DE972310C

DE972310C - Aus Scheiben und Ringen zusammengesetzter Turbinenlaeufer

Info

Publication number: DE972310C
Application number: DES28645A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Friedrich; Willi Kastert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1952-05-22
Filing date: 1952-05-22
Publication date: 1959-07-02
Also published as: DE1075380B

Description

Für Turbinen, insbesondere Gasturbinen, die im Gebiete sehr hoher Temperaturen, etwa iooo bis I2oo° C, arbeiten müssen, ist die Frage der Kühlung nicht nur der Schaufeln, sondern auch des Läuferkörpers von besonderer Bedeutung. Man wird hierfür wahrscheinlich die Innenkühlung des Läufers durch ein flüssiges Kühlmittel nicht entbehren können. Von dieser Voraussetzung geht daher auch die Erfindung aus.

Im Gebiet der hohen Temperaturen ist jedoch neben der Frage der Kühlung auch der Frage der Wärmedehnungen große Aufmerksamkeit zu schenken, denn infolge der großen Temperaturunterschiede zwischen dem gekühlten Läuferinnern und der von den heißen Gasen bestrichenen Oberfläche treten leicht so große Axialspannungen am Außenumfang auf, daß Läuferdurchbiegungen entstehen. ' Bei einem bekannten Vorschlag für eine flüssigkeitsgekühlte Gasturbine sind die Schaufeln tragende Ringkörper beiderseits bzw. an den Enden der Maschine mit den Wellenteilen zusammenhängende Schaufel-Ringkörper einseitig mit Ver-

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steifungsringen versehen und an diesen Ringen zu einem starren Trommelläufer verschweißt. Zur Entlastung sind sowohl zwischen den Versteifungsringen wie im Innern derselben Hohlräume als Kühlkanäle vorhanden. Bei dieser Bauweise ergibt sich, daß trotz der Möglichkeiten der Flüssigkeitskühlung das Entstehen unkontrollierter Wärmespannungen, insbesondere in axialer Richtung, nicht ausgeschlossen ist. Auch fertigungsmäßig ist ίο diese Konstruktion verhältnismäßig ungünstig und schwierig.

Bei anderen bekannten Läufern für flüssigkeitsgekühlte Gasturbinen ist vorgesehen, den Läufer aus einzelnen, mit ihren Naben gegeneinander verspannten Scheiben aufzubauen und diese Scheiben am Außenumfang durch eingeschweißte Stege oder federnde Ringwandteile zu verbinden. Die auf diese Weise im Läuferinnern gebildeten Hohlräume sind zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit vorgesehen, wobei die Hohlräume nach außen hin durch die Stege oder Ringwandteile abgedichtet sind. Auch bei einer solchen Bauweise können in unkontrollierbarer und nicht voraussehbarer Weise Wärmespannungen eintreten, wobei diese Möglichkeit ^a5 durch die Verspannung der Läuferscheiben im Zentrum des Läufers, d. h. also in einem beträchtlichen Abstand von den Schaufelkränzen, begünstigt oder ermöglicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserteTurbinenläuferkonstruktion zu schaffen, bei der die Nachteile der vorerwähnten bekannten Bauarten vermieden sind und eine leichte Herstellungsmöglichkeit gegeben ist. Die Erfindung geht hierbei von einer bekannten Bauart für mit niedriger Temperatur betriebene Läufer von Kompressoren mit in einen Ringkranz eingesetzten, insbesondere verstellbaren Laufschaufeln aus, bei der die die Schaufeln haltenden Ringe durch Stahlscheiben des Läufers in radialer Richtung gehalten und am Umfang verspannt sind. Die Erfindung besteht darin, dieses Bauprinzip auf flüssigkeitsgekühlte Läufer von Hochtemperatur-Gasturbinen zu übertragen und dabei die Anordnung derart zu treffen, daß die zwischen den Schaufelringen und Stahlscheiben gebildeten Ringkammern zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit dienen und daß nach außen die Schaufelringe außerhalb ihrer Einspannung durch in Achsrichtung federnde Ringkörper in an sich bekannter Weise abgedichtet verbunden sind. Durch die Vereinigung der angeführten, im wesentlichen an sich bekannten Einzelmerkmale, für die an sich allein kein Schutz begehrt wird, wird ein leicht herstellbarer Hochtemperaturläufer geschaffen, der den hohen Beanspruchungen im Betrieb bei höchsten Temperaturen gewachsen ist und die Sicherheit bietet, daß Läuferverbiegungen und -unrundheiten infolge Verspannung der Schaufelringe an ihrem Umfang ausgeschlossen sind, während andererseits die begrenzte axiale Formänderungen zulassenden elastischen Ringwände in jedem Fall von unzulässigen übermäßigen Beanspruchungen freigehalten werden.

Der Aufbau eines solchen Läufers und die sich daraus ergebenden Vorteile seien an Hand zweier Ausführungsbeispiele erläutert.

Der Läufer nach Fig. 1 ist aus den Scheiben 1 und den Ringen 2 aufgebaut. Der Läufer ist naturgemäß nicht auf die dargestellte Zahl von Scheiben und Ringen beschränkt. Scheiben 1 und Ringe2 sind mit Passung zusammengesetzt, und zwar liegt y₀ die Passung in den Ringflächen 8. Von einem Aufschrumpfen der hakenartigen Ringfortsätze an den Scheiben 1 auf die Schultern der Ringe 2 wird man wahrscheinlich absehen müssen, da sich dann Schrumpfspannungen und Fliehkräfte addieren. Durch diesen Aufbau entstehen Hohlräume 9, die mit Flüssigkeit gefüllt sind. Die Kühlflüssigkeit wird durch die Bohrung 10 zugeführt und der entstehende Dampf durch die Bohrung 11 abgeführt. Bohrungen 12 stellen die Verbindung zwischen den Räumen 9 her. Mit dieser Bauform allein würde jedoch das Problem des Hochtemperaturläufers nicht gelöst werden können, denn wenn auch die Scheiben, die über die Mutter 17 und über die Ringe 2 gegeneinander verspannt sind, eine gewisse axiale Gleitmöglichkeit in den Flächen 8 aufweisen, so wäre doch die Abdichtung der Räume 9 nach außen nicht mit Sicherheit gewährleistet, die um so sorgfältiger gewählt werden muß, als infolge der Fliehkraft und der teilweisen Ver- go dampfung des Kühlmittels hohe Drücke in den Räumen 9 entstehen können. Zur Abdichtung dienen im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles elastische Ringkörper, für die verschiedene Ausführungsmöglichkeiten in den Fig. 2 bis 4 gezeigt sind. Es ist dabei angenommen, daß diese elastischen Ringkörper im wesentlichen V- oder U-Form aufweisen. Doch sind auch andere Formen denkbar. Im Falle der Fig. 2 bestehen die elastischen Ringkörper aus tellerfederartigen Ringen 7 too und 7a, die bei 13 miteinander und bei 14 und 15 mit den benachbarten Ringen 2 verschweißt sind. Auf diese Art und Weise ist die bereits erwähnte axiale Dehnungsmöglichkeit, der Scheiben unbedingt gewährleistet, ohne daß jedoch Kühlflüssigkeit oder Dampf nach außen dringen konnte. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird die Abdichtung durch einen elastischen Ring von U-förmigem Querschnitt gebildet, der aus einem Stück hergestellt ist.

Die im wesentlichen gleiche Ausführungsform zeigt Fig. 4, jedoch mit dem Unterschied, daß die Schenkel des U-förmigen Ringes 4 etwas aufeinander zu gebogen sind. Der Abstand 6 ist dabei so gewählt, daß der Federweg auf eine Größe begrenzt ist, die annähernd gleich der axialen Wärmedehnung des Läufers an seinem Außendurchmesser ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 insofern, als die Scheiben 1 in diesem Falle nicht auf eine Welle aufgezogen, sondern als bohrungslose Scheiben ausgebildet sind, die durch eine Mehrzahl von Axialbolzen 16 'gegeneinander verspannt sind.

Sowohl im Falle der Fig. 1 wie im Falle der Fig. 5 dienen die Ringe 2 gleichzeitig als Schaufel-

träger. Die in diesen Ringen auftretenden Fliehkräfte werden über die Ringflächen 8 mindestens teilweise auf die Scheiben ι bzw. i' übertragen.

Claims

Patentansprüche:

ι . Flüssigkeitsgekühlter Läufer für mit hohen Temperaturen betriebene Gasturbinen, der unter

ίο Verwendung von die Schaufeln tragenden Ringen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelringe in an sich bekannter Weise durch Stahlscheiben in radialer Richtung gehalten und am Umfang verspannt sind, daß die zwischen den Schaufelringen und Stahlscheiben liegenden Ringkammern zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit dienen, und daß zwecks Abdichtung des Läuferinnern nach außen die Schaufelringe außerhalb ihrer Einspannung

ao durch in Achsrichtung federnde Ringkörper in an sich bekannter Weise abgedichtet verbunden sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkörper (2) die Scheiben übergreifen (Flächen 8) und die federnden Ringkörper nur die Ringe (2) miteinander verbinden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenkörper

(1) die Ringkörper (2) in Zylinderflächen (8) übergreifen.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben und Ringkörper über eine durchgehende Welle miteinander axial verspannt sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenläufer ohne durchgehende Welle ausgeführt ist und zur axialen Verspannung für Scheiben und Ringkörper Spannbolzen (16) dienen.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Ringkörper (4.) U-Form besitzen.
7. Einrichtung nach Anspruch 6 mit im Querschnitt U-förmigen Ringkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel des Querschnittes am offenen Ende einander so weit (Abstand 6) genähert sind, daß der Federweg annähernd gleich der axialen Wärmedehnung des Läufers an seiner Oberfläche ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Ringkörper am Außenumfang beiderseits mit den Ringen (2) verschweißt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 838 193, 829 970, 184, 68 359;

ausgelegte Unterlagen der deutschen Patentanmeldung M 1017 Is./φί;

schweizerische Patentschriften Nr. 280 628,
836;

französische Patentschriften Nr. 897 710,
583;

Jahrbuch der Brennkrafttechnischen Gesellschaft, 1940/41, S. 74/75.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen