DE3310529C2 - Vorrichtung zum Kühlen des Rotors einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen des Rotors einer Gasturbine mit vom Kompressor stammen der Luft unter relativ niedrigem Druck, die der Turbine über ihre gemeinsame Welle zugeführt wird, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Es ist bekannt, den Rotor einer Gasturbine mit Luft zu kühlen, die von einer geeignet gewählten Stufe des der Gasturbine zugeordneten Kompressors stammt und dann in einer Zentripetal-Beschaufelung entspannt wird, wie das in der DE-OS 28 33 220 erläutert ist, wobei die entspannte Luft anschließend zum Rotor der Turbine über die gemeinsame Welle geführt wird.

Gegenüber einem ebenfalls bekannten Verfahren zum Kühlen des Rotors einer Gasturbine mit vom zugeordneten Kompressor stammender Luft unter relativ hohem Druck weist dieses Verfahren, das Luft unter relativ niedrigem Druck verwendet, verschiedene Vorteile auf. Durch das Umwälzen über die Welle kühlt die zum Kühlen des Rotors der Turbine bestimmte Luft auch die Welle. Die Luftlecks oder -verluste, die insbesondere in Höhe von Labyrinth­ dichtungen auftreten können, sind viel geringer als in dem Fall, in dem Kühlluft unter hohem Druck verwendet wird. Die zum Kühlen des Rotors der Turbine bestimmte Luftmasse zirkuliert zuvor in Berührung mit relativ wesentlichen Metallmassen, was zu einer Art Pufferungs­ effekt beiträgt, der die thermischen Stöße im Fall brutaler oder erheblicher Bremsverzögerungen der Turbine verringert. Ferner erlaubt die Wahl der Stufe des Kompressors, in dessen Höhe die Luft abgenommen wird, die Wahl des Drucks der Kühlluft.

Das Einführen von Luft unter relativ niedrigem Druck in die Turbine erfordert jedoch das Erhöhen des Drucks der Kühlluft vor deren Führung auf oder in den Bund und die Schaufeln eines Rotors. In bestimmten Fällen muß die Kühlluft nämlich unter einem Druck in der Größenordnung von 14 bar abgegeben (ejiziert) werden, während deren Eintrittsdruck in die Turbine häufig kleiner als dieser Wert ist. Es gibt bereits verschiedene Möglichkeiten, um Kühlluft vor ihrer Abgabe neu zu verdichten. Die Kühlluft kann beispiels­ weise in radiale Öffnungen geführt werden, die elektro­ lytisch in der Masse der zu kühlenden Rotorscheibe gefertigt sind. Die Kühlluft kann auch durch Zentrifugal­ schaufeln neu verdichtet werden, die an mindestens einer der Seiten der Rotorscheibe vorgesehen sind zwischen dem Lufteintritt unter niedrigem Druck in Höhe der Bohrung der Rotorscheibe und den Füßen ihrer Schaufeln. Diese beiden bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß in der zu kühlenden Rotorscheibe Assymmetrien erzeugt werden, die Ursache für örtliche Beanspruchungen sind. Deren Berücksichtigung bedingt die Verdickung der Rotorscheibe und als Folge davon die Vergrößerung deren Masse und folglich deren Trägheit. Weiter muß als Folge der notwendigen Verdickung der Rotorscheibe die eine Labyrinthdichtung tragende Scheibe mit größerem Abstand von der Mittelebene der Rotor­ scheibe befestigt werden. Daraus folgt notwendigerweise eine Vergrößerung der axialen Länge des zwischen der Rotorscheibe und der die Dichtung tragenden Scheibe, die dieser zugeordnet ist, vorzusehenden Tonnenraums (Tonnengewölbes). Gerade diese Vergrößerung der Länge des Tonnenraumes macht dessen mechanische Festigkeit unbestimmt.

Die FR-PS 12 07 772 beschreibt eine Kühlvorrichtung für einen Rotor einer Gasturbine, bei dem ein Kühlluftstrom von einem festen Verteiler in eine dichte Kammer strömt, die in der Stromabseite der zu kühlenden Rotorscheibe ausgebildet ist, wobei Labyrinthdichtungen zwischen den festen und den beweglichen Teilen zur Minimisierung der Luftlecks vorgesehen sind. In der erwähnten Kammer teilt sich der eintretende Luftstrom in einen Bruchteil auf, der zum direkten Kühlen, d. h. ohne Wiederverdich­ tung, der Schaufeln und deren jeweilige Füße strömt, und einen anderen Bruchteil, der in Zentripetalrichtung durch radiale Flügel derart geführt ist, daß er die Bohrung der Rotorscheibe kühlt.

Die FR-PS 21 30 011 beschreibt eine Vorrichtung zum Komprimieren (Verdichten) von Kühlluft vor deren Aus­ tritt in Richtung auf die Füße der Schaufeln eines Turbinenrotors. Diese Vorrichtung ist durch einen Zen­ trifugalkompressor gebildet, der durch den Rotor der Turbine gedreht wird und der an der Stromabseite der Rotorscheibe angebracht ist oder auch mit bestimmtem Abstand von dieser befestigt ist. In beiden Fällen ist der Eintritt des sich drehenden Kompressors durch einen festen komplexen Kreis versorgt, der komprimierte Luft in den der Turbine zugeordneten Kompressor fördert. Selbstverständlich müssen Labyrinthdichtungen vorgesehen sein, um Kühlluftlecks während deren Strömen vom Stator- Verteiler in den sich drehenden Kompressor zu verrin­ gern.

Die FR-PS 22 95 238 beschreibt einen Zentrifugalkompres­ sor für zur Kühlung von Schaufeln des Stators einer Gasturbine bestimmte Luft. Dieser Kompressor ist mit dem Rotor der Turbine drehfest verbunden, jedoch müssen geeignete Dichtungen vorgesehen sein, um die Kühlluft­ lecks zu begrenzen und um diese, die Kühlluft, auf die Stator-Schaufel zu konzentrieren.

Die US-PS 29 51 340 beschreibt eine Kühlvorrichtung eines Rotors einer Gasturbine mit einer an der Stromaufseite der Scheibe mittels einer Platte begrenzten Kammer, wobei an der Platte Schaufeln befestigt sind, die einen Zentrifugal-Pumpeffekt in der Kammer erzeugen, deren oberer Teil die Kühlluft austreten läßt, die neu ver­ dichtet worden ist. Wenn auch die erwähnte Kammer mit Kühlluft unter verhältnismäßig geringem Abstand von der Achse der Turbine versorgt werden soll, tritt je­ doch die dort austretende Luft tatsächlich an umfangs­ seitigen Austritten des Kompressors oder Verdichters aus, wobei die möglichen Lecks wieder von Labyrinthdich­ tungen kontrolliert bzw. überwacht werden müssen.

Die Kühlvorrichtungen eines Rotors einer Gasturbine mit von dem Kompressor der Turbine abgegebener Luft, die vorstehend erläutert worden sind, haben den folgen­ den gemeinsamen Nachteil. Alle diese Vorrichtungen weisen Dichtungen, im allgemeinen Labyrinthdichtungen, auf, um mögliche Lecks der Kühlluft während deren Durchtritt zwischen einem festen Teil und einem beweg­ lichen Teil zu überwachen. Folglich hängt die durch derartige Dichtungen erreichte Dichtheit sehr stark vom Betriebszustand der Gasturbine ab, insbesondere aufgrund von Wärmedehnungen, Stößen, thermischen und mechanischen Spannungen, denen diese Dichtungen ausge­ setzt sind. Die Verwendung derartiger Dichtungen in van Kühlluft eines Rotors der Gasturbine durchströmten Kreisen ist daher eine sehr wesentliche Ursache von unvermeidbaren Schwankungen des Kühlluftdurchsatzes und folglich der Betriebstemperatur des Rotors der Tubomaschine.

Aus der DE-PS 909 059 ist eine Einrichtung zum Fördern der Kühlluft eines Turbinenlaufrads bekannt, welche einen Lufteintritt in Höhe der Rotorachse mit einem Luftauslaß im Bereich der Schaufel verbindet.

Aus der DT-AS 1 070 880 und der US 3 031 132 ist es bekannt, zum Kühlen einer Gasturbine dem Kompressor Luft zu entnehmen und durch die Hohlwelle der Gasturbine zu führen.

Aus US 3 768 924 ist ein Turbinenrad mit umlaufendem Kühlluftkanal bekannt.

Aus der US 3 936 215 ist eine Vorrichtung zum Kühlen des Stators der Gasturbine bekannt. Der Rotor der Gasturbine wird gemäß dieser Druckschrift nicht gekühlt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung des Rotors der Turbine zu erreichen, bei der Kühlluftdurchsatzschwankungen herabgesetzt sind.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche bilden den Gedanken der Erfindung besonders vorteilhaft weiter.

Die Vorrichtung zum Abkühlen des Rotors einer Gasturbine gemäß der Erfindung weist die eingangs genannte Bauart auf. Sie weist ferner Einrichtungen zum Komprimieren der Kühlluft auf, vor deren Ausstoßen auf oder in den Bund und die Schaufeln des Rotors, und zeichnet sich dadurch aus, daß die Einrichtung zum Komprimieren in einem dichten Kreis geordnet ist, der mit der Rotor­ scheibe fest verbunden ist und der ohne Unterbrechung den Lufteintritt, der in Höhe der Rotorachse vorgesehen ist, mit Austrittsöffnungen der Kühlluft verbindet unter Strömen an der Außenseite der Rotorscheibe mit Ausnahme gegebenenfalls des Innenraumes deren Bundes. Über die Vorteile hinaus, die mit der Verwendung zur Kühlung des Rotors einer Gasturbine von Luft, die in dem Kompressor bei relativ niedrigem Druck abgegeben ist, verbunden sind, hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung gegenüber allen bisherigen Ausführungen folgende Vor­ teile. Die Kühlluft, die in der Turbine ankommt und vom zugeordneten Kompressor stammt, dringt nach Umwälzung durch die gemeinsame Welle direkt in den Eintritt des dichten Kreises ein, in dem die Einrichtungen zur Kompression oder Verdichtung vorgesehen sind, ohne daß eine oder mehrere Unterbrechungszonen oder Unstetigkeits­ zonen zwischen festen und sich drehenden Teilen zu durchlaufen sind, die die Anordnung von Dichtungen, ins­ besondere Labyrinthdichtungen, erfordern. Dadurch werden praktisch Lecks der Kühlluft vermieden, die insbesondere abhängig vom Betriebszustand der Turbine schwanken, wodurch die Einstellung oder Regulierung der Betriebs­ temperatur des Rotors der Turbine erleichtert wird. Andererseits ist es, weil der größte Teil des vorgesehe­ nen dichten Kreises gemäß der Erfindung für die Kühl­ luft außerhalb der zu kühlenden Rotorscheibe ist, nicht mehr notwendig, in letzterer radiale Leitungen oder Kanäle zu fertigen, die sie durch und durch durchsetzen. Dadurch werden die oben erläuterten Nachteile beseitigt, die auf der Notwendigkeit beruhen, die Dicke der Rotor­ scheibe zu erhöhen, um zu vermeiden, daß die Belastungen nirgends kritische Werte überschreiten. Daraus ergibt sich eine Gewichtseinsparung gegenüber einer Rotorschei­ be, die durch und durch von radialen Kanälen durchsetzt ist und dies trotz des Zusatzgewichtes des dichten Krei­ ses außerhalb der Scheibe. Der Ermüdungswiderstand und damit die Lebensdauer eines mit einer Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung versehenen Turbinenrotors sind als Folge davon sehr stark erhöht. Die Herstellung von Rotorscheiben ist weiter vereinfacht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Teilschnitt längs einer Axialebene eine Rotorscheibe einer Gasturbine, bei der ein erstes Ausführungsbeispiel der Luftkühlvorrichtung gemäß der Erfindung angebracht ist,

Fig. 2 und 3 Ansichten ähnlich Fig. 1 anderer Ausfüh­ rungsformen der Luftkühlvorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine der Rotorscheiben 1 einer Gasturbine.

Diese Rotorscheibe 1 ist in an sich bekannter Weise derart ausgebildet, daß ihr Querschnitt in einer axialen Halb­ ebene symmetrisch gegenüber einer zur geometrischen Achse (nicht dargestellt) der Rotorscheibe 1 senkrechten Ebene ist, wobei der Flächeninhalt dieses Querschnitts von der die Welle der Turbine durchsetzenden Bohrung 1a der Scheibe 1 ausgehend bis zum Bund 1b der Rotorscheibe 1 abnimmt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Bund 1b der Scheibe 1 eine leichte axiale Verbreite­ rung auf und trägt die Füße 2a der Schaufeln 2 der Rotorscheibe 1, die mittels bekannter Mittel dort be­ festigt sind, weshalb dies nicht näher erläutert werden muß.

Gemäß der Erfindung ist die Rotorscheibe 1 ein Voll­ körper, wodurch dessen mittlere axiale Dicke auf einen Wert verringert werden kann, der gerade ausreicht, damit die übertragung des Motor-Drehmomentes auf die Welle der Turbine sichergestellt ist, ohne daß kritische Beanspruchungen bei verschiedenen Betriebszuständen der Turbine auftreten. Die Rotorscheibe 1 kann daher relativ leicht sein, wobei sie jedoch einen sehr hohen Ermüdungswiderstand aufweist, da keinerlei innere Aus­ nehmungen vorhanden sind. Der hohe mechanische Widerstand wird auch durch die vollkommene Symmetrie gegenüber der Ebene P senkrecht zur Achse der Turbine erhöht. Diese Symmetrie wird trotz der Hinzufügung in mittleren Zonen der Stromaufseite und der Stromabseite der Rotorscheibe 1 von zwei Ringflanschen 1c und 1d beibehalten, die konzentrisch zur Rotorscheibe 1 sind und mit der sie vorzugsweise einstückig ausgebildet sind. Während der stromabseitige Ringflansch 1d beispielsweise mittels Bolzen 3d an einem Laufzapfenelement 4d (von dem ledig­ lich ein Teil dargestellt ist) befestigt ist, der die Rotorscheibe 1 trägt, ist deren stromaufseitiger Ringflansch 1c beispielsweise mittels Bolzen 3c an einer Scheibe 5 befestigt, die ferner auf der Welle der Turbine über eine Bohrung 5a befestigt ist, deren Durchmesser größer als der der Bohrung 1a der Rotor­ scheibe 1 ist und deren Bund 5b eine Labyrinthdichtung 6a trägt. Letztere wirkt mit einem komplementären festen Element 6b zusammen, das mit einem Tonnengewölbe oder -gehäuse 7 fest verbunden ist. Bei dem dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist der Bund 5b der Scheibe 5 bis in die Nähe des Bundes 1b der Rotorscheibe 1 und der Füße 2a deren Schaufeln 2 über ein kegelstumpfför­ miges Element 5c verlängert, das einen Ringflansch 5d trägt, der mit geringem axialen Abstand zu den Elementen 1b und 2a angeordnet ist, um insbesondere einen axialen Anschlag für die Füße 2a der Schaufeln 2 zu bilden.

Gemäß der Erfindung wird die Luft zur Kühlung der Rotor­ scheibe 1 in dem der Gasturbine zugeordneten (nicht dargestellten) Kompressor oder Verdichter unter einem relativ niedrigen Druck abgegeben, beispielsweise der­ art, wie es in der erwähnten DE-OS 28 33 220 erläutert ist. Die so abgegebene Luft strömt durch die dem Kompressor und der Turbine gemein­ same Welle und tritt in den Ringraum 8 ein, der zwischen der Bohrung 5a der die Dichtung tragenden Scheibe 5 einerseits und einem Element 4c andererseits gebildet ist, das an dem stromaufseitigen Flansch 1c der Rotor­ scheibe 1 mittels Bolzen 3c befestigt ist. Wie durch den Pfeil F1 dargestellt, tritt die vom Ringraum 8 stammende Kühlluft in untere Eintritte von Leitungen 5e ein, die im Inneren der die Dichtung tragenden Scheibe 5 ausgebildet sind. Im Inneren der eigentlichen Scheibe 5 sind die Leitungen 5e in radialen Richtungen angeordnet und besitzen vorzugsweise einen Querschnitt, der ausgehend von der Bohrung 5a der Scheibe 5 kontinuierlich abnimmt.

In der kegelstumpfförmigen oder konusförmigen Verlängerung 5c der Scheibe 5 ist jede der radialen Leitungen 5e ihrerseits um einen etwas weiter verengten Querschnitt verlängert, der gegenüber der Achse der Turbine geneigt ist und der gegenüber dem Fuß 2a einer der Schaufeln 2 der Rotorscheibe 1 mündet. Wie durch den Pfeil F2 darge­ stellt, kann die von der Verlängerung jedes Kanals 5e austretende Luft einen Längskanal 1e durchströmen, der in dem Bund 1b oder dem Fuß 2a der Schaufel 2 vorgesehen ist. Der Pfeil F3 zeigt, daß die Kühlluft, die jeden Kanal 1e durchsetzt hat, zum Kühlen der Stromabseite des Fußes 2a der entsprechenden Schaufel 2 kommen kann. Schließlich zeigt der Pfeil F4 auch, daß zumindest ein Teil der aus der Verlängerung jedes radialen Kanals 5e austretende Luft den Fuß 2a einer Schaufel 2 durchströmen kann, um die Schaufeln innen zu kühlen. Alle diese Kühl­ wirkungen sind sehr wirksam in dem Maße, in dem die Kühlluft, die unter einem relativ niedrigen Druck in die unteren Enden der radialen Leitungen 5e eingetreten ist, dort stark von neuem durch Zentrifugalwirkung komprimiert oder verdichtet worden ist.

Vorzugsweise ist die die Dichtung tragende Scheibe 5 gemäß der Erfindung durch zwei Teilscheiben 5A und 5B gebildet, die miteinander durch Schweißen oder Verschrauben verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform sind die radialen Leitungen 5e durch radiale Vertiefungen oder Rinnen gebildet, die in den sich berührenden Flächen der beiden Teilscheiben 5A und 5B gebildet sind derart, daß sie paarweise in Höhe der Verbindungsebene zusammen­ passen, die in Fig. 1 durch die dünne Voll-Linie p dargestellt ist. Selbstverständlich kann auch die kegel­ stumpfförmige Verlängerung 5c der Scheibe 5 ebenfalls durch die Annäherung oder Anlage zweier kegelstumpfför­ miger Verlängerungen der Teilscheiben 5A und 5B gebildet sein.

Mit dünnen Linien ist in Fig. 1 ferner eine Ringnut 5f dargestellt, die in dem Ringflansch 5d gegenüber den Füßen 2a der Schaufeln 2 ausgebildet ist derart, daß über den Umfang der Rotorscheibe 1 die Kühlluft gleich­ förmig verteilt wird, die in dieser Ringnut 5f die Ver­ längerungen der radialen Leitungen 5e verläßt.

Die Vorrichtung zum Kühlen mittels Luft, Luftkühlvor­ richtung, die in Fig. 1 dargestellt ist und vorstehend erläutert worden ist, hat die folgenden Vorteile. Der Eintritt der Luft mit relativ niedrigem Druck, der in Höhe der Achse des Rotors vorgesehen ist, insbeson­ dere in Höhe des Ringraumes 8, ist ohne Unterbrechung oder Unstetigkeit mit den Austritts- oder Ejektionsöff­ nungen für Kühlluft in Höhe des Ringflansches 5d über eine dichte Leitung verbunden, die insbesondere durch radiale Kanäle 5e und deren jeweilige Verlängerungen gebildet ist, wobei dieser dichte Kreis wie die die Dichtung tragende Scheibe 5 selbst mit der zu kühlenden Rotor­ scheibe 1 fest verbunden ist und derart versorgt wird, daß eine neuerliche Verdichtung der Kühlluft durch Zentrifugalwirkung in den radialen Leitungen 5e erreicht wird. Die durch den Kompressor abgegebene Kühlluft kommt daher in die Ausnutzungszone in Höhe der Schaufeln der Rotorscheibe unter ausschließlicher Verfolgung von Kreisen, deren Dichtheit nicht von der von Dich­ tungen, insbesondere Labyrinthdichtungen, abhängt, was die Regelmäßigkeit des Kühlluftdurchsatzes in allen Betriebszuständen der Turbine garantiert und das Halten deren Rotorscheibe auf eine im wesentlichen konstante Arbeitstemperatur garantiert. Das zusätzliche Gewicht aufgrund der Hinzufügung der Scheibe 5B zur Scheibe 5A, die zum Tragen der Labyrinthdichtung 6a genügt, wird in großem Ausmaß dadurch kompensiert, daß die Rotorschei­ be 1 als Vollkörper ausgebildet werden kann und es nicht mehr notwendig ist, deren Dicke zu erhöhen, um das Auftreten kritischer Belastungen in bestimmten Betriebs­ zuständen der Turbine zu vermeiden. Gegenüber einer Vorrichtung zur Kühlung der Rotorscheibe, die Kühlluft verwendet, die unter relativ hohem Druck zugeführt ist, besitzt die in Fig. 1 dargestellte und vorstehend er­ läuterte Vorrichtung zusätzliche Vorteile durch den vereinfachten Aufbau und die Gewichtsverringerung, die dadurch erreicht ist, daß das zwangsweise Vorsehen von Kühlluftinjektoren vermieden ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Er­ findung unterscheidet sich von dem vorstehend anhand Fig. 1 Erläuterten durch folgende Merkmale. Die Scheibe 5, die die Labyrinthdichtung 6a trägt und die beispiels­ weise mittels Bolzen 3c am stromaufseitigen Ringflansch 1c der zu kühlenden Rotorscheibe 1 befestigt ist, ist einteilig ausgebildet und zwei konzentrische Reihen von im wesentlichen ringförmigen Sektoren 9A und 9B sind außerhalb bzw, innerhalb des stromaufseitigen Ringflansches 1c der Rotorscheibe 1 befestigt, wobei der Ringflansch 1c von der Stromaufseite der Rotor­ scheibe 1 im Mittelbereich der Radialerstreckung der Stromaufseite wegragt und eine axiale Größe besitzt, die ausreicht, damit die Sektoren 9A und 9B von den entsprechenden Teilen der Stromaufseite der Rotorscheibe 1 weit beabstandet sind. Gemäß der Erfindung ist jeder der im wesentlichen ringförmigen Sektoren 9A und 9B an seiner der Rotorscheibe 1 abgewandten Seite mit Zentrifugalbeschaufelungen 9A1 und 9B1 versehen, die an den Sektoren 9A bzw. 9B integriert vorgesehen sind und die an der Seite der die Dichtung tragenden Scheibe 5 anliegen, die zur Rotorscheibe 1 gewandt ist. Wenn beispielsweise die Rotorscheibe 1 60 Schaufeln 2 auf­ weist, kann jede der Reihen der im wesentlichen ring­ förmigen Sektoren beispielsweise 10 Sektoren 9A und 9B aufweisen, wobei jeder Sektor seinerseits mit Zentrifu­ galbeschaufelungen 9A1 oder 9B1 in einer Anzahl versehen sein kann, die ausreicht, um zwischen ihnen sechs Ver­ tiefungen oder Ausnehmungen zu begrenzen. Die beiden Reihen der Sektoren 9A und 9B bilden daher mit ihren Zentrifugalbeschaufelungen 9A1, 9B1 und der Seite der Scheibe 5, gegen die sie anliegen, eine innere Kompressor­ stufe bezüglich dem mittleren Ringflansch 1c bzw. eine äußere Kompressorstufe, deren relative Anordnungen folgendermaßen sind. Die durch die Beschaufelungen 9A1 der internen Kompressorstufe gebildeten Eingänge der Vertiefungen sind in direkter Verbindung mit dem Ring­ raum 8, der vorstehend bei der Erläuterung der Fig. 1 definiert worden ist und in dem die Kühlluft unter relativ niedrigem Druck von einer der Stufen des Kom­ pressors eintrifft, nachdem sie die gemeinsame Welle des Kompressors und der Turbine durchströmt hat. Die Austritte der durch die Zentrifugalbeschaufelungen 9A1 der inneren Kompressorstufe begrenzten Vertiefungen sind jeweils in den gleichen Radialebenen wie die Ein­ tritte der durch die Zentrifugalbeschaufelungen 9B1 der äußeren Kompressorstufe begrenzten Vertiefungen, wobei die Austritte jeweils mit den Eingängen über radiale Kanäle 10 verbunden sind, die in einer Ring­ schulter 5g ausgebildet sind, über die die die Dichtungen tragende Scheibe 5 an der Rotorscheibe 1 über beispiels­ weise Bolzen 3c befestigt ist. Schließlich münden die Austritte der durch die Zentrifugalbeschaufelungen 9B1 der äußeren Kompressorstufe begrenzten Vertiefungen oder Kanäle ohne Unstetigkeit in Öffnungen 11, die ihrerseits in dem Bund 1b der Rotorscheibe 1 ausgebildet sind derart, daß jede dieser Öffnungen oder Leitungen 11 sich schräg von der Stromaufseite zur Stromabseite und von innen nach außen in einer Radialebene der Rotor­ scheibe 1 erstreckt und in deren Bund 1b in Höhe der Füße 2a der Schaufeln 2 mündet.

Gemäß weiteren vorteilhaften jedoch wahlweise vorsehbaren Merkmalen der Erfindung sind die im wesentlichen ring­ förmigen Sektoren 9A und 9B vorzugsweise aus einem Ver­ bundmaterial hergestellt, der hohen thermischen Wider­ stand besitzt beispielsweise einem Verbundmaterial an sich bekannter Art auf Kohlenstoffbasis. Andererseits ist jede der beiden Folgen der ringförmigen Sektoren 9A und 9B drehfest mit der Rotorscheibe 1 über zwei Systeme von Zähnen und Zapfen gekoppelt, die miteinander zusammenarbeiten. Im Fall der Sektoren 9A der inneren Kompressorstufe weisen deren jeweils zur Rotorscheibe 1 gewandten Seiten nicht weit vom weitesten innenliegenden Rand des entsprechenden Sektors eine ringförmige Folge von gleich beabstandeten Zähnen 12A auf, die in Ver­ tiefungen zwischen Zapfen 13A eingreifen, die ihrerseits mit der Stromaufseite der Rotorscheibe 1 fest ver­ bunden sind. In gleicher Weise ist der am weitesten innenliegende Rand jedes Sektors 9B der äußeren Kom­ pressorstufe mit gleich beabstandeten Zähnen versehen, die zwischen Zapfen 13B eingreifen, die mit den Ringflansch 1c der Rotorscheibe 1 fest verbunden oder einstückig sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2 wird die unter relativ niedrigem Druck in dem Ringraum 8 ankommende Luft durch die Eintritte der inneren Kompressorstufe, die durch die Sektoren 9A gebildet ist, angesaugt, wobei eine erste Neuverdichtung erfolgt. Die Luft tritt anschließend durch die radialen Kanäle 10 in die Eintritte der äußeren Kompressorstufe ein, wo sie einer weiteren Druckerhöhung unterliegt, bevor sie über die schrägen Kanäle 11 zu den Füßen 2a der Schaufeln 2 ausgestoßen wird. Die erhaltenen Vorteile sind in der Praxis die gleichen, wie sie anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 erläutert worden sind. Die Ausführung jeder Kompressorstufe in Form von in der Praxis ringförmigen Sektoren 9A und 9B ist in dem Maße vorteilhaft, in dem es den Ausgleich der erheblichen Wärmedehnungen der verschiedenen Elemente mit den gerin­ gen Verschiebungen aufgrund der Zentrifugalkräfte, denen sie ausgesetzt sind ermöglicht.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unter­ scheidet sich von denen gemäß den Fig. 1 und 2, die vorstehend erläutert worden sind, durch folgende Merkmale. Der stromabseitige Ringflansch 1d der zu kühlenden Rotorscheibe 1 weist eine etwas andere Form auf und trägt einen Zentrifugaltragkranz 12, der drehfest mit dem Laufzapfen 4d der Rotorscheibe 1 gekoppelt ist, der an dem Ringflansch 1d beispielsweise mittels Bolzen 3d ebenfalls befestigt ist. Die Kopplung zwischen den zusammenwirkenden Teilen des Tragkranzes 12 und des Lauf­ zapfens 4d erfolgt mit Hilfe zweier Systeme mit Zähnen und Zapfen, die miteinander in der erwähnten Zone 13 zusammenwirken. Der Zentrifugaltragkranz 12, der auf diese Weise außerhalb der Rotorscheibe 1 befestigt ist, mit dem sie aber drehfest verbunden ist, insbesondere über den Laufzapfen 4d und den stromabseitigen Ring­ flansch 1d, ist so dimensioniert, daß dessen Eingänge 12a nahe der Bohrung 1a der Rotorscheibe 1 sind. Die Austritte 12b des Zentrifugaltragkranzes 12 münden jeweils in Radialkanäle 14, die in dem dicksten Teil des Ringflansches 1d derart gefertigt sind, daß die Achse jedes Kanals 14 in einer Radialebene der Rotor­ scheibe 1 liegt und von der Stromabseite zur Stromauf­ seite und von innerhalb nach außerhalb des Rotors geneigt ist. Die schrägen radialen Leitungen 14 sind in Richtung auf den Bund 1b der Rotorscheibe 1 über Rohre 15 verlängert, die beispielsweise mittels dreier konzentri­ scher Ringflansche 16a, 16b und 16c mit gestaffelten Durchmessern getragen sind, die ihrerseits durch einen Konusring 17 getragen sind, der seinerseits über Bolzen 3d an dem stromabseitigen Ringflansch 1d der Rotorscheibe 1 befestigt ist. Schließlich münden die am weitesten außen liegenden Enden der Rohre 15 in Ausstoß- oder Ejektionskanäle 18 der Luft, die in dem Bund 1b der Rotorscheibe 1 in Verlängerung der Rohre 15 gebohrt oder ausgebildet sind. Wie sich das aus Fig. 3 ergibt, sind die Achsen der Austritte des Zentrifugentragkranzes 12, der Leitungen 14, der Rohre 15 und der Kanäle 16 zu­ einander ausgerichtet. Andererseits nimmt der Querschnitt des Kanals mit geradliniger Achse, der auf diese Weise gebildet ist, vom Austritt 12b des Tragkranzes 12 bis zu dem des Ejektionskanals 18 ab. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist es möglich, einen nicht kreisförmigen, beispielsweise einen elliptischen Querschnitt für diesen Kanal mit geradliniger Achse zu verwenden, dabei insbesondere für die Innenleitung des Rohres 15 und für die Leitung 18.

Die unter relativ niedrigem Druck im Ringraum oder Ringintervall 8 ankommende Kühlluft im Inneren der Bohrung 5a der die Dichtung tragenden Scheibe 5 durch­ strömt anschließend die Bohrung 1a der Rotorscheibe 1 von der Stromaufseite zur Stromabseite in Richtung des Pfeiles F'1 unter Sicherstellung einer Kühlung des ent­ sprechenden sehr dicken Teils 1a der Rotorscheibe 1. Wie durch den Pfeil F'2 dargestellt, wird die Luft mit geringem Druck anschließend durch die Eingänge 12a des Zentrifugentragkranzes 12 angesaugt, wodurch ihr eine erste Neuverdichtung erteilt wird. Von den Austritten 12b des Zentrifugentragkranzes 12 durchströmt die Luft anschließend die Leitungen 14, die Rohre 15 und die Ejektionskanäle 18, wobei eine weitere Erhöhung des Druckes aufgrund der Zentrifugalwirkung erreicht wird, bevor sie unter ausreichend hohem Druck in Höhe der Füße 2a der Schaufeln 2 ausgestoßen wird. Die Wieder­ verdichtung der Kühlluft, die mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erreicht wird, kann ziemlich hoch sein insbesondere aufgrund der großen Länge des geradlinigen Kanals 14, 15, 18. Diese Ausführungsform der Kühlvor­ richtung gemäß der Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie an der Stromabseite der zu kühlenden Rotorscheibe 1 vorgesehen ist, d. h. auf der Seite, die am weitesten von den Zonen der Scheibe entfernt sind, die zur Übertragung des motorischen Drehmomentes der Welle dienen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs­ formen beschränkt, vielmehr sind zahlreiche weitere Aus­ führungsformen möglich, insbesondere solche, bei denen bei jeder Ausführungsform die gleiche Ausführungsform symmetrisch zur Ebene P der Scheibe 1 hinzugefügt wird oder eine andere der Ausführungsformen. Ferner können andere Ausführungsformen durch einen Austausch in Rich­ tung stromauf gegen stromab oder umgekehrt im Sinne einer Invertierung erhalten werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Kühlen des Rotors (1) einer Gasturbine mit vom Kompressor stammender und der Turbine über deren gemeinsame Welle zugeführter Luft unter relativ niedrigem Druck, mit Einrichtungen zum Komprimieren der Kühlluft und zum Ausstoßen in Richtung auf oder in den Bund (1b) und die Schaufeln (2) des Rotors (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionseinrichtungen (5e; 9A1, 9B1; 12, 14, 15, 18) in einem dichten Kreis angeordnet sind, der mit der Rotorscheibe (1) verbunden ist und der unterbrechungsfrei den Lufteintritt (8), der in Höhe der Rotorachse angeordnet ist, mit den Kühlluft- Austrittsöffnungen verbindet, wobei er außerhalb der Rotorscheibe (1) verläuft mit Ausnahme gegebenenfalls des Inneren ihres Bundes (1b).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dichte Kreis zumindest an seinen Teilen außerhalb der Rotor­ scheibe (1) durch eine Scheibe (5) getragen ist, die eine Labyrinthdichtung (6a) trägt und die an einem Ringflansch (1c) der Rotorscheibe (1), im allgemeinen stromauf dieser, befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der dichte Kreis im wesentlichen durch radiale Leitungen (5e) im Inneren der die Dichtung tragenden Scheibe (5) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Dichtung tragende Scheibe (5) durch zwei miteinander verbundene Teilscheiben (5A, 5B) gebildet ist, wobei die radialen Leitungen (5e) durch radiale Vertiefungen gebildet sind, die in den sich berührenden Seiten der beiden Teilscheiben (5A, 5B) derart ausge­ bildet sind, daß sie paarweise übereinstimmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Dichtung tragende Scheibe (5) an ihrem Bund (5b) einen Ringflansch (5d) trägt, der derart angeordnet ist, daß er einen axialen Anschlag für die Schaufeln (2) der Rotorscheibe (1) bildet, und in Höhe des Bundes (1b) der Rotorscheibe (1) und der Füße (2a) dessen Schaufeln (2) eine Ringnut (5f) oder ringförmig verteilte Ejektionsöffnungen aufweist, wobei dort die Enden der radialen Leitungen (5e) münden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die Teile des dichten Kreises, die von der die Dich­ tung tragenden Scheibe (5) getragen sind, als Zentrifu­ galkompressor ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifugalkompressor durch mindestens eine Folge von im wesentlichen ringförmigen Sektoren (9A, 9B) aus einem Verbundmaterial hohen Wärmewiderstandes, bei­ spielsweise auf der Grundlage von Kohlenstoff, begrenzt ist, wobei jeder dieser Sektoren (9A, 9B) an einer Seite mit Zentrifugenschaufeln (9A1, 9B1) versehen ist, die an der Seite der die Dichtung tragenden Scheibe (5) anliegen, die zur Rotorscheibe (1) weist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zentrifugalkompressor zwei Stufen auf­ weist, die jeweils durch eine Folge konzentrischer, im wesentlichen ringförmiger Sektoren (9A, 9B) begrenzt sind, die an der Außenseite bzw. der Innenseite des mittigen Bundes (1c) der Befestigung der die Dichtung tragenden Scheibe (5) an der Rotorscheibe (1) befestigt sind, daß der Austritt der inneren Stufe (9A) mit dem Eintritt der äußeren Stufe (9B) über Radialleitungen (10), die in der die Dichtung tragenden Scheibe (5) ausgebildet sind, verbunden ist, und das der Austritt der äußeren Stufe (9B) in Kanäle (11) zur Luftabgabe mündet, die in dem Bund (1b) der Rotorscheibe (1) aus­ gebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Folgen der ringförmigen Sektoren (9A, 9B) drehfest mit der Rotorscheibe (1) über zwei Systeme (13A, 13B) mit Zähnen und Zapfen, die miteinan­ der zusammenwirken, gekoppelt ist, wobei eines der beiden Systeme mit der Folge der Sektoren (9A oder 9B) fest verbunden ist und das andere an der entsprechenden Seite der Rotorscheibe (1) oder dessen Bundes (1c) zur Befestigung der die Dichtung tragenden Scheibe (5) fest verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dichte Kreis einen Zentrifugentragkranz (12) aufweist, der außerhalb der Rotorscheibe (1) an dieser fest befestigt ist, wobei die Eingänge (12a) des Trag­ kranzes (12) neben der Bohrung (1a) der Rotorscheibe (1) sind und deren Ausgänge (12b) in Leitungen (14, 15) münden, die zumindest teilweise an der Außenseite der Rotorscheibe (1) mit dieser fest verbunden sind, in Radialebenen dieser Rotorscheibe (1), wobei die radialen Leitungen jeweils einen beispielsweise ellip­ tischen Querschnitt besitzen, der ausgehend von deren Eingangsende abnimmt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifugentragkranz (12) und die radialen Leitungen (14, 15) mit bestimmtem Abstand von der Stromabseite der Rotorscheibe (1) vorgesehen sind und daß die Kühlluft vom stromaufseitigen zum stromabseitigen Ende die Bohrung (1a) der Rotorscheibe (1) durchströmt vor dem Eindringen in den Zentrifugentragkranz (12).

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifugentragkranz (12) mit dem an dem stromabseitigen Bund (1d) der Rotorscheibe (1) gekoppelten Laufzapfen (4d) beispielsweise über zwei Systeme (13) aus Zähnen und Zapfen, die mitein­ ander zusammenwirken, gekoppelt ist, und daß die radialen Leitungen (15) an dem stromabseitigen Flansch (1d) beispielsweise über konzentrische Ringflansche (16a bis 16c) mit gestaffelten Durchmessern angebracht sind, die durch einen einzigen Konusring (17) getragen sind, der seinerseits an dem stromabseitigen Flansch (1d) befestigt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritte der radialen Leitungen (15) in in dem Bund (1b) der Rotorscheibe (1) ausgebildeten Austrittskanälen (18) münden.