-
Laufrad für Verbrennungsturbinen mit Kühleinrichtung Die Erfindung
bezieht sich auf ein Laufrad für Verbrennungsturbinen, deren in der Laufradscheibe
befestigte Schaufelfüße zu Schaufelträgern vergrößert sind, an denen ein kreisender,
an den wassergekühlten Gehäusewänden immer wieder gekühlter Gas-; insbesondere Luftstrom
die von den heißen Turbinenschaufeln nach der Laufradnabe strebende Wärme dadurch
abfängt, daß jeder Schaufelträger mit Kühlkanälen versehen ist, durch welche auf
jeder Laufradseite das kreisende Kühlgas radial von innen nach außen strömt, um
an den gekühlten Gehäusewandungen umgekehrt von außen nach innen zurückzukehren.
-
Bei der bekannten Laufradausführung dieser Art stehen die Laufradräume
zu beiden Seiten des Laufrades durch die Hohlräume der Schaufelkörper hindurch miteinander
in Verbindung. Da nun auch bei, sogenannten Gleichdruckrädern, um eine gute Ausfüllung
der Schaufelkanäle zu erreichen; mit etwas Überdruck gearbeitet wird, so daß im
Laufradraum auf der Aufschlagseite ein höherer Druck herrscht als auf der Abströmseite,
wird ein Teil der heißen Treibgase seinen Weg durch die Schaufelkörperhohlräume
von der einen Seite des Laufradraumes zur anderen nehmen. Dadurch wird nicht nur
die Kühlung beeinträchtigt, sondern es wird auch ein' Teil der Treibgase seiner
Aufgabe, im Schaufelkranz Arbeit zu leisten, entzogen.
-
Dieser Nachteil wird nach der Erfindung dadurch vermieden, daß die
Kühlkanäle im Schaufelträger durch in Richtung der Mittelebene des Turbinenlaufrades
bzw. des Schaufelkranzes verlaufende Wände für die beiden Laufradseiten voneinander
getrennt sind.
-
Die Zeichnung stellt an einem Beispiel die'Erfindung dar.
-
Abb. r zeigt einen Längsschnitt in Richtung der Turbinenachse durch
das halbe Laufrad mit umgebendem Gehäuse,
Abb. 2 eine einzelne Schaufel
mit ihrem Schaufelträger in perspektivischer Ansicht, Abb.3 einen Querschnitt eines
Teiles des Schaufelkranzes in größerem Maßstab; Abb.4 einen Schnitt nach der gebrochenen
Linie A- A in Abb. 3.
-
Die von innen nach außen hin an Wandstärke abnehmende Laufradscheibe
i ist an ihrem Umfang, wie Abb. 3 zeigt, mit parallel zu ihrer Achse verlaufenden,
sich nach innen verjüngenden, tannenbaumförmigen Einschnitten?, versehen, deren
Mittelebenen zur Achse der Scheibe radial gerichtet sind. Diese Einschnitte :2 dienen
zur Befestigung der Schaufelträger im Laufrad und sind hierfür an ihren Seitenflächen
mit mehreren in der Achsenrichtung verlaufenden Zähnen 3 und Zahnlücken versehen,
in welch letztere Zähne 6 am Fußstück 5 je eines Schaufelträgers 7 eingreifen. Die
Schaufelträger 7, welche die Schaufeln 4 mit den Fußstücken 5 verbinden, bilden
kastenförmige Ventilationszellen eines Zentrifugalgebläses, die durch Mittelwände
18 für beide Laufradseiten voneinander getrennt sind, wie aus den Abb. 2, 3 und
4 ersichtlich ist. Die Seitenwände 7a von zwei benachbarten Schaufelträgern
sind derart aneinandergereiht, daß sie zwei stetige Ringwände bilden, die sich in
glattem Übergang den Seitenflächen der Laufradscheibe i anschließen. Die beiden
einander gegenüberliegenden Seitenwände 7a je eines I-förmigen Schaufelträgers
sind durch Querwände bildende, radiale Stege 71' verbunden, die von der Wurzel 411
einer Schaufel 4 bis zum Fußstück 5 reichen. Die Abb.3 zeigt ferner, daß je zwei
Schaufelträger 7 mit ihren Fußstücken 5 in eine ihnen gemeinsame tannenbaumförmige
Aussparung 2 der Laufradscheibe eingreifen und in ihr durch die Verzahnung festgehalten
sind. Die radial verlaufende Teilfuge 9 von je zwei benachbarten Schaufelträgern
fällt dabei in die Mittelebene einer der Aussparungen .2 der Laufradscheibe, während
die Teilfuge io zwischen je zwei einander benachbarten Schaufelträgerpaaren immer
in die Mittelebene eines Teiles ia der Laufradscheibe fällt. Die Stege 7b bilden
mit den Seitenflächen 7a der Mittelwand 18 sowie mit den Fußflächen 4a der
Schaufeln 4 und mit den Flächen der Teile ia der Laufradscheibe die erwähnten Ventilationszellen
B. Die Ventilationszellen 8a werden durch die Stege 7b, die Seitenflächen 7a und
die Fußflächen 4a begrenzt. Die Zellen 8 stehen, wie Abb. i zeigt, durch Öffnungen
12 und z i mit den Zwischenräumen zwischen dem Laufrad und der durch Flüssigkeit
gekühlten Gehäusewand in Verbindung. Die Ventilationszellen 811 dagegen besitzen
außer den Öffnungen i2 noch radiale Bohrungen 13 im Fußstück eines Schaufelträgerpaares,
durch welche sie mit Hilfe eines axial verlaufenden Kanals 14, der zwischen den
Fußstücken der betreffenden Schaufelträger und dem Laufradkörper frei gelassen ist
und durch die Mittelstücke i9 in zwei Hälften getrennt wird, mit den Zwischenräumen
zwischen der Laufradscheibe und der mittels Flüssigkeit gekühlten ruhenden Gehäusewandung
15 in Verbindung stehen. Durch die beschriebene Teilung der Schaufelträger fällt
die Mittelebene der Bohrungen 13 mit einer der Teilfugen 9 zusammen. Die so ausgebildeten
Schaufelträger besitzen bei verhältnismäßig geringem Gewicht eine hohe Festigkeit
und bieten dem hindurchströmenden gasförmigen Kühlmittel eine große Oberfläche für
die Wärmeübertragung dar.
-
Zur Herstellung des ganzen Schaufelaufbaues werden die Schaufelträger
7 zweckmäßig paarweise in die tannenbaumförmigen Aussparungen 2 der Laufradscheibe
i von der Seite her mit so viel Spiel eingeschoben, als dies für Wärmedehnung unter
Berücksichtigung der Betriebstemperatur nötig ist.
-
Die vom Treibgasstrom bespülten Schaufeln 4 sind nach außen hin in
bekannter Weise durch eine Deckplatte 4b und am Fußende durch die Fußplatte 4.a
begrenzt. Die Deckplatten und die Fußplatten einander benachbarter Schaufeln legen
sich, wie Abb.4 zeigt, zu geschlossenen Bändern zusammen, wodurch die Schaufelkanäle
entstehen. Um das Gewicht der Schaufeln zu verringern, sind von außen in ebenfalls
bekannter Weise radiale Bohrungen 3o vorgesehen, die aber nur je bis zur Fußplatte
4a reichen, also von den Ventilationszellen 8 und 811 getrennt sind. Dadurch und
durch die verhältnismäßig geringen Querschnitte der Schaufelträger 7 wird erreicht,
daß der von den Schaufeln radial zur Drehachse der Scheibe nach innen gerichtete
Wärmefluß verhältnismäßig geringe Materialquerschnitte vorfindet und dadurch möglichst
eingedämmt wird, während andererseits der beständig durch die Zellen 8 und 811 hindurchgehende
Strom des gas- oder dampfförmigen Kühlmittels verhältnismäßig große Flächen vorfindet;
an denen er Wärme aufnehmen kann. Ein Teil dieses Kühlstroms tritt von jeder Seite
durch die in axialer Richtung verlaufenden Kanäle 14 bis zur Mittelwand i9 ein und
dann durch. die radialen Bohrungen 13 in die Ventilationszellen 8a über, während
ein anderer Teil durch die Öffnungen i i in die Zellen 8 gelangt; durch die außenliegenden
Öffnungen 12 treten beide Teilströme aus den Zellen 8, 811 wieder aus. In den Zwischenräumen
zwischen den Schaufelträgern 7 und den flüssigkeitsgekühlten Gehäusewandungen 15
strömt das nun erwärmte gas- oder dampfförmige Kühlmittel nach innen, wobei es sich
an den erwähnten Wänden 15 abkühlt, um dann von neuem in die Eintrittsöffnungen
14 und i i einzudringen. Auf diese Weise werden fortwährend die gas- oder dampfförmigen
Kühlmittel an den Schaufelträgern erwärmt und an den flüssigkeitsgekühlten Gehäusewandungen
15 wieder abgekühlt. Dadurch wird erreicht, daß die von den hocherhitzten Schaufeln
4 nach der Laufradscheibe hin abströmende Wärme im wesentlichen schon von den Schaufelträgern
7 abgeführt wird, so daß der äußere Kranz der Laufradscheibe nur eine mäßige Erwärmung
erfährt, die durch eine bekannte Kühlung der Laufradscheibe, bei der kreisende Kühlgasströme
die Wärme an die gekühlten Gehäusewandungen übertragen, beherrscht werden kann.
Auf
die beschriebene Weise kann der in Umfangsrichtung zusammenhängende Teil der Laufradscheibe,
also derjenige Teil, der innerhalb der tannenbaumförmigen Einschnitte liegt, auf
mäßiger, innen und außen nahezu gleicher Temperatur gehalten und gefährliche Tangentialspannungen
können vermieden werden. Dadurch ist es möglich, wie Versuche bewiesen haben, derart
ausgebildete und gekühlte Laufräder bei Schaufeltemperaturen von etwa 65o° C noch
mit Umfangsgeschwindigkeiten von 35o bis 400 m/s zu betreiben. Die Stutzen 2z und
22 dienen für die Zu-und Abführung der Kühlflüssigkeit.
-
Statt der geschlossenen Kanäle der Schaufelträger 7 für das Kühlgas,
besonders die Kühlluft, können sie auch mit nach dem Laufradraum offenen Kanälen
versehen sein.