DE697045C - Fluid-cooled turbine impeller, especially for detonation combustion turbines, with several - Google Patents

Description

Flüssigkeitsgekühltes Turbinenlaufrad, insbesondere fürVerpuffungggbrennkraftturbinen, mit mehreren Schaufelreihen am gleichen Radkranz Das Bestreben, Turbinenschaufeln und -laufräder, insbesondere von Brennkraftturbinen, zu kühlen, besteht seit langem. Da eine ausreichende Kühlung vor allem durch eine Flüssigkeitskühlung zu erzielen ist, erscheint es naheliegend, die Kühlflüssigkeit nach der Wärmeaufnahme, durch die sie bereits den dampfförmigen Zustand annehmen kann, in den heißen Gasstrom übertreten -zu lassen, um Rückführung und Rückkühlung zu vermeiden. Wärmewirtschaftlich ist aber ein derartiges Verfahren äußerst unerwünscht, so daß man vorgeschlagen hat, die zur Zuführung und Abführung der Kühlflüssigkeit zu und von den Schaufeln im Laufrad erforderlichen Kanäle dadurch herzustellen, daß das Laufrad aus mehreren scheibenförmigen Teilen, welche miteinander verschraubt, vernietet oder verschweißt sind, gebildet wird. Die Kühlflüssigkeit sollte dann durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Scheibenteilen durchgeführt werden. Derartige Ausführungen haben sich jedoch als unbrauchbar erwiesen, da durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten, wie sie zur Erzielung eines guten Schaufelwirkungsgrades erforderlich werden, Kühlmitteldrücke bis zu zoo atü und darüber erzeugt werden, so daß die einzelnen Radscheiben auseinandergetrieben werden-, da die Flächen, welche dem hohen Kühlmitteldruck ausgesetzt sind, sehr groß sind. Als besonders geeignet zur Zu-und Abführung des Kühlmittels zum Laufradkranz oder den@Schaufeln haben sich racUale Bohrungen -durch den Laufrädkörper erwiesen, welche Sammelkanäle, die beispielsweise an den Schaufelfüßen des Schaufelkranzes entlang geführt sind, mit der Hohlnabe des Turbinenrades verbinden. Das Kühlmittel kann durch eine oder mehrere Radialbohrurigen nach außen zu den .genannten Sammelkanälen fließen und durch andere Bohrungen wieder nach innen zur Radnabe zu abgeführt werden. Solange :es sich hierbei um Laufräder mit nur einem Schaufel= kram handelt, macht diese Anordnung keinerlei Schwierigkeiten. Es ergibt sich von selbst; daß die Radialbohrungen als gerade und rohrförmig geschlossene Leitungen die Zu- oder Abführungskanäle in -der Radnabe mit den Sammelkanälen im Schaufelkranz verbinden. Besondere Schwierigkeiten sind daher bei dieser Kühlungsart nicht aufgetreten, siölange für ausreichenden Durchfluß des Kühlmittels gesorgt wurde.Liquid-cooled turbine impeller, especially for deflagration combustion turbines, with several rows of blades on the same wheel rim The aspiration to turbine blades and running wheels, in particular of internal combustion turbines, has been around for a long time. Because sufficient cooling can be achieved primarily through liquid cooling it seems obvious to pass the coolant through after absorbing heat which it can already assume the vapor state, into the hot gas stream to be passed over in order to avoid recirculation and recooling. Heat efficient but such a method is extremely undesirable, so that it is proposed that is responsible for supplying and removing the cooling liquid to and from the blades In the impeller necessary channels to produce that the impeller consists of several disc-shaped parts which are screwed, riveted or welded together are formed. The coolant should then pass through the spaces between the individual disc parts. Such designs have become however, proved to be unusable because of the high peripheral speeds, such as they are required to achieve good blade efficiency, coolant pressures up to zoo atmospheres and above can be generated, so that the individual wheel disks are driven apart because the surfaces that are exposed to the high coolant pressure are very are great. As particularly suitable for supplying and removing the coolant to the impeller rim or the @ blades have proven racUale bores -through the impeller body, which collecting channels, for example at the blade roots of the blade ring are guided along, connect to the hollow hub of the turbine wheel. The coolant can be done by one or more radial drills outward to the .Called collecting channels flow and through other bores back to the inside Wheel hub to be removed. As long as: these are wheels with only one Shovel = stuff, this arrangement does not cause any difficulties. It results by itself; that the radial bores as straight and tubular closed Lines the supply or discharge channels in the wheel hub with the collecting channels in the Connect the blade ring. There are therefore particular difficulties with this type of cooling did not occur, ensure sufficient coolant flow for a long time became.

MztRücksicht@auf die hohen Gasgeschwindigkeiten, welche infolge der hohen Gastemperatunen und Gasdrücke bei der Beaufschlagung der Schaufeln auftreten, hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen; statt einkränziger Laufräder zum mindesten in der ersten Stufe mehrkränzige Lauf-, insbesondere Curtisräder anzuordnen. Hierbei ergaben sich zwei Möglichkeiten,: deren erste darin bestand, daß für alle Schaufelkränze, insbesondere für die beiden Schaufelkränze eines zweikränzigen Curtisrades, eineinziger für beide Schaufelkränze gemeinsamer Sammelkanal vorgesehen wird. Eine derartige Anordnung hat aber eine Reihe erheblicher Nachteile, so daß sie von vornherein als ungeeignet ausscheidet: sie ist infolgedessen auch nur in Verbindung mit schematisch gehaltenen Zeichnungen bekanntgeworden. Denn eine derartige Anordnung setzt zunächst die Festigkeit des Laufradkranzes ganz erheblich herab. Die Vergrößerung des Rauminhalts des Sammelkanals wirkt sich dabei nur in dieser Querschnittschwächung aus, ohne ihrerseits zur Erhöhung der Kühlleistung beizutragen, weil der Osterschnitt der die Radscheibe radial durchsetzenden Kühlmittelzu- und -abführungen die je .Zeiteinheit zuzuführenden Kühlmittelmengen und damit die Kühlleistung deshalb nach oben begrenzt, weil dieser Querschnitt nicht beliebig vergrößert werden kann. Durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten wird die unnötig große Kühlmittelmenge, die sich in dem ringförmigen Sammelraum befindet, außerordentlich hohen Fliehkräften ausgesetzt, die von den die Schaufeln tragenden Radkranzteilen des Schaufelrades aufgenommen werden muß, obschon gerade diese Teile infolge der Unterbringung des verhältnismäßig großen Sammelkanals stark geschwächt sind. Schließlich und vor allem fehlt jede Zwangsläufigkeit in der Führung des Kühlmittels in bezug auf die beiden Schaufelreihen. Es ist also keine Gewähr dafür gegeben, daß die Schaufelfüße beider Schaufelreihen gleichmäßig gekühlt werden: Diese Umstände führten dazu, daß für praktische Ausführungen nur die zweite Möglichkeit in ..Betracht kam, die sich dadurch kennzeichnet, daß Jeder einzelnen Schaufelreihe ein beson-;Älerer Ringkanal zugeordnet ist. Die zur Zu-R°tihd Abführung der Kühlflüssigkeit erfor der-, @Iichen Radialbohrungen wurden dabei wie bisher durch die Mittelebene der Radscheibe geführt, am äußersten Kranz durch Pfropfen oder V erschweißungen verschlossen und durch parallel zur Achse des Rades verlaufende Querbohrungen mit den beiden Sammelkanälen verbunden, welche in jedem Schaufelkram an den Schaufelfüßen entlang geführt waren. Diese Anordnung der Kühlmittel-Zeitungen erschien sehr einfach und zweckentsprechend, da sie der bei einkränzigen Rädern bewährten Anordnung zu entsprechen schien.MztConsideration @ of the high gas velocities which occur as a result of the high gas temperatures and pressures occur when the blades are loaded, however, it has proven to be useful; instead of single-ring wheels at least to arrange multi-ring running wheels, in particular Curtis wheels, in the first stage. Here Two possibilities arose: the first of which consisted in the fact that for all shovel rings, especially for the two blade rings of a two-ring Curtis wheel, one single a common collecting channel is provided for both blade rings. Such a one Arrangement has a number of significant disadvantages, so that from the outset as unsuitable: it is consequently only in connection with schematic held drawings became known. Because such an arrangement initially sets the strength of the impeller rim decreases considerably. The increase in the volume of the room of the collecting channel has an effect only in this cross-sectional weakening, without for their part to contribute to increasing the cooling capacity, because the Easter cut of the the wheel disc radially penetrating coolant feeds and discharges the per unit of time The amount of coolant to be supplied and thus the cooling capacity is therefore limited upwards, because this cross-section cannot be enlarged at will. Due to the high peripheral speeds becomes the unnecessarily large amount of coolant that is in the annular plenum is exposed to extremely high centrifugal forces from the blades bearing rim parts of the paddle wheel must be added, although straight these parts are strong due to the accommodation of the relatively large collecting duct are weakened. Finally and above all, there is no inevitability in leadership of the coolant with respect to the two rows of blades. So there is no guarantee to ensure that the blade roots of both blade rows are evenly cooled: These circumstances led to the fact that only the second possibility for practical explanations came into consideration, which is characterized by the fact that every single row of blades a special; Älerer ring canal is assigned. The to-R ° tihd discharge of the coolant The necessary radial bores were, as before, through the central plane guided by the wheel disc, on the outermost rim by plugs or welds closed and with cross bores running parallel to the axis of the wheel connected to the two collecting channels, which in every shovel stuff at the shovel roots were led along. This arrangement of the coolant newspapers seemed very simple and appropriate, as it corresponds to the arrangement that has been tried and tested with single-ring wheels seemed to correspond.

Beim Betrieb mehrkränziger Laufräder dieser Art zeigten sich aber unerwartete Schwierigkeiten. Die schärfe Ablenkung in der Strömungsrichtung; welche sich durch die Anordnung der Querbohrungen, die senkrecht zu den Radialbohrungen verlaufen; zwangsläufig ergibt, verursachte nämlich starke Ablagerung der in jeder Kühlflüssigkeit unvermeidlich enthaltenen Verunreinigungen, -insbesondere die Ausscheidung von Salzen bei Verwendung von Kühlwasser: Der Durchfluß der Kühlflüssigkeit wurde auf diese Weise soweit gedrosselt, daß schließlich Verdampfungen der Kühlflüssigkeit eintraten, wodurch die Abscheidung der Verunreinigungen noch stärker begünstigt wurde. Schließlich erreichte die Wärmeabfuhr aus Rad und Schaufeln so geringe Werte, daß Beschädigungen der Schaufeln auftraten.When operating multi-ring impellers of this type, however, it became apparent unexpected trouble. The sharp deflection in the direction of flow; Which through the arrangement of the transverse bores, which are perpendicular to the radial bores get lost; inevitably results, namely caused heavy deposition of in everyone Coolant inevitably contained impurities, -in particular the excretion of salts when using cooling water: The flow rate of the cooling liquid was throttled in this way so far that eventually evaporation of the cooling liquid occurred, whereby the separation of the impurities is promoted even more became. After all, the heat dissipation from the wheel and blades reached such low values that that damage to the blades occurred.

Vorliegende Erfindung beruht demgegenüber auf der völlig eigen- und neuartigen Erkenntnis, daß trotz des erheblichen Mehraufwandes an Werkstoffen und an Herstellungskosten bei mehrkränzigen Laufrädern nicht nur für jeden einzelnen Schaufelkranz ein besonderer, das Kühlmittel auf die einzelnen Schaufeln verteilender, in Umfangsrichturig des Rades verlaufender Kanal vorgesehen sein muß, dein das Kühlmittel üb.-r radial angeordnete Kanäle zuzuführen bzw. aus dem es wieder abzuführen ist, sondern daß darüber hinaus jegliche zur Bildung toter Räume mit gesenkten Strömungsgeschwindigkeiten führende Verzweigungen der das Kühlmittel führenden Leitungen vermieden und von jedem der Sammelkanäle des Laufrädkranzes daher gerade, knickungs-und verzweigungsfreie Bohrungen durch den Radkörper bis zur Radnabe geführt sein müssen. Demgemäß kennzeichnen sich flüssigkeitsgekühlteTu.rbinenlaufräder, insbesondere für Verpuffungsbrennkraftturbinen, mit mehreren Schaufelreihen am gleichen Radkranz erfindungsgemäß dadurch, daß für die einzelnen Schaufelreihen gesonderte, das Kühlmittel auf den Umfang verteilende Kanäle vorgesehen und daß diese Kanäle durch gerade, in mehreren, Ebenen verlaufende Bohrungen mit der Hohlnabe des Rades verbunden sind.The present invention is based on the completely proprietary and novel knowledge that despite the considerable additional expenditure on materials and in manufacturing costs for multi-ring impellers not just for each individual A special blade ring that distributes the coolant to the individual blades, In the circumferential direction of the wheel running channel must be provided, your the coolant over-r radially arranged channels to supply or from which it is to be discharged again, but that, in addition, any for the formation of dead spaces with reduced flow velocities leading branches of the lines carrying the coolant avoided and from each of the collecting channels of the running wheel rim is therefore straight, free from kinks and branches Bores must be made through the wheel center to the wheel hub. Mark accordingly liquid-cooled turbine impellers, especially for deflagration combustion turbines, with several rows of blades on the same wheel rim according to the invention in that separate for the individual rows of blades, the coolant on the Circumferential channels provided and that these channels through straight, in several, Bores extending across planes are connected to the hollow hub of the wheel.

Eine zweckmäßige Ausführungsform, welche schräg verlaufende Bohrungen und deren Herstellungsschwierigkeiten vermeidet, kennzeichnet sich in weiterer Durchbildung des Erfindungsgedankens dadurch, daß die Kanäle in mehreren zu einem Laufradkörper verbundenen Teilscheiben untergebracht sind. Eine derartige Ausführung führt zu weiteren Vorteilen dadurch, daß die Wandstärken der Einzellaufräder geringer ausfallen als die Wandstärke eines mehrere Schaufelkränze tragenden Rades; hierdurch werden Verziehungen der Laufräder unter den Wärmebeanspruchungen wirksam vermieden. Auch bleiben die Abmessungen der Laufradnaben in erträglichen Grenzen, insbesondere werden sprunghafte Verdickungen entbehrlich. Andererseits bieten sich wesentliche Erleichterungen bei der Beschaufelung der Räder. Es hat sich, insbesondere bei Gasturbinenbeschaufelungen, als zweckmäßig erwiesen, die einzelnen Schaufeln im Laufrad festzuschweißen und zwischen den Schaufeln hindurch aus Schweißstoff bestehende Anker anzuordnen. Sind in einem und demselben Laufrad mehrere Schaufelkränze angeordnet, so wirkt bei diesen Schweißvorgängen der eine Schaufelkranz störend, wenn der andere geschweißt werden soll. Bei erfindungsgemäß ausgebildeten Laufrädern können die Schaufeln zunächst in die einzelnen Laufräder eingeschweißt und die Laufräder nach fertiggestellter Beschaufelung zusammengeschweißt werden. Hierdurch wird die Herstellung der Beschaufelung wesentlich erleichtert. Schließlich hat es sich zur Vermeidung eines unnötigen Druckabfalles des Kühlmittels als notwendig erwiesen, die Mündungen der radial verlaufenden Kühlmittelleitungen in der Hohlnabe äußerst sorgfältig, insbesondere gut abgerundet, auszuführen, damit an dieser Stelle Drosselungen und auch wiederum zur Bildung von Ablagerungen Veranlassung gebende Stauungen des Kühlmittels völlig vermieden werden. Eine derartige Ausgestaltung der Mündung ist jedoch mit bekannten Werkzeugen nicht zu erreichen, wenn der die Schaufelkränze tragende- Laufradkörper aus einem einzigen Stück besteht. Auch hier gewährt die Teilung des Laufradkörpers und die nachträgliche Verschweißung den Vorteil, daß die zu bearbeitende Stelle gut zugänglich bleibt, so daß der Mündung die erforderliche Form erteilt werden kann. Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens, und zwar gibt Abb. i einen Längsschnitt durch die Mittelachse eines erfindungsgemäß ausgebildeten Laufkörpers wieder.An expedient embodiment, which inclined bores and which avoids manufacturing difficulties, is characterized in further training of the inventive concept in that the channels in several to form an impeller body connected partial disks are housed. Such a design leads to further advantages in that the wall thicknesses of the individual impellers turn out to be less as the wall thickness of a wheel carrying several blade rings; this will be Distortion of the impellers under the thermal stresses effectively avoided. Even the dimensions of the wheel hubs remain within tolerable limits, in particular sudden thickening unnecessary. On the other hand, there are significant simplifications when blading the wheels. It has been found, especially in the case of gas turbine blading, proved to be useful to weld the individual blades in the impeller and to arrange existing armatures made of welded material between the blades. Are If several blade rings are arranged in one and the same impeller, this is how they work Welding processes of one blade ring are disruptive when the other is being welded target. In the case of impellers designed according to the invention, the blades can initially welded into the individual impellers and the impellers after finished Blading are welded together. This makes the production of the blading much easier. After all, it has to be done to avoid an unnecessary pressure drop of the coolant proved necessary, the mouths of the radially running coolant lines in the hollow hub extremely carefully, in particular well rounded, to perform so at this point throttling and again giving rise to the formation of deposits giving blockages of the coolant can be completely avoided. Such a configuration however, the mouth cannot be reached with known tools if the The impeller body carrying the impeller rings consists of a single piece. Here too the division of the impeller body and the subsequent welding gives the advantage that the area to be processed remains easily accessible, so that the mouth has the required Form can be given. The drawing shows an example embodiment of the Idea of the invention, namely Fig. I is a longitudinal section through the central axis a running body designed according to the invention again.

Abb. a gibt denjenigen Teil des Radkörpers in vergrößertem Maßstab wieder, in welchem die radialen Kühlmittelleitungen in der Hohlnabe ausmünden.Fig. A shows that part of the wheel body on an enlarged scale again, in which the radial coolant lines open out in the hollow hub.

Abb. 3 zeigt mit den Maßstabverhältnissen der Abb.2 einen senkrechten Querschnitt durch den Radkörper nach Linie III-III der Abb. -2.Fig. 3 shows with the scale ratios of Fig. 2 a vertical one Cross-section through the wheel center along line III-III in Fig. -2.

Der in Abb. i gezeigte Laufkörper ist aus drei Einzelteilen zusammengesetzt,. aus dem Laufrad i mit dem angeschmiedeten Wellenstumpf 2, den aus einem Stück bestehenden Laufrädern 3 und q. mit dem sie verbindenden Wellenteil 5 und dem Laufrad 6 mit dem angeschmiedeten Wellenstumpf 7. Die Einzellaufräder i und 3 sowie q. und 6 sind an ihren Umfängen an den mit 8 und g gekennzeichneten Stellen durch Verschweißung verbunden, so daß ein geschlossener, einheitlicher Laufkörper entsteht. Durch dieseAusführung, bei welcher einzelne Radscheiben für jeden Schaufelkranz angeordnet und durch Verschweißung zu einem einzigen Laufkörper vereinigt worden sind, ergibt sich zwanglos die Möglichkeit der Anordnung von geraden, knickungs- und verzweigungsfreien Radialbohrungen io und zou zur Verbindung der Sammelkanäle i i in ähnlicher Weise, wie es bereits bei Einzellaufrädern bekannt ist. Auf diese Weise wird eine betriebsbrauchbare Kühlanordnung für rnehrkränzige Turbinenräder geschaffen, da einer Verschmutzungsgefahr der geraden, knickungs- und verzweigungsfreien Kanäle weitestgehend vorgebeugt ist. Unwesentlich ist es hierbei, ob die Sammelkanäle i i nur im Radkranz liegen, ob sie an die Schaufelkränze angrenzen oder ob noch weitere Bohrungen von diesen Sammelkanälen aus in die Schaufeln führen. Es hat sich aber gezeigt, daß Kanäle in den Schaufeln sehr schnell verstopft und daher vorteilhaft von vornherein vermieden werden. Das Kühlmittel tritt bei 12 in das in der Welle angeordnete Kühlrohr 13 ein und gelangt durch Schlitze 14 in den Raum 15, welcher das andere Ende des Kühlrohres 13 umgibt. Von hier gelangt das Kühlmittel über die Radialbohrungen io in den Sammelkanal i f des Laufrades 6 und durch die Radialbohrungen ioa zurück in den Raum 16. Von hier strömt es weiter durch die Radialbohrungen io des Sammelraumes ii des Rades q. und durch die Radialbohrungen iou zurück zum Raum 17. In ähnlicher Weise durchströmt nun das Kühlmittel die . Radialbohrungen io, die Sammelkanäle ii und die Rückführüngs-Bohrungen iou der Räder 3 und i, um dann aus dem Raum 1ß über den Schlitz i9 auszutreten: Die Ausbildung des Kühlmitteleintritts in die Radialbohrungen io und des Kühlmittelrückflusses durch die kadialbohrungen ioa ist in den Abb.2 und 3 nochmals in größerem Maßstabe dargestellt.The barrel body shown in Fig. I is composed of three individual parts. from the impeller i with the forged stub shaft 2, the one-piece impellers 3 and q. with the shaft part 5 connecting them and the impeller 6 with the forged stub shaft 7. The individual impellers i and 3 and q. and 6 are connected at their circumferences at the points marked 8 and g by welding, so that a closed, unitary running body is formed. This design, in which individual wheel disks are arranged for each blade ring and combined by welding to form a single running body, results in the possibility of arranging straight, kink-free and branch-free radial bores io and zou for connecting the collecting ducts ii in a similar way as it is already known for single wheels. In this way, a usable cooling arrangement for multi-crown turbine wheels is created, since the risk of contamination of the straight, kink-free and branch-free channels is largely prevented. It is immaterial here whether the collecting channels ii are only located in the wheel rim, whether they adjoin the blade rims or whether further bores lead from these collecting channels into the blades. It has been shown, however, that channels in the blades become clogged very quickly and are therefore advantageously avoided from the outset. The coolant enters the cooling tube 13 arranged in the shaft at 12 and passes through slots 14 into the space 15 which surrounds the other end of the cooling tube 13. From here the coolant passes through the radial bores io into the collecting channel if of the impeller 6 and through the radial bores ioa back into the space 16. From here it flows on through the radial bores io of the collecting space ii of the wheel q. and through the radial bores iou back to space 17. In a similar way, the coolant now flows through the. Radial bores io, the collecting channels ii and the return bores iou of the wheels 3 and i, in order then to exit the space 1ß via the slot i9: The formation of the coolant inlet into the radial bores io and the coolant return flow through the radial bores ioa is shown in Fig. 2 and 3 shown again on a larger scale.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE: i. Flüssigkeitsgekühltes Turbinenlaufrad, insbesondere für Verpuffungsbrenn-' kraftturbinen, mit mehreren Schaufelreihen am gleichen Radkranz, dadurch gekennzeichnet,: daB für die einzelnen Schaufelreihen gesonderte, das Kühlmittel auf den Umfang verteilende Kanäle vorgesehen und daß diese Kanäle durch gerade, in mehreren Ebenen verlaufende Bohrungen mit der Hohlnabe des Rades verbünden sind. PATENT CLAIMS: i. Liquid-cooled turbine runner, in particular for deflagration combustion 'power turbines, with several rows of blades on the same wheel rim, characterized in that: the coolant is separate for the individual rows of blades provided on the circumference distributing channels and that these channels through straight, Holes running in several planes are connected to the hollow hub of the wheel. 2. Turbinenlaufrad nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in mehreren zu einem Laufradkörper verbundenen Teilscheiben untergebracht sind.2. turbine runner according to claim i, characterized in that the channels in several Partial disks connected to form an impeller body are accommodated.