DE956822C - Turbinenschaufel fuer den Rotor einer Turbine - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 24. JANUAR 1957

N 91331 al 4.6 f

Die Erfindung befaßt sich mit der Kühlung von Turbinenschaufeln von Gasturbinen mit Hilfe von Kühlluft od. dgl.

Die Schaufeln von Gasturbinen müssen bekanntlieh bei hohen Temperaturen arbeiten, was insbesondere an den Schaufelwurzeln zu konstruktiven und betrieblichen Schwierigkeiten führt. Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Wurzeln der Turbinenschaufein zu kühlen.

Bei den bekannten Anordnungen zur Kühlung von Turbinenschaufeln sind an den Schaufelwurzeln Kühlrippen vorgesehen, die Wärme an das vorüberströmende Kühlmittel abgeben sollen. Diese bekannten Kühlrippen können ihre Aufgabe jedoch nur schlecht erfüllen. Die an ihnen vorüberströmende Kühlluft kann, da die Rippen sich im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels erstrecken, nur unvollkommen die zwischen den Rippen vorgesehenen Zwischenräume ao durchspülen. In diesen Zwischenräumen bilden sich dabei Wirbel, die zu Stauungen Anlaß geben und dem. Vorbeiströmen des Kühlmittels erheblichen Widerstand entgegensetzen. Für eine wirksame Kühlung muß also der· Druck des Kühlmittels verhältnismäßig hoch gewählt werden. Trotzdem ist. die Wirkung der Kühlrippen schlecht,, da ihre Oberfläche nicht glatt vom Kühlmittel umströmt wird. Gemäß der Erfindung werdten diese Nachteile dadurch vermieden, daß die Rippen auf der vom Kühlmittel in radialer Richtung bestrichenen Seite des Schaufelfußes, insbesondere der dem Einlaß

des Arbeitsmittels zugewandten Stirnseite des Schaufelfußes, mit einem Winkel zur Tangente am die Kreisbahn angeordnet sind, wobei die Steigung der Rippen je Schaufelfuß gleich dem radialen Abstand der Rippen ist, so daß die Rippen benachbarter Schaufeln miteinander fluchten und die Rippen dar einzelnen Schaufeln zusammen etwa spiralig verlaufen und¹ zwischen sich spiralförmige Kanäle für den Durchtritt ίο des Kühlmittels einschließen!. Die von der Turbinenachse radial nach außen strömende Kühlluft trifft auf die Kühlrippen, die infolge ihrer Schrägstellung nicht einfache, Wirbel bildende und einander gegenseitig abschirmende Prallflächen darstellen, sondern die Luftströme umlenken. Damit wird erreicht, daß die Kühlluft die zwischen den Rippen liegenden Kanäle glatt und rasch durchströmt; infolge der Umlenkung wird die Kühlluft kräftig gegen die zur Turbinenachse hinweisende Seite der einzelnen Rippen gepreßt und kann daher eine gründliche Kühlwirkung ausüben, ohne daß es nötig wäre, große Luftmengen durch die Kanäle hindurchzuführen, was die Wirtschaftlichkeit der Maßnahme beeinträchtigen würde, as Nach der Erfindung ist noch ein weiterer Vorteil dadurch erreichbar, daß die Kühlrippen derart geneigt sind, daß sie zum Fördern der Kühlluft durch die spiraligen Kanäle zwischen den Rippen dienen. Die Gesamtheit der Kühlrippen wirkt demnach infolge ihrer Schrägstellung wie ein Schraubenlüfter. Selbst wenn das Kühlmittel also nicht unter Druck zugeführt wird, wird beim Umlauf des Rotors doch eine Saugwirkung auf die Kühlluft ausgeübt, so daß diese auch ohne Druck durch die Turbine hindurchgelangt. Diese Saugwirkung braucht nicht groß zu sein und richtet sich im einzelnen nach der konstruktiven Gestaltung der Kühlrippen; sie kann aber jedenfalls den Druckverlust mindestens ausgleichen, der in der Kühlvorrichtung dadurch entsteht, daß die Kühlluft beim Auftreffen auf die Rippen seitlich umgelenkt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungs-■*5 beispiels der Erfindung hervor.

Fig. ι zeigt im Ausschnitt und in Stirnansicht,

in Richtung der Rotorachse gesehen, die Rotorscheibemit mehreren darauf angeordneten Schaufein; Fig. 2 ist ein in einer Radialebene durch die Rotorscheibe und durch eine Schaufel geführter Schnitt;

Fig. 3 zeigt die Rückansicht der Rotorscheibe nebst Schaufeln in Ansicht;

Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2, und

Fig. 5 zeigt die Stirnansicht auf an der Rotorscheibe befestigten Schaufeln, und zwar in Richtung auf die Rotorachse zu gesehen.

Der bei dem Ausführungsbeispiel verwendete Rotor besteht in bekannter Weise aus mehreren Scheiben, von denen nur eine Scheibe ro dargestellt ist; jede Rotorscheibe trägt einen sogenannten. Ring von Turbinenschaufeln ii. Selbstverständlich können bei der baulichen Ausgestaltung des Rotors die Vorteile zur Ausnutzung kommen, die infolge der Kühlung der Schaufelwurzeln gemäß der Erfindung erzielbar sind. Die Lagerstellen des Rotors können in an sich bekannter Weise mit unter Druck stehender Kühlluft versorgt werden, die beispielsweise an einer geeigneten Stelle des Kompressers der Gasturbinenanlage entnommen werden kann, zu der der Turbinenrotor gehört. Diese Kühlluft kann beispielsweise mittels einer in der Rotorachse vorgesehenen Innenbohrung zugeführt werden. Außerdem wird aber Kühlluft in aufwärts gerichteter Richtung der Rotorscheibe im Bereiche der Rotorachse zugeführt.

Jede der nach der Erfindung ausgebildeten Turbinenschaufeln besteht aus einem Abschnitt 11, dem Schaufelblatt, auf dem das Arbeitsmittel zur Einwirkung gelangt.

Außerdem weist jede Schaufel eine Wurzel auf, die aus einer sogenannten Plattform 12 besteht, an die sich das Schaufelblatt anschließt. Außerdem weist die Schaufelwurzel einen inneren Teil 13 auf, der tannenbaumartig ausgebildet ist und in einem Schlitz der Rotorscheibe 10 liegt. Auf diese Weise wird die Schaufel mit der Scheibe verbunden. Ein mittlerer Wurzelabschnitt 14, der zwischen dem tannenbaumartigen Teil und der sogenannten Plattform 12 liegt, weist, in einer zur Rotorscheibe (Fig. 2) tangentialen Ebene gesehen, etwa rechteckigen, beispielsweise quadratischen Querschnitt auf. In radialer Richtung gesehen, weist dieser mittlere Abschnitt hingegen (wie Fig. 4 zeigt) etwa die Form eines Parallelogramms auf, von, dem die beiden Seiten 15 und 16 parallel zur Ebene der Rotorscheibe 10 laufen, während die anderen beiden Seiten 17 und 18 zur Rotorachse geneigt sind, und zwar in der gleichen Richtung wie die allgemeine Schrägstellung des hinteren Teiles des Schaufelblattprofiles. Die beiden Seiten 15 bzw. 16 des mittleren Wurzelabschnittes sollen nachstehend als die in bezug auf die Arbeitsmittelströmung vordere bzw. hintere Stirnseite des Schaufelfußes bezeichnet werden. Die anderen beiden Seiten 17 und 18 hingegen sollen der Einfachheit halber als vordere und hintere Berührungsflächen des Wurzelteils bezeichnet sein, mit Bezug auf die Umlaufrichtung der Rotorscheibe. Der Hauptkörper des mittleren Wurzelabschnittes 14 ist in der Form eines Parallelepipedes ausgearbeitet bzw. gegossen. Die eigentliche Plattform 12 hingegen, d. h. der dem Schaufelblatt 11 unmittelbar benachbarte Teil, besitzt die Form einer verhältnismäßig dünnen Platte od. dgl., die an einem über der hinteren Berührungsfläche der Wurzel 18 liegenden Punkt 19 leicht abgekröpft ist. Die Schrägstellung der vorderen und hinteren Berührungsflächen der Plattform gegenüber der Achse der Rotorscheibe ist von diesem Punkt aus bis zur hinteren Stirnseite vergrößert. Infolgedessen paßt sich die Plattform 12 dem Profil des Schaufelblattes besser an als der übrige Teiil des mittleren Wurzelabschnittes 14.

Die in Richtung vordere Stirnseite 15 eines jeden mittleren Wurzelabschnittes 14 weist vier Serien-

artig angeordnete, parallele und in Achsrichtung vorspringende Flansche oder Rippen 20 auf, die sich über die ganze Breite der vorderen Stirnseite des mittleren Wurzelabschnittes erstrecken. Jeder Flansch ist gegenüber der 'von der Plattform gebildeten Ebene in einem Winkel von ungefähr 19⁰ geneigt, d. h. also gegenüber einer an die Rotorscheibe angelegten -Tangente. Die Neigung der Flansche 20 od. dgl. in bezug auf den Umfang des mittleren Wurzelabschnittes 14 ist so gewählt, daß die »Steigung« dieser Flansche, d. h. der Unterschied der radialen Abstände von der Rotorachse an den beiden Enden eines jeden Flansches gleich dem radialen Abstand zwischen den Flanschen ist.

Wenn also mehrere gleich ausgebildete Schaufeln auf der Rotorscheibe angeordnet sind, liegen die Enden der Flansche 20 des mittleren Wurzelabschnittes in gleicher Flucht mit den Enden der Flansche auf dem mittleren Rotorabschnitt der benachbarten Schaufeln; die Flansche bilden also zusammen praktisch eine Anordnung spiralförmiger Gebläseschaufeln an der ringförmigen Fläche, die von den dicht aneinanderpassenden vorderen Stirnseiten 15 der mittleren Wurzelteile 14 gebildet werden. Die Richtung dieser Anordnung spiralförmiger Schaufeln ist gegenüber der Drehrichtung der Rotorscheibe nach hinten und außen geneigt. Auf diese Weise wird der Durchtritt der Kühlluft auf ihrem Wege radial nach außen durch die von den Flanschen gebildeten Kanäle von dem inneren Flanschende zu den äußeren neben den Schaufelblättern liegenden Flanschenden begünstigt.

Die Flanschansätze 20 an den vorderen Stirnseiten lassen sich leicht herstellen, wenn sie als flache, ebene Elemente erzeugt werden, die rechteckige Schlitze 21 für den Durchtritt der Kühlluft einschließen; ist die Gesamtanzahl der Schaufeln auf einer Rotorscheibe groß, so werden auch die nach Art eines Spiralgewindes vorgesehenen Gebläsefächer im wesentlichen eine gleichförmige Krümmung aufweisen. Die Flansche 20 können aber auch kurvenförmig ausgebildet sein, wenn eine genaue Spiralform gewünscht wird.

Es leuchtet ein, daß die Kühlluft, welche zwisehen den Flanschen 20 an den Stirnflächen der mittleren WurzelahschiMtte 14 entlang streicht, mit fünf voneinander getrennten Schaufeln in Berührung tritt; die Kühlwirkung, die eine bestimmte Luftmenge auszuüben gestattet, wird erheblich vergrößert gegenüber solchen Anordnungen, bei welchen die Kühlluft unmittelbar und in radialer Richtung über eine einzelne Schaufel hi-nweggelangt. Durch die spirale Form der Fächer wird eine verhältnismäßig hohe Durchtrittsgeschwindigkeit der Kühlluft bei ihrem Durchgang zwischen den Flanschen erzeugt; die Kühlwirkung wird dadurch entsprechend erhöht.

Außer der Anordnung der Flansche 20 od. dgl. auf der vorderen Stirnseite 15 jeder Schaufel ge-

So maß vorstehender Beschreibung sind die vorderen und hinteren Berührungsflächen 17 bzw. 18 des mittleren Wurzelabschnittes 14 einer jeden Schaufel mit einer Aussparung oder Vertiefung 22 versehen, die in Ebenen, welche durch die Achse der Rotorscheibe hindurchgehen (Fig. 2), etwa quadratischen Querschnitt haben; die Ecken dieser etwa rechteckförmigen Vertiefungen sind abgerundet; die inneren Wände der Vertiefungen, welche zwischen je zwei Vertiefungen in dem mittleren Wurzelabschnitt liegen und Stege bzw. Rippen 23 bilden, sind entsprechend der Schrägstellung der Schaufelblätter schräg gerichtet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Neigungswinkel der Rückwand bzw. des Steges 23 gegenüber der Achse der Rotorscheibe ungefähr 25⁰. Betrachtet man die Form des mittleren Abschnittes in einem Schnitt, der parallel zur Rotorachse und zu einer unter rechtem Winkel an die Schaufel gelegten Tangente (Fig. 4) geführt ist, so weist jeder mittlere Abschnitt etwa die Form eines Z auf. Die oberen und unteren Querbalken des Z werden durch die beiden Flächen 16 und 15 des mittleren Wurzelabschnittes gebildet, die schräge Querlinie des Z hingegen durch die schräge Rippe 23 od. dgl., die die beiden Vertiefungen 22 in der vorderen bzw. hinteren Berührungsfläche 17 bzw. 18 voneinander trennt.

.Werden die Schaufeln auf der Rotorscheibe montiert, so liegen die mittleren Teile 14 ihrer Wurzeln dicht nebeneinander; auf diese Weise werden durch die miteinander zusammenwirkenden, in den vorderen und hinteren Berührungsflächen der mittleren Wurzelabschnitte liegenden Vertiefungen eine Reihe von Hohlräumen geschaffen.

Ferner ist ein Stück der Führungskante 17 eines jeden mittleren Wurzelabschnittes 14 neben der vorderen Stirnseite 15 und dem tannenbaumartigen Wurzel teil 13 weggeschnitten, wie dies bei 24 in den Fig. 2 und 4 veranschaulicht ist. Auf diese Weise entsteht zusammen mit dem in Drehrichtung vorausgehenden Wurzelabschnitt ein Kanal oder eine Öffnung 25 (Fig. 1), durch die Kühlluft von der vorderen Stirnseite der Rotorscheibe in die benachbarte Hälfte des zugehörigen Hohlraumes in Form eines Luftstrahles eingeführt wird. Die Riehtung dieses Luftstrahles ist derart, daß die Luft sich innerhalb des Hohlraumes in einem spiralförmigen Wirbel bewegt (wie in Fig. 2 dargestellt). Ein entsprechender Abschnitt 26 ist am der gegenüberliegenden Ecke der vorderen Berührungsfläche 17 eines jeden mittleren Wurzelabschnittes vorgesehen, der in Zusammenwirken mit der nächsten Schaufel eine öffnung 27 (Fig. 3) bildet, durch welche die Kühlluft auf der hinteren Stirnseite der Rotorscheibe wieder austritt, und zwar an Stellen, die neben den sogenannten Plattformen 12 liegen.

Durch die Schaffung von Wirbeln in den Hohlräumen wird die Kühlwirkung der Luft erheblich unterstützt; im wesentlichen werden die gesamten Innenflächen der Hohlräume durch die Kühlluft bestrichen; es können sich keine Taschen bilden, in denen die Luft stagniert.

Die beschriebene Einrichtung einschließlich der Flansche 20 an der vorderen Stirnseite 15 des mittleren Wurzelabschnittes 14 jeder Schaufel und einschließlich der zwischen benachbarten Schaufeln

■! if.

liegenden Hohlräume 22 ist mit besonderem Vorteil anwendbar in der ersten Stufe einer mehrstufigen Turbine; dort ist im allgemeinen eine besonders starke Kühlung der Schaufelwurzeln erwünscht. Im praktischen Betrieb ist festgestellt worden, daß es bei Verwendung von Schaufeln mit mittleren Wurzelabschnitten, die Kühlhohlräume und äußere entsprechend der obigen Beschreibung ausgebildete Kühlflächen aufweisen, möglich ist, einen hohen statischen Temperaturgradienten quer über die ganze Schaufelwurzel zuzulassen, bei dem die Temperaturdifferenz in gewissen Fällen bis zu 6oo° C beträgt.

Bei derartigen Anordnungen können die nachfolgende Stufe bzw. die nachfolgenden Stufen der Turbine mit Schaufeln ausgestattet sein, die in ihren vorderen und hinteren Flanschen Kühlhohlräume 22 aufweisen, ohne daß an der vorderen Stirnseite Flansche 20 im Sinne der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.

Die Kühlhohlräume 22 in den Schaufeln sind für sich allein nicht Gegenstand der Erfindung.

Claims (5)

1. PATENTANSPKOCHE:

   i. Turbinenschaufel für den Rotor einer Turbine mit zwei oder mehreren im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden, axial hervorragenden Kühlrippen am Schaufelfuß, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen auf der vom Kühlmittel in radialer Richtung bestrichenen Seite des Schaufelfußes, insbesondere der dem Einlaß des Arbeitsmittels zugewandten Stirnseite des Schaufelfußes., mit einem Winkel zur Tangente an die Kreisbahn angeordnet sind, wobei die Steigung der Rippen je Schaufelfuß gleich dem radialen Abstand der Rippen ist, so daß die Rippen der einzelnen Schaufeln zusammen etwa spiralig verlaufen und zwischen sich spiralförmige Kanäle für den Durchtritt des Kühlmittels einschließen.
2. 2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen als flache, plattenartige Elemente ausgebildet sind, die sich von einem Teil der Schaufelwurzel aus nach außen erstrecken, welcher zwischen dem sogenannten tannenbaumartigen, zur Befestigung der Turbinenschaufel auf der Rotorachse dienenden Abschnitt und demjenigen Teil der eigentlichen Schaufel liegt, auf den das Arbeitsmittel einwirkt.
3. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder*2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen zum Fördern der Kühlluft durch die spiraligen Kanäle zwischen den Rippen benutzt werden.
4. 4. Turbinenschaufel nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Schaufel wenigstens vier getrennte Rippen vorgesehen sind.
5. 5. Turbinenschaufel nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch auf den radialen Flächen der Schaufeln vorgesehene, neben den S chaufel wurzeln angeordnete Vertiefungen, die miteinander Hohlräume bilden, durch welche Kühlluft hindurchführbar ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Schweizerische Patentschrift Nr. 253 087.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ©«»577/250 7.56 (609 773 1.57)