DE1601575A1 - Axialturbine - Google Patents

Description

PATBNTA NWXLTB PATENTANWALT DlPL-ING. R. MOLlEIt-IORNER PATENTANWALT Ol PL-I NG. HAN S-H. WEY BEKLIN.DAHLEM 33 ■ POOtIElSKIALLEE M I MÖNCHEN » · WtDENMAYEXSTRASSE 4» TEL. 0311 · 712907 ■ TELEGR. PROPINDUS -TELEX Ol 14057 TEl-OM] ■ 225585 · TElEGR. PROPINDUS - TELEX 0524244

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GENERAL ELECTRIC COMPANY Schenectady, h. Y. / USA

Axialturbine

Die Erfindung betrifft eine Axialturbine, insbesondere für Gasturbinenanlagen, mit einer ersten und einer zweiten Turbinenstufe, deren Laufräder mit in Abständen voneinander angeordneten, sich radial erstreckenden Turbinen-Schaufeln versehen sind.

In Gasturbinenanlagen verwendet man Axialturbinen, in denen ein ringförmiger Gasstrom durch einen beschaufelten Läufer tritt, der mit dem Verdichter der Anlage verbunden¹ ist und diesen antreibt· Eines der schwierigsten Probleme beim Betrieb dieser Turbinen besteht darin, daß immer höhere Gasstromtemperaturen gefordert werden, weil dadurch' in Flugzeugtriebwerken ein höheres reziprokes

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Schubgewicht ermöglicht wird.

Diese Probleme sind besonders in zweistufigen Turbinen von Bedeutung, in denen der Turbinenläufer zwei im Axialabstand voneinander angeordnete Kränze von.im Umfang in Abständen voneinander angeordneten Laufschaufeln besitzt. Diese beiden Schaufelkränze bilden die erste und zweite Stufe der Turbine, zwischen den beiden Laufschaufelkränzen ist ein Leitschaufelkranz vorgesehen, der den heißen Gasstrom von der einen Turbinenstufe einwandfrei In die andere leitet. Es ist wesentlich, die Verluste des heissen Gasstroms zwischen dem Turbinenläufer und den Leitschaufeln möglichst klein zu halten. Zu diesem Zweck verwendet man gewöhnlich eine Labyrinthdichtung.

Der Turbinenläufer muß daher zur Übertragung von Kräften, insbesondere Drehmomenten, von den beiden Laufschaufelkränzen der Turbine auf die Antriebswelle der Turbine geeignet sein, eine Umwälzung von Kühlluft ermöglichen, welche die als Wärmeaufnehmer dienenden, inneren Teile der Turbine bestreicht, den Durchtritt der Kühlluft mindestens durch den Laufschaufelkranz der ersten Stufe ermöglichen und zwischen den beiden Laufschaufelkränzen gegen die ortsfesten Leitschaufeln abgedichtet sein.

Die Erfüllung dieser funktioneilen Forderungen wird durch das Wärmegefälle erschwert, das notwendigerweise zwischen

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den inneren Teilen und den dem heißen Gasstrom ausgesetzten, äußeren Teilen des Turbinenläufers vorhanden ist. Ferner sind zwischen der verwendeten Kühlluft und dem heißen Gasstrom Druckunterschiede vorhanden, die bisher zu einer unerwünschten Beanspruchung desTurbinenläufers geführt haben. Wenn der Turbinenläufer in einem Gasturbinentriebwerk für Flugzeuge verwendet wird, ist das Gewicht von größter Bedeutung. Daher müssen die genannten Forderungen bei kleinstmöglicher Materialmasse erfüllt sein, die angesichts der Festigkeit der wirtschaftlich verwendbaren Materialien erforderlich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines verbesserten Turbinenläufers, der die vorstehend angegebenen, funktionellen Forderungen erfüllt und insbesondere ein hohes Wärmegefälle bei geringem Konstruktionsgewicht zuläßt.

Weiterhin soll durch die Erfindung eine verbesserte Abdichtung zwischen einem Turbinenläufer und einem Leitschaufelkranz oder einem Zwischenboden, der zwischen Laufschaufelkränzen des Turbinenläufers angeordnet ist, erreicht werden, wobei im Hinblick auf die vorstehend angegebene Aufgabe die Turbine ein geringes Gewicht haben soll.

Diese Aufgabe wird durch einen Turbinenläufer gelöst, bei

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dem das Laufrad der ersten Turbinenstufe mit einer Welle und das Laufrad- der zweiten Turbinenstufe mit dem Laufrad der zweiten Stufe durch einen Drehmomentübertragungskonus f*torque cone") verbunden ist, der außen im Bereich der Füße der Schaufeln des Laufrades der zweiten Stufe endet. Zwischen den beiden Laufrädern ist eine Wärmeabschirinung vorgesehen, die an einem der Laufräder befestigt und mit dem anderen Laufrad teleskopartig verbunden ist. Zwischen ihren Längsenden weist die Wärmeabschirmung vorzugsweise einen erhabenen Ring auf, der einen Teil der Dichtung, zwischen den beiden Turbinenstufen bildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, teilweise im Längsschnitt, einen Teil einer speziellen Ausftihrungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Turbinenläufer nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Gasturbinenanlage 10 dargestellt_fund zwar mit einem Verdichter 12, der Luft verdichtet, welche die Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkammer 14 unter-

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stützen soll. Der in der brennkammer erzeugte iieißgasstrom strömt dann durch die Turbine 16 und wird unter Erzeugung einer Schubkraft durch eine nicht gezeigte Düse nach außen abgegeben.

Der Verdichter 12 und die Turbine 16 besitzen je einen beschaufelten Läufer 20,22, die durch eine Welle 24 miteinander verbunden sind« Der durch die Turbine 16 tretende, heiße Gasstrom treibt den Turbinenläufer 22 an, von dem seinerseits der Verdichterlaufer 20 in der üblichen Weise angetrieben wird.

Die Brennkammer 14 besitzt Flammrohre 26, die im Abstand von einem Innen- bzw. Außenmantel 28 bzw. 30 angeordnet sind.

Ein Teil der von dem Verdichter 12 abgegebenen Druckluft strömt zwischen den Flammrohren und unterstützt die Verbrennung, während ein anderer Teil der von dem Verdichter abgegebenen Druckluft über die Außenfläche der Flammrohre strömt, so daß die Flammrohre gekühlt werden. Relativ kühle Luft, die von dem Verdichter abgegeben wird, gelangt außerdem in einen Ringraum 35, der von Bauteilen und 36* begrenzt wird, die an Labyrinthdichtungen 38 und auf dem Turbinenläufer 22 enden. Durch die Dichtung 40 strömt in geringerem Umfang etwas Luft hindurch, die in dem Raum 42, der sich am einen Ende eines Lagers 44 der Welle 24 befindet, einen vorbestimmten Druck erzeugt.

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Durch den Druck in dem Raum 42 wird ein Ölverlust aus dem Lagersumpf 45 weitgehend oder ganz verhindert. Die Druckluft strömt dann aus dem Kaum 42 durch Löcher 46 in einem benachbarten konischen Teil der Welle 24. Von hieraus kann die Luft den Läufer 22 durchströmen und an der Verbindungsstelle zwischen dem Turbinenläufer 22 und einer Verschlußkappe 48 in den heißen Gasstrom eintreten. Von der Verschlußkappe 48 ist nur ein Teil gezeigt. Die Luft strömt ferner aus dem Raum 35 ins Innere des Läufers 22. Diese Luft dient zum Kühlen der Laufschaufeln 50 des Läufers 22. Die Anordnung der Laufschaufeln 50 geht aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung des Läufers 22 hervor.

Gemäß Fig. 2 besitzt der Läufer 22 zwei Laufräder 52,54. Das Laufrad 52 ist durch Schrauben 56 mit dem konischen Teil der Welle 24 verbunden. Das Laufrad 54 der zweiten Stufe ist durch einen Drehmomentübertragungskonus 58 ("torque cone"; mit dem Laufrad 52 der ersten Stufe verbunden. Der Drehmomentübertragungskonus 58 ist durch die Schrauben 56 mit dem Laufrad 52 der ersten Stufe und durch Schrauben 60 mit dem Laufrad 54 der zweiten Stufe verbunden. Eine Wärmeabschirmung t2 ist durch Schrauben 64 mit dem Laufrad 52 der ersten Stufe verbunden und hat am.entgegengesetzten Ende einen zylindrischen Teil 66, der teleskopartig in einen ümfangsflansch 68 des Laufrades 54 ein-

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greift. Dieser Uinfangsflansch bildet vorzups\veise einen einr.tücliii-oti; Teil des Dre.iüiomentübertragungskonus äo.

Üa.s Laufrad 52 der ersten Stufe, der Dr ehmomen tübertraruiigskonus 53 und die uärmeabschirmiiiig 62 begrenzen einen uingrauro 70, dessen- ^alb-Län^sschnitt annähernd' dreieck!;; ist. Die Kühlluft strömt, aus dem Raum 35 durch v. ffnungcn 72 in dem Laufrad 52 und der Welle 24 und; durch mit den Öffnungen 72 korrespondierende iiuten 74 des Drohuiomen tüber tragungskonus 58 in den. Raum 70 und: aus diesem durch ülfnungen 76 in der Wärmeabschirmung 62 sowie öffnungen 7S in den Laufschaufeln 50. Die Kühlluft gestattet einen betrieb der Turbine mit einem viel heißeren Gasstrom als sonst möglich wäre. Da die Temperatur^ in der zweiten Stufe der Turbine gewöhnlich viel niedriger ist als in der ersten Stufe, ist eine Luftkühlung der Schaufeln der zweiten Stufe oft nicht erforderlich» Eine derartige Kühlung ist jedoch möglieh, wenn sie gewünsent wird.

Die vorstellend beschriebene Anordnung hat mehrere Vorteile. Zunächst wird das Drehmoment von der zweiten Stufe nur durch den Drehmomentübertragungskonus 58 auf das Laufrad 52 der ersten Stufe übertragen. Von dem Laufrad der ersten Stufe wird das Drehmoment direkt auf den konischen Teil der Welle 24 übertragen. Daher sind keine überzähligen Bauelemente zum Übertragen des Drehmoments oder anderer

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auf den Turbinenläufer ausgeübter Belastungen vorhanden.

dem Durchtritt durch die erste Turbinenstufe verläßt der heiße Gasstrom die Schaufeln 50 und tritt in ein Leitrad oder einen Zwischenboden 30 ein. Dieses Leitrad bzw. dieser Zwischenboden leitet den Gasstrom zu den Schaufeln 82, die auf dem Laufrad 54 der zweiten Stufe montiert sind. Die Wärmeabschirmung 62 bildet die Innenbeprenzung des heißen Gasstroms, der zu dem Zwischenboden 80 hin und von diesem wegströmt. Die Wärmeabschirmung ist jedoch kein lastübertragendes Bauteil, da der zylindrische Teil GG gegenüber dem Flansch G8 axial frei verschiebbar ist. Ein zwischen der Wärmeabschirmung 62 und dem Drehmomentübertragungskonus 58 etwa vorhandenes Wärmegefälle führt daher nicht zum Aufbau von Spannungen in einem der beiden Teile infolge eines Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungen der beiden Teile. Die Wärmeabschirmung 62 ist normalerweise einer höheren Temperatur ausgesetzt als der Drehmomentübertragungskonus 58, so daß die Wärmeausdehnung der Wärmeabschirmung 62 größer ist. Infolge dieser Wärmeausdehnung schiebt sich die Wärmeabschirmung 62 mehr oder weniger weit in den Flansch 68 hinein. Der stärker beanspruchte, lastübertragende Drehmomentübertragungskonus 58 wird durch die Wärmeabschirmung 62 vor den hohen Temperaturen des heißen Gasstroms geschützt. Die Wärmeabschirmung 62 ist keinen beträchtlichen axialen oder Drehmomentbelastungen ausgesetzt. Die Wärmeabschirmung

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ist in üblicher Weise einstückig mit einer Scheibe 84 ausgebildet, damit sie den hohen Beanspruchungen gewachsen ist, die auf die starken Fliehkräfte zurückzuführen sind, die bei laufendem Turbinenläufer auf die Wärmeabschirmung 62 ausgeübt werden.

Im Abstand auswärts von der Wärmeabschirmung 62 ist ein Ring 88 vorgesehen, der mit der Wärmeabschirmung 62 durch eine einstückige Umfangsrippe 90 verbunden und mit Labyrinthzähnen 86 versehen ist. Diese bewirken eine Abdichtung gegen die Innenflächen des Düsenzwischenbodens, so daß an diesem ein Druckunterschied aufrechterhalten wird. Die Kippe 90 erstreckt sich vorzugsweise radial von der Scheibe 84 weg. Die Labyrinthzähne 86 sind daher nur geringen Wärmespannungen ausgesetzt, und bei einer rtißbildung in einem Zahn oder bei einem Verlust desselben wird der Zusammenhalt der Wärmeabschirmung aufrechterhalten und ein größerer Schaden oder Leistungsverlust vermieden.

Die Druckunterschiede an dem Laufrad 54 der zweiten Stufe und den Einspannbolzen 60 sind in axialer Richtung sehr klein. Das schwierigste üelastungsproblem könnte in dem einwärts von den Einspannschrauben 60 liegenden Teil des Laufrades 54 auftreten. Dieser Teil ist aber auf beiden Seiten dem gleichen Luftdruck ausgesetzt, weil der einwärts von dem konischen Teil der Welle 24 und dem Dreh-

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momentübertragungskonus 58 beiincllicae Teil des Läufers 22 direkt mit der hinteren Stirnfläche des Laufrades 54 in Strömungsverbindung steht und an der Verbindungsstelle mit der Düsenverschlußkappe 48 eine Strömungsverbindung zwischen der hinteren Stirnfläche

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des Laufrades*und dem heißen Gasstrom vorhanden ist.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der ueschreibung enthalten und bzw, oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführun-sbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims (3)

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1. Axialturbine -für eine Gasturbinenanlage rait einer ersten und einer zweiten Turbinenstufe, deren Laufräder mit in Abständen voneinander angeordneten, sich radial erstreckenden Turbinenscliaufein versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (52) der ersten Stufe mit einer Welle (24) verbunden ist während gleichzeitig die beiden Laufraden (52,54/ durch einen l)rehmomentübertragungskonus (58) miteinander verbunden sind, der sich von dem Laufrad (52) der ersten Stufe auswärts zum Laufrad (54) der zv/eiten Stufe erstreckt, daß an dem Lauf raid (52) der ersten" Stufe im Bereich seines Umfanges eine Wärmeabschirmung (62) befestigt ist, die sich bis zu dem Laufrad (54) der zv/ei ten Stufe

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erstreckt und mit diesem im bereich seines Umfanges (68) teleskopartig verbunden ist, daß die Wärmeabschirmung (62) einen Teil der Innenbegrenzung eines die Turbine durchströmenden Gasstroms bildet, der Drehmomentübertragungskonus (58), die Wärmeabschirmung (62) und das Laufrad (52) der ersten Stufe einen Kingraum (70) bilden, der Kühlluft enthält und Mittel vorgesehen sind, durch welche die Kühlluft an die Laufschaufeln (50) des Laufrades (52) der ersten Stufe gelangt, so daß im wesentlichen alle Kräfte zwischen den Laufrädern (52,54) über den Drehmomentübertragungskonus (58) übertragen werden und die Laufräder (52,54) von einem Wärmegefälle in dem Turbinenläufer weitgehend unbeeinflußt bleiben, indem zwischen den Laufrädern (52,54) keine überzähligen Abstützungen vorgesehen sind.

2. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (24) einen konischen Teil besitzt, der mit dem Laufrad (52) der ersten Stufe verbunden ist und im wesentlichen einen Fortsatz des Drehmomentübertragungskonus (58) bildet.

3. Axialturbine nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Düsenzwischenboden zwischen den Schaufeln der Laufräder für die erste bzw, zweite Stufe, dadurch gekennzeichnet,

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daß zur Abdichtung gegen einen Gasdurchtritt zwischen der Wärmeabschirmung (62) und dem Zwischenboden (80) ein Bing (88) vorgesehen ist, der mit der Wärmeabschirmung (62) einstückig und durch eine relativ dünne radiale Umfangsrippe (90) im Abstand außerhalb der Wärmeabschirmung (62) gehalten wird, so daß die Abdichtstelle (86) baulich von der Wärmeabschirmung (62) getrennt ist^

4*. Axial turbine nach einem ©der mehreren der Ansprüche X fels 3, ansonst wie besehrieben und baw, oder stallt.

Le ersei te