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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.