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Gekühlter Gasturbinenläufer Zusatz zum Patent 879 343 Die Erfindung
hat einen Gasturbinenläufer zum Gegenstand, der aus einem zylindrischen Hohlkörper
besteht und dessen Hohlraum das Kühlmittel aufnimmt.
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Das Bestreben, die Gasturbine in immer höherem Temperaturgebiet arbeiten
zu lassen, macht eine Kühlung der Gasturbine, insbesondere des Läufers und der Laufschaufel,
unbedingt notwendig. Eine intensive Kühlung wird am besten durch Verwendung von
Flüssigkeiten als Kühlmittel gewährleistet. Durch die schnelle Umdrehung des Läufers
wird das Kühlmittel auf Druck geschleudert, wodurch der Gasturbinenläufer zusätzlich
durch Innendruck des Kühlmittels belastet ist. Dies ist besonders dann der Fall,
wenn die von dem Kühle mittel aufgenommene Wärme zur Dampferzeugung ausgenutzt wird,
so daß der Gasturbinenläufer außer dem Flüssigkeitsdruck auch noch durch den Dampfdruck
beansprucht wird. Da der Innendruck ganz beträchtlich sein kann, insbesondere wenn
die Kühlung nach dem Drehkesselprinzip arbeitet und aus dem Kühlmittel hochgespannter
Dampf erzeugt wird, der in einer besonderen Dampfturbine zusätzliche Arbeit leisten
kann, ist es notwendig, den Läufer besonders druckfest auszuführen. Diese Forderung
auf Druckfestigkeit des Läufers bedingt eine verhältnismäßig starke Wandstärkedes
Läufers, die wiederum mit Rücksicht auf die dadurch verursachte Zunahme der Wärmespannungen
unerwünscht ist.
Erfindungsgemäß wird daher zur Entlastung des Hohlkörpers
vorgeschlagen, die Bodenflächen des zylindrischen Hohlkörpers im Innern des Hohlkörpers
miteinander zu verbinden, so daß eine wesentliche Erhöhung der Druckfestigkeit gewährleistet
ist: Mit Rücksicht auf die ungleichmäßige Erwärmung des Turbinenläufers einerseits
durch die Verbrennungsgase am Außenumfang und andererseits durch das Kühlmittel
im Innern, dessen Siedetemperatur abhängig vom Druck von außen nach innen abnimmt,
ist es zweckmäßig, besondere Mittel zum Ausgleich der unterschiedlichen Längsdehnung
der zylindrischen Mantelfläche und der inneren Verbindung vorzusehen.
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Dies kann einmal durch die Verwendung von Werkstoffen mit einer der
ungleichen Erwärmung angepaßten Wärmeausdehnungszahl oder durch besondere Heizvorrichtung
für den weniger beheizten Teil erreicht werden, oder aber es kann auch zur Aufnahme
der unterschiedlichen Längsdehnung ein elastisches Glied vorgesehen werden. Im letzteren
Fallkönnenbeispielsweisebei starrerVerbindungder beiden Bodenflächen die Mantelfläche
des Zylinders oder die beiden Bodenflächen selbst elastisch ausgebildet werden,
oder aber die Mantel- und Bodenflächen werden starr ausgebildet, dann muß in die
Verbindung der beiden Bodenflächen die erforderliche Elastizität gelegt werden.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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In den Abb. i bis .I ist der Erfindungsgedanke schematisch dargestellt.
Der zylindrische Hohlkörper des Gasturbinenläufers besteht aus der Mantelfläche
i und den beiden Bodenflächen 2. Auf der Mantelfläche i sind die Laufschaufeln 3
befestigt.
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Gemäß der Erfindung soll zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Läufers
gegen Innendruck eine durch den Hohlraum hindurchgehendeVerbindung der Bodenflächen
2 vorgesehen werden. Sie kann, wie gezeigt, in der Drehachse liegen oder aber zentrisch
um die Drehachse angeordnet sein, wenn beispielsweise die innere Verbindung aus
mehreren Zugankern besteht. Der Läufer mag bei 5 und 6 gelagert sein. Das Kühlmittel
7 mag durch Welle 8, die mit entsprechenden Bohrungen versehen sein kann, zu- und
abgeleitet werden. Durch die innere Verbindung q. wird die Läuferausführung verhältnismäßig
starr, und es kann unter Umständen vorteilhaft sein, ein elastisches Glied vorzusehen,
um die unterschiedliche Längsausdehnung auszugleichen, die bei der ungleichen Erwärmung
der Läuferteile unvermeidlich ist und ganz beträchtlich sein kann.
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Abb. 2 bis a zeigen schematisch die Ausbildung ', eines Läufers mit
einem elastischen Glied, das die Längsdehnung aufnehmen soll. In Abb. 2 ist die
Mantelfläche i des Läufers selbst elastisch ausgebildet, während die Bodenflächen
2 und die innere Verbindung ¢ starr sind.
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Abb. 3 zeigt eine schematische Ausbildung der beiden Bodenflächen
2. Hier bleiben die Mantelfläche i und die Verbindung 4 starr, während nach Abb.
q. die innere Verbindung .I elastisch ist und die Mantel- und Bodenflächen i, 2
starr bleiben. In Abb. 5 bis 18 sind Ausführungsbeispiele des Gasturbinenläufers
nach der Erfindung dargestellt. Entsprechend der schematischen Darstellung nach
Abb-. i zeigen die Abb-. 5 und 6 Beispiele für die Ausführung eines Turbinenläufers
mit innerer Verbindung der Bodenflächen des zylindrischen Hohlkörpers. Der Gasturbinenläufer
nach Abb. 5 besteht aus der durchlaufenden Welle 8, die mit den Bodenflächen 2 aus
einem Stück gearbeitet sein kann, und der Mantelfläche i, die in diesem Fa11 mit
den Bodenstücken 2 verschweißt ist, aber auch in irgendeiner anderen Weise mit den
Bodenstücken verbunden werden kann. Die Kühlung des Läufers erfolgt nach dem Drehkesselprinzip.
Das flüssige Kühlmittel wird durch die Wellenbohrung 9 über den Kanal io in den
Hohlraum i i des Läufers eingeleitet und nach außen geschleudert. Es fließt der
Welle 8 über eine nicht dargestellte Stopfbuchse drucklos oder nahezu drucklos zu.
Eine besondere Pumpe ist nicht erforderlich. Durch die äußere Beheizung des Läufers,
insbesondere der Mantelfläche i mit den darauf befestigten, gleichfalls gekühlten
Laufschaufeln 3 wird aus dem flüssigen Kühlmittel Dampf erzeugt, der nach innen
abströmt und über die Bohrungen 12 durch die Wellenbohrung 13 einer Verbrauchsstelle
zugeführt werden kann. Der Druck des Dampfes entspricht der geschleuderten Wassersäule
in den Züfuhrkanälen io. De-Druck im Hohlraum i i des Läufers entspricht bis zum
Beginn des Flüssigkeitsringes dem Dampfdruck und nimmt dann entsprechend der Stärke
des geschleuderten Wasserringes nach außen zu. Durch die innere Verbindung der Bodenstücke
2, die in diesem Fa11 durch die durchgehende Welle 8 gegeben ist, wird eine beachtliche
Entlastung der im Mantel i wirksamen Zugkräfte erzielt, so, daß die Wandstärke des
Mantels i erheblich vermindert werden kann.
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Das Beispiel nach Abb. 6 zeigt eine andere Ausführungsform für die
Ausbildung des Läufers. Hier sind die Bodenstücke :2 des Läufers durch zentrisch
um die Drehachse angeordnete Ankerbolzen 14. miteinander verbunden. Der Mantel i
ist durch innere Ringrippen 15 verstärkt. Es kann auch genügen, diese Rippen 15
nur an den Stellen anzuordnen, an denen Laufschaufeln 3 auf dem Umfang befestigt
sind. Die Kühlung ist die gleiche wie in dem vorhergehenden Beispiel, nur sind in
diesem Fall die Zuführungskanäle io in das Innere des Läufers verlegt. Wie bereits
eingangs erwähnt, wird der Läufer durch die Verbrennungsgase einerseits und durch
das Kühlmittel, dessen Wasserringtemperatur abhängig vom Druck von außen nach innen
abnimmt, unterschiedlich erwärmt. Infolgedessen hat der Mantel i eine größere Längsausdehnung
als die Verbindung im Innern des Läufers. Neben der Möglichkeit; diese unterschiedliche
Längsdehnung dadurch auszugleichen, daß die Verbindung im Innern aus einem Werkstoff
mit höherer Wärmedehnungszahl hergestellt ist, ist darauf hingewiesen worden, daß
das gleiche Ergebnis auch durch eine besondere Beheizung der inneren Verbindung
auf
annähernd die gleiche Temperatur des Mantels erzielt werden
kann. Hierfür geben die, Abb. 7 und 3 ein Beispiel.
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In Abb. 7 ist die im Innern des Läufers liegende Verbindung 16 mit
den Bodenflächen 2 verflanscht und mit einer Achsenbohrüng 17 versehen. Zum Ausgleich
der unterschiedlichen Längsdehnung zwischen der inneren Verbindung 16 und dem Mantel
i wird die Verbindung 16 durch höher gespannten Dampf beheizt, dessen Druck annähernd
gleich dem Druck des flüssigen Kühlmittels an der inneren Wandung des Mantels i
ist. Um dies zu erreichen, wird ein geringer Teil des flüssigen Kühlmittels in U-förmig
gebogene Rohre 18 über die Mantelfläche i hinausgeführt und von den Brenngasen beheizt.
Entsprechend dem höheren Druck der geschleuderten Flüssigkeit in den Rohren 18 kann
auch der erzeugte Dampf von höherem Druck und damit höherer Temperatur sein. Dieser
Dampf wird über den nach innen gerichteten Schenkel der Rohre 18 in den Hohlraum
17 der Zwischenverbindung 16 eingeleitet und durch kleine Bohrungen ig, durch die
er in den Innenraum i i des Läufers abströmt, auf so hohen Druck angestaut, daß
seine Temperatur annähernd der mittleren Wandtemperatur der Mantelfläche i entspricht.
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Bei der Läuferausbildung nach Abb. 8 ist die innere Verbindung 2o
mit Bohrungen versehen, in denen zur Erwärmung der Verbindung 2o auf die Temperatur
des Mantels i ein Wärmeträger von höherer Siedetemperatur, beispielsweise Öl od.
dgl., in geschlossenem Kreislauf umläuft. Zur Aufwärmung wird der Wärmeträger in
Fingerlinge 21 über die Mantelfläche i hinaus in den Brenngasweg geleitet. Der über
die Mantelfläche i hinausragende Teil der Fingerlinge 21 kann auch als Laufschaufel
ausgebildet sein und den letzten Schaufelkranz bilden.
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In den folgenden Abbildungen sind Ausführungsbeispiele des Läufers
dargestellt, bei denen die unterschiedliche Längsdehnung durch ein elastisches Glied
aufgenommen wird.
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Entsprechend der schematischen Abb. 2 zeigt die Abb. 9 ein Beispiel
für die Ausführung des Läufers mit einer elastischen Ausbildung der Mantelfläche
des zylindrischen Hohlkörpers. Bei dem dargestellten Läufer ist die innere Verbindung
22 des Läufers, die in diesem Fall einen Teil der Welle bildet, mit den Schaufelträgern
23 aus einem Stück gearbeitet. Am Umfang sind die Schaufelträger 23 durch elastische,
nach innen gewölbte Bleche 24 miteinander verbunden. Durch die Schaufelträger 23
ist der Innenraum des Läufers in drei Hohlräume 25 unterteilt, die am Außenumfang
durch Bohrungen 26 untereinander verbunden sind und über die Bohrungen 27 und 28
mit der Wellenbohrung 29 in Verbindung stehen. Die Kühlung des Läufers erfolgt wiederum
nach dem Drehkesselprinzip. Das Kühlwasser wird durch die Wellenbohrung 3o eingeführt
und durch die Rohre 31 an den Umfang geleitet und auf Druck geschleudert. Der erzeugte
Dampf strömt aus den Hohlräumen 25 über dieBohrungen 27, 28 und dieWellenbohrung
29 zur Verbrauchsstelle ab. Durch die elastischen Bleche 24 wird die stärkere Ausdehnung
des äußeren Mantels gegenüber der inneren Verbindung des Läufers aufgenommen. Die
Bleche 24 können verhältnismäßig dünnwandig sein, da durch die, Formgebung und durch
die, geringen Abmessungen ausreichende Festigkeit gegenüber dem Innendruck erreicht
werden kann. Die Abb. io bis 12 zeigen zweckmäßige Verbindungen der Schaufelträger
23 durch die elastischen Bleche 24. In Abt). io sind die Bleche 24 an aus
den Schaufelträgern vorstehenden Aussprüngen 32 von etwa gleicher Wandstärke, verschweißt
und nach innen gewölbt, wodurch das Schweißen sehr erleichtert wird. Bei größerem
Abstand der Schaufelträger ist es zu empfehlen, zur Entlastung der dünnwandigen
elastischen Verbindung einen Tragring 33 vorzusehen, wie die Abb. i i zeigt. Sie
werden zunächst von innen mit den Aussprüngen 32 der Schaufelträger und von außen
mit dem Tragring 33 verschweißt. In dem Beispiel nach Abb. 12 sind die elastischen
Bleche 24 mit nach außen gerichteten Spitzen ausgebildet. Sie haben hier gleichzeitig
die Aufgabe, im Zusammenwirken mit einer entsprechenden Ausbildung des Leitschaufelkranzes
eine labyrinthartige, radiale Abdichtung zu bilden. Bei der Verschweißung der Bleche
24 mit den Aussprüngen 32 oder den Tragringen 33 ist es zweckmäßig, an der Schweißstelle
zur Zentrierung der Bleche 24 diese etwas in den Werkstoff eingreifen zu lassen.
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Ein Beispiel für die Ausbildung eines Läufers mit elastischen Bodenflächen
2 entsprechend der schematischen Darstellung nach Abb. 3 zeigt die Abb. 13. Die
unterschiedliche Längsdehnung der Mantelfläche i als äußere und der durchlaufenden
Welle 34 als innere starre Verbindung der Bodenflächen 2 wird aufgenommen durch
die elastische Ausbildung der Bodenflächen 2 an der Verbindungsstelle mit der Welle
34, wo die Bodenflächen 2 in U-förmig gebogene elastische Ringbleche 35 übergehen,
die durch Schweißung mit der Welle 34 verbunden sind. Die Beanspruchung der Ringbleche
35 wird dadurch herabgesetzt, daß die durch die Bleche 35 auf die Welle 34 zu übertragenden
Zugkräfte entgegengesetzt zu der Druckkraft gerichtet sind, die vom Innendruck auf
die Bleche 35 ausgeübt wird. Es ist zweckmäßig, die- Bodenfläche 2 in Längsnuten
der Welle 34 zur Zentrierung und Übertragungdes Drehmomentes eingreifen zu lassen.
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Die Abb. 14 bis 16 zeigen Beispiele für eine elastische Innenverbindung
gemäß der schematischen Darstellung nach Ab b. 4.
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In Abb. 14 ist die innere Verbindung 36 trichterförmig erweitert und
mit der rechten Bodenfläche 2 verbunden. Die größere Längsdehnung des Mantels i
wird durch die trichterförmige elastische Aufweitung der inneren Verbindung 36 aufgenommen.
Der durch die Aufweitung der Verbindung 36 und dem Bodenstück 2 entstandene Hohlraum
kann mit Kühlflüssigkeit angefüllt sein, die durch die Wellenbohrung 37 zufließt
und durch die Bohrungen 38 in den eigentlichen Innenraum i i des Läufers geschleudert
wird.
Die elastische innere Verbindung der Bodenfläche 2 wird nach
der Abb. 15 durch elastische Bänder 39 hergestellt. Um diese Bänder zur Übertragung
von Zugkräften zu befähigen, sind Gewichte 4o vorgesehen, die unter dem Einfluß
der Fliehkraft eine dem Innendruck entgegengesetzte Zugkraft auf die Bodenflächen
ausüben.
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Nach Abb. 16 ist die innere Verbindung der Bodenflächen 2 zur Entlastung
der Mantelfläche i durch einen Zuganker 4i hergestellt, der durch die unterschiedliche
Längsdehnung auf Verdrehung beansprucht wird. Auf dem einen Ende ist der Zuganker
41 in das rechte Bodenstück 2 eingeschraubt, während das andere Ende einen besonders
ausgebildeten verzahnten Kopf 42 trägt, der, wie aus Abb. 17 ersichtlich ist, in
ein ebenfalls verzahntes, mit dem linken Bodenstück 2 verschraubtes Gegenstück 43
eingreift. Bei stärkerer Ausdehnung des Mantels i werden die Zähne des Ankerkopfes
.I und des Gegenstückes 43 tiefer ineinandergezogen, wodurch der Anker, der aus
federndem Werkstoff hergestellt sein muß, verdreht wird.
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Als letztes Beispiel für den Erfindungsgedanken, die durch das Kühlmittel
zusätzlich belastete Mantelfläche durch eine Verbindung innerhalb des Hohlkörpers
zu entlasten, wird eine besonders elastische kraftschlüssige hydraulische Verbindung
vorgeschlagen, die in Abb. 18 dargestellt ist. Die Mantelfläche i des Turbinenläufers
ist durch das Bodenstück 44 fest mit der durchgehenden Welle 45 verbunden, während
das Bodenstück 46 nicht mechanisch mit der Welle 45 verbunden ist, sondern nur in
irgendeiner bekannten Weise gegen die Welle 45 flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.
Der Hohlkörper des Turbinenläufers kann sich also frei ausdehnen. Zur Übertragung
von Zugkräften auf die Welle45 zur Entlastung des Mantels i ist die Kühlmethode
nach dem Drehkesselprinzip verwendet. Auf der Welle 45 sitzt eine Scheibe 47. Das
Kühlmittel tritt durch die Wellenbohrung 48 in den Ringraum 49 zwischen Scheibe
47 und Bodenstück 46 ein und wird hier auf einen dem Dampfdruck plus dem Druck des
Wasserringes in dem Raum entsprechenden Druck geschleudert. Dieser Druck wird erst
am Umfang erreicht, während er in der Nähe der Welle ganz gering ist, da das Kühlmittel
nahezu drucklos zufließt. Dementsprechend ist das Bodenstück 46 erheblich geringer
belastet als das Bodenstück 44, das vom Wasserring an bis zur Welle durch den vollen
Dampfdruck belastet ist. Der Unterschied in der Belastung wird durch die Scheibe
47 aufgenommen und unmittelbar auf die Welle 45 übertragen, wodurch eine Entlastung
der %Tantelfläche i von etwa 25'/& erreicht wird. Die Dampfableitung aus dem
Raum 50 erfolgt wiederum durch Bohrungen 51 und 52 durch die Welle.