Einrichtung zur Kühlung rotierender Teile einer mehrstufigen Turbine für heisses Medium Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrich tung zur Kühlung von rotierenden Teilen einer mehr stufigen Turbine, für heisses Medlum, die mindestens zwei durch eine Welle getragene Laufräder aufweist, welche durch einen an deren Umfang befestigten Di stanzring verbunden sind, wobei Mittel zur Zufüh rung eines Kühlmediums, in den zwischen den Lauf- radscheiben befindlichen Raum und Schaufeln zur Bewegung des Kühlmediums in, diesem Raum vor gesehen sind.
Es ist bekannt, die Laufradscheiben und Distanz ringe einer mehrstufigen Turbine für heisses Medium durch Zirkulation eines gasförmigen Kühlmittels zu kühlen, wobei die Zirkulation desselben durch natür- lich#e Konvektion hervorgerufen wird'.
Dieses Kühlverfahren bringt jedoch schwer zu lösende Probleme mit sich. Wenn z. B. zwei axial distanzierte Laufradscheiben auf einer rotierenden Welle oder einem ähnlichen Körper montiert sind und die Kühlluft durch die, Welteund zwischen die Schei ben eingeführt wird, erfolgt die Konvektion radial auswärts, um die Scheiben zu kühlen. Wenn die Scheiben an ihrem Umfang von aussen her erwärmt werden, hängt die Wirksamkeit der freien Konvek- tionskühlung von der Temperaturdifferenz zwischen der einströmenden Kühlluft und der am Umfang der Scheiben befindlichen Kühlluft sowie dem Durchmes ser der Scheiben ab.
Bei gegebenem Innen- und Aussendurchmesser der Laufradscheiben ergibt sich ein kritisches Teimperaturgefälle, unterhalb welchem natürliche oder freie Konvektion der Kühlluft nicht stattfinden kann. Je kleiner also das erwähnte Durch messerverhältnis ist, desto grösser muss das Tempe raturgefälle sein, um eine freie Konvektion zu erzeu gen. Bei Turbinen miteinem grossen Arbeitsbereich und mit einem kleinen Eintrittsdurchmesser zur Zu führung der Kühlluft kann auf die natürliche Kon- vektion für eine genügende Kühlung nicht abgestellt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb die Schaffung einer Kühleinrichtung, welche diesen Nach teil vermeidet.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Laufradscheiben eine mit denselben in Drehverbindung stehende Ring scheibe vorgesehen ist,die den vorerwähnten Raum.
in zwei Teilräume unterteilt, wobei die, radiale Erstrek- kung der Ringscheibe kleiner ist als der radiale Ab- standder Innenfläche des Distanzringes von -der Ro tationsachse der Turbine, und dass an beiden Seiten der Ringscheibe radialgerichtete Schaufeln befestigt sind, wobei das Kühlmedium durch stromaufwärts liegende Öffnungen in der Welle auf der einen, Seite der Ringscheibe in den Raum eingeführt und, durch stromabwärts liegende Öffnungen in der Welle auf der andern Seite der Ringscheibe aus dem Raum ab geführt wird.
In :der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh- rungsforrn der Erfindung dargestellt. Es zeigen.
Fig. <B>1</B> einen Teil einer mehrstufigen Gasturbine im Axialschnitt, wobei in dieser Ausführungsform zwei verschiedene Befestigungsarten für die Schau feln dargestellt sind, Fig. 2 einen Teil der Gasturbine in einem Quer schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. <B>1</B> und Fig. <B>3</B> einen Teilschnitt entlang der Linie<B>3-3</B> in Fig. <B>1.</B>
In Fig. <B>1</B> ist eine mehrstufige, Gasturbine dar gestellt, die eine aus den Teilen<B>10, 11</B> und 14 be stehende Welle aufweist, welche hohl ist, um die Zu- füh,rung von Kühlluft von einer geeigneten Quelle aus, wie z. B. einem Kompressor, zu ermöglichen. Die zwei zwinander koaxialen zylindrischen, Teile,<B>10</B> und<B>11</B> der Welle sind miteinander durch die Stütz- ringe, 14 fest verbunden, welche die Kühlluft umlen ken. Die Scheiben der Turbinenlau#fräder, welche mit 12 bezeichnet sind, werden von dem Wellenteil<B>10</B> getragen und sind koaxiali zu demselben angeordnet.
Die dargestellte Anordnung entspricht einer Anwen dung, in einem Gasturbinen-Triebwerk, wobei klar ist, dass statt der dargestellten Welle<B>10, 11,</B> 14 andere Mittel zur Zuführung der KühJ1uft zur Verwendung gelangen können. Die Laufradscheiben 12 begrenzen zwischen sich eine Kammer<B>13.</B> An den Laufradschei- ben 12 sind in bekannter Weise Laufschaufeln <B>15</B> be festigt.
Der nach der Leichtbauweise konstruierte Rotor erhält seine Torsionsstabilität durch Verwen dung von Distanzringen<B>16,</B> wobei diese durch Be festigungsmittel<B>17</B> an den Laufradscheiben 12 be festigt sind. Um den Durchfluss von heissen Gasen von einer Turbinenstufe zur andern zu verhindern, sind die Distanzringe <B>16</B> an ihrem Umfange mit Rippen<B>18</B> versehen, die zusammen mit einem stationären Dich tungsring, welcher in strichpunktierten Linien, an gedeutet ist, Labyrinthdichtung--n bilden.
Der Durchfluss von Kühlluft zwischen die Lauf- radscheiben 12 und durch die Kammer<B>13</B> wird durch Öffnungen<B>19</B> und 20 in dem Teil<B>10</B> der Welle er möglicht, so dass die vom nicht dargestellten Kom pressor zuströmende Kühlluft durch die Öffnungen <B>19</B> in die Kammer<B>13</B> einströmt u-nd durch die öff- nungen 20 aus dieser austritt.
Da sich die Distanzringe<B>16</B> in der Nähe der heissen Gase befinden, müssen- dieselben und die ihnen benachbarten Teile am Umfange der Laufrads scheiben 12 genügend gekühlt werden, um einen<B>zu-</B> verlässigen Betrieb zu gewährleisten. Wie schon. er wähnt, können sich Bedingungen ergeben, bei wel chen die Temperatur der Distanzringe<B>16</B> und der durch die Öffnungen<B>19</B> einströmenden Kühlluft so wie die Radialdistanz zwischen dies-en Öffnungen<B>19</B> und den Distanzringen,<B>16</B> so sind, dass eine freie Konvektionsströmung nicht hervorgerufen wird,.
Das heisst, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen eine kritische Temperaturdifferenz bzw. ein Wärmegefälle zwischen der einströmenden Kühlluft und den Di stanzringen<B>16</B> vorhanden ist, welches bei einem ge gebenen Durchmesserverhältnis eine freie Konvek tion nicht erzeugt und somit unterhalb diesem Wert keine Strömung hervorruft.
Unglücklicherweise sind die Betriebsbedingungen eines Düsentriebwerkes mit einer mehrstufigen, Gasturbine der dargestellten Art so, dass eine natürlich-- Konvektionsströmung oft nicht auftritt, so dass die Distanzringe<B>16</B> und die diesen benachbarten Teile am Umfange der Laufradscheiben nicht oder ungenügend gekühlt werden.
Um die Konvektionsströmung der Kühlluft zu fördern, ist eine sich in radialer Richtung erstreckende Ringscheibe, 21 innerhalb jeder Kammer<B>13</B> vor gesehen, welche Scheibe auf dem Wellenteil<B>10</B> auf nicht näher bezeichnete, Weise befestigt ist, sich par allel zu den Laufradscheiben 12 erstreckt und die Kammer<B>13</B> in zwei Teilkammern unterteilt. Dabei ist die radiale Erstreckung der Ringscheibe 21 kleiner <B>C</B> als der radiale Abstand der Innenfläche des Distanz ringes<B>16</B> von der Rotationsachse der Tu#rbine. Um eine Kühlluftströmung um denselben herum zu erzeu gen, ist die Ringscheibe 21 vorzugsweise massiv.
Zwi schen<B>je</B> zwei benachbarten Laufradscheiben 12 be findet sich eine solche Ringscheibe 21, wobei die Öffnungen<B>19</B> auf der einen und die Öffnungen 20 auf der anderen Seite der Ringscheibe- 21 zu liegen kommend. Die gewählte Anordnung bringt es mit sich, dass die Ringscheiben 21 mit gleicher Drehzahl wie die Laufradscheiben 12 rotieren, wobei erstere be stimmt sind, der in die Kammern<B>13</B> eintretenden Kühlluft eine radiale Geschwindigkeitskomponente, zu erteilen, diegegen die heissen Turbinenteile, welche gekühlt werdken müssen, gerichtet ist.
Infolge der gro ssen. Radialgeschwindigkeit ist die Beschleunigung der Luft ausserordentlich stark und kann bei Turbinen dieser Art 12 000-20 <B>000 g</B> ausmachen. Eine Unter suchung zeigt, dass der Wärmeaustausch ungefähr proportional,<B>ZU g1/3</B> ist. Bei Wärmeaustausch durch Konvektion im Falle einer Gasturbine der beschrie benen Art ist der Wänneübertragungskoeffizient mehr als 30mal grösser als der entsprechende Koeffizient bei<B>1 g.</B>
Um die Winkelgeschwindigkeit der einströmenden Kühl,luft auf diejenige der Laufradscheiben zu er höhen, -sind Schaufeln 22 vorgesehen, welche auf der stromaufwärts liegenden Seite der Ringscheiben, 21 angeordnet sind. Die Schaufeln 22 sind vorzugsweise gleichmässig über den Umfang der Ringscheiben 21 verteilt und erstrecken sich in radialer Richtung. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, können, beispielsweise vier Schaufeln, an der stromaufwärtigen Seite jeder Ring scheibe 21 vorgesehen sein, die sich senkrecht zu die ser erstrecken.
Selbstverständlich ist es möglich, auch eine andere Zahl von Schaufeln zu verwenden<B>'</B> wobei auch der zwischen, diesen und der Ringscheibe 21 eingeschlossene Winkel verändert werden kann. Die Schaufeln 22 erstrecken sich bis in die Nähe der Laufradscheiben 12 und haben von den Öffnungen <B>19</B> einen kleineren Abstand als von den Distanzrin#gen <B>16.</B> Die Schaufeln 22 sind durch Schrauben<B>23</B> an den Ringscheiben 21 befestigt. Um den Schaufeln 22 eine Drehbewegung zu vermitteln, welche der Dreh zahl der Laufradscheiben 12 entspricht, ist jeder Schaufel 22 ein Verbindungsglied 24 zugeordnet, das das radial äussere Ende der Schaufel 22 mit den Be festigungsmitteln,<B>17</B> verbindet.
Die in Fig. <B>1</B> zwischen der zweiten und dritten Tur binenstufe gezeigte Anordnung entspricht einer ab geänderten Ausführungsform bezüglich der Anord nung und Befestigung der Schaufeln, welche leichter ist und die Verbindungsglieder 24 nicht benötigt. Wie aus der Fig. <B>1</B> hervorgeht, können. die Schaufeln 22 durch einen Ring<B>25</B> direkt mit den Laufradscheiben 12 verbunden sein, wobei der Ring<B>25</B> in seiner Funktion dem Wellenteil<B>10</B> entspricht. Der Ring<B>25</B> -besitzt Öffnungen<B>26,</B> welche für den Einlass der Kühlluft entsprechend den Öffnungen<B>19</B> dient.
Jede Ringscheibe 21 wird, bei dieser Anordnung ebenfalls vom entsprechenden Ring<B>25</B> getragen, so dass der- sel,be mit den, übrigen Teilen des Roters mitrotiert.
Die einströmende Kühlluft erhält durch. die Schau- feln22eineWinkelgeschwindigkeit,welche derjenigen der Laufradscheiben 12 im wesentlichen entspricht, wobei grosse Zentrifugalkräfte entstehen. Diese Kräfte können grösser als 1000#O <B>g</B> sein. Demzufolge wird die Kühlwirkung gegenüber der natürlichen Konvek- tionsströmung stark erhöht, insbesondere dann, wenn die zu kühlenden Flächen. in geeigneter Weise aus gebildet sind, um die Kühlluft, welche in einer stark beschleunigten Strömung fliesst, dürch Konvektion auszunützen.
Die Innenfläche des Distanzringes<B>16</B> weist eine Mehrzahl von sich in axialer Richtung er streckenden Flügeln<B>27</B> auf, deren Ausbildung aus den Fig. <B>1</B> und<B>3</B> hervorgeht. Jeder<B>Flügel 27</B> erzeugt eine Konvektionsströmung, die, radial einwärts ge richtet wird. Der axiale Verlauf der Flügel<B>27</B> ge- währl,eistet, dass die Kühlluftströmung zwischen dem Ring<B>16</B> und der Ringscheibe 21 nicht behindert wird,.
Infolge der -vorhandenen Spalträume ergibt sich ein gewisser Schlupfverlust, wobei dieser<B>jedoch</B> durch Wahl der Zahl der Schaufeln 22 beeinflusst werden kann. Wenn die Zahl der Schaufeln 22 un endlich wird, findet dir, Kühlung nur durch Schlupf der Luft statt. Im vorliegenden Fall ist jedoch diese Kühlwirkung relativ klein und der Hauptanteil der letzteren entsteht durch die verstärkte Konvektions- kühlung. Infolge des Dralles und der resultierenden hohen Geschwindigkeit sowie des grossen Druckgefäl les an der stromabwärts liegenden Seite der Ring scheibe 21 ist es erwünscht, an dieser Seite Schaufeln 28 vorzusehen, die bezüglich Form und Anzahl den Schaufeln 22 :entsprechen.
Diese Schaufeln<B>28</B> ver hindern die Bildung einer Drallströmung und leiten die Tangentialströmung der Luft in eine Radialströ- mung zurück. Hierdurch wird ein grosser Teil der zur Beschleunigung der Luft geleisteten Arbeit zurück gewonnen, indem die Schaufeln<B>28</B> durch-die Kühl luft beaufschlagt werden.
Viel wichtiger ist hingegen d,eir Vorteil, dass diese Schaufeln eine Mitrotation. der zwischen der Ringschelbe 21 und der Laufradscheibe 12 in der Kammer<B>13</B> befindlichen Luft bewirken und deshalb das Druckgefälle, ider radial einwärtsströmen- den Luft, die durch die Öffnung 20 austritt, reduzie- Ten.
Die Gasturbine kann auch nur zwei, Laufräder bzw. Stulfen aufweisen.
Device for cooling rotating parts of a multi-stage turbine for hot medium The present invention relates to a device for cooling rotating parts of a multi-stage turbine for hot medium, which has at least two impellers carried by a shaft, which are fixed by a Di attached to its circumference punch ring are connected, means for supplying a cooling medium in the space located between the impeller disks and blades for moving the cooling medium in this space are seen.
It is known to cool the impeller disks and spacer rings of a multistage turbine for a hot medium by circulating a gaseous coolant, the circulation of which is caused by natural convection.
However, this cooling method poses problems that are difficult to solve. If z. For example, when two axially spaced impeller disks are mounted on a rotating shaft or similar body and the cooling air is introduced through the shaft and between the disks, convection occurs radially outward to cool the disks. If the panes are heated from the outside at their periphery, the effectiveness of the free convection cooling depends on the temperature difference between the cooling air flowing in and the cooling air located on the periphery of the panes and the diameter of the panes.
With a given inner and outer diameter of the impeller disks, there is a critical temperature gradient below which natural or free convection of the cooling air cannot take place. The smaller the diameter ratio mentioned, the greater the temperature gradient has to be in order to generate free convection. Turbines with a large working area and a small inlet diameter for supplying the cooling air can rely on natural convection for sufficient Cooling cannot be switched off.
The present invention therefore aims to create a cooling device which avoids this after part.
The device according to the invention is characterized in that between the impeller disks there is provided an annular disk which is in rotary connection with the same and which occupies the aforementioned space.
divided into two subspaces, the radial extension of the ring washer being smaller than the radial distance of the inner surface of the spacer ring from the axis of rotation of the turbine, and that radially directed blades are attached to both sides of the ring washer, with the cooling medium flowing upstream Lying openings in the shaft on one side of the annular disk are introduced into the space and, through downstream openings in the shaft on the other side of the annular disk, is passed out of the space.
In: the drawing shows an exemplary embodiment of the invention. Show it.
FIG. 1 shows part of a multistage gas turbine in axial section, with two different types of fastening for the blades being shown in this embodiment, FIG. 2 shows part of the gas turbine in a cross section along the line 2-2 in FIG FIG. 1 and FIG. 3 show a partial section along the line <B> 3-3 </B> in FIG. 1
In Fig. 1, a multistage gas turbine is shown, which has a shaft consisting of parts 10, 11 and 14, which is hollow in order to feed , tion of cooling air from a suitable source, such as. B. a compressor to enable. The two mutually coaxial cylindrical parts, <B> 10 </B> and <B> 11 </B> of the shaft are firmly connected to one another by the support rings 14, which divert the cooling air. The disks of the turbine impellers, which are denoted by 12, are carried by the shaft part 10 and are arranged coaxially to the same.
The arrangement shown corresponds to an application in a gas turbine engine, it being clear that, instead of the shaft 10, 11, 14 shown, other means for supplying the cooling air can be used. The impeller disks 12 delimit a chamber 13 between them. Rotating blades 15 are fastened to the impeller disks 12 in a known manner.
The rotor, which is constructed according to the lightweight construction, receives its torsional stability through the use of spacer rings <B> 16 </B>, these being fastened to the impeller disks 12 by fastening means <B> 17 </B>. In order to prevent the flow of hot gases from one turbine stage to the other, the spacer rings <B> 16 </B> are provided on their circumference with ribs <B> 18 </B>, which together with a stationary seal ring, which in dash-dotted lines, is indicated, labyrinth seal - n form.
The flow of cooling air between the impeller disks 12 and through the chamber <B> 13 </B> is made possible by openings <B> 19 </B> and 20 in part <B> 10 </B> of the shaft so that the cooling air flowing in from the compressor (not shown) flows through the openings 19 into the chamber 13 and exits the chamber through the openings 20.
Since the spacer rings <B> 16 </B> are located in the vicinity of the hot gases, they and the parts adjacent to them on the circumference of the impeller disks 12 must be sufficiently cooled to <B> allow </B> a reliable To ensure operation. How nice. He mentions that conditions can arise at which the temperature of the spacer rings <B> 16 </B> and the cooling air flowing in through the openings <B> 19 </B> as well as the radial distance between these openings <B> 19 </B> and the spacer rings <B> 16 </B> are such that a free convection flow is not caused.
This means that under certain operating conditions there is a critical temperature difference or a heat gradient between the inflowing cooling air and the spacer rings <B> 16 </B>, which does not generate free convection for a given diameter ratio and therefore below this value does not create a current.
Unfortunately, the operating conditions of a jet engine with a multistage gas turbine of the type shown are such that a natural convection flow often does not occur, so that the spacer rings <B> 16 </B> and the parts adjacent to them on the circumference of the impeller disks are insufficient or insufficient be cooled.
In order to promote the convection flow of the cooling air, an annular disk 21 extending in the radial direction is provided within each chamber <B> 13 </B>, which disk on the shaft part <B> 10 </B> on unspecified, Way is attached, extends par allel to the impeller disks 12 and the chamber <B> 13 </B> divided into two sub-chambers. The radial extension of the annular disk 21 is smaller than the radial distance between the inner surface of the spacer ring 16 and the axis of rotation of the turbine. In order to generate a flow of cooling air around the same, the annular disk 21 is preferably solid.
Between each two adjacent impeller disks 12 there is such an annular disk 21, the openings 19 being on one side of the annular disk 21 and the openings 20 on the other side coming. The chosen arrangement means that the ring disks 21 rotate at the same speed as the impeller disks 12, the former being determined to give the cooling air entering the chambers 13 a radial velocity component that opposes the hot turbine parts, which have to be cooled.
As a result of the large. Radial speed, the acceleration of the air is extremely strong and can amount to 12,000-20 <B> 000 g </B> in turbines of this type. An investigation shows that the heat exchange is approximately proportional to <B> TO g1 / 3 </B>. With heat exchange by convection in the case of a gas turbine of the type described, the heat transfer coefficient is more than 30 times greater than the corresponding coefficient at <B> 1 g. </B>
In order to increase the angular velocity of the inflowing cooling air to that of the impeller disks, blades 22 are provided, which are arranged on the upstream side of the annular disks 21. The blades 22 are preferably evenly distributed over the circumference of the annular disks 21 and extend in the radial direction. As can be seen from Fig. 2, for example four blades, on the upstream side of each ring disc 21 can be provided, which extend perpendicular to the water.
Of course, it is also possible to use a different number of blades, whereby the angle enclosed between these and the annular disk 21 can also be changed. The blades 22 extend into the vicinity of the impeller disks 12 and are at a smaller distance from the openings 19 than from the spacer rings 16. The blades 22 are secured by screws B> 23 </B> attached to the ring disks 21. In order to impart a rotary movement to the blades 22, which corresponds to the speed of rotation of the impeller disks 12, a connecting member 24 is assigned to each blade 22, which connects the radially outer end of the blade 22 with the fastening means, 17.
The arrangement shown in Fig. 1 between the second and third turbine stage corresponds to a modified embodiment with respect to the arrangement and fastening of the blades, which is lighter and the connecting links 24 are not required. As can be seen from FIG. 1,. the blades 22 are connected directly to the impeller disks 12 by a ring 25, the function of the ring 25 corresponding to the shaft part 10. The ring <B> 25 </B> has openings <B> 26 </B> which serve for the inlet of the cooling air corresponding to the openings <B> 19 </B>.
In this arrangement, each ring disk 21 is likewise carried by the corresponding ring 25, so that it rotates with the other parts of the rotor.
The incoming cooling air gets through. the blades 22 have an angular velocity which essentially corresponds to that of the impeller disks 12, with large centrifugal forces being generated. These forces can be greater than 1000 # O <B> g </B>. As a result, the cooling effect is greatly increased compared to the natural convection flow, especially when the surfaces to be cooled. are formed in a suitable manner in order to utilize the cooling air, which flows in a strongly accelerated flow, by convection.
The inner surface of the spacer ring <B> 16 </B> has a plurality of blades <B> 27 </B> which extend in the axial direction, the design of which from FIGS. 1 and B > 3 </B>. Each <B> wing 27 </B> creates a convection flow that is directed radially inward. The axial course of the blades <B> 27 </B> ensures that the flow of cooling air between the ring <B> 16 </B> and the ring disk 21 is not impeded.
As a result of the existing gap spaces, there is a certain loss of slip, but this can be influenced by choosing the number of blades 22. When the number of blades 22 becomes infinite, cooling takes place only through the slip of air. In the present case, however, this cooling effect is relatively small and the main part of the latter is caused by the increased convection cooling. As a result of the swirl and the resulting high speed and the large Druckgefäl les on the downstream side of the annular disk 21, it is desirable to provide blades 28 on this side, the shape and number of the blades 22: correspond.
These blades <B> 28 </B> prevent the formation of a swirl flow and divert the tangential flow of the air back into a radial flow. As a result, a large part of the work done to accelerate the air is recovered, in that the blades 28 are acted upon by the cooling air.
Much more important, however, is the advantage that these blades co-rotate. of the air located between the annular disc 21 and the impeller disc 12 in the chamber 13 and therefore reduce the pressure gradient, i.e. the radially inwardly flowing air exiting through the opening 20.
The gas turbine can also have only two impellers or lugs.