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Kühlluftzufuhr an fliegend angeordneten einkränzigen Gasturbinen mit
Hohlschaufelkühlung Bei Gasturbinen für hohe Eintrittstemperaturen und Beanspruchungen
ist es wegen der beschränkten Werkstoffestigkeit und hohen Temperatur notwendig,
die besonders heißen Bauteile zü külilc». Eine einfache und wirksame Art zur Gestaltuni
von Läufern ausreichender Lebensdauer, namentlich für Gasturbinen in Flugzeugtriebwerken,
stellt die Turbine mit hohlen Laufschaufeln und hohlem Radkörper dar, deren Versorgung
mit Kühlluft auf einfache Weise durch die Schleuder%virkung beim Umlauf des Rades
erfolgt.
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Die Betriebssicherheit solcher Gasturbinen hängt in erster Linie von
der erreichbaren Kühlung durch die durchgepumpte Kühlluft ab; sie kann durch geeignete
Gestaltung der Kühl luftquerschnitte in der hauptsächlich zu kühlenden Schaufel
wesentlich gesteigert «erden und wird in erster Linie maßgebend vom Kühlluftdurchsatz
beeinflußt. Dieser ist bei gegebenen Abmessungen des Läufers durch die Drehzahl
und Ansaugdichte innerhalb gewisser, durch die Güte der Verdichtung und strömungstechnischen
Gestaltung der Querschnitte festgelegten Grenzen gegeben, wird aber auch-besonders
stark durch Wärmezufuhr von außen (Beheizung des Laufrades) vermindert.
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Eine ge,%vichtlich leichte Ausführung für Frisch-und Abgasturbinen,
insbesondere für Luftfahrttriebwerke, besteht aus einem einkränzigen, fliegend
angeordneten
Laufrad i, "vie es die Abb. i zeigt, das die Kühlluft auf der freien Radstirnseite
ansaugt. Da die Stirnseite des Gehäuses sowohl für (las nach Arbeitsleistung austretende
Abgas als auch für den Zutritt der Läuferkühlluft vorgesehen und außerdem der Einbau
des Läufers gut durchführbar sein muß, erscheint es zweckmäßig, in das tonnenartige
Gehäuse 2 einen Boden einzusetzen, der aus einem Ringkörper 3 für die Zufuhr der
Kühlluft besteht, der sich über Speichen q gegen den außen zentrierenden Ring 5
abstützt, wobei die Abgase zwischen den Speichen hindurch in den eigentlichen Abgaskrümmer
6 einströmen.
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Die grundsätzliche Schwierigkeit besteht darin, die beiden Gasströme
verschiedener Temperatur an der Stirnseite so aneinander vorbeizuführen, daß die
Kühlluft, die die Betriebssicherheit sicherstellt und maßgebend für die Lebensdauer
des Läufers ist, von den glühenden Wandteilen nicht unnötig aufgeheizt wird. Man
hat zwar schon verschiedentlich versucht, die Wärmeabstrahlung heißer Gehäuseteile
auf Lager und andere lebenswichtige Teile durch Anordnung von Strahlungsschirmen
und Bespülung der entstehenden Zwischenräume durch Kühlluft zu vermindern. Bei Hohlschaufelläufern
für hohe thermische und mechanische Ansprüche genügen diese bekannten Maßnahmen
nicht, es muß vielmehr jede unnötige mittelbare oder unmittelbare Wärmeaufnahme
der Kühlluft selbst vermieden werden, um den durch Schleuderwirkung beim Umlauf
des Rades jeweils möglichen Durchsatz nicht zu beeinträchtigen. Denn die Wandtemperaturen
der heißesten Bauteile (Laufschaufeln) im Betrieb als Maßstab für die Betriebssicherheit
bei der durch die Betriebsbedingungen gegebenen Beanspruchung des Werkstoffes wird
maßgebend beeinflußt: i. durch die Kühlluftmenge als entscheidender Faktor für die
Wärmeübergangszahl von Kühlmittel an die Schaufelwand (bei besonderer Ausbildung
der Kühlluftquerschnitte innerhalb der Schaufel kann die Kühlwirkung bekanntlich
noch wesentlich gesteigert werden), 2. durch die Temperatur des Kühlmittels beim
Eintritt in die Schaufelung (die auftretende Temperaturzunahme bis dorthin erfolgt
durch Aufheizung von heißen Gehäuseteilen vor dem Eintritt in das Rad, durch die
Verdichtung innerhalb des Rades sowie durch Wärmeaufnahme innerhalb des Rades von
seiten der heißeren Scheibenwände).
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Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß insbesondere zur Erhöhung
der Kühlluftdurchsatzmenge durch den Hohlschaufelläufer vor der freien Stirnseite
dieses Läufers ein gekühlter Ringkörper von im wesentlichen gleichem Außendurchmesser
wie das Laufrad angeordnet ist, der sich mittels Speichen gegen das Turbinengehäuse
abstützt und die Kühlluft aus dem Fahrtwind mittels bekannter Auffangkrümmer zugeführt
wird.
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Durch die in vorliegender Erfindung vorgeschlagene Kühlung des obenerwähnten
Ringkörpers 3 wird erreicht, daß erstens die Kühlluft sich an den dadurch kälteren
Wänden vor und in dem Rad nicht so aufheizen kann, weil das Laufrad haupcs;ichlicl,
@l"rcl, die wesentlich vermindel-i(, @@'ärmceinstr;tl,l,",:; "icllt so heiß wird,
und daß zweitens infol(.Irr bei gegebener Gestaltung. Drehzahl und :\"s;",:,@lidtte
festliegenden Druckerhöhung des 1ü1,1:;;,:(-: (@i,l höherer Durchsatz durch
Schleu(lcl-\\ irl<""#, b(-in, Umlauf möglich ist als bei starker gleicllr.@iti@r
\\',il-meatlfnahlne der Kühlluft bis vor die #scl,auit-l".
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Um den Ring):öl-I)er, rlusson I)ul-climesser int wesentlichen gleich
dr,l, I @"rc llmcsscr des Gasturbinenrades ist, auch wirksa", att kiihlen und eine
möglichst gute Ausbeute der g@sdlil@lcrten Wirkungen zu erhalten, ist ein entsl@redlc"@I
großer Kühlluftdurchsatz erforderlich, fiil- (1u" bei Luftfahrttriebwerken kein
statisches Gefall(, \-,>t-handen ist. Man kann aber hierzu den Flugwin(lstatt ausnutzen
und die Ringkörperkühlluft gleichzeitig, wie in der Abbildung als Ausführungsbeispiel
gezeigt, in einem Mantelrohr 8 entlang des eigentlichen Zuführungsrohres 7 der Radkühlluft
lassen, so daß dieses vor Wärmeeinstrahlung voll den heißen Gehäuseteilen geschützt
ist, wodurch wieder mittelbar eine weitere Senkung der Schaufelwand-. temperatur
durch Senkung der Kühlmitteleintrittstemperatur erreicht wird. Vorteilhaft zur Untelstützung
der obigen Maßnahmen ist ferner die Anordnung eines Strahlungsschirmes 9, der durch
Rippen 9a gehalten ist, um beide kühlluftdurchströmte Rohre j und ä, welche, als
Leitblech für den aufgestauten Flugwind eingebaut, im Sinne des eingezeichneten
Pfeiles io eine wirksame Belüftung des Abgaskammerinnenteilg (mit den möglichst
kalt zu haltenden Kühlluftzufuhrrohren) hervorruft. Zur Erhöhung des Kühlluftdurchsatzes
durch den Ringkörper ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, die kinetische Energie
der das Schaufelgitter verlassenden Treibgase dadurch auszunutzen, daß an den Löchern
oder Schlitzen i i der mit tropfenförmigem Querschnitt versehenen hohlen Speichen
q. die Ringkörperkühlluft durch Impulsübertragung der schnell vorbeiströmenden Abgase
beschleunigt wird. Wenn es auch erwünscht ist,. daß, dadurch die Tropfspeichen mitgekühlt
werden (für andere Aufgabenstellungen wurden schon zu diesem Zweck ähnliche Anordnungen
vorgeschlagen), so ist als entscheidendes Merkmal zu beachte, daß durch die auftretenden
günstigen Verhältnisse' für die Übertragung des im Abgasstrom verfügbaren Impulses
ein Unterdruck an den Zumischöffnungen entsteht, der die Kühlluftförderung durch
die Ringkammer 3 wesentlich unterstützt. Durch Weglassen der Dichtungen 12 kann
außerdem erreicht werden, daß ein Teil des aufgestauten Fahrtwindes längs der freien
Laufradstirnseite strömt und diese zusätzlich wirksam kühlt.
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Es sei noch bemerkt, daß die durch die Kühlung des Ringkörpers bewirkte
Abschirmung der freien Läuferstirnseite sowie die besondere Kühlung des Radinneren
infolge des gesteigerten Kühlluftschluckvermögens besonders wertvoll ist, da die
Radhälfte auf der freien Stirnseite, wie der Aufbau des Läufers auch sein mag, durch
die Mittelbohrung zum Ansaugen der Läuferkühlluft gegenüber der
anderen
Radhälfte mit dem Wellenstummel verhältnismäßig wenig verformungssteif ist und bei
ihrer verhältnismäßig hohen mechanischen Beanspruchung die Betriebssicherheit nicht
unnötig durch große Werkstofftemperaturen im Betrieb gefährdet werden soll.
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Um den Flugwindstau möglichst weitgehend zur Erhöhung des Kühlluftdurchsatzes
durch den Läufer heranzuziehen, ist es ferner zweckmäßig, den Auffangskrümmer 7
derart auszubilden, daß die Luft durch allmählich zunehmende Ouerschnittsfolge (vgl.
Krümmerstück zwischen 1-I und 11-II in Abb. i) die mit etwa Fluggeschwindigkeit
einströmende Luft auf die Einströmgeschwindigkeit in das Laufrad verzögert. Auch
in dem konzentrisch hierzu angeordneten Krümmermantel wird durch entsprechende Querschnittserweiterung
die Geschwindigkeit der zur Ringkörper- und Speichenkühlung bestimmten Luft in Druck
umgesetzt. Durch diese Steigerung der Dichte des Kühlmittels wird wie bei Düsenkühlern
trotz Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeübergang verbessert, weil
geringere Widerstände bei gegebenem Stau einen größeren Kühlmitteldurchsatz erlauben.
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Während bei dieser sich durch Einfachheit auszeichnenden Nabenkühlung
der durch den Flugstau gegenüber dem statischen Druck in der jeweiligen Flughöhe
gewonnene Überdruck durch Strömungsverluste in den unvermeidlichen Drosselquerschnitten'
(Durchtritt durch Flansch und Speichen) aufgezehrt wird. so daß zur Steigerung des
Luftdurchsatzes zweckmäßig die Sogwirkung des Abgasstromes um die Speichen herangezogen
wird, liefert die im folgenden beschriebene Baliart der Ringkörperkühlung, die übrigens
die bisher beschriebene nicht ausschließt, sondern konzentrisch zu dieser angeordnet
werden kann, bei nur wenig erhöhtem Bauaufwand wesentliche Vorteile.
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Wie in dem in Abb.2 dargestellten Ausführungsbeispiel dargestellt,
wird die Mantelkühlluft, nachdem sie, wie oben beschrieben, durch Querschnittserweiterung
verdichtet ist, zunächst in einem Mantel um den Läuferkühlluftkrümmer bis an den
Ringkörper heran und auch an diesem vorbeigeführt. Falls erforderlich, wird nun
ein Teil der Luft zur Kühlung der Speichen abgezweigt. Die Hauptmenge wird nun,
nachdem sie die Aufgabe der Ringkörperkühlung erfüllt hat, durch Führung um abgasbespülte
Wände auf möglichst hohe Temperatur gebracht. Diese stark aufgeheizte Luft, die
noch keine nennenswerte Drosselungen erfahren hat und daher noch nahezu den vollen,
durch Flugwindstau gewonnenen Überdruck hat, strömt bei Entspannung in Düsen
13, die der Flugrichtung entgegengerichtet sind, mit einer Geschwindigkeit
aus, die höher liegt als die Zuströmgeschwindigkeit, übt also eine zusätzliche VortriebsN@-irkung
aus. Diese Kühlung des Abgaskrümmers, in dem sich erfahrungsgemäß sowohl bei innen
als auch besonders bei von außen mit Luft gekühlten Turbinenschaufeln Nachverbrennungen
fetter Motorabgase abspielen, wirkt sich erstens günstig für die thermische Belastung
der hochbeanspruchten Turbinenbauteile aus, und zwar durch Verminderung der Wärmestrahlung
von glühenden Gehäusewänden, zweitens kann die Ringkörper- und Krümmerkühlluft nun
noch zur Flammendämpfung herangezogen «erden, dadurch, daß die Luftentspannungsdüsen
noch innerhalb des Krümmers 14 das Abgas stark mit Luft durchsetzen, z. B. durch
fingerartige Taschen 15 der Kühlluftstrahldüsen 13, wie sie die Abb. 21) und 2 c
zeigen. Dieser letzte Gesichtspunkt kann entscheidend dazu beitragen, den Abgasturbinenbetrieb
bei Flugbrennkraftmaschinen für die Luftfahrt brauchbar zu machen.