DE962027C - Rotor fuer eine Gasturbine - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 18. APRIL 1957

N 9134Ia/46f

Rotor für eine Gasturbine

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Gasturbine und die Kühlung eines solchen Rotors.

Die Schaufeln von Gasturbinen müssen bekanntlich bei hohen Temperaturen arbeiten. Die Herstellung von Schaufehl, welche unter diesen Bedingungen einwandfrei arbeiten, ist schwierig, und es entstehen weiterhin auch Schwierigkeiten bei der Befestigung der Schaufehl in dem Rotor; denn die Schaufelwurzeln und der Rotor sind gleichfalls diesen hohen Temperaturen ausgesetzt. Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Wurzeln der Turbinenschaufeln zu kühlen. Bei dieser bekannten Anordnung strömt Kühlluft ohne jede Wirbelung glatt durch zwischen den Schaufelwurzeln vorgesehene Kammern, indem sie jeweils am inneren Ende einer Kammer eintritt, sie in gerader Richtung durchwandert und am äußeren Ende verläßt. Da eine wirbelähnliche Zirkulation der Kühlluft innerhalb der Kammer nicht stattfindet, sind bei dieser bekannten Anordnung große Luftmengen für die Kühlung erforderlich.

Die Erfindung bezieht sich nun auf einen Rotor, bei dem die Füße der Turbinenschaufeln in der Umfangsrichtung des Rotors offene Vertiefungen aufweisen, von denen je zwei einander zugewandte Vertiefungen benachbarter Schaufehl einen Hohlraum bilden, durch den während des Betriebes ständig Kühlluft hindurchgelangt, die an einem Ende des

Hohlraumes in diesen eintritt und ihn an seinem anderen Ende wieder verläßt. Erfindungsgemäß wird nun dafür gesorgt, daß die Kühlluft den Hohlraum wirbelnd durchströmt. Dies wird dadurch erreicht, daß der in den unteren Teil des Hohlraumes einmündende Lufteinlaßkanal auf der in bezug auf die Arbeitsmittelströmung vorderen Flanke und der aus dem oberen Teil des Hohlraumes hinausführende Auslaßkanal auf der in bezug auf die Arbeitsmittelströmung hinteren Flanke des Rotors liegen. ·

Auf diese Weise wird erreicht, daß sich eine gewisse Menge in Wirbelbewegung befindlicher Luft in dem Hohlraum befindet, wobei ständig frische Kühlluft dieser Menge durch die Einlaßöffnung zugeführt und erwärmte Luft ständig aus der Auslaßöffnung abgeleitet wird. Auf diese Weise wird eine gute Wärmeübertragung auf die Luft während ihres. Durchganges durch den Hohlraum erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile dei Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines nach der Erfindung ausgebildeten Turbinenrotors hervor. Fig. ι zeigt im Ausschnitt und in Stirnansicht, in Richtung der Rotorachse gesehen, den Rotor mit mehreren darauf angeordneten Schaufeln; Fig. 2 ist ein in einer Radialebene durch den Rotor und durch eine Schaufel geführter Schnitt;

Fig. 3 zeigt die Rückansicht des Rotors nebst Schaüfehi in Ansicht;

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

Fig. 5 zeigt die Stirnansicht auf an dem Rotor befestigte Schaufeln, und zwar in Richtung auf die Rotorachse zu gesehen.

Der bei dem dargestellten Ausführuhgsbeispiel verwendete Rotor besteht in bekannter Weise aus mehreren Scheiben, von denen nur eine Scheibe 10 dar-• gestellt ist; jede Rotorscheibe trägt einen Ring von Turbinenschaufeln 11. Die Lagerstellen des Rotors können in an sich bekannter Weise mit unter Druck stehender Kühlluft versorgt werden, die beispielsweise dem Kompressor der Gasturbinenanlage entnommen wird, zu der der Turbinenrotor gehört. Diese Kühlluft wird z. B. durch eine in der Rotorachse vorgesehene Innenbohrung der Rotorscheibe zugeführt. Jede Turbinenschaufel 11 weist eine Wurzel 12 auf, die mit einem inneren Teil 13 tannenbaumartig in einen Schlitz der Rotorscheibe 10 eingreift. Der mittlere zwischen dem tannenbaumartigen Teil 13 und dem oberen Teil 12 liegende Wurzelabschnitt 14 weist in einer zur Rotorscheibe (Fig. 2) tangentialen Richtung gesehen etwa rechteckigen, z. B. 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 der hinteren Kante der Schaufehl 11. Die beiden Seiten 15 und 16 des mittleren Wurzelabschnittes sollen nachstehend als die vordere bzw. hintere Flanke des Rotors bezeichnet werden. Die anderen beiden Seiten 17 und r8 hingegen werden der Einfachheit halber entsprechend der Umlaufrichtung der Rotorscheibe als vordere' und hintere 65 i Flächen des Wurzelteiles bezeichnet. "

Die vom Arbeitsmittel in Richtung nach oben bestrichene Flanke 15 einer jeden Wurzel 14 weist :;

vier parallele vorspringende Flansche oder Rippen 20 auf, die sich über die ganze Breite des mittleren Wurzelabschnittes erstrecken und ein System spiralförmiger Gebläseschaufehl bilden. 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 Schaufeln selbst liegenden Flanschenden begünstigt.

Außer der vorstehend erläuterten Anordnung der Flansche od. dgl. 20 sind die vorderen und hinteren Flächen 17 bzw. 18 eines jeden mittleren Wurzelabschnittes 14 mit einer Aussparung oder Vertiefung 22 versehen, die in Ebenen, welche die Rotorachse enthalten (Fig. 2), etwa quadratischen Querschnitt haben; die Ecken dieser etwa rechteckförmigen Vertiefungen sind abgerundet; die inneren Trennwände 23 benachbarter Vertiefungen sind entsprechend der Schrägstellung der Schaufeln ir schräggerichtet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Neigungswinkel der Trennwand 23 gegenüber der Rotorachse ungefähr 25°. 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 17 des mittleren Wurzelabschnittes gebildet, die schräge Querlinie des Z hingegen durch die schräge Trennwand 23 zwischen den beiden benachbarten Vertiefungen 22.

Sind die Schaufeln auf der Rotorscheibe montiert, so wird durch die miteinander zusammenwirkenden, in den vorderen und hinteren Flächen der mittleren Wurzelabschnitte liegenden Vertiefungen eine Reihe von Hohlräumen 22 geschaffen.

Von der der Arbeitsmittelströmung zugewandten Seite des Rotors wird Kühlluft in die Hohlräume 22 eingeführt. Die Anordnung ist derart, daß die Luft in jedem Hohlraum eine Wirbelbewegung ausführt und sich auf spiralförmiger Bahn von der Lufteinlaßöffnung 24 des Hohlraumes zur Auslaßöffnung 16 bewegt.

Die Einlaßöffnung wird dadurch gebildet, daß die Führungskante 17 eines jeden mittleren Wurzelabschnittes 14 neben der Fläche 15 und dem tannenbaumartigen Wurzelteil 13 weggeschnitten ist, wie dies bei Fig. 24 in den Fig. 2 und 4 veranschaulicht ist. Auf diese Weise entsteht ein Kanal oder eine Öffnung (Fig. 4), durch die Kühlluft in den Hohlraum in Form eines Luftstrahles eintreten kann. Die Richtung dieses Luftstrahles ist derart, daß die Luft sich innerhalb des Hohlraumes in einem spiralförmigen Wirbel bewegt (wie in Fig. 2 dargestellt). Ein entsprechender Ausschnitt 26 ist an der hinteren Flanke 17 eines jeden mittleren Wurzelabschnittes vorgesehen, der im Zusammenwirken mit der nächsten

Schaufel eine Öffnung bildet, durch welche die Kühlluft aus dem Hohlraum wieder austritt.

Durch die Bildung von Wirbeln in den Hohlräumen 22 wird die Kühlwirkung der Luft erheblich unterstützt; denn im wesentlichen die gesamten Innenflächen der Hohlräume werden durch die Kühlluft bestrichen; es können sich keine Taschen bilden, in denen die Luft stagniert. Die beschriebene Einrichtung ist mit besonderem

ίο Vorteil in der ersten Stufe einer mehrstufigen Turbine anwendbar; dort ist im allgemeinen eine besonders starke Kühlung der Schaufelwurzeln erforderlich. Im praktischen Betriebe ist festgestellt worden, daß bei Anordnung der beschriebenen Kühlhohlräume ein hoher statischer Temperaturgradient quer über die ganze Schaufelwurzel zugelassen werden kann, bei dem die Temperaturdifferenz in gewissen Fällen bis zu 600⁰C beträgt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Rotor für eine Gasturbine, bei dem die Füße der Turbinenschaufeln in der Umfangsrichtung des Rotors offene Vertiefungen aufweisen, von denen je zwei einander zugewandte Vertiefungen benachbarter Schaufeln einen Hohlraum bilden, durch den während des Betriebes ständig Kühlluft hindurchgelangt, die an einem Ende des Hohlraumes in diesen eintritt und ihn an seinem anderen Ende wieder verläßt, dadurch gekennzeichnet, daß der in den unteren Teil des Hohlraumes (22) einmündende Lufteinlaßkanal (24) auf der in bezug auf die Arbeitsmittelströmung vorderen Flanke und der aus dem oberen Teil des Hohlraumes hinausführende Auslaßkanal (26) auf der in bezug auf die Arbeitsmittelströmung hinteren Flanke des Rotors (10, 11) hegen.
2. 2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (22) im radialen Schnitt durch den Rotor einen der Kreisform angenäherten, z. B. etwa quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist und der Einlaßkanal (24) etwa tangential zur Querschnittsform des Hohlraumes in diesen einmündet (Fig. 2).
3. 3. Rotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Auslaßkanal eines jeden Hohlraumes durch je eine an der einen Seitenwand (17) nur eines der beiden den betreffenden Hohlraum enthaltenden Schaufelfüße im Begrenzungsrand der Schaufelfußvertiefung (22) vorgesehene Aussparung (24 bzw. 26) gebildet werden.
4. 4. Turbinenschaufel für einen Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere, stegartige Trennwand (23) zwischen den beiden Vertiefungen (22) eines jeden Schaufelfußes (14) entsprechend der Schrägstellung der Schaufelblätter (11) zur Umlaufebene der Schaufel schräggerichtet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 718 939;
   schweizerische Patentschrift Nr. 296 790;'
   französische Patentschrift Nr. 845 966;
   britische Patentschrift Nr. 652 099.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 659/244 10.56 (609 863 4. 57)