DE1144537B - Anordnung zur Kuehlung der Laufraeder und Beschaufelungen von Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen - Google Patents

Description

• Anordnung zur Kühlung der Laufräder und Beschaufelungen von Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen Die Erfindung richtet sich auf die Kühlung der Laufräder und Beschaufelungen von Turbomaschinen, die mit Treibmitteln höherer Temperaturen arbeiten. Bei dem Betrieb von Turbomaschinen der vorbezeichneten Art hat es sich als notwendig gezeigt, die Temperatur der Laufräder insbesondere in ihrer Mitte niedrig zu halten, damit z. B. die zulässige Betriebstemperatur im benachbarten Lager nicht durch einen vom Laufrad her durch den Lagerzapfen gelangenden Wärmefluß überschritten wird. Da die Temperatur der Laufradwandungen in ihrem Außenbereich jedoch höher liegt als der zulässige Wert in ihrer Mitte, werden bekanntermaßen Vorkehrungen getroffen, die darauf abzielen, das Vorliegen eines unerwünscht großen Temperaturgradienten in der Laufradwandung und damit das Auftreten hoher Temperaturzusatzspannungen zu verhindern.
• Im Rahmen der bekannten Maßnahmen liegt es. dem Laufrad gegenüber feststehende Verkleidungen zur Kühlluftführung anzuordnen, die aus einem wärmedämmenden Material bestehen können. Eine weitere bekannte Ausführung sieht vor, an den Füßen der Laufradschaufeln eine sogenannte Schaufelfußkühlung auszubilden, die eine Temperatursenkung in den Schaufeln und im Außenbereich des Laufrades ergibt. Diese Anordnung kommt dort zur Geltung, wo die Laufräder beispielsweise aus zwei axial dicht hintereinanderliegenden und miteinander verbundenen wandförmigen Laufradhälften bestehen, zwischen denen die für die Schaufelfußkühlung erforderliche Kühlluft den Schaufelfüßen zugeführt wird, oder bei jenen Ausführungsformen, die an Stelle einer Laufradhälfte eine Deckscheibe vorsehen, :die an der Aufnahme von Zentrifugalkräften der Schaufeln nicht beteiligt ist. In beiden Fällen ist es weiterhin bekannt, die Kühlluft durch eine hohl ausgebildete Welle und eine anschließ-.nde zentrale Bohrung in einer Laufradhälfte oder Deckscheibe in den obengenannten Zwischenraum zu führen, so daß sie also vom mittleren Bereich des Laufrades in dessen äußeren Bereich strömt. Diese Bohrung kann bei den bekannten Ausführungsform#en dadurch in Fortfall kommen, daß sie durch mehrere Löcher ersetzt wird, die auf einem oder mehreren vorzugsweise zentrisch zur Scheibe angeordneten Teilkreisen liegen.
• Bevor die annähernd radial von der Turbomaschinenwelle abströmende Kühlluft die Kühlkanäle der Schaufelfüße erreicht, muß sie in jedem dieser Fälle einen relativ langen Weg an der Wandung des Laufrades entlangstreichen. Dabei ergibt sich ein Wärmeüberganz von den Laufradhälften bzw. den Deckscheib;.-n zur Kühlluft, der eine Kühlung des Laufrades mit sich bringt; andererseits wird aber dadurch die Kühlluft auf ihrem Wege bis zum Erreichen der Schaufelfüße derart erwärmt, daß ihre Temperatur mit der sie in die Kühlkanäle der Schaufelfüße eintritt, keine genügende Fußkühlung und damit keine erhebliche Verminderuno, der radialen Temperaturgradi#enten in den Laufradhälften gewährleistet. Diese Nachteile treten auch bei jenen bekannten Ausführungen auf, bei denen zwecks einer Herabsetzung von Temperaturzusatzspannungen in der Turbinenscheibe die Kühlung der Sch#eibenmitte durch eine abschnittsweise Isolierung, der Laufradwandungen oder durch einen Kühlluftzutritt in größerem Abstand von der Laufradachse geschwächt wird. Diese Maßnahmen wirken sich zwar auf das Temperaturgefälle aus, sie haben aber zur Folge, daß durch die relativ warme Scheibenmitte der Wärmeeinfall in die Welle und insbesondere in das benachbarte Wellenlauer verhältnismäßig hoch ist, wodurch diese Teile besonderen Belastungen ausgesetzt sind.
• Im Gegensatz hierzu zielt die Erfindung darauf ab, die Temperaturverhältnisse durch eine stärkere Ab- kühlung des äußeren Rand-bereichs der Laufradscheibe zu verbessern. Sie schlägt als Lösung vor, daß die der Führung der Kühlluft dienenden Laufradwandungen abschnittsweise mit wärmedämmenden Auflagen versehen sind, welche sich zumindest bis dicht an die äußere Randzone des Laufrades erstrecken.
• Diese Auflagen müssen naturgemäß an den Laufradwandungen fest haften, eine genügende Sicherheit gegenüber einem Thermoschock bieten und hinsichtlieh ihres Temperaturausdehnungskoeffizienten dem Material des Laufrades angepaßt sein. Keramische Werkstoffe, deren Verwendung in diesem Zusammenhang an sich bekannt ist, sind deshalb besonders geeignet.
• Wenn gemäß der Erfindung vorgesehen ist, die der Führung der Kühlluft dienenden Laufradwandungen lediglich abschnittsweise mit der wärmedämmenden Auflage zu versehen, so liegt der nicht überdeckte Teil der Laufradhälften entweder unmittelbar hinter dem Eintritt der Kühlluft in den Zwischenraum zwischen zwei Laufradhälften oder unmittelbar vor dem Eintritt der Kühlluft in die Kühlkanäle der Schaufelfußkühlung und dehnt sich jeweils so weit aus, daß ein benachbartes Lager oder andere vor einer höheren Erwärmung besonders zu schützende Teile der Turbomaschine ausreichend gekühlt werden bzw. die Schaufelfüße und der äußere Randbereich der Laufradhälften so weitgehend gekühlt werden, daß ein befriedigender Temperaturgradient in der Wandung des Laufrades vorhanden ist. Darüber hinaus kann selbstverständlich in den Laufradhälften jeweils eine von der Auflage freie Zone im inneren sowie im äußeren Randbereich vorgesehen werden und die Anordnung sinngemäß sowohl bei den feststehenden als auch rotierenden Deckscheiben getroffen werden, wobei aber die wärmedämmende Auflage immer auf der von der Kühlluft bestrichenen Seite der Deckscheibe aufzubringen ist, da nur so der Wärmeübertritt aus den Deckscheiben in die Kühlluft wirksam begrenzt wird, was notwendig ist, damit die Kühlluft entsprechend der Aufgabenstellung möglichst kühl der Laufradrandzone zuströmt.
• Die Länge der radialen Erstreckung der von der Auflage freien Zone der Laufradhälften ist fernerhin abhängig von ihrer Wandstärke und dem Wärmeanfall auf beiden Seiten des Laufrades.
• Neben den vorbezeichneten Maßnahmen können außerdem zur Schonung des Lagers oder andersartiger Teile der Turbomaschine die bekannten Wärmesperreinrichtungen zwischen der Laufradhälfte und dem Wellenzapfen angeordnet werden.
• Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand einer Zeichnung erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen einstufigen Turbinenteil einer Gasturbine, deren Laufrad aus zwei gleichartigen Laufradhälften besteht, und Fig. 2 eine ähnliche Ausführung wie Fig. 1, jedoch in zweistufiger Ausführung.
• Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist das Laufrad 1 an dem Flansch 2 einer hohlen Turbomaschinerrwelle 3, die bei 4 gelagert ist, mittels Schrauben 5 befestigt. Das Laufrad 1 besteht im wesentlichen aus zwei wandförmigen Laufradhälften.6 und 7, zwischen denen die durch die Hohlwelle 3 und eine Bohrung 8 in der Wand 7 anströmende Kühlluft in die Kühlkanäle 9 zwecks Fußkühlung der Schaufeln 10 strömt. Um einer zu weit gehenden vorzeitigen Erwärmung der Kühlluft vorzubeugen, sind die Laufradhälften 6 und 7 mit einer wärme# dämmenden Auflage 11 und 12 versehen, die sich jeweils vom Einlaß der Kühlluft der Bohrung 8 bis an den Außenrand der Laufradhälften bzw. den Fußkühlkanälen 9 erstrecken.
• In Fig. 2 ist im Unterschied zum vorstehenden Beispiel auch die zweite Laufradhälfte 6 des Laufrades 1 mit einer zentralen Bohrung 8 versehen, um einen Kühlluftzutritt zur gleichartig ausgebildeten zweiten Stufe zu ermöglichen. Diese Ausführungsforrn, setzt sich von dem Beispiel nach Fig. 1 insofern ab, als sich die wärmedämmenden Auflagen 11' und 12' nicht bis an den äußeren Rand der Laufradhälften 6 und 7 erstrecken, sondern kürzer ausgebildet sind, um eine intensivere. Kühlung des nicht überdeckten Bereiches, also der äußeren Randzone des Laufrades, zu bewirken und damit einen günstigeren Temperaturgradienten zu erzielen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 945 798, 420 782; schweizerische Patentschriften Nr. 329 161, 270 345, 265 628, 253 087; britische Patentschrift Nr. 621300; USA-Patentschrift Nr. 2 662 725.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Anordnung zur Fußkühlung der Beschaufelung von Turbomaschinen, deren Laufräder Wandungen bilden, die der Führung von im wesentlichen radial aus einer hohlen Turbomaschinenwelle abströmenden Kühlluft dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kühlluftführung dienenden Laufradwandungen abschnittsweise mit wärmedämmenden Auflagen versehen sind, welche sich zumindest bis dicht an die äußere Randzone, des Laufrades erstrecken.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Auflage aus einem an der Laufradwandung fest haftbaren Werkstoff besteh4 dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Laufradmaterials angepaßt ist und der plötzlichen Temperaturänderungen widerstehen kann. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Auflage aus keramischern Werkstoff besteht.