DE943328C

DE943328C - Waermeschutzeinrichtung fuer den staehlernen Laeufer einer Gasturbine mit hohen Treibmitteltemperaturen

Info

Publication number: DE943328C
Application number: DEM8293A
Authority: DE
Inventors: Christian Schoerner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1951-01-20
Filing date: 1951-01-20
Publication date: 1956-05-17
Also published as: US2810544A; CH295196A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 17. MAI 1956

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Die Erfindung befaßt sich mit der Wärmeschutzeinrichtung der stählernen Tragelemente (Scheiben oder Trommeln) eines axial durchströmten ein- oder mehrstufigen Turbinenläufers, der für sehr hohe Treibmitteltemperaturen vorgesehen ist und deshalb Laufschaufeln aus keramischen Sonderwerkstoffen oder gleich geeigneten Massen besitzt. Die Notwendigkeit solcher Maßnahmen ergibt sich aus der bekannten, mit zunehmender Temperatur ständig größer werdenden Unterlegenheit metallischer Werkstoffe hinsichtlich der Dauerstandfestigkeit, andererseits aber auch aus dem thermodynamischen Streben, eine Abwanderung von thermischer Energie, die für die Erzeugung mechanischer Arbeit geeignet ist, weitgehend einzuschränken.

Bei den harten Betriebsbedingungen am heißen, schnell umlaufenden Kranz des Turbinenlaufkörpers ist die betriebssichere Gestaltung einer wirksamen Wärmedämmzone an der Oberfläche sehr schwierig. So wurde bereits vorgeschlagen, die den heißen Gasen ausgesetzte Oberfläche einer radial beaufschlagten Laufscheibe mit Lamellen, welche unter Anwendung von Distanzstücken mit Schrauben oder Nieten befestigt sind, zui versehen, um zwischen den Lamellen eingeschlossene, ruhende Gasschichten zu bilden. Eine derartige Befestigung weist jedoch infolge ihrer Störungsanfälligkeit große Nachteile auf. Man hat auch schon versucht, einen Wärmeschutz dadurch zu erreichen, daß man in den Schaufeln mittels Längs- und Querbohrungen

hergestellte V-förmige KJühlkanäle anordnete, die an der Schaufeloberfläche zum Abschluß gegen den Treibgasraum mit einem Deckel verschlossen wurden. Eine solche Ausführung ist jedoch sehr kompliziert und schwer herzustellen.

Bei einem stählernen Läufer für Gasturbinen nach der Erfindung mit Hohlräumen in der den heißen Treibgasen unmittelbar ausgesetzten Oberfläche werden die Nachteile der bekannten, mit ίο Wärmeisolierungen versehenen Läufer dadurch vermieden, daß die Hohlräume durch in den Laufkörper eingearbeitete Nuten gebildet werden, deren Begrenzungswände spanlos so verformt sind, daß eine Einengung oder ein völliger Abschluß der Nuten nach dem Treibmittelraum hin erzielt wird. ' Die Erfindung gestattet somit die Herstellung einer betriebssicheren Wärmeschutzeinrichtung mit einfachen Mitteln. An sich ist auch eine Gasturbine bekannt, in der zur Verringerung des Wärmeübergangs vom Treibgas zu den Wänden die Gasströmung in Wandnähe verzögert und dadurch die Wärmeisolierung des Läufers unterstützt wird'. Zur Verzögerung der Strömung in Wandnähe wird hierbei die Anordnung von Nuten oder Einkerbungen as in den Wänden empfohlen. Die Anordnung von Nuten lediglich zum Zwecke der Verzögerung der Strömung an den Wänden ist aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wonach, die Nuten in erster Linie dazu dienen, dem Wärmefluß von der Läuferoberfläche nach dem Innern einen größeren Widerstand entgegenzusetzen, der im wesentlichen durch die Dicke der zwischen den Nuten verbleihenden Stege bestimmt ist.

Die Nuten können nun bei einem Läufer nach der Erfindung je nach den örtlichen Bedingungen etwa in axialer und/oder in Umfangsrichtung verlaufen. Ihr Abstand voneinander ist so zu bemessen, daß ein zuverlässiger mechanischer Zusammenhang mit dem Laufkörper gewährt bleibt. Die Verformung der Begrenzungswände kann in einfacher Weise durch Umwälzen der äußeren Enden der zwischen den Nuten verbleibenden Stege vorgenommen werden, wonach dann in der Oberfläche Hohlräume mit praktisch ruhenden Gasschichten entstanden sind. Diese ergeben zusammen mit den verringerten Wärmeleitquerschnitten zum massiven Scheibenteil einen wirksamen Abbau der Kranztemperaturen von dem Wert, der durch die Treibmittelströmung gegeben ist, auf genügend tiefere Werte im tragenden Teil, die zur Bereitstellung einer ausreichenden Dauerhaltbarkeit notwendig sind. Damit werden auch die Wärmespannungen im tragenden Teil des Läufers, namentlich beim Anfahren und bei schnellem Lastwechsel kleiner. Selbst in dem Fall der Innenkühlung eines Trommelläuifers durch einen Wasserring, seien die Laufschaufeln ungekühlt und aus keramischem Werkstoff -oder aus Stahl und durch Sacklöcher an diesen Kühlmantel angeschlos- · sen, rufen bekanntlich die Wärmespannungen durch den schroffen Temperaturunterschied in der Trommelwand (bis auf die Kühlmitteltemperatur) eine beachtliche Einengung der Gestaltungsfreiheit hervor. Durch Maßnahmen gemäß der Erfindung läßt sich die Trommelwandstärke auch dicker ausführen, wodurch der Laufkörper tragfähiger wird. Die Eil· haltung kleiner Laufspiele der Leitschautfelung gegenüber dem so geschützten Laufkörper ist durch Überschleifen der niedergewalzten Zwischenwände ohne Schwierigkeit zu beherrschen. Die beim Umwälzen der Zwischenwände entstandenen Hohlräume können auch mit einem Luftstrom beschickt werden. Die Isolierung wird dadurch in bekannter Weise erhöht, wobei die Luftschleierbildung, ausgehend von den Hohlraumspalten, nach außen den Wärmeeinfall von Seiten der vorbeiströmenden heißen Treibgase wesentlich herabsetzen kann.

In Weiterentwicklung der Erfindung kann eine Lösung der Wärmedämmaufgabe mit verstärkter Wirkung auch dadurch erreicht werden, daß die Wärmeleitquerschnitte von der beheizten Oberfläche des Gasströmungsringraumes zum tragenden massiven Läuferkern durch Kreuz- und Quernuten auf zapfenförmige Querschnitte beschränkt werden. Die Möglichkeit einer Gasströmung zwischen den entstandenen Zapfen, die eine gewisse Beeinträchtigung der angestrebten Isolierwirkung zur Folge hätte, -wird praktisch ausgeschaltet, indem die Zapfen mit einer Keramik- oder Emailschicht überzogen werden, die weitgehend den Raum zwischen den Zapfen einengt. Infolge der Drallströmung der heizenden Gashülle um den Laufkörper "herum ist durch entsprechende Richtung der Nuten die Ausbildung einer Konvektionsbewegung des Treibmittels innerhalb der noch verbleibenden schmalen Spalte möglichst vermieden und damit eine maßgebliche Herabsetzung der Isolierwirkung der· Schicht ausgeschlossen. Durch die weitgehende Unberührtheit der Zapfen vom Spannungszustand der Tragscheibe oder Trommel kann bei einer angenäherten Anpassung der Dehnungseigenschaften des Überzuges an die Daten des Stahlwerkstoffes eine zuverlässige Haltbarkeit der Wärmedämmschicht sichergestellt werden.

Schließlich kann man auch durch einen aushärtenden hitzebeständigen Kitt ''mit Wärmeschutzcharakter und passenden Dehnungseigenschaften den gesamten Zwischenraum zwischen den Zapfen ausfüllen, so daß die Wärmedämmschicht an der Läuferoberfläche nahezu vollkommen ist.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbei- iiospiele von Wärmedämmschichten gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι einen Schnitt durch einen Teil eines Turbinenlaufrades,

Fig. 2 einen _ Schnitt durch die Wärmedämmschicht eines Läufers, teilweise mit umgebogenen Zwischenwänden,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine anders gestaltete Wärmedämmschicht, teilweise mit umgebogenen Zwischenwänden,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil des Läuferkranzes mit Längs- und Quernuten und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Wärmedämmschicht mit Längs- und Quernuten.

Bei dem Turbinenlaufrad nach der Fig. 1 sind in Umfangsnuten 1 die Schaufeln 2 angeordnet. An

der Scheiben- oder Trommelmantelfläche sind die Wärmedämmschichten, vor und hinter bzw. zwischen den Schaufelkränzen mit 3 und ihre Stärke mit χ bezeichnet. In die genannten Oberflächen sind Ringnuten 4 (Fig. 2) eingearbeitet, deren stehenbleibende Zwischenwände 5 in ihrem äußeren Teil umgebogen sind und in diesem Zustand Hohlräume 6 bilden, die entweder eine stehende Gasschicht enthalten oder durch die Kühlluft geleitet wird.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind die Zwischenwände 7 mit zwei Lappen 8 und 9 versehen, die nach entgegengesetzten Seiten umgebogen werden und zusammen mit den Lappen 8 und 9 der Nachbarwand den oberen Abschluß der Hohlräume 10 bilden. Die Hohlräume 6 und 10 verlaufen je nach der Ausbildung der Nuten quer zur Längsachse des Läufers oder parallel zu dieser.

Bei der Ausführung der Wärmedämmschicht nach Fig. 4 und 5 sind Quer- und Längsnuten 11 und 12 angeordnet, die die Dämmschicht in einzelstehende Zapfen 13 aufteilen. Die Zapfen 13 sind mit einem wärmebeständigen Überzug aus keramischem Material, Email u. dgl. versehen, wobei die Nuten 11 und 12 bis auf schmale Spalten eingeengt werden (Fig. 5). Gegebenenfalls kann man die Nuten 11 und 12 auch ganz mit einer hitzbeständigen, isolierenden Schicht ausfüllen.

Die Herstellung der Wärmedämmschicht nach der Erfindung ist denkbar einfach und hat den großen Vorzug, daß lose Abschirmelemente vermieden werden, deren sichere Befestigung am Läufer wegen der hohen Drehzahlen oft sehr schwierig ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Wärmeschutzeinrichtung für stählerne Läufer von Gasturbinen mit hohen Treibmitteltemperaturen mit einer in der Oberfläche zwischen den Turbinenschaufeln durch Hohlräume gebildeten Wärmedämmschicht, insbesondere für Läufer mit keramischen Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der dem heißen Treibgas unmittelbar ausgesetzten Oberfläche des Läufers vorgesehenen Hohlräume (6, 10) durch in den Läuferkörper eingearbeitete an sich bekannte Nuten (4 bzw. 11, 12) gebildet werden, deren Begrenzungswände (5 bzw. 8, 9) spanlos so verformt sind, daß eine Einengung oder ein völliger Abschluß der Nuten nach dem Treibmittelraum hin erzielt wird.
2. Wärmeschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten etwa in axialer und/oder in Umfangsrichtung, insbesondere zwischen den einzelnen Laufradgittern einer mehrstufigen Gasturbine vorgesehen sind.
3. Wärmeschutzeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Hohlräume (6, 10) in an sich bekannter Weise Kühlluft geleitet wird.
4. Wärmeschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Einengung des Nuitenquerschnittes auf die Wände (5) oder die Zapfen (13) zwischen den Nuten (4 bzw. 11, 12) keramische Überzüge aufgebracht sind.
S- Wärmeschuttzeinrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (4 bzw. 11, 12) zwischen den Wänden (5) und den Zapfen (13) vollständig von keramischgebundenem Überzugsmaterial ausgefüllt sind.
6. Wärmeschutzeinrichtuing nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (4 bzw. 11, 12) und Hohlräume (6, 10) etwa senkrecht zur Relativbewegungsrichtuing des heißen Treibgasstromes an der Oberfläche des Läufers verlaufen, damit die Ausbildung einer Konvektionsströmung des Treibmittels innerhalb der verbleibenden schmalen Spalten oder Hohlräume verhindert wird.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 800800, 716062, 837, S6309²·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 S04 5.56