DE918667C

DE918667C - Einkraenziges Turbinenlaufrad mit Innenkuehlung

Info

Publication number: DE918667C
Application number: DED14649D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Christian Schoerner
Original assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Current assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Priority date: 1940-05-15
Filing date: 1940-05-15
Publication date: 1954-09-30

Description

Einkränziges Turbinenlaufrad mit Innenkühlung Sollen hochbeanspruchte schnelläufige Gasturbinen mit Gasen oder Dämpfen hoher Temperatur beaufschlagt werden, wie z. B. eine Abgasturbine von den Abgasen eines Ottoflugmotors, so ist eine Kühlung der Laufschaufeln unbedingt notwendig. Eine aussichtsreiche Lösung mit Luft als dem überall verfügbaren Kühlstoff stellt das Turbinenrad mit besonders ausgebildeten, hohlen Schaufeln dar, wobei die Förderung der Kühlluft durch Scheibe und Schaufelung am einfachsten durch die Schleuderwirkung beim Umlaufen erfolgt.
Die bisher bekanntgewordenen Lösungen für den Bau solcher meist einkränzigen Laufscheiben sehen die Zweiteilung der Scheibe in ihrer Mittelebene vor, so daß entweder Schaufeln mit Hammerkopffuß zwischen beiden Schaufelhälften hängend von dem überragenden Bord des Kranzes der Scheibenhälften erfaßt werden oder Schaufeln mit Lavalfuß von der Stirnseite der Scheibe her durch beide Hälften eingeschoben werden. Da aber die Zufuhr der Kühlluft in einem ausreichend großen Saugmundquerschnitt für eine der beiden Scheibenhälften eine durch andere Maßnahmen kaum auszugleichende Schwächung bedeutet, die beiden Hälften also infolge ihrer verschiedenen Verformungssteifigkeit von der Randlast der Schaufelung ziemlich unterschiedliche Anteile aufnehmen werden und außerdem sowohl durch den vorhandenen Temperaturunterschied zwischen Scheibenrand und Scheibenmitte als auch durch verschiedene Beheizung der äußeren Stirnseite abhängig vom Einbau der Scheibe in dem Gehäuse sich zusätzlich verschiedene Spannungen überlagern, sind keine besonders günstigen Verhältnisse geschaffen, die die größtmögliche Ausnutzung des Baustoffs zur Folge haben und eine weitere Leistungssteigerung durch Drehzahlerhöhung zulassen.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß an der dem Gaseintritt abgewandten Seite des als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildeten LaufradesEinfräsungen vorgesehen sind, durch welche die Kühlluft mit möglichst geringen Strömungsverlusten zu den zeitlich eingeschobenen Hohlschaufeln gelangt, daß ferner die entstandenen Förderkanäle durch eine dünnwandige Deckscheibe mit Eintrittsleitapparat abgedeckt werden und daß diese Deckscheibe durch eine elastische Bördelschweißung mit der Trägerscheibe verbunden ist.
Ein Ausführungsbeispiel zeigen die Abb. i und 2. Abb. i ist ein Schnitt durch das Laufrad, Abb. 2 ist eine Ansicht auf die dem Gaseintritt abgewandte Stirnseite des Endes ohne die Abdeckung der Kühlluftförderkanäle.
Die gesamte Fliehkraftrandlast der Schaufelung wird durch eine Trägerscheibe i aufgenommen. Diese ist als Scheibe gleicher Festigkeit ohne Mittelloch ausgeführt und besitzt am äußeren Rand unterhalb der Nuten für die seitlich eingeschobenen Schaufelfüße Ausfräsungen 2 für den Durchtritt der Kühlluft zu den hohlen Turbinenschaufeln 3. Es können auch radiale Leitschaufeln 4 ähnlich denen des normalen Schleuderladers an dem Scheibenkörper angefräst sein und dessen Steifigkeit erhöhen. Die Kühlluftförderkanäle werden längs der einen Stirnseite der Scheibe, an der die erwähnten Leitschaufeln sitzen und von der aus auch die Ausfräsungen zu den Schaufelfüßen ausgehen, durch eine leichte Deckscheibe 5 abgedeckt; diese besitzt einen Leitapparat 6 für den stoßfreien Eintritt der angesaugten Kühlluft zu den radialen Förderkanälen. Die Befestigung erfolgt in der Scheibenmitte durch einen zentrierenden Schraubenbolzen 7 und am äußeren Rand durch Schweißung außerhalb einer dichtenden Zwischenlage beispielsweise eines Kupferringes 8 längs eines angedrehten dünnen und elastischen Bördels 9 an der Trägerscheibe i und Deckscheibe io. Die Deckscheibe kann gegebenenfalls auch noch an den radialen Leitrippen der Trägerscheibe durch Schweißung festgehalten werden. Auf besondere Beweglichkeit der Deckscheibe am äußeren Rand durch die im Betrieb gegenüber der Trägerscheibe auftretenden andersartigen Wärmeeinflüsse bzw. verschiedenen mechanischen Belastungen ist durch die weitgehende weiche Gestaltung geachtet. Da die Lebensdauer solcher Läufer bei gegebenen hohen Treibgasternperaturen im wesentlichen durch den Kühlluftdurchsatz bestimmt ist, dieser aber von der Betriebsdrehzahl und der Ansaugdichte abhängt und außerdem durch Strömungsquerschnittbeschränkungen zugunsten der Tragquerschnitte der Scheibe eingeengt ist, müssen alle Maßnahmen ergriffen werden, um den Kühlluftdurchsatz so groß wie möglich zu gestalten, wozu die Schaffung günstiger Kanäle für die Kühlluftförderung und das Abdecken derselben unbedingt erforderlich ist. Die vorgeschlagene Gestaltungsvorschrift gibt hierzu die nötigen Angaben in Verbindung mit einer Trägerscheibe, die trotz leichten Gewichts hohen Betriebsanforderungen gewachsen ist.
Bekanntlichsind die einkränzigenLäuferscheiben der Abgasturbinen an Ottoflugmotoren fliegend angeordnet, da das austretende große Treibgasvolumen bei Expansion in großen Höhen auch große Austrittsquerschnitte verlangt und die Lagerung des Läufers möglichst entfernt von den heißen gasbespülten Teilen angeordnet wird. Dies hat zur Folge, daß die Stirnseite der Laufscheibe bedeutend kälter ist als die freie Stirnseite, die in der Regel vom expandierenden Treibgas bespült werden kann, wenn nicht besondere Maßnahmen oder eine Bespülung mit Luft vorgesehen sind. Während bei den bekannten Bauarten der Scheiben die eine Scheibenhälfte an der Lagerseite einigermaßen gleichartige Temperaturen an ihren Stirnseiten besitzt, ist also die durch den Kühlluftsaugmund geschwächte andere Scheibenhälfte auch noch der einseitigen Beheizung durch die expandierten Abgase ausgesetzt. Diese Mängel werden dadurch durch den Erfindungsgegenstand vermieden, daß die hochbeanspruchte Trägerscheibe an ihren Stirnseiten kaum beheizt wird und die lediglich sich selbst tragende Deckscheibe ohne Randlast unter den einseitigen Wärmeeinflüssen laufen muß. Zu diesem Zweck ist sie so dünn wie möglich gebaut, und die Verbindung am äußeren Rand, d. h. an der Stelle der höchsten Temperatur, mit der Trägerscheibe erfolgt längs eines elastischen, verschweißten Bördels. Als weiterer Vorteil ist zu erwähnen, daß die Trägerscheibe infolge der Abschirmung an den Stirnseiten gegen die heißen Treibgase weit weniger durch Wärmespannungen beansprucht werden wird, zumal sie außerdem die am äußeren heißen Rand auftretenden gefährlichen tangentialen Druckspannungen durch die Kühlluftschlitze unterhalb der Nuten weitgehend vermeidet.

Claims

PATENTANSPRUCH: Einkränziges Turbinenlaufrad für hohe Umfangsgeschwindigkeiten und Treibmitteltemperaturen mit inneren, für die Förderung von Kühlluft geeigneten Hohlräumen zur Versorgung der am Kranz sitzenden hohlen Laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Gaseintritt abgewandten Seite des als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildeten Laufrades Einfräsungen vorgesehen sind, durch welche die Kühlluft mit möglichst geringen Strömungsverlusten zu den seitlich eingeschobenen Hohlschaufeln gelangt, daß ferner die entstandenen Förderkanäle durch eine dünnwandige Deckscheibe mit Eintrittsleitapparat abgedeckt werden und daß diese Deckscheibe durch eine elastische Bördelschweißung mit der Trägerscheibe verbunden ist.