DE898100C

DE898100C - Cooled gas turbine runner

Info

Publication number: DE898100C
Application number: DEV1880D
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr-Ing Vorkauf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1942-08-13
Filing date: 1942-08-13
Publication date: 1953-11-26

Description

Gekühlter Gasturbinenläufer Die vorliegende Erfindung hat eine Gasturbine zum Gegenstand, deren Läufer und Beschaufelung mittels einer Flüssigkeit gekühlt wenden soll. Da die Kühlflüssigkeit der Fliehkraft unterliegt und die von der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme gegebenenfalls zur Erzeugung von hochgespanntem Dampf nutzbar gemacht werden soll, müssen die Räume zur Aufnahme des Kühlmittels druckfest sein. Die Ausbildung des Läufers als reiner Trommelläufer hat den Nachteil einer sehr hohen zusätzlichen Beanspruchung .durch Iden Innendruck. Auch ist es kaum möglich, Teile der Beschaufelung :bei Beschädigung auszuwechseln. Bei reinen Scheibenläufern dagegen macht die Zu- und Ableitung des Kühlmittels insbesondere zu und von .den Schaufein große Schwierigkeiten, weil hier eine Bearbeitung von innen her kaum möglich ist. Die Herstellung solcher gekühlter Scheiben mit am Außenumfang befestigten gleichfalls gekühlten Schaufeln ist daher sehr erschwert.Cooled Gas Turbine Rotor The subject of the present invention is a gas turbine, the rotor and blading of which is intended to turn in a liquid-cooled manner. Since the cooling liquid is subject to centrifugal force and the heat absorbed by the cooling liquid should, if necessary, be used to generate high-pressure steam, the spaces for holding the coolant must be pressure-resistant. The design of the rotor as a pure drum rotor has the disadvantage of a very high additional stress due to internal pressure. It is also hardly possible to replace parts of the blading: if damaged. In the case of pure disc rotors, on the other hand, the supply and discharge of the coolant, in particular to and from the blades, causes great difficulties because machining from the inside is hardly possible here. The production of such cooled disks with likewise cooled blades attached to the outer circumference is therefore very difficult.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, den Läufer aus ring- und scheibenförmigen Körpern herzustellen, die druckfeste Hohlräume zur Aufnahme des Kühlmittels umschließen und die ringförmigen, als Schaufelträger ausgebildeten Körper in den scheibenförmigen Körpern zu lagern. Die ringförmige Ausbildung des Schaufelträgers gestattet allseitige Bearbeitung, insbesondere von innen und eine zweckmäßige Ausbildung der Kühlräume. Diese können verhältnismäßig klein sein, so daß auch die Beanspruchung durch Innendruck nur gering ist. Durch Lagerung der ringförmigen Schaufelträger in Scheiben wird die äußere Beanspruchung durch Fliehkraft gemindert, da die Scheiben, die entsprechend kräftig ausgebildet sein müssen, den größten Teil der angreifenden Fliehkräfte aufnehmen. Der Schaufelträger kann aus mehreren zwischen Scheibengelagerten Ringen bestehen. Bei Beschädigung der Schaufel ist -die Auswechselung eines solchen Ringes verhältnismäßig einfach. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, den Schaufelträger nur aus einem entsprechend breiten Ringstück gegebenenfalls durch Verschweißung mehrerer Ringe herzustellen, wenn es weniger darauf ankommt, einzelne Schaufelringe auswechseln zu können. In einem solchen Falle können auch die Scheiben zu einem Körper zusammengefaßt werden, so daß der Läufer dann nur noch aus zwei auseinandernehmbarenTeilen besteht. Entsprechend der Beheizung des Läufers von außen müssen auch .die Hohlräume für das Kühlmittel am Außenumfang angeordnet sein. Soweit der äußere Umfang von den ringförmigen Schaufelträgern und den Scheiben gebildet wird, müssen auch beide Hohlräume für das Kühlmittel enthalten. Wird der Umfang .des Läufers nur .an den Ringen -des Schaufelträgers gebildet, so ist es nicht notwendig, auch noch die Scheiben zu kühlen, da :diese nicht mehr unmittelbar beheizt werden. Es ist aber nicht ausgeschlossen, daß -durch entsprechend gebohrte Scheiben das Kühlmittel zu den Schaufelträgern zu- und abgeleitet wird. Neben den schon erwähnten Vorteilen, .die durch vorliegende Erfindung erzielt werden, muß besonders auf die große Nachgiebigkeit der beheizten Teile nach allen Richtungen hingewiesen wenden. Sowohl in axialer Richtung .als auch in radialer Richtung besteht für jedes einzelne Teil Dehnungsmöglichkeit, wenn. es z. B. höhere Temperatur als die anderen Teile annimmt.According to the invention it is now proposed that the rotor be made of ring-shaped and disk-shaped Produce bodies that enclose pressure-resistant cavities for receiving the coolant and the annular bodies designed as blade carriers in the disk-shaped ones To store bodies. The ring-shaped design of the blade carrier allows it to be on all sides Machining, especially from the inside, and an appropriate design of the cold rooms. These can be relatively small, so that also the stress is only slight due to internal pressure. By mounting the ring-shaped blade carrier in disks, the external stress caused by centrifugal force is reduced because the disks, who must be trained accordingly strong, most of the attacking Absorb centrifugal forces. The blade carrier can be made up of several elements mounted between disks Rings exist. If the shovel is damaged, it must be replaced Ring relatively simple. Under certain circumstances it can also be useful to use the Blade carrier only from a correspondingly wide ring piece if necessary through Welding several rings, if it is less important, individual ones To be able to replace blade rings. In such a case, the disks can be combined into one body, so that the runner then only consists of two consists of detachable parts. According to the heating of the runner from the outside The cavities for the coolant must also be arranged on the outer circumference. So far the outer periphery is formed by the annular blade carriers and the disks must also contain both cavities for the coolant. Will the scope .of the rotor only .on the rings of the blade carrier, so it is not necessary to also to cool the panes because: these are no longer directly heated. However, it cannot be ruled out that - with appropriately drilled discs that Coolant is supplied to and removed from the blade carriers. In addition to those already mentioned Advantages. Which are achieved by the present invention, must be particularly due to the great flexibility of the heated parts in all directions. Both in the axial direction .as well as in the radial direction for each individual Partial stretching possibility if. it z. B. higher temperature than the other parts accepts.

Die Erfindung ist an Hand der Abb. i bis 8 näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to FIGS.

Die Abb. i zeigt eine Gasturbine mit gekühltem Läufer nach der Erfindung. Auf ,der Turbinenwelle i sitzen Scheiben 2. Zwischen den Scheiben 2 sind Ringe 3 eingespannt, die .die Beschaufelung 4 tragen. Die Scheibenköpfe 5 sind .so ausgebildet, daß sie nach beiden Seiten vorspringende Ränder ,der Ringe 3 übergreifen. Der Außenumfang des Läufers wird bei .dieser Anordnung abwechselnd durch aneinandergepreßte Scheiben :2 und Ringe 3 gebildet. Zur Kühlung des Außenumfanges ist es daher erforderlich, daß außer den Ringen 3 auch ,die Scheiben gekühlt werden. In den Ringen 3 sind daher zur Aufnahme ,des Kühlmittels Hohlräume 6 und in den Scheiben Hohlräume 7 vorgesehen. Das Kühlmittel tritt .durch die Wellenbohrung 8 in Aden Läufer ein und wird dann über Verbindungsröhrchen 9, die noch etwas in -die Hohlräume 6 <und 7 .der Scheiben 2 .und Ringe 3 vorstehen, an die Außenwandung des Läufers geschleudert: In ,der oberen Hälfte der. Abbildung ist die Kühlmittelzufuhr dargestellt. Die untere Hälfte zeigt die Ab-Leitung des erzeugten Dampfes aus den Hohlräumen 6 .und 7 über die Bohrungen io und Röhrchen i i zur Hohlwelle i, von wo aus der Dampf einer nichtgezeigten Verbraucherstelle zugeführt werden kann. Durch .das in die Hohlwelle i eingeschraubte Hohlwellenstück 12 werden auch die Scheiben 2 und Ringe 3 fest aneinandergepreßt. Die Verbrennung ider Treibstoffe mag unter Überdruck in dem Ringraum 13 erfolgen, von wo. aus die Gase die Beschauielung durchströmen. Mit 14 wird die Leitschaufel und mit 15 das Gehäuse der Turbine bezeichnet. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Scheiben zum Halten der Schaufelträger und -die Scheibe, die die Kühlkörper am Feuerraum trägt, verschiedenartig ausgebildet. Es können jedoch auch alle Scheiben völlig gleichartig sein. Gegebenenfalls können dann .bei dem im Feuerraum liegenden Teil zwischen den Scheiben Kühlringe eingesetzt werden, die keine Schaufel tragen. Diese gleichartige Ausbildung der Scheiben ist ein besonderer Vorteil der Erfindung.Fig. I shows a gas turbine with a cooled rotor according to the invention. Disks 2 are seated on the turbine shaft i. There are rings 3 between the disks 2 clamped, the .the blading 4 carry. The disk heads 5 are designed so that that they overlap the protruding edges of the rings 3 on both sides. The outer circumference The rotor is alternately pressed against each other in this arrangement : 2 and rings 3 formed. To cool the outer circumference, it is therefore necessary to that, in addition to the rings 3, the disks are also cooled. In the rings 3 are therefore to receive the coolant cavities 6 and cavities 7 in the disks. The coolant enters the rotor through the shaft bore 8 and then becomes Via connecting tubes 9, which are still somewhat in -the cavities 6 <and 7 of the disks 2 .and rings 3 protrude, hurled against the outer wall of the rotor: In, the upper half of. The figure shows the coolant supply. The lower half shows the discharge of the generated steam from the cavities 6 .and 7 via the Bores io and tubes i i to the hollow shaft i, from where the steam is not shown Consumer can be supplied. Through the .that screwed into the hollow shaft i Hollow shaft piece 12, the disks 2 and rings 3 are pressed firmly together. The combustion of the fuels may take place under overpressure in the annular space 13, From where. from the gases flow through the observation. At 14 the guide vane becomes and 15 denotes the housing of the turbine. In the example shown are the washers that hold the blade carriers and the washer that holds the heat sinks carries on the combustion chamber, variously designed. However, all discs can also be used be completely alike. If necessary, then. With the lying in the combustion chamber Part between the disks cooling rings are used that do not carry a blade. This similar design of the disks is a particular advantage of the invention.

Der Aufbau des gesamten Läufers bei oder Ausführung, nach Abb. i kann z. B. ausgehend von der rechten Scheibe aus erfolgen. Es wird dann .der erste Ringkörper aufgesetzt und die Verbindungsleitungen zu den Scheibenhohlräumen und den Ringhohlräumen angeschlossen, dann baut man .die nächste .Scheibe auf usw.The structure of the entire rotor at or execution, according to Fig. I can z. B. be done starting from the right disk. It will then be the first ring body placed and the connecting lines to the disc cavities and the annular cavities connected, then you build .the next .pane, etc.

Die Abb. 2 zeigt Zu- und Ableitung des Kühlmittels zu bzw. von !dem Hohlraum 6 des ringförmigen Schaufelträgers 3 .durch den scheibenförmigen Körper 2. In diesem Falle ist je ein Ring 3 auf einer Seite mit einer Scheibe 2 fest verbunden, beispielsweise durch Schweißung, während auf der anderen Seite der Ring ohne feste Verbindung in der benachbarten gelagert ist. Von dem Hohlraum 6 führen Bohrungen 16 in die Schaufel, durch die vom Raum 6 her ebenfalls Kühlwasser fließt. Durch -die Umdrehung des Läufers wird .das schwerere Wasser ständig nach außen geschleudert und der am Außenumfang und in den Schaufeln gebildete Dampf nach innen .abgedrängt, so daß die am stärksten beheizten Teile des Läufers am intensivsten gekühlt werden.Fig. 2 shows the supply and discharge of the coolant to and from the Cavity 6 of the annular blade carrier 3. Through the disk-shaped body 2. In this case, a ring 3 is firmly connected on one side to a disk 2, for example by welding, while on the other hand the ring without being fixed Connection is stored in the neighboring. Bores lead from the cavity 6 16 into the shovel, through which cooling water also flows from space 6. By -the rotation of the rotor. the heavier water is constantly thrown outwards and the steam formed on the outer circumference and in the blades is pushed inwards, so that the most intensely heated parts of the rotor are cooled most intensively.

Die Abb. 3 zeigt eine andere Form de's Erfindungsgedankens. Hier wird der Außenumfang des Läufers nur durch aneinandergesetzte Ringe 3 gebildet, die nach der Achse zu mit Aussparungen versehen sind, in .die der vorspringende Rand der Scheiben 2 eingreift. Da die Scheibe 2 hinter den Ringen 3 liegt, braucht sie nicht gekühlt zu werden. Hohlräume 6 für das Kühlmittel sind daher auch nur für die Schaufelträger 3 vorzusehen.Fig. 3 shows another form of the inventive concept. Here will the outer circumference of the rotor is formed only by rings 3 attached to one another, which according to the axis to are provided with recesses, in .the protruding edge of the Disks 2 engages. Since the disc 2 lies behind the rings 3, it does not need to be to be chilled. Cavities 6 for the coolant are therefore only for the blade carriers 3 to be provided.

Ein anderes Beispiel für die Erfindung ist in Abb.4 dargestellt. Ähnlich wie in den vorhergehenden Beispielen sind auch hier die ringförmigen .Schaufelträger 3 wieder in den Scheiben 2 gelagert. Beiderseits der Schaufelträger 3 sind Ansätze 17 vorhanden. Diese Ansätze zweier benachbarter Schaufelträger 3 werden nach der Montage des Läufers miteinander verschweißt. Hierdurch entstehen in sich geschlossene Hohlräume 18, die durch .die Schaufelträger 3 und die Scheiben 2 umgrenzt werden. Die Ansätze 17, die d.ie äußere Begrenzung der Hohlräume 18 bilden, werden im wesentlichen nur durch den Innendruck beansprucht und können, da .die Hohlräume 18 klein sind, verhältnismäßig dünnwandig sein. Die Kühl-.mittelzufuhr zu den Hohlräumen 18 kann über die Wellenbohrung 8 und Verbindungsrohre 9 zu dem ersten Hohlraum 18 erfolgen und von hier aus @du,rch Bohrungen i9 in (den Schaufelträgern 3 zu -den übrigen Hohlräumen 18. Der entstandene Dampf kann in ähnlicher Weise von :dem letzten Hohlraum über Rohre i i und Wellenbohrung 2o abgeleitet werden. Es ist zweckmäßig, .durch eine zweite, weiter nach innen liegende Bohrung 21 in den Schaufelträgern 3 das Überströmen von Dampf von dem ersten bis zum letzten Hohlraum zu erleichtern. Bei Auswechselung einzelner Schaufelträger 3 werden die Ansätze 17 wieder aufgeschnitten, so daß (die einzelnen Scheiben und Schaufelträger einzeln abgezogen wenden können.Another example of the invention is shown in Figure 4. Similar to the previous examples, the annular .Schaufelträger 3 are again mounted in the disks 2 here. Approaches 17 are provided on both sides of the blade carrier 3. These approaches of two adjacent blade carriers 3 are welded to one another after the rotor has been assembled. This creates self-contained cavities 18 which are delimited by the blade carriers 3 and the disks 2. The lugs 17, which form the outer boundary of the cavities 18, are essentially only stressed by the internal pressure and, since the cavities 18 are small, can be relatively thin-walled. The coolant supply to the cavities 18 can take place via the shaft bore 8 and connecting pipes 9 to the first cavity 18 and from here you have holes 19 in (the blade carriers 3 to the other cavities 18) in a similar way from: the last cavity via pipes ii and shaft bore 2o. It is expedient to facilitate the overflow of steam from the first to the last cavity through a second, further inward bore 21 in the blade carriers 3 Replacement of individual blade carriers 3, the lugs 17 are cut open again so that (the individual disks and blade carriers can be pulled off individually.

Die Ableitung -des Dampfes könnte auch von den Kühlräumen direkt radial zur Welle erfolgen, und zwar durch die Räume, die zwischen je zwei Scheiben liegen. Um die Ringbleche 17 von den dann entstehenden größeren Kräften durch Innendruck zu entlasten, ist es dann zweckmäßig, die Ringkörper 3 mit den sie übergreifenden Scheiben kraftschlüssig zu verbinden, z. B. .durch Gewinde zwischen beiden oder durch Aufschrumpfen usw.The discharge of the steam could also take place from the cooling chambers directly radially to the shaft, through the chambers that are between two panes. In order to relieve the annular plates 17 from the then resulting larger forces from internal pressure, it is then expedient to positively connect the annular body 3 to the discs that overlap them, e.g. B.. By thread between the two or by shrinking, etc.

Die A'bb. 5 und 6 zeigen ein Beispiel, beidem die Scheiben durch einen trommelförmigen Körper 22 ersetzt sind. Dieser Körper 22 ist mit Längsnuten 23 und Ringnuten 24 ausgerüstet. Diese Längs- und Ringnuten dienen zum Einsetzen der ringförmigen Schaufelträger 3. Die Sch.aufelträger@ 3 sind mit Ansätzen 25 versehen, die dem Profil der Längsnuten 23 @angepaßt sind. Beim Aufschieben der Schaufelträger 3 gleiten die Ansätze 25 in den Längsnuten 23 entlang. Für jeden Schaufelträger 3 ist eine Ringnut 24 vorgesehen. Durch Drehung des Schaufelträgers 3 greifen die Ansätze 25 in Aussparungen der Ringnut 24 ein. Auf diese Weise werden alle Schaufelträger in den trommelförmigen Körper 22 eingesetzt und gehalten. Ähnlich wie in dem vorhergehenden Beispiel tragen die Schaufelträger 3 (in geringem Abstand von dem Trommelkörper 22 Blechansätze 26. Durch Verschweißung dieser Bleche 26 entstehen wiederum Hohlräume 27 zur Aufnahme des Kühlmittels. Es ist zweckmäßig, die Bleche 26 zur Erhöhung der Druckfestigkeit zu wölben.The abb. 5 and 6 show an example in which the disks are replaced by a drum-shaped body 22. This body 22 is equipped with longitudinal grooves 23 and annular grooves 24. These longitudinal and annular grooves are used to insert the annular blade carrier 3. The blade carriers @ 3 are provided with lugs 25 which are adapted to the profile of the longitudinal grooves 23 @. When the blade carrier 3 is pushed on, the lugs 25 slide along in the longitudinal grooves 23. An annular groove 24 is provided for each blade carrier 3. By rotating the blade carrier 3, the lugs 25 engage in recesses in the annular groove 24. In this way, all of the vane carriers are inserted and held in the drum-shaped body 22. Similar to the previous example, the blade carriers 3 (at a small distance from the drum body 22 carry sheet metal extensions 26. These sheets 26 are welded together to create cavities 27 for receiving the coolant. It is useful to arch the sheets 26 to increase the compressive strength.

In dem Beispiel nach Abb. 7 wind -der Schaufelträger 28 als Ganzes in den Trommelkörper 29 eingesetzt. Der Schaufelträger 28 kann durch Verschweißen mehrerer Ringe gebildet werden oder auch aus einem Stück gearbeitet sein. Gehalten wird der Schaufelträger durch stufenartiges Eingreifen der Ringe in entsprechende Stufen des Trommelkörpers. Beide schließen Hohlräume 30i, zur Aufnahme des Kühlmittels ein.In the example according to Fig. 7 wind - the blade carrier 28 as a whole inserted into the drum body 29. The blade carrier 28 can be welded several rings can be formed or made from one piece. Held the blade carrier is made by the step-like engagement of the rings in the corresponding Steps of the drum body. Both close cavities 30i for receiving the coolant a.

Eine ähnliche Ausbildung des Läufers zeigt auch Abb. B. Auch hier wird der Schaufelträger 28 durch stufenartiges Eingreifen in den Trommelkörper 29 gehalten; nur wird in diesem Falle der Schaufelträger 28 in zwei Teilen von beiden Seiten auf den Trommelkörper 29 aufgeschoben, und dann werden beide Teile miteinander verschweißt. Die Hohlräume 30,dienen .auch in diesem Falle zur Aufnahme des Kühlmittels. Elastische Bleche 31, die zur Erhöhung der Druckfestigkeit auch gewölbt sehn können, schließen .die Hohlräume 3o zwischen den Schaufelträgern 28 und Trommelkörper 29 dicht ab.A similar design of the rotor is also shown in FIG. B. Here, too, the blade carrier 28 is held by stepping into the drum body 29; only in this case the blade carrier 28 is pushed in two parts from both sides onto the drum body 29, and then both parts are welded to one another. In this case too, the cavities 30 serve to accommodate the coolant. Elastic metal sheets 31, which can also be curved to increase the compressive strength, close off the cavities 3o between the blade carriers 28 and the drum body 29 tightly.

In allen Fällen ist es vorteilhaft, die Kühlung des Läufers nachdem Drehkesselprinzip arbeiten zu lassen, nachdem das Kühlmittel ohne besondere Pumpe dem Läufer nahezu drucklos zugeführt wird. Durch Schleuderung einer nach außen an den Umfang führenden Wassersäule wird das Kühlmittel auf Druck gebracht, der annähernd dem Druck des erzeugten Dampfes entspricht und diesem das Gleichgewicht hält.In all cases it is advantageous to cool the runner afterwards Rotary boiler principle to work after the coolant without a special pump is fed to the rotor almost without pressure. By flinging one outwards the water column leading to the circumference, the coolant is brought to a pressure that approximates corresponds to the pressure of the generated steam and keeps it in equilibrium.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Rotor for gas turbines with evaporative cooling under overpressure, characterized in that the runner consists of ring-shaped and disc-shaped, pressure-resistant cooling spaces enclosing bodies is composed in such a way that the ring-shaped parts clamped between the supporting disc-shaped bodies are designed as a blade carrier and the pressure-resistant cooling chambers are disk-like Shield the body from the effects of heat from the circumference.

2. Gas turbine rotor after Claim i, characterized in that the annular blade carriers are on both sides are stored in discs.

3. Gas turbine rotor according to claim i and 2, characterized in that that the annular blade carriers contain cooling spaces on the outer circumference.

4. Gas turbine rotor according to claim i and 2, characterized in that the discs, the annular Hold the blade carrier, contain cooling spaces on the outer circumference.

5. Gas turbine rotor according to claim i, 3 and 4, characterized in that for the cooling rooms in the Separate feed lines for the cooling liquid are provided for ring and disc bodies are.

6. Gas turbine rotor according to claim i, 3 and 4, characterized in that the cooling chambers of the annular blade carriers with one another or with .den cooling chambers the disks are connected by holes on the circumference.

7. Gas turbine rotor according to claims 1 and 6, characterized in that only one ring-shaped Blade carrier is connected to only one disc. B.

Gas turbine rotor according to claim i, characterized in that the cold rooms by the blade carrier and the disks are formed together.

9. Gas turbine rotor according to claim i, @ da-.durch .gekiziert, @ that the blade carriers are mounted in only one correspondingly wide and provided with longitudinal and annular grooves disc. ok Gas turbine rotor according to Claim i, characterized in that the blade carrier consists of one piece with several rows of blades and engages in a step-like manner in an equally stepped disk. Cited pamphlets: German Patent Nos. 712 & 59, 675 222, 629 556; French patent specification No. 840 3o3.