Läufers insbesondere
ebenfalls durch Kühlluft zusätzlich gekühlt wird.
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Bekannt ist es bereits, teilweise beaufschlagte Verbrennungsturbinen
dadurch zu kühlen, daß ungefähr 1/c des Schaufelkranzes mit Kühlluft beaufschlagt
wird. Es ist ferner bei Gasturbinen bereits bekannt, durch das Innere des Laufrades
oder an der Außenseite des Laufrades entlang und weiterhin- durch die hohl ausgebildeten
Laufschaufeln öder außen an den Laufschaufeln vorbei ein gasförmiges Kühlmittel
strömen zu lassen, das sich mit den Verbrennungsgasen mischt und hierauf die Leit-
und Laufschaufeln der nachfolgenden Stufen beaufschlagt. Diesem Bekannten gegenüber
besteht die Erfindung darin, daß beide Kühlarten gleichzeitig zur Anwendung kommen.
Sie beruht auf der Erkenntnis, daß eine Abstimmung der Kühlung durch Teilbeaufschlagung
des Laufrades mittels Kühlluft und durch,Kühlung des Läufers auf seiner Innen- und
Außenseite oder auf beiden Seiten zu einem Bestwert der Kühlung-bei einem entsprechenden
geringen Leistungsaufwand für die Kühlung führt.
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Zur Erreichung einer bestimmten Kühlwirkung; d. h. also z. B. zur
Einhaltung einer bestimmten Schaufeltemperatur, muß bei der gleichzeitigen Anwendung
der beiden oben beschriebenen Kühlarten weniger Leistung aufgewandt werden als bei
An= wendung jeder der beiden Kühlsysteme allein für sich. Dies hat seinen Grund
in folgendem: Im Falle
der Teilbeaufschlagung allein strömt die
Kühlluft nur an den heißesten Stellen, den Schaufeln vorbei, also insgesamt an einer
verhältnismäßig kleinen Fläche, so daß man eine große Kühllüftmenge vorbeitreiben
muß, damit die Kühlwirkung ausreicht.
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Im Falle der Läuferkühlung allein hat man zwar eine größere, Wärme
an die Kühlluft abgebende Fläche zur Verfügung, dafür werden die heißen Schaufeln
nicht mit kalter Kühlluft, sondern bereits mit erwärmter beaufschlagt, so daß man
aus diesem Grunde auch eine große Luftmenge benötigt.
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Bei der Kombination hingegen kommt man durch entsprechende Abstimmung
der Teilbeaufschlaggungskühlung_ zur Läuferkühlung in das Gebiet eines Optimums,
wo sich die Vorteile beider Systeme günstig überlagern.
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Die Erfindung zeigt weiterhin den Vorteil, -daß eine Teilbeaufschlagung
der bereits .durch Innenkühlung gekühlten Schaufel mit einem Kühlmittel auf einem
verhältnismäßig kleinen Umfangsteil des Schaufelkranzes, nämlich bis ungefähr 1/s,
eine erhebliche Verbesserung der Kühlung ohne oder nur unter unwesentlicher Vergrößerung
der Länge der Schaufeln ergibt. Bei der bekannten Kühlung durch Teilbeaufschlagung
mit Kühlluft allein muß hierfür, um eine wirksame Kühlung zu erreichen, ein verhältnismäßig
großer Umfangsteil des Schaufelkranzes vorgesehen und zur Aufrechterhaltung der
Turbinenleistung als Ausgleich hierfür die radiale Länge der Schaufeln und damit
das Gewicht des Läufers vergrößert werden. Durch die Zusammenfassung der beiden
Kühlarten gemäß der Erfindung wird ein erheblicher technischer Fortschritt gegenüber
den bekannten Vorrichtungen ohne nennenswerte Vergrößerung des Laufgewichtes erreicht.
Die Gleichrriäßigkeit der Kühlung kann ferner noch dadurch erhöht werden, daß die
Beaufschlagüng der Schaufeln durch Kühlluft nicht in einem zusammenhängenden Sektor,
sondern an verschiedenen Stellen des Schaufelkranzes erfolgt, so daß jeweils von
Abgasen einerseits und Kühlluft andererseits beaufschlagte Schaufeln oder Schaufelgruppen
miteinander abwechseln.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
wobei Fig. i einen Längsschnitt, Fg. 2 einen Querschnitt durch die Abgasturbine
zeigt, Auf der Welle ä@ ist frei tragend das Turbinenrad b- angeordnet. Die zum
Antrieb der Turbine benutzten Abgase werden ' bei g zugeführt und strömen nach Durchtritt
durch die Schaufeln h -bei i z. B. ins Freie ab. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, werden
jedoch nur ungefähr fünf Sechstel B des Umfanges des Schaufelkranzes von den Abgasen
beaufschlagt, während das restliche Sechstel A der Schaufeln einem Kühlluftstrom
ausgesetzt ist, welcher bei k zu- und nach Durchtritt durch die in seinem Bereiche
befindlichen Schaufeln bei 1 wieder abströmt. Hierdurch sind die Schaufeln bei einer
Umdrehung des Turbinenrades nicht während der ;amen Umdrehungszeit den heißen Gasen
ausgesetzt; sondern erfahren eine zeitweise Kühlung durch den von k nach L gerichteten
Kühlstrom.
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Das Turbinenrad b ist hohl ausgebildet, so daß bei c eintretende Kühlluft
durch den Hohlraum von innen nach außen hindürchströmen kann. Im Hohlraum können
Schraubenwandungen vorgesehen sein, so daß das Turbinenrad gleichzeitig als Gebläse
für die Kühlluft dient. Die am Umfang des Rades angeordneten Schaufeln h der Turbine
sind ebenfalls hohl und als Durchtrittskanäle e für die aus dem Hohlraum d nach
außen, z. B. in eine Kammer f austretende Kühlluft ausgebildet. Gegebenenfalls kann
die nach f geförderte Kühlluft für weitere Zwecke, z. B: zum Aufladen der Brennkraftmaschine,
verwendet werden.
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Eine weitere Kühlung. der Turbine ist dadurch vorgesehen, daß ein
Kühlluftstrom durch Kanäle m in der Nähe der Welle a von außen gegen das z. B. als
Speichenrad oder mit entsprechenden Ausnehmungen versehene Turbinenrad geleitet
wird, von wo er in Form eines Luftschleiers durch die Spalträume 7i und b auf beiden
Seiten des Rades zwischen diesem und dem Gehäuse nach dem Umfang abgelenkt wird.
Von hier aus kann die Kühl-Luft, wie dargestellt, in den Abgasstrom g bis i, in
den Kühlluftstrom k, 1, in die Kammer f oder unmittelbar nach außen abgeführt werden.
Von diesem Luftstrom könnte beispielsweise auch derjenige Kühlluftstrom abgezweigt
werden, welcher die Schaufeln eines Teiles des Schaufelkranzes beaufschlagt; wie
z. B. durch den Kanal p gestrichelt angedeutet ist.
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Durch die gleichzeitige Innen- und Außenkühlung des Turbinenrades
in Verbindung mit einer Beaufschlagung eines Teilumfanges des Turbinenkranzes durch
Kühlluft wird einerseits ein Anspeichern von Wärme in der Masse des Turbinenrades
ausgeschlossen, da die Wärme sowohl nach innen als auch nach außen abströmen kann,
und andererseits werden die durch die Abgaswärme am unmittelbarsten und stärksten
beanspruchten Schaufeln durch die Teilbeaufschlagung besonders kräftig gekühlt.
Die erfindungsgemäße kombinierte Kühlung trägt daher den Wärmeverhältnissen an Abgasturbinen
in besonders geeigneter Weise Rechnung.
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Die Beaufschlagung der Schaufeln durch die Kühlluft kann statt auf
einem zusammenhängenden Sektor A des Radumfanges zu erfolgen, auch derart aufgeteilt
werden, däß die Zuführung an verschiedenen, z. B. an zwei gegenüberliegenden Stellen
oder an mehreren, insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen erfolgt,
so daß von den Abgasen einerseits und von Kühlluft andererseits beaufschlagte Schaufeln
oder Schaufelgruppen miteinander abwechseln. Hierdurch wird die gleichmäßigere Beanspruchung
der Schaufeln durch die Wärme und die Entlastung des Turbinenrades von auftretenden
thermischen und mechanischen Spannungen weiter verbessert: Die in der Zeichnung
dargestellte Kühlluftzuführung auf einem zusammenhängenden Sektor A des Radumfanges
ergibt dagegen einfachere Kanal- und Gehäuseausbildungen.
Die einzelnen
Kühlluftströme können ferner einer gemeinsamen Kühlluftquelle, z. B. dem Flugwind
bei Flugmotoren, oder auch verschiedenen Kühlluftquellen entnommen und unter gleichem
oder verschiedenem Druck zugeführt werden. Beispielsweise kann der Innenkühlstrom
auch dem z. B. dem Staudruck des Flugwindes ausgesetzten Kanal m entnommen werden,
von wo er durch Bohrungen in der Wandung des Turbinenrades in dessen Innenhohlraum
d eintreten kann. Die Kühlluftströme können ferner nach Kühlung der Turbine wieder
zu einem gemeinsamen z. B. Heizzwecken dienenden Luftstrom vereinigt oder einzeln
bzw. gemeinsam dem Abgasstrom zugeführt werden.