DE913836C - Innengekuehlter Hohltrommellaeufer fuer Gasturbinen - Google Patents

Innengekuehlter Hohltrommellaeufer fuer Gasturbinen

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DE913836C
DE913836C DEM1017D DEM0001017D DE913836C DE 913836 C DE913836 C DE 913836C DE M1017 D DEM1017 D DE M1017D DE M0001017 D DEM0001017 D DE M0001017D DE 913836 C DE913836 C DE 913836C
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DE
Germany
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drum
rotor
rings
ring
wall
Prior art date
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Expired
Application number
DEM1017D
Other languages
English (en)
Inventor
Dr-Ing Hans Hagen
Christian Schoerner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN AG
Original Assignee
MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Filing date
Publication date
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Application granted granted Critical
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12Cooling of plants
    • F02C7/16Cooling of plants characterised by cooling medium

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Innengekühlter Hohltrommelläufer für Gasturbinen Bekanntlich gelingt es durch die intensive Kühlwirkung und den selbsttätigen Kühlmittelumlauf bei Trommelläufern von Gasturbinen mit Kühlmittelfüllung die Wandtemperaturen von Schaufelung und Trommel so weit zu senken, daß mit gering legierten Stählen sehr hohe Treibmitteltemperaturen bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten und Durchsätzen ohne weiteres beherrscht werden können. Während bei der Schaufel wegen der beschränkten Unterbringungsmöglichkeit von Kühlmittelbohrungen im Schaft nur die dünnen Schwanzteile des Profils kühltechnisch und festigkeitsmäßig etwas benachteiligt sind, treten beim Läufer selbst infolge der in der Trommelwand durch die Kühlung entstehenden Temperaturunterschiede gewisse Gestaltungsschwierigkeiten auf; denn zu der Fliehkraftbelastung der umlaufenden Massen einschließlich der Kühlmittelfüllung ist bei der Bemessung der Querschnitte der Trommelwand auch der Einfluß der Wärmespannungen, hervorgerufen durch den obenerwähnten Temperaturunterschied zwischen der beheizten Außenseite und der gekühlten Innenseite, von großer Bedeutung, und zwar sind geringe Wandstärken von Vorteil. Die Auslegung der Läufertrommel für hohe Umfangsgeschwindigkeiten verlangt nun die Aussteifung des zylindrischen Teiles durch mach innen sich erstreckende Ringrippen, die zu beidem. Seiten der mit Kühlmittel zu versorgenden Schaufelkränze angeordnet werden. Die dabei sich ergebende, naheliegende Läuferform eignet sich zwar für kleine Läuferabmessungen, ist aber für größere Ausführungen nur unter Inkaufnahme schwerwiegender Nachteile zu verwirklichen. Denn da die Temperaturunterschiede zwischen beheizter Außenwand und gekühlter Innenwand der Läufertrommel für kleine und große Ausführungen bei gleicher Treibmitteltemperatur nahezu gleich sind, bleiben auch die Wärmespannungen nahezu dieselben. Das bedingt bei gleicher Materialfestigkeit Trommelwandstärken von gleicher Größe. Man kann also nicht mit zunehmender Läufergröße die Trommelwandung im selben Maße stärker machen. Andererseits strebt man aus verschiedenen Gründen eine kleine Stufenbaulänge an. Hierdurch kann die Breite der Versteifungsringe ebenfalls nicht im Verhältnis der Trommeldurchmesser verstärkt werden, so .daß sich bei der großen Läuferausführung sehr schlanke Versteifungsscheiben ergeben. Ein vielstufiger Läufer für mittlere und größere Turbinen muß deshalb nach diesen Gestaltungsgesichtspunkten immer zu wenig biegesteif ,ausfallen und ein schlechtes dynamisches Verhalten zeigen, so daß er im Betrieb unter dem Einfluß unvermeidlicher Schwingungsimpulse zumindest unruhig laufen wird.
  • Eine merkliche Erhöhung der Biegesteifigkeit solcher Läufer würde man durch Vereinigung je zweier zwischen"zwei Schaufelkränzen befindlicher Scheiben zu .einer einzigen dicken Scheibe erhalten. Durch die Werkstoffanhäufung an der Verbindungsstelle zwischen dicker Scheibe und dünner Trommelwand entstehen aber sehr hohe Wärmespannungen. Diese Ausführungsform kann deshalb gleichfalls den Anforderungen nicht genügen.
  • Es sind bereits G.asturbinenläufer bekanntgeworden, -die in Mehrscheibenbauart gestaltet und bei denen die Lücken zwischen den einzelnen. Schaufelkränzen durch kragenförmige Ansätze oder Zwischenstücke geschlossen wurden. Die gegenseitige Verbindung der einzelnen, im Läuferinnern durchgehenden Tragscheiben erfolgt durch Verschweißen jener kragenartigen Stege. Der Raum zwischen. der Stegverbindung der Läuferscheiben und dem Außenumfang des Läufers nach dem vom heißen Treibmittel durchströmten Arbeitsraum der Turbine hin wird bei der bekannten Ausführung durch federnd eingesetzte Plattenstücke abgedeckt; auf diese Weise entsteht ein ringförmiger Kanal, durch den Kühlluft geleitet werden kann und mittels dessen die Verbindungsstelle der vollen Tragscheiben von außen her gekühlt wird. Bei einer anderen Läuferkonstruktion, die sich gleichfalls aus einzelnen durchlaufenden Tragscheiben aufbaut, sind innerhalb, dieser Tragscheiben Kanäle :oder Ringräume vorgesehen, welche die Verteilung der Kühlluft auf die Hohlschaufeln der Laufschaufelkränze bewirken, wobei die Kühlluft durch einen offenen Spalt an der Schaufelab@strönikante ins Arbeitsmittel übertritt. Die gegenseitige Verbindung der einzelnen Scheibenteile erfolgt hierbei durch ringförmige Verbindungsstücke, welche zwischen den Fußteilen der mit den Tragscheiben verschweißten Laufschaufeln eingesetzt sind.
  • Um nun bei einem Hohltrommelläufer für Gasturbinen, welcher an der Trommelinnenwand zwischen den Laufschaufelkränzen im Bereich der Laufkranzlücken mindestens am äußeren Trommelumfang miteinander verbundene Aus.steifungsringe aufweist und der innen von einem umlaufenden flüssigen Kühlmittel zur Kühlung der Trommelwand und der Schaufelung beaufschlagt ist, untragbare Wärmespannungen zu vermeiden, sind erfindungsgemäß im Innern der Aussteifuingsringe an deren Verbindungsstelle mit der Trommelwand in Umfangsrichtung verlaufende, ringförmige Kühlkanäle angeordnet, und zwar derart, daß die außen vom Arbeitsmittel beheizten Trommelwandteile auch an der Ansatzstelle der Tragscheiben möglichst dünn und intensiv gekühlt sind.
  • Aus Herstellungsgründen und zwecks wirtschaftlicher Werkstoffauswahl ist es vielfach zweckmäßig, eine längere vielstufige Läufertrommel dieser Art aufzulösen, in einzelne, je -einen Schaufelkranz tragende Ringelemente mit U-förmigem Querschnitt, die an der Trommelaußenwand wegen des beim Umlauf im Kühlmittel herrschenden hohen Druckes druckdicht verschweißt werden. Durch das Aneinanderrücken benachbarter Aussteifungsringe entsteht auf ,diese Weise ein sehr steifer Trommeh verband, namentlich wenn es gelingt, zu der Verbindung in der Trommelaußenwand noch eine solche am Innenrand der Scheiben durch Verschweißen oder Verspannen unterzubringen. Die Verbindung derartiger Trommelversteifungsscheiben mit dem jeweils @anschließenden Nachbarring kann. durch Schränkverschluß, Verschraubung :oder Verschw eißungerfolgen. Wegen der axialen Dehnungsunterschiede der sehr stark beheizten Außenwandteile gegenüber dein kälteren inneren Scheibenteil ist die Verbindung der aneinanderstoßendenWände der Versteifungsscheiben außer an der Trommelaußenwand nur noch an einer Stelle zu empfehlen, wobei wegen der besseren Zugängigkeit die Verbindung im Innern des ringförmigen Kühlkanals bevorzugt wird.
  • Inder Zeichnung ist ein Trommelläufer nach der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Abb. r einen Längsschnitt durch einen Trommelläufer, bei dem in schematischer Weise das Grundsätzliche der Erfindung dargestellt ist, Abb.2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Trommelläufers in größerem Maßstabe, an dem bauliche Einzelheiten dargestellt sind.
  • Die hohle Läufertrommel i weist an en Stellen zwischen den Schaufelkränzen 2a--,e Versteifungsrippen 3a-3d auf, in. denen jeweils ein ringförmiger Kühlkanal 4a-44 angeordnet ist. Die Kanalringe 4a-44 stehen mittels Längsbohrungen. 5 und Radialbohrungen 6 mit dem Innern der Läufertrommel in Verbindung. Dturch die Radialbohrung 6 erfolgt in erster Linie die Abführung von Kühlmitteldampf, der sich in den Ringkanälen 4a-44 während des Betriebes gebildet hat.
  • Diese .grundsätzliche Gestaltung nach der Erfindung weist auch das Ausführungsbeispiel nach der Abb.2 auf. Die mit Kühimittelbohrungen versehenen Schaufelkränze 2a-2d sinü entweder aus einem Stück oder durch Schweißung verbunden mit dem Trommelring, welcher einen dünnwandigen zylindrischen Tei17 im Bereich der Laufschaufel und zwei radial stehende Versteifungsringe 8 und 9 umfaßt. Nach der Erfindung sind diese so ausgebildet, daß beim Zusammenfügen der Trommelringe innerhalb des äußeren Trommeldurchmessers im Bereich zwischen zwei Laufkränzen ein kühlmittelerfüllter Hohlraum 4a-4 entsteht. Die dem Arbeitsgas zugekehrten Wandstärken dieses Hohlraumes 4a-4c sind so dünn wie möglich ausgeführt, um Wärmespannungen klein zu halten. Verschiedene Möglichkeiten der Verbindung von je zwei benachbaxten Versteifungsringen 8, 9 verschiedener Trommelabschnitte sind in der Abb.2 an je einem Ringpaar dargestellt. Das erste Ringpaar zeigt eine Schränkverbindung (Bajonettverschluß) io mit Sicherung gegen Verdrehen durch Einbohren von Scherstiften i i. Beim zweiten Ringpaar sind die Ringe am Grunde des Kühlkanalringes 4v verschweißt. Der dritte Versteifungsring zeigt im eigentlichen Sinne keine Verbindung der beiden Nachbarringe, sondern hier ist gezeigt, wie der Kühlkanalring 4c aus dem aus einem Stück bestehenden Trommelläufer unter weitgehender Vermeidung von Schweißarbeit herausgearbeitet ist.
  • Die Hohlräume 4a-4° werden nach Durchführung der Verbindungsmaßnahmen bzw. nach ihrer Ausarbeitung durch ein zweiteiliges Band 12 durch Verschweißen desselben mit den anschließenden Trommelaußenwänden verschlossen. Zur vollkommenen Kühlmittelbeaufschlagung des vom Arbeitsgas außen beheizten Trommelumfanges sind die Hohlräume 4a-4e ausreichend mit Verbindungsbohrungen 5 zum übrigen Kühlmittelring und gegebenenfalls mit nach innen gehenden Abzugsbohrungen oder Nuten wie in Abb. i zur Abführung des Kühlmitteldampfes versehen.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Hohltrommelläufer für Gasturbinen, welcher an der Trommelinnenwand zwischen den Laufschaufelkränzen im Bereich der Laufkranzlücken mindestens am äußeren Trommelumfang miteinander verbundene Aussteifungsringe aufweist und der innen von einem umlaufenden flüssigen Kühlmittel zur Kühlung der Trommelwand und der Schaufelung beaufschlagt ist, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung in Umfangsrichtung verlaufender, ringförmiger Kühlkanäle (4 a-4 d) im Innern der Aussteifungsringe (8, 9) an deren Verbindungsstelle .mit der Trommelwand, daß die außen vom Arbeitsmittel beheizten Trommelwandteile auch an der Ansatzstelle(7) der Aussteifungsringe möglichst dünn und gekühlt sind.
  2. 2. Hohltrommelläufer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Trommelläufer aus einzelnen, den Schaufelkranz tragenden und U-Form besitzenden Ringen oder Ringgruppen zusammengesetzt ist.
  3. 3. Hohltrommelläufer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei. Versteifungsringe _(8,9) von, in Achsrichtung aufeinanderfolgenden Trommelringen oder Trommelringgruppen durch Schränkverschluß (i o), Verschweißen oder Verschrauben zusätzlich zu der Verschweißung der Trommelaußenwand zueinem tragenden Ganzen verbunden sind.
  4. 4. Hohltrommelläufer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Kühlkanäle (4a-4 d) nach außen durch einen eingeschweißten mehrteiligen Ring (12) verschlossen sind. Angezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschriften Nr. 223 615, 225231-
DEM1017D 1945-04-10 1945-04-10 Innengekuehlter Hohltrommellaeufer fuer Gasturbinen Expired DE913836C (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE960327C (de) * 1954-05-07 1957-03-21 Vorkauf Heinrich Gasturbine mit gekuehltem Laeufer
EP2586971A3 (de) * 2011-10-28 2017-05-24 United Technologies Corporation Abstandhalter, Rotor, Welle und Verfahren zur Orientierung des Kraftflusses während des Zusammenbaus des Rotors
US9790792B2 (en) 2011-10-28 2017-10-17 United Technologies Corporation Asymmetrically slotted rotor for a gas turbine engine

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH223615A (de) * 1939-11-21 1942-09-30 Sulzer Ag Turbine, insbesondere für Treibgase von hoher Temperatur.
CH225231A (de) * 1940-11-16 1943-01-15 Sulzer Ag Gekühlte Hohlschaufel.

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