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Gasturbine nüt gekühlten Schaufeln Die Brennstoffwirkungsgrade von
Gasturbinenanlagen aller Bauarten sind wesentlich abhängig von der zulässigen Gashöchsttemperatur.
Fast alle Bauarten sind entweder bei hohen Gastemperaturen an der Werkstofffrage
oder bei niedrigen Gastemperaturen an dem geringen Gesamtwirkungsgrad gescheitert.
Es liegt daher nahe, Gasturbinenanlagen für hohe Gastemperaturen zu bauen und die
Schaufeln in solchem Maße zu kühlen, daß eine genüg gende mechanische Festigkeit
und Zunderbeständigkeit des Turbinenwerkstoffes verbleibt.
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Die heute für den besten Stahlwerkstoff noch zulässige Gastemperatur
beträgt etwa 55o bis 6oo' C. Bei Gleichdruckverbrennungsgasturbinen steigt
der Gesamtwirkungsgrad um etwa 2o bis 2,211, falls die Gasteniperatur um i oo'
C über den genannten Grenzwert hinaus erhöht werden könnte. Bereits bei Gasteniperaturen
über 6oo' C erreichen beispielsweise die Wirkungsgrade von Gleichdruckverbrennungsgasturbinen
Werte, die die Wirkungsgrade von Dampfkraftanlagen übertreffen. Man hat daher. großes
Interesse, durch Verwendung gekühlter Schaufeln die Möglichkeit zu schaffen, mit
hohen Gastemperaturen zu arbeiten. Lebensnotwendig werden jedoch gekühlte Schaufeln
in allen solchen Fällen, in denen von vornherein die Gastemperatur durch die Art
des Arbeitsverfahrens gegeben ist, was z. B. bei allen Abgasturbinen für Diesel-
und Ottomotoren zutrifft. So beträgt beispielsweise die Abgastemperatur von Ottomotoren
über iooo' C,
bei Dieselmotoren liegt sie etwas niedriger.
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Die bisher bekannten Einrichtungen zur Kühlung des Laufrades von außen
durch Luft oder die Kühlung der Schaufelfüße und des Laufrades von innen durch Wasser
haben
sich aus verschiedenen Gründen nicht bewährt. Ebensowenig
hat der Vorschlag befriedigt, die Schaufeln hohl auszuführen und die Laufschaufeln
gleichzeitig als Gebläse wirken zu lassen. Eine Teilbeaufschlagung der Turbinen
und Kühlung der Laufschaufeln im restlichen Beaufschlagungsbogen durch einen Kühlluftstrom
hat den Nachteil, daß beträchtliche Bremsverluste auftreten und insbesondere bei
höheren Drücken eine beträchtliche Gasmenge nach außen übertreten kann.
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In der richtigen Erkenntnis, daß es im wesentlichen darauf ankommt,
nur die erste Leit- und die erste Laufschaufelreihe zu küh-
len, wird erfindung
gemäß vorgeschlagen, die erste Laufschaufelreihe durch einen Kühlring nach außen
zu begrenzen, der durch Labyrinthdichtungen gegen das Turbinengehäuse abgedichtet
ist und von außen gekühlt wird.
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Es sind Beschaufelungen bekannt, deren Schaufeln auf einem Teil ihrer
Länge einem Kühlluftstrom ausgesetzt sind. Zum Unterschied hierzu sind nach der
Erfindung die Turbinenschaufeln durch einen Kühlring ab-Cleschlossen, der auf beiden
Seiten gegen das t' - 2D Turbinengehäuse abgedichtet ist. Ein solcher Abschluß
und eine solche Abdichtung werden durch das bei der bekannten Ausführung zwischen
den beiden Schaufelteilen befindliche Schaufelband nicht erreicht. Dieses Schaufelband
hat vielmehr nur die Aufgabe, einerseits die Schaufelteile zu haltern und andererseits
die Gasströme in der Schaufel zu trennen. Der Kühlluftstrom und der Gasstrom *erden
einem gemeinsamen Sammelraum zugeführt. Dadurch ist bedingt, daß die Kühlluft und
die Gase auch auf einen gleich hohen Druck im Sammelraum entspannen müssen. Der
Druck vor und hinter der Schaufel muß sowohl für das Gas als auch die Luft gleich
groß sein,. wenn eine Beeinflussung durch Änderung der strömenden Mengen vermieden
werden soll.
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Die Erfindung hat demgegenüber wesentliche Vorteile durch den Einbau
eines Kühlringes. Der Kühlring ersetzt in Verbindung mit der Labyrinthdichtung sozusagen
das Ge-
häuse und gestattet dadurch die vollständige Trennung des Gasstromes
von dem Kühlluftstrom. Hierdurch ist es möglich, den Kühllaftstrom und den Gasstrom
unabhängig voneinander in beliebigem Verhältnis aufeinander abzustimmen und so günstigste
Kühlverhältnisse ohne Beeinträchtigung des Turbinenwirkungsgrades unter geringster
Kühlverlustleistung zu schaffen. Ein unerwünschtes Mischen der Kühlluft mit den
Abgasen ist hierbei vermieden. Der Kühlring selbst kann mit Luft von beliebigem
Druck gekühlt werden. Ferner läßt die Anwendung des Kühlringes beliebig hohe Gasdrücke
zu, während die bekannte Ausführung nur bei einstufigen Laufrädern, die auf Atmosphärendruck
arbeiten, möglich ist. Gerade bei reinen Gasturbinen ist es aber im allgemeinen
überhaupt nicht möglich, mit einer einzigen Stufe auszukommen, vielmehr ist bei
mehreren Schaufelreihen gerade eine Kühlung der ersten Schaufelreihe erforderlich,
in der die höchsten Temperaturen auftreten.
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Darüber hinaus läßt die Einfügung des Kühlringes auch Bauweisen, die
überhaupt auf einen besonderen Kühlluftstrom verzichten, zu. In vielen Fällen wird
es bereits genügen, den Kühlring in der freien Umgebungsluft umlaufen zu lassen.
Infolge der hohen Umfangsgeschwindigkeit ergibt sich hierbei ein für eine wirksame
Kühlung ausreichend hoher Wärmeübergang. Eine solche Ii,-ühluilg ist mit den bekannten,
zur Aufnahme der Zentrifugalkräfte dienenden Ringen nicht erreichbar, da diese mit
ihren Außenflächen nicht in einem Kühlmedium umlaufen, sondern mit engem Spalt an
entsprechenden Gehäusewandungen vorbeistreichen.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Abgasturbine in Fig.
i der Zeichnung im Teilschnitt und in Fig. 2 der Zeichnung im Gesamtschnitt wiedergegeben.
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DerLäuferio einerÜberdruckturbinedient als Träger der Laufschaufeln
i i, denen Leitschaufelni:2 des Gehäuses 13 vorgeschaltet sind. Die erste Reihe
der Laufschaufeln 11,
also die Reihe, die den höchsten Temperaturen ausgesetzt
ist, ist von einem massiven Kühlringi4 begrenzt, dessen Seitenflächen durch radiale
Labyrinthdichtungen 15 gegenüber dem Gehäuse 13 abgedichtet sind.
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Der Kühlring 14 kann von außen in verschiedener Weise gekühlt werden.
Bei dein Ausführungsbeispiel erfolgt die Kühlung dadurch, daß der Kühlring 14 auf
seinem Außenumfang mit Schaufeln 16 versehen ist, die kalte Luft der Umgebung durch
den Ringkanal 17 ansaugen. Die auf diese Weise angesaugte Kühlluft wird durch einen
Umlenkkanal iS dem Innern der hohl ausgebildeten Schaufeln 1:2 der ersten Leitschaufelreihe
zugeführt und dort zur Kühlung der den höchsten Gastemperaturen ausgesetztenLeitschaufeln
herangezogen.
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Fig. 2 läßt den gesamten Aufbau der Ab-
gasturbine erkennen.
Wie dort ersichtlich ist, wird die Kühlluft nach Durchströmen der Leitschaufeln
12 wieder in einem Ringraum 18
gesammelt und von hier durch einen mehrfach
abgestützten Ringspalt 19 nach außen geführt. Der Ringspalt ig umgibt das
Turbinenlager -2o und die Wellendichtung 21, so daß diese durch den den Ringspalt
ig verlassenden Kühlluftstrom wirksam gegen die Wirkung der beißen Gase geschützt
werden. Es ist auf
diese Weise möglich, den Läufer innerhalb des
Turbinengehäuses selbst zu lagern und somit eine überaus gedrängte und kurzeLagerung
der Turbine zu erzielen. Durch die Anordnung des Kühlringes werden die Laufschaufeln
durch Wärmeleitung hinreichend tief gekühlt. Weiter bringt er den Vorteil, daß die
hochbeanspruchten Laufschaufeln von Fliehkräften weitgehend entlastet sind.
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Normalerweise wird es genügen, wenn die am Außenumfang des Kühlringes
angebrachten Schaufeln die Luft aus der Umgebung ansaugen und damit gleichzeitig
die nach außen dringende Wärme des Turbinengehäuses an die I%'-ühlluft ableiten.
In besonderen Fällen kann diesen Schaufeln jedoch zur Verstärkung der Kühlwirkung
auch vorverdichtete Luft zugeführt werden. Die radiale Länge der Kühlluftschaufeln
sollte ein bestimmtes Verhältnis zur axialen Breite nicht überschreiten.
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An Stelle der Kühlluft kann auch eine Flüssigkeit zur Kühlung des
Kühlringes benutzt werden. Dies ist vor allem dann möglich, wann auf eine Kühlung
der Leitschaufeln verzichtet werden kann. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt
Fig. 3 der Zeichnung. Der Kühlring 15 ist mit radialen Rippen :22 versehen,
die ganz oder teilweise in einen Flüssigkeitsbehälter 2-3 eintauchen. Braucht
die Kühlung weniger stark zu sein, so kann man gegebenenfalls die Flüssigkeitskühlung
fortfallen lassen und sich mit der reinen Rippenluftkühlung begnügen.
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Die Erfindung ist auf die gezeigte Turbinenbauart nicht beschränkt.
Sie kann vielmehr auch bei Turbinen anderer Bauart, z. B. bei Radialturbinen und
bei Turbinen mit fliegender Welle, benutzt werden. In allen Fällen können die Turbinen
nicht nur mit Ab-
gasen und Frischgasen, sondern auch mit Dampf betrieben
werden. In besonderen Fällen kann nicht nur die erste Laufschaufelreihe, sondern
gegebenenfalls auch die zweite oder dritte zusätzlich mit dem erfindungsgemäßen
Kühlring versehen werden.