CH350836A

CH350836A - Verfahren zur Kühlung eines Gasturbinenrotors

Info

Publication number: CH350836A
Authority: CH
Inventors: Zbojnowicz Josef
Original assignee: Oerlikon Maschf
Priority date: 1957-05-22
Filing date: 1957-05-22
Publication date: 1960-12-15

Description

Verfahren zur Kühlung eines Gasturbinenrotors Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines Gasturbinenrotors, dessen Lauf schaufeln in Umfangsnuten eingesetzt sind, denen das Kühlmedium zumindest von einer Stirnseite des Rotors her durch axiale Kanäle zugeleitet wird, wor auf es durch radiale Öffnungen nach aussen strömt. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Rotorauf- bau, der für das erfindungsgemässe Kühlverfahren besonders geeignet ist.

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt be kanntlich von der Grösse der Temperaturdifferenz des Arbeitsmediums in der Turbine und dem Kom pressor ab. Man ist deshalb aus wirtschaftlichen Grün den bestrebt, diese Differenz gross zu machen. Offen sichtlich ist hierzu eine möglichst hohe Arbeitstem peratur des Gases in der Turbine nötig. Die Festig keit der Materialien und die geforderte Lebensdauer der Maschine bzw. der einzelnen Teile bedingen aber eine obere Grenze der Gastemperatur. Da der Rotor der Turbine mechanisch sehr stark beansprucht und vom heissen Arbeitsmedium umgeben ist, wird die höchstzulässige Temperatur des Gases von der Festig keit und der Lebensdauer des Rotors bestimmt. Dieser muss daher intensiv gekühlt werden.

Es ist bereits vor geschlagen worden, den Rotorumfangsnuten durch Kanäle ein Kühlmittel zuzuführen, dieses hierauf radial nach aussen zu leiten und schliesslich durch axiale Rotorkanäle den benachbarten Laufschaufeln zuströmen zu lassen. Diese Anordnung bietet der Wärme jedoch noch erhebliche Leitwege von kleinem thermischem Widerstand, so dass die Rotorkörper- temperatur relativ hoch ist.

Die Mängel des Bekannten sind vermeidbar, wenn sich erfindungsgemäss die Kühlmittelströmung am Ende der radialen Öffnungen in mindestens zwei Teil strömungen aufteilt, die durch Kühlnuten des Schau felhalses geleitet werden, und wenn hierauf die eine Teilströmung durch einen zwischen der Schaufelplatte und dem Rotor bestehenden Spalt unmittelbar, die andere Teilströmung jedoch nach dem Austritt aus einem entsprechenden Spalt über die Laufschaufel platte dem darauffolgenden Leitapparat zufliesst. Der Vorteil der Erfindung besteht darin,

dass sowohl die Wärmeleitwege über die Laufschaufel als auch über die Rotoroberfläche im Bereich der Leitkränze er hebliche Wärmewiderstände aufweisen, so dass diehöch- ste Rotorkörpertemperatur beträchtlich sinkt.

Durch geeignete Ausbildung der Rotorenden, beispielsweise durch die Wahl von kleinen, praktisch nicht gekühlten Stirnflächen, an denen die Wärmeabführung gering ist, sowie dünnen, langen Wellenzapfen, lassen sich. die Temperaturverhältnisse so gestalten, d'ass der gesamte Rotorkörper eine nahezu konstante Temperatur be sitzt. Auf diese Weise werden erhebliche Wärmespan nungen verhindert. Der Rotor braucht dann nur noch im Hinblick auf die Fliehkräfte und die Material festigkeit bei der betreffenden Rotortemperatur dimen sioniert zu werden.

Anhand der Zeichnung, die einen Teil einer Gas turbine darstellt, soll das erfindungsgemässe Verfah ren und der erfindungsgemässe Rotoraufbau näher erläutert werden.

Mit 1 ist der Rotorkörper bezeichnet, der axiale Kanäle 2, 2' aufweist, die zu Umfangsnuten 3 führen, in denen die Laufschaufeln angeordnet sind. Die Hammerköpfe 4 dieser Schaufeln besitzen radiale Öffnungen 5, die mit Kühlnuten 6 des Schaufelhalses 7 in Verbindung stehen. Die Schaufelplatte ist mit der Zahl 8, das Schaufelblatt mit der Zahl 9 bezeichnet. Ferner sind der Zeichnung die Leitapparate 10 zu entnehmen, die Platten 11 und Labyrinthd'ichtungen 12 besitzen. Der Kühlmittelstrom a tritt von der Stirnseite des Rotors her in die axialen Kühlkanäle 2 ein und teilt sich hier in die Ströme b und c.

Die Strömung b teilt sich wiederum in zwei Teilströmun gend undd', welche durch Kühlnuten des Schaufel halses geleitet werden. Die Teilströmung d gelangt durch den Spalt 13 und den Ringraum 14 über die Schaufelplatte 8 zum nächsten Leitapparat, dem die Teilströmung d' über den Spalt 13' unmittelbar zu fliesst. Die Vertiefungen 15 dienen als Zwischen reservoir für die Kühlluft. Die Spalte 13 und 13' sind für jede Stufe genau kalibriert und wirken als Dosier öffnungen, durch die vorbestimmte Kühlmittelmengen fliessen.

Man kann hierdurch erreichen, dass sich das Kühlmedium beim Überströmen der Platten 8 bzw. 11 nur teilweise mit den heissen Arbeitsgasen mischt und in unmittelbarer Nähe der genannten Plat ten eine Schutzschicht bildet. Es ist zu erkennen, dass durch die Laufschaufel nur ein geringer Wärmefluss zum Rotorkörper zustande kommen kann, da der Schaufelhals und die Schaufelplatte intensiv gekühlt sind. Weiterhin nimmt auch der Rotorteil, der im Bereich der Leitapparate liegt, nur eine geringe Wärmemenge auf, da der Kühlmittelstrom d' sowohl über die Platten 11 als auch durch die Labyrinthe 12 fliesst und damit eine wirkungsvolle thermische Ab schirmung ermöglicht.

Bei unmittelbar nebeneinanderliegenden Lauf schaufeln wird man zweckmässigerweise die Kühl kanäle 5 als in radialer Richtung verlaufende Ver tiefungen der Hammerkopfoberflächen ausbilden, so dass das Kühlmedium zwischen je zwei Laufschau feln radial nach aussen strömt. Falls jedoch zwischen den Laufschaufeln Distanzstücke vorgesehen sind, können die radialen Öffnungen jeweils zwischen einer Laufschaufel und einem Zwischenstück vorgesehen werden.

Claims

PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Kühlung eines Gasturbinenrotors, dessen Laufschaufeln in Umfangsnuten eingesetzt sind, denen das Kühlmedium zumindest von einer Stirnseite des Rotors her durch axiale Kanäle zu geleitet wird, worauf es durch radiale Öffnungen nach aussen strömt, dadurch gekennzeichnet, d'ass sich die Kühlmittelströmung (b) am Ende der radialen öff- nungen (5) in mindestens zwei Teilströmungen(d,d) aufteilt, die durch Kühlnuten (6) des Schaufelhalses (7) geleitet werden und dass hierauf die eine Teil strömung (d') durch einen zwischen der Schaufelplatte (8) und dem Rotor (1) bestehenden Spalt (13') un mittelbar, die andere Teilströmung (d)

jedoch nach dem Austritt aus einem entsprechenden Spalt (13) über die Laufschaufelplatte (8) dem darauffolgenden Leitapparat (10) zufliesst. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass durch die als Dosieröffnungen wirkenden Spalte (13, 13') vorbestimmte Kühlmittel mengen fliessen, so dass sich das Kühlmedium beim Überströmen der Platten (8, 11) nur teilweise mit den heissen Arbeitsgasen mischt und in unmittelbarer Nähe der Platten eine Schutzschicht bildet. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kühlmedium radiale Öffnun gen (5) durchströmt, die zwischen je zwei Laufschau feln vorhanden sind. 3.

Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kühlmedium radiale Öffnungen durchströmt, die jeweils zwischen einer Laufschaufel und einem Distanzstück vorhanden sind. PATENTANSPRUCH11 Gasturbinenrotor zur Ausführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (l) axiale Kühlkanäle (2, 2') auf weist, die mit Umfangsnuten (3) in Verbindung stehen, in denen Laufschaufeln angeordnet sind, die radiale Öffnungen (5) und im Bereich des Schaufelhalses (7) mindestens zwei Kühlnuten (6) besitzen, und dass zwi schen den Schaufelplatten (8) und den Rotorkörper Dosieröffnungen (13, 13') von vorbestimmter Grösse vorgesehen sind.

UNTERANSPRUCH 4. Gasturbinenrotor gemäss Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer nahe zu konstanten Rotorkörpertemperatur die Enden des Rotors kleine, praktisch nicht gekühlte Stirn flächen sowie dünne, lange Wellenzapfen aufweisen, so dass die Wärmeabführung gering ist.