DE1028390B - Mehrstufige Axialstroemungsmaschine - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft mehrstufige Axialströmungsmaschinen, wie beispielsweise Verdichter und Turbinen, insbesondere Gasturbinen.

Bei solchen Maschinen, deren Leitschaufeln mit ihren äußeren Enden an einem den Arbeitsraum der Maschine umschließenden Statorgehäuse befestigt sind, ist es bekannt, an den radial innenliegenden Leitschaufelenden einen ringförmigen Zwischenstufenkörper anzubringen, der an seiner Innenseite Dichtungsglieder trägt, die mit einem umlaufenden, auf der Rotorwelle sitzenden Dichtungsglied zusammen eine Zwischenstufendichtung bilden. Hierbei ist der Durchmesser des Dichtungsgliedes wesentlich kleiner als der Durchmesser der Leitschaufelfüße. Es ist auch bereits bekannt, den Ringräumen zwischen diesen Zwischenstufenkörpern und den Läuferscheiben Druckluft zuzuführen, und zwar zum Zwecke der inneren Kühlung der Maschine.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung solcher Axialströmungsmaschinen, insbesondere eine Verbesserung der üblicherweise verwendeten Zwischenstufenkörper.

Gemäß der Erfindung werden die Zuführkanäle für die Druckluft zu den Ringräumen, die in Strömungsrichtung vor den Zwischenstufenkörpern liegen, mit einem größeren Querschnitt ausgerüstet als die Zuführkanäle für die Druckluft zu den Ringräumen, die in Strömungsrichtung hinter den Zwischenstufenkörpern liegen. Dabei wird durch den Druckunterschied, der sich in den Ringräumen vor bzw. hinter einem solchen Zwischenstufenkörper ergibt, ein Axialdruck erzeugt, der dem dynamischen Druck entgegenwirkt, welcher von dem durch die Maschine hindurchströmenden Gas auf die Rotorscheiben ausgeübt wird.

Zweckmäßig befinden sich hierbei die Zuführkanäle, für die Druckluft zu den Ringräumen, sofern die Maschine mit einer hohlen Rotorwelle ausgestattet ist, in der Wandung dieser Rotorhohlwelle.

Die den Ringräumen zugeführte Luft kann hierbei nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung eine um so viel niedrigere Temperatur als die Turbinengase aufweisen, daß sie gleichzeitig als Kühl luft wirkt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei einem derartigen Turbinenaufbau dafür Sorge zu tragen, daß das axiale Spiel zwischen den Seitenwänden des Zwischenstufenkörpers und den benachbarten Flächen der Rotorscheiben weniger als die Hälfte und zweckmäßig ein Achtel des axialen Abstandes zwischen benachbarten Rotorscheiben beträgt.

Der Zwischenstufenkörper kann mit Vorteil nach Art eines doppelwandigen, hohlen Ringbehälters ausgebildet und innen durch im wesentlichen radial an-

Mehrstufige Axialströmungsmaschine

Anmelder:
D. Napier & Son Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 2. Dezember 1963

Jack Vallis Blyth, Ewell, Surrey (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

so geordnete, zwischen den ringförmigen Wänden des Körpers vorgesehene Abstandsplatten versteift sein.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die

hohlen Zwischenstufenkörper mit Kanälen für die Zufuhr von Druckluft versehen, deren Druck zwischen den auf beiden Seiten des Zwischenstufenkörpers herrschenden Drücken liegt. Durch diese Maßnahme kann die mechanische Beanspruchung der Wandungen des Zwischenstufenkörpers verringert werden, so daß sich diese einschließlich der radialen Versteifungsplatten besonders leicht ausführen lassen.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausbildungsform der Erfindung ist der Durchmesser des Dichtungsgliedes kleiner gewählt als die Hälfte des Durchmessers der Grundplatte für die Schaufelwurzeln desjenigen Leit-Schaufelkranzes, an dem der Zwischenstufenkörper angeordnet ist. Insbesondere empfiehlt es sich, den Durchmesser des Dichtungsgliedes mit einem Drittel des Grundplattendurchmessers zu wählen.

Die Erfindung betrifft ferner auch eine Gasturbinenanlage mit einigen oder allen vorstehend aufgeführten Merkmalen der Erfindung, die mit einem von der Turbine angetriebenen und gleichachsig mit ihr angeordneten Verdichter ausgerüstet ist, der Druckluft einer oder mehreren Verbrennungskammern zuführt, von denen die Verbrerinungsprodukte der Turbine zugeleitet werden. Bei einer solchen Gasturbinenanlage wird nach einer Weiterbildung der Erfindung das den Ringräumen zwischen den Rotorscheiben und den ringförmigen Zwischenstufenkörpern zugeführte Kühlmittel vom Hauptverdichter geliefert und den genannten Ringräumen über einen oder mehrere einwärts gerichtete, im Verdichterrotor vorgesehene Kanäle und ein in der Verdichter- und Turbinenwelle vorgesehenes Rohr zugeführt.

709 960/187

■ !»■■

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, wobei es sich um eine durch die Auspuffgase betriebene Turbine einer Kraftanlage handelt, die zum Antrieb der Luftschraube eines Flugzeugs dient.

Fig. 1 zeigt im Schnitt die eine Hälfte der Gasturbine, bei der die Erfindung angewandt ist, und ' Fig. 2 zeigt die Stirnansicht eines Zwischenstufenkörpers nach Fig. 1, und zwar teilweise aufgebrochen.

Rotorscheiben liegen. Die Folge hiervon ist, daß auf der hinteren Seite der Rotorscheiben ein höherer Luftdruck herrscht als auf ihrer vorderen Seite, so daß auf den Turbinenrotor ein axialer Druck ausgeübt wird, der in der Zeichnung der Fig. 1 von rechts nach links gerichtet ist. Er wirkt also dem dynamischen Druck entgegen, welcher von der Gasströmung auf die Laufschaufeln 25 ausgeübt wird. Der Austritt der Kühlluft am Umfang eines jeden Ringraums wird

Die in Fig. 1 nur in ihrer oberen Hälfte dargestellte io mittels der üblichen Schneidkantendichtungen 39 beTurbine wird mit den Verbrennungsprodukten einer grenzt, die an den Füßen der Rotorschaufeln 25 vor-Brennkammeranordnung beaufschlagt, die nebst den
übrigen Teilen der Kraftanlage nicht näher dargestellt

sind, da sie zum Verständnis der Erfindung nichts

gesehen sind.

Jeder Zwischenstufenkörper 28, 29 besteht aus zwei ringförmigen, am inneren und äußeren Umfang nach

beitragen. Die Turbinenwelle 6 ist mit der Welle des ig innen gebördelten Blechscheiben 40, 41, die an ihren

zugehörigen Verdichters unmittelbar gekuppelt, die Rändern mit einem inneren, die Labyrinthdichtung 32

ihrerseits über ein Getriebe die Luftschraube antreibt. tragenden Ring 42 und mit einem äußeren Ring 43

Die Gasturbine weist drei scheibenförmige Rotoren verschweißt sind, mit dem die inneren Enden der Leit-

21, 22 und 23 auf, die auf der Rotorwelle 6 befestigt schaufeln 26 in der beschriebenen Weise verbunden

sind und an ihrem äußeren Umfang die üblichen Tür- 20 sind,

binenschaufeln 25 tragen. Zwischen den Rotorringen, Der Innenraum eines jeden Zwischenstufenkörpers

steht über eine Bohrung 53 im Ring 42 mit der Mitte der Labyrinthdichtung 32, 33 in Verbindung, so daß sich der dort herrschende Luftdruck auf den Innenraum überträgt, wobei der auf den Wandungen 40, 41 ruhende Außendruck wenigstens zum Teil kompensiert wird. Diese Wände können daher verhältnismäßig dünn ausgebildet sein.

und zwar in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor ihnen, sind entsprechende Leitschaufelkränze 26 angeordnetj und die Leitschaufelfüße sind im Statorgehäuse 27 verankert.

Die inneren Enden der Leitschaufeln 26 stehen mit hohlen, ringförmigen Zwischenstufenkörpern 28, 29 in Verbindung, die aus Blech bestehen und zwischen den benachbarten Rotorscheiben 21,22 und 23 liegen,

und zwar unter Belassung eines kleinen axialen Spiels. 30 29 sind mehrere radial verlaufende, etwa rechteckigen Jeder Leitschaufelkranz ist am inneren Ende mit Querschnitt aufweisende Stütz- bzw. Abstandsplatten einer für alle Schaufeln gemeinsamen Grundplatte 30 vorgesehen, die mehrere Ausschnitte bzw. öffnungen (Fig. 2) versehen, die mit einer am Umfang der zu- 45 aufweisen, um ihr Gewicht niedrig zu halten und gehörigen Zwischenstufenkörper 28 bzw. 29 liegenden der in dem Körper eingeschlossenen Luft die Mög-Steile mittels eines tangemtialen Verbindungsgliedes 31 35 lichkeit zum Umlaufen zu geben. Obwohl die Zwigelenkjg gekuppelt ist. Auf diese Weise können sich schenstufenkörper nur an ihrem äußeren Umfange bedie Schaufeln bei Erwärmung in radialer Richtung
ausdehnen, und demnach ist eine genaue und sichere
Lagerung der Zwischenstufenkörper konzentrisch zur
Turbinenwelle 6 sichergestellt. Bei dem dargestellten 40
Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen
benachbarten Rotorscheiben 21, 22, 23 in axialer
Richtung etwa S cm; dabei beträgt das axiale Spiel
zwischen einer Rotorscheibe und der gegenüberliegenden Fläche des benachbarten Zwischenstufenkörpers 45 förmig über die Fläche der Rotorscheiben 21, 22 und 28, 29 ungefähr 5 mm. 23 streichen lassen. Derart wird die Weglänge und die

An der inneren zylinderförmigen Wand eines jeden Kühlwirkung der Luft, bezogen auf die durchfließende Zwischenstufenkörpers ist eine Labyrinthdichtung 32 Luftmenge, vergrößert.

vorgesehen, die mit einem zylindrischen Flanschansatz Die spiralförmigen Rippen 46 werden zweckmäßig

33 eines Abdichtungsgliedes zusammenwirkt, daszwi- 50 gemäß Fig. 2 so angeordnet, daß sie schmale spiral schen je einem Paar benachbarter Rotorscheiben liegt. förmige Kanäle mit nur geringer Steigung bilden. Jedes Abdichtungsglied weist zwei radiale Bohrungen
34, 35 od. dgl. auf, die mit radialen öffnungen 36 in
der Rotorwelle 6 in Verbindung stehen, so daß Kühlluft aus. der hohlen Rotorwelle in die Spalträume 55
zwischen je einem Zwischenstufenkörper 28, 29 und
der benachbarten Rotorscheibe 21, 22., 23 eintreten
kann.

Die vom Hauptverdichter gelieferte Kühlluft wird

der hohlen Rotorwelle 6 zugeleitet, und ihre Bewe- 60 der Sfrömungsrichtung vorderen Fläche der Rotorgung wird durch Schaufeln unterstützt, die auf einer scheibe 21 und der hinteren Fläche der Rotorscheibe der Rotorscheiben des Verdichters sitzen und nach 23 gegenüberliegen; auch den hier gebildeten Spalten Art einer Fliehkraftpumpe wirken. Die Öffnungen 34 wird Kühlluft zugeführt leiten, die Kühlluft in die Ringräume, weiche — in der
Strömungsrichtung des Arbeitsmittels- gesehen, also 65
in der Zeichnung von links nach rechts gesehen —

Im Inneren eines jeden Zwischenstufenkörpers 28,

festigt sind, sind sie daher doch steif genug, um dem auf ihren beiden ringförmigen Außenflächen lastenden Druckunterschied standhalten zu können.

Die, in der Strömungsrichtung gesehen, vorderen und hinteren Außenflächen der Scheiben 40, 41 jedes Zwischenstufenkörpers tragen spiralförmige Rippen 46, die aus angeschweißten Blechen bestehen können und die Kühlluft auf ihrem Wege nach außen spiral-

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf Rippen vorgesehen, die sich je über einen Winkel von ungefähr 300° erstrecken. Jede Rippe beginnt ungefähr 9,5 cm von der Rotorwelle entfernt und endet in einem Abstand von etwa 16,5 cm. Dabei sind die Kanäle 47 zwischen den Rippen etwa 1 cm breit.

Entsprechende spiralförmige Rippen 46 sind auch auf den Statorwänden 48 vorgesehen, wo sie der in

hinter den Rotorscheiben liegen. Die öffnungen 34 besitzen einen größeren Querschnitt als die öffnungen 35, welche die Luft in die Ringräume einführen,

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Rotorscheiben an. den Füßen der Rotorschaufeln 25 etwa 42 cm. Der Durchmesser des ersten Dichtungsgliedes 33 zwischen der ersten und der zweiten Rotorscheibe 21„ 22 beträgt an der Stelle, wo ihm die Labyrinthdichtung 32 gegenüberliegt,

die — in Strömungs richtung gesehen — vor den 70 etwa 13,7 cm; der entsprechende Durchmesser des

zweiten Dichtungsgliedes 33 beträgt 12,7 cm. Die Relativgeschwindigkeit der beiden zusammenwirkenden Teile dieser Labyrinthdichtung ändert sich natürlich proportional dem Durchmesser, und bei der beschriebenen Anordnung entstehen Relativgeschwindigkeiten in der Größenordnung eines Drittels der Geschwindigkeit, die sich ergeben würde, wenn die Zwischenstufendichtungen neben den Füßen der Laufschaufeln 25 liegen würden. Die beschriebene Bauart ermöglicht außerdem neben einer wirksamen Kühlung der Schaufeln und der damit zusammenhängenden Teile in gewissem Grade einen Ausgleich des auftretenden Axialdrucks, wobei gleichzeitig eine leichte und gedrungene Bauart sichergestellt ist.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Mehrstufige Axialströmungsmaschine, insbesondere Gasturbine, deren Leitschaufeln an ihren äußeren Enden an einem den Arbeitsraum der Maschine umschließenden Statorgehäuse befestigt ao sind und an ihren radial inneren Enden einen ringförmigen Zwischenstufenkörper tragen, der an seiner Innenseite Dichtungsglieder trägt, die mit einem umlaufenden, auf der Rotorwelle sitzenden Dichtungsglied zusammen eine Zwischenstufendichtung bilden, wobei der Durchmesser des Dichtungsgliedes wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Leitschaufelfüße und wobei den Ringräumen zwischen den Zwischenstufenkörpern und den Läuferscheiben Druckluft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführkanäle (34) für die Druckluft zu den Ringräumen, die in Strömungsrichtung vor den Zwischenstufenkörpern (28,29) liegen, größeren Querschnitt aufweisen als die Zuführkanäle (35) für die Druckluft zu den Ringräumen, die in Strömungsrichtung hinter den Zwischenstufenkörpern (28, 29) liegen.

2. Maschine nach Anspruch 1 mit hohler Rotorwelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrkanäle (34, 35) für die Druckluft zu den Ringräumen in der Wandung der Rotorhohlwelle (6) angeordnet sind.

3. Maschine nach Anspruch 2 mit Abgasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ringräumen zugeführte Luft eine um so viel niedrigere Tem ■ peratur als die Turbinenabgase aufweist, daß sie gleichzeitig als Kühlluft wirkt.

4. Maschine nach einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Spiel zwischen den Seitenwänden (40, 41) des Zwischenstufenkörpers (28 bzw. 29) und den benachbarten Flächen der Rotorscheiben (21, 22, 23) weniger als die Hälfte und zweckmäßig ein Achtel des axialen Abstandes zwischen benachbarten Rotorscheiben beträgt.

5. Maschine nach einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenstufenkörper (28, 29) nach Art eines doppelwandigen, hohlen Ringbehälters ausgebildet und innen durch im wesentlichen radial angeordnete, zwischen den ringförmigen Wänden (40, 41) des Körpers vorgesehene Abstandsplatten (44) versteift ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Zwischenstufenkörper (28, 29) mit Kanälen (53) für die Zufuhr von Druckluft versehen ist, deren Druck zwischen den auf beiden Seiten des Zwischenstufenkörpers herrschenden Drücken liegt.

7. Maschine nach einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Dichtungsgliedes (33) kleiner ist als die Hälfte des Durchmessers der Grundplatte (30) für die Schaufelfüße (26) desjenigen Leitschaufelkranzes, an dem der Zwischenstufenkörper (28 bzw. 29) angeordnet ist.

8. Maschine nach einem der voraufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Dichtungsgliedes (33) ein Drittel des Durchmessers der Grundplatte (30) für die Schaufelfüße (26) desjenigen Leitschaufelkranzes beträgt, an dem der Zwischenstufenkörper (28 bzw. 29) angeordnet ist.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 8, mit einem von der Turbine angetriebenen und gleichachsig mit ihr angeordneten Verdichter, der Druckluft einer oder mehreren Verbrennungskammern zuführt, von denen die Verbrennungsprodukte der Turbine zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das den Ringräumen zwischen den Rotorscheiben (21, 22, 23) und den ringförmigen Zwischenstufenkörpern (28,29) zugeführte Kühlmittel vom Hauptverdichter geliefert und den genannten Ringräumen über einen oder mehrere einwärts gerichtete, im Verdichterrotor vorgesehene Kanäle und ein in der Verdichter- und Turbinenwelle vorgesehenes Rohr zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 841 754;
schweizerische Patentschrift Nr. 242 703.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©709560/187 4.58