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Gasturbine mit einer tangential von außen beaufschlagten, das Treibgas
von der radialen Eintritts- in die axiale Austrittsrichtung umlenkenden Laufradscheibe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer tangential von außen beaufschlagten,
das Treibgas von der radialen Eintritts- in die axiale Austrittsrichtung umlenkenden
Laufradscheibe, bei der im Innern ihres rückwärtigen Scheibenteiles Kühlluft zugeführt
wird, die radial von innen nach außen, gegen den Laufradumfang strömt.
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Bei derartigen Turbinen sind die Kühlprobleme verwickelt. So@ tritt
neben einem Wärmeanfall vom Radumfang her infolge der Aufheizung der Turbinenschaufeln
und der Laufradscheibe durch das heiße Treibgas auch noch ein überwiegend axial
gerichteter Wärmeanfall auf. Aus diesem Grunde ist eine gute Wärmeabfuhr auf der
Rückseite der L aufradscheibe ebenso wichtig, wie am Radumfang. Die Wärmebelastung
ist am Umfang und in den Laufschaufeln am größten und nimmt nach innen wegen der
zunehmenden Metallmassen, über die die Wärme abströmen kann und wegen der mit fortschreitender
Expansion sinkenden Temperatur ab. Hierdurch ergeben sich für die erfindungsgemäße,
spezielle Radialbauart charakteristische Temperaturverteilungen und demgemäß Wärmespannungen,
deren Beherrschung zur Aufgabenstellung der Erfindung gehört.
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Man hat mehrfach Vorschläge gemacht, bei Axialturbinen die Schaufelung
zu kühlen, jedoch treten bei dieser Gattung von Turbinen ganz andere Probleme auf,
die wesentlich einfacher zu beherrschen sind, als diejenigen bei einer Radialturbine.
Bei Axialturbinen fließt die Wärme lediglich vom heißen, Läuferumfang aus radial
nach innen, so daß
bei diesen Turbinenarten das Kühlproblem im wesentlichen
darin besteht, für gute Wärmeabfuhr am Radumfang zu sorgen.
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Man hat zwar bei Gasturbinen mit tangential von außen beaufschlagter,
das Treibgas von der radialen Eintritts- in die axiale Austrittsrichtung umlenkender
Laufradscheibe längs der Rückseite der Laufradscheibe Kühlluft derart zugeführt,
daß diese radial von innen nach außen gegen den Turbinenumfang strömt und von dort
durch Öffnungen in die Turbinenschaufelung übertritt. Bei diesen bekannten Radialturbinen
waren jedoch die Übertrittsöffnungen verhältnismäßig groß ausgeführt, so daß die
Kühlluft beim Eintritt in die Turbinenschaufelung sich mit den Treibgasen mischte.
Dies hat den Nachteil, daß man verhältnismäßig große Kühlluftmengen anwenden muß,
wenn überhaupt eine ausreichende Kühlung erreicht werden' soll, zumal bei dieser
Mischkühlung auch die Temperatur an solchen Stellen des Laufrades erniedrigt wird,
wo diese Erniedrigung nicht unbedingt erforderlich wäre.
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Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Radialturbine zwar auch
die Kühlluft längs der Rückseite der Laufradscheibe zugeführt, jedoch sind erfindungsgemäß
mindestens außen und auf mindestens einer Seite der Laufschaufeln derart durch die
Laufradscheibe hindurchgehende Kanäle vorgesehen, daß diese Kanäle auf die Oberfläche
der äußeren Laufschaufelenden und auf die Laufschaufelwurzeln gerichtet sind. Diese
im Querschnitt verhältnismäßig kleinen Kanäle haben die Wirkung einer Wandablösung
der heißen Treibgase, indem auf der Wandung der Treibbeschaufelung sich ein Kühlluftschleier
bildet. Da die Kühlluft demnach an die gefährdeten Bauteile unmittelbar herangeführt
wird, ist man in der Lage, mit geringstmöglichen Kühlmittelaufwand auszukommen.
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Ein weiterer Unterschied gegenüber der Kühlung bei den bekannten Radialturbinen
besteht darin, daß die Kühlluft bei den bekannten Turbinen nur über einen Teil des
Radumfanges der Laufradscheibe zugeführt wird, :daß es sich also bei der Kühlung
um eine partielle Beaufschlagung der Laufradscheibe handelt. Demgegenüber wird bei
der erfindungsgemäßen Kühlung die Kühlluft über den gesamten Umfang verteilt und
damit sämtlichen Schaufeln der Laufradscheibe zugeführt, so daß die Kühlwirkung
ohne zeitliche Verzögerung gleichmäßig über den ganzen Umfang verteilt eintritt.
Bei der bekannten Radialturbine tritt eine zeitliche Verzögerung in der Kühlwirkung
ein, weil die heißen Treibgase zunächst Zeit finden, dieBeschaufelung aufzuheizen,
da dieKühlwirkung bei jeder Umdrehung der Laufradscheibe erst anschließend an die
Treibgaszufuhr erfolgt.
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Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes sowie ein Ausführungsbeispiel
seien an_ Hand der Zeichnung näher erläutert.
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In Fig. i, welche einen Axialschnitt darstellt, ist i die frei fliegende
Laufradscheibe, welche mittels der Welle :2 in der Büchse 3 gelagert ist. 4 ist
das Turbineneintrittsgehäuse, 5 der die Eintrittsschaufeln 6 enthaltende Düsenring
und 7 ist ein mit Kühlraum 8 versehenesAbschlußstück zwischen dem Gaseintrittsgehäuse
q. und dem Gebläsesammelgehäuse g. Das Laufrad besteht aus einer eigentlichen Laufradscheibe
i, aus welcher die Schaufeln 17 beispielsweise herausgearbeitet sind. Diese Schaufeln.
17 stehen mindestens am Eintrittsende ig annähernd radial zur Radachse, und die
annähernd ebenen Schaufelflächen verlaufen schräg zur Turbinenachse. An den Wurzeln
18 der Schaufeln 17, wo letztere mit der Laufradscheibe i verbunden sind, sind die
Schaufeln 17 aus Festigkeitsgründen verdickt.
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In axialer Richtung gegen den Radaustritt 20 hin ist die Laufradscheibe
i zwischen den Schaufeln 17 mit verhältnismäßig schwach gebogenen Begrenzungen
21 versehen. Die Gase treten an den Austrittskanten 20 mit Unterdruck und relativ
hoher Geschwindigkeit aus und in den geradlinig konisch erweiterten Diffusor 22
ein. Am Ende 23 desselben verdichten sich die Gase annähernd auf den Außendruck.
Damit die Geschwindigkeitsumsetzung im Diffusor 22 wirkungsvoll ist, wird in seinem
Inneren im Anschluß an die Laufradnabe eine konisch sich verjüngende Einbaute 24
eingebaut. Der Gehäuseteil ? deckt die Rückseite der Laufradscheibe i ab und ist
gekühlt. Der Gehäuseteil q. enthält die Einläufe der heißen Gase und den axial gerichteten
Gasaustritt. Zwischen diesen Gehäuseteilen ist der Leitschaufelring 5 angeordnet.
Damit das heiße, sich ausdehnende Gaseintrittsgehäuse q. gegenüber dem gekühlten
Abschlußgehäuse 7, der Laufradscheibe i und auch dem Gebläsegehäuse g stets im Zentrum
bleibt, werden beide Gehäuseteile q. und 7, z,,B. .mittels vier mit ihren Achsen
durch die Achse der Turbine gehender Keile 27 gegeneinandergehalten.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Kühlvorrichtung aus
einer um die Laufradnabe herum angeordneten Kühlmittelkammer 29, die weiter in einen
auf der Rückseite der Laufradscheibe i angeordneten, sich in radialer Richtung ausdehnenden
Raum übergeht. Entsprechend Fig. i sind auf der Rückseite der Laufradscheibe i Schaufeld
28 vorgesehen, durch welche aus der Kammer 29 Kühlluft angesaugt wird. Diese Kühlluft
kann aus der Atmosphäre entnommen werden, oder aber auch z. B. durch die Leitung
3o aus dem Gebläsesammelgehäuse g. Die Kühlgebläseschaufeln 28 sind mit einer Deckscheibe
3 i abgedeckt. Die damit geförderte Luft tritt durch in der Laufradscheibe i mindestens
außen entsprechend angeordnete und orientierte Kanäle 32 in Richtung auf die Oberfläche
der Schaufeln 17, bzw. ihre äußeren Enden ig und Wurzeln i8 aus und setzen deshalb
ihre Temperatur ebenfalls herab, wonach das Kühlmittel von den Treibgasen mitgenommen
wird. Die im Abstand von der Rückseite der Laufradscheibe mitrotierende Deckscheibe
ist am äußeren Umfang der Laufradscheibe entlang so befestigt, daß sie den hinter
der Laufradscheübe angeordneten Teil de: Kühlmnttelkamm r in radialer Richtung abschließt
Fig.2
zeigt eine axonometrische Ansicht der Laufradscheibe i mit den Laufradschaufeln
17, ihren radial gerichteten Eintrittsteilen i9 und den von der radialen Richtung
mehr abweichenden Austrittsenden 2o. Man sieht die in der Laufradscheibe i gebohrten
Löcher 32 für den Durchtritt der Kühlluft, welche eine solche Richtung haben, daß
die Kühlluft auf die Schaufeloberflächen, und zwar besonders nahe der Schaufeleintrittskanten
und der Schaufelwurzeln geführt wird. In Fig.2 erkennt man, daß dies dort auf beide
Schaufeloberflächen, die Vorder- wie die Rückseite, erfolgt. Statt Öffnungen 32
können für diesen Zweck beispielsweise auch Nuten 32" am äußeren Rande der Laufradscheibe
i angeordnet sein.