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Schaufel für Brennkrafttnrbinen.
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Formgebung'der Schaufeln von Brennkraftturbinen und beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer Schaufel, die von aus einer Düse ausströmenden Verbrennungsgasen beaufschlagt wird, in der Schaufelmulde infolge der Strahlumlenkung eine Verdichtung der Gase stattfindet, die von einer Temperaturerhöhung der Gase begleitet ist. Während die Temperatur des Gasstrahles beim Eintritt in den Schaufelkanal beispielsweise 800 C beträgt, steigt sie in der Mitte der Mulde auf 920 und nimmt beim Austritt aus dem Schaufelkanal wieder die Temperatur 800 C an, nachdem der Verdichtungsstoss sich ausgeglichen hat.
Diese Erscheinung tritt im Schaufelkanal gleich-
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Sehaufdkanal am Rücken der Schaufel entlang strömt, erfährt keinen Verdichtungsstoss und demzufolge keine Temperaturerhöhung.
Die Verbrennungsgase übertragen durch Berührung und Strahlung beim Durchströmen durch den Schaufelkanal Wärme an die Schaufel nach Massgabe ihrer Temperaturen an den einzelnen Stellen und nach Massgabe der Temperaturen der Schaufel selbst an den verschiedenen Stellen ihrer Oberfläche.
Die auf diese Weise in die Schaufel eingedrungene Wärme verteilt sich durch die Schaufel und wird zum Teil an der Schaufelspitze und an den Schaufelflanken an die Umgebung wieder ausgestrahlt oder durch Berührung infolge Wirbelung wieder abgegeben. Ein weiterer Teil der aufgefangenen Wärme wird durch den Sehaufelfluss in den Schaufeltragkranz oder die Schaufelträgerabschnitte weitergeleitet. Etwa 30 Minuten nach Inbetriebnahme einer Brennkraftturbine stellt sich ein Gleiehgewiehtszustand ein, bei welchem die Wärmezufuhr vom Verbrennungsgasstrahl zur Schaufel gleich ist der Wärmeabfuhr von der Schaufel in die Umgebung und in den Sehaufeltragkranz.
Nach Erreiehung dieses Wärmegleich- gewichtszustandes herrschen bestimmte und gleichbleibende Temperaturen in den verschiedenen Zonen der Schaufel. Verbindet man die Punkte gleicher Temperaturen durch Linien (Isothermen), so erhält man ein klares Bild über die wahren Temperaturen, welche die einzelnen Sehaufelzonen annehmen.
Dieses Bild ist weit entfernt von der Anschauung, welche den Faehkundigen auf Grund üblichen Denkens zu der Folgerung führen dürfte, dass die einzelnen Schaufelzonen im Betriebe eine gleichmässige Temperatur annehmen. Vorliegender Erfindung liegt die eigen-und neuartige, planmässig gewonnene Erkenntnis zugrunde, dass die Temperaturverteilung über die Sehaufeloberfläehe und das Schaufelinnere eine ganz bestimmte, aber äusserst unglriehartigr ist.
Die Temperaturverteilung und die ihr entsprechende Verschiedenartigkeit der zulässigen Beanspruchungen ermöglicht nämlich eine Ausbildung der Schaufel für Brennkraftturbinen, welche grundsätzlich verschieden ist von der Ausbildung der Schaufel für Dauerstromturbinen, die mit Dampf beaufsehlagt werden. Es lag bisher kein Grund vor, die Schaufeln der Brennkraftturbinen anders auszubilden als die Schaufeln für Dauerstromturbinen. Gute Strömungsverhältnisse im Sehaufelkanal und genügende Widerstandsfestigkeit gegen Biegungsbeanspruchung und gegen Beanspruchung durch Fliehkraft waren ausschliesslich massgebend.
Die neue Ausbildung der Schaufel gemäss vorliegender Erfindung ist nun grundsätzlich verschieden von der bisherigen Ausbildung der Schaufel für Brennkraftturbinen und ermöglicht unter sonst gleichen Umständen, nämlich unter gleielher Betriebssicherheit, gleichem Schaufelbaustoff, gleicher Ver-
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messer, gleicher Drehzahl je Zeiteinheit, eine wesentliche radiale Verlängeiung der Schaufel. also wesentliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Maschine (Vorteil in den Anlagekosten) oder unter gleichbleibender radialer Sehaufellänge eine Erhöhung der Gasstrahltemperatur und damit eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades.
Die neue, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ergibt nämlich die eigenartige, überraschende Tatsache, dass ganz bestimmte, abgrenzbare Temperaturzonen entstehen. Die Zone höchster Temperatur befindet sich inselartig in der Schaufelmittel, während die Zonen abnehmender Temperatur nach den Sehaufelrändern zu liegen. Von den an der Muldenoberfläche berrsehenden Temperaturverhältuissen
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scheiden die von der fliehkraft herrührenden Beanspruchungen und die vom Verbrennungsgasstrahidruck herrührenden Biegungsbeanspruchungen. Trägt man die Summe beider in einem Koordinatensystem als Ordinaten ab, während die Abszisse den Schaufelhöhen entsprechen, so erhält man eine vom Koordinatenanfangspunkt, der der Schaufelspitze entspricht, ausgehende, nach oben ansteigende Linie.
Trägt man weiter in dasselbe Koordinatensystem den Temperaturverlauf in der Mitte der Muldenoberflche und den Temperaturverlauf in der Mitte des Rückens auf, so erhält man zwei zur Abszissenachse konkav verlaufende Kurven, deren Scheitelpunkt etwa in der Mitte des wirksamen Sehaufelteiles liegt. Durch Integration über den gesamten Sehaufelquersehnitt kann eine zwischen den beiden vorerwähnten Kurven liegende Kurve ermittelt werden, welche die mittlere Temperatur in jedem einzelnen Schaufelquersehnitt angiebt. Diese mittlere Temperaturlinie ist ausschlaggebend für die Widerstandsfähigkeit der Schaufel.
Da in erster Linie die Kriechfestigkeit bei Baustoffen massgebend ist, die hohen Temperaturen aus- gesetzt werden, muss sie vorzugsweise bei der Untersuchung von Laufradsehaufeln beachtet werden. Unter Kriechfestigkeit wird dabei diejenige Belastung verstanden, die bei einer bestimmten Temperatur unend- lieh lang wirken kann, ohne dass bleibende Dehnung eintritt. Trägt man für den ermitielten Mittel- temperaturverlauf der Schaufel für einen bestimmten Baustoff die Kurve der Kneehiestigkeit in das soeben beschriebene Koordinatensystem ein, so stellt man fest, dass diese Linie der massgebenden Kriechfestigkeit zur Abszissenaehse konvex verläuft und ihr Scheitel dort liegt, wo auch der Scheitel dieser Temperaturkurve auftritt.
Der Abstand zwischen dieser Kurve und der Kurve für die Beanspruchungen aus Fliehkraft und Verbrennungsgasstrahldruek ist dann ein Mass für die Festigkeit der Schaufel gegen Kriechen.
Untersucht man nun die Schaufelformgebungen, die sich unter Beobachtung der bei Dauerstrom- turbinen massgebenden Strömungs- und mechanischen Festigkeitsverhältnissen für diese ergeben, auf
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einer Brennkraftturbine verwenden, so würde diese Schaufel nach kurzer Zeit anfangen zu kri@chen und damit die erheblichsten Betriebsgefahren und Betriebsnachteile herbeiführen.
Die vorliegende Erfindung besteht auf Grund dieser Erkenntnis darin, dass die Schaufel über das
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durch die Fliehkraft sich ergebende Mass verbreitert ist, so dass das Mittelstück der Schaufel, dessen Festigkeit infolge der hohen mittleren Temperatur, die es im Betriebe annimmt, gegenüber den mechanischen Beanspruchungen gering ist, durch die Schaufelflanken gestützt wird, welche mit wachsender Breite gegenüber dem Mittelstück geringere Temperaturen annehmen und deshalb den auftretenden mechanischen Beanspruchungen gegenüber eine grössere Festigkeit besitzen als das Mittelstuek.
Die Erfindung verwertet also die Erkenntnis, dass durch die im Mittelstück unvermeidbar auftretenden hohen Temperaturen in jedem Fall der Unterschied zwischen der Krieehfestigkeit und der
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abnehmen, durch genügende Breite der Schaufel so viel Festigkeitsreserve zwischen der Kriechfestigkeit und der wirklichen Beanspruchung zu schaffen, dass die Sehaufelflanken das Schaufelmittelstück wie
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hängung des hochbeanspruehten Schaufelmittelstückes in diesem Gerüst der niedrisbeanpruchten Schaufelflanken ausreicht.
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Fig. 5 und die Draufsicht auf den Rückenteil der flach ausgestreckten Schaufel ist Fig. 6.
Fig. 7 gibt schliesslich die massgebenden Festigkeits-und Temperaturverhältnisse der erfindungsgemäss ausgebildeten Schaufel nach den Fig. 1 bis 3 wieder.
Die in den Fig. 4-6 eingetragenen Isothermen spiegeln die Temperatureinstellung wieder, die bei Erreichung des Beharrungszustandes eintritt, wenn die Schaufel nach den Fig. 1-3 der Beaufschlagung durch Verbrennungsgasstrahlen von etwa 800 C Temperatur ausgesetzt wird. Der Verlauf der Isothermen liefert die eigen-und neuartige Erkenntnis, dass in der Schaufel ganz bestimmte, genau erkennbare Temperaturzonen entstehen. Die Zone höchster Temperatur befindet sich inselartig in der Schaufelmitte, während die Zonen abnehmender Temperatur nach den Schaufelrändern zu liegen. Von den an der Mulden- @ oberfläche herrschenden Temperaturverhältnissen unterscheiden sieh die entsprechenden Verhältnisse an der Rüekenoberfläehe. Im Schaufelfleiseh selbst findet ein bestimmter Übergang von den Temperaturen in der Muldenoberfläche zu denen an der Rückenoberfläche statt.
Errechnet man für diese Schaufel zunächst die wirklichen Beanspruchungen durch Fliehkräfte und vom Verbrennungsgasstrahldruck herrührenden Biegungskraft und trägt man die Summe der Beanspruchungen in einem Koordinatensystem so auf, dass die Abszissen den Schaufellhöhen, von der Schaufelspitze aus gemssen, die Ordinaten der Summe der Beanspruchungen entsprechen, so erhält man die Linie 1. Trägt man weiter in Fig. 7 den Temperaturverlauf entlang der Linie 1-1--II der Fig. 5 in der Mitte der Muldenoberfläche und den Temperaturverlauf entlang der Linie 11-11 der Fig. 6 in der Mitte des Rückens, jedesmal in Abhängigkeit von der Schaufelhöhe auf, so kommt man zu den Kurven 2 und 3.
Durch Integration über den gesamten Schaufelquersehnitt wird die Linie 4 ermittelt, welche also die Mitteltemperatur in jedem Schaufelquersehnitt angibt. Diese Temperaturlinie 4 ist ausschlaggebend für die Widerstandsfähigkeit der Schaufel. Da die Kricchfestigkeit bei sämtlichen Baustoffen massgebend ist, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ist auch bei vorliegender Betrachtung die Kriechfestigkeit beachtlich. Trägt man sie für einen bestimmten Sehaufelbaustoff, beispielsweise für eine Legierung von 10% Eisen, 650 Nickel, 150"Chrom und 7% Molybdän, ein, so erhält man Linie 5 in Abhängigkeit von Linie 4.
Die Schaufel nach den Fig. 1-3 darf also in ihren verschiedenen Querschnitten bis zur Linie 5 beansprucht werden. Tatsächlich wird sie nach Linie 1 beansprucht. Ungefähr in halber radialer Schaufelhöhe kommen die Linien 1 und 5 am dichtesten zusammen. Die geringste Sicherheit bietet also nicht, wie zu erwarten war, der Fussquerschnitt, sondern der Querschnitt in halber Schaufelhölle. Aufgabe der Erfindung war es also, den Abstand zwischen den Kurven 1 und 5, der ein Mass für die Festigkeitsreserve
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die Mittel zur Erhöhung stehen in keinem Verhältnis zum Erfolg.
Die Erfindung macht sich jedoch die weitere Erkenntnis zunutze, dass die Schaufelflanken im Gegensatz zum wärmeren Mittelstück mit wachsender Breite geringere Temperaturen annehmen und dass schliesslich der Schaufel Breiten gegeben werden können, bei denen die Schaufelflanken Temperaturen annehmen, die wesentlich unterhalb derjenigen liegen, bei welcher die Kriechfestigkeit überschritten wird.
Die Schaufel nach den Fig. 1-3 besitzt diese Breite, wie aus den Fig. 5 und 6 entnommen werden kann. Es wirken also die erbreiterten Schaufelflankm wie ein stütz-und Tragwerk für die inneren, inselartig hoch beanspruchten Schaufelteile, in dem diese Sehaufelteile wie in einem Skelett aufgehängt sind. Die Mittelwerte der Temperatur, welche die Schaufel im Betriebe annimmt, werden also herabgezogen, so dass hiedurch eine mittelbare Kühlung der Schaufel erhalten wird. Durch die Verbreiterung der Schaufel wird natürlich auch das Widerstandsmoment der Schaufel vergrössert, so dass sich Linie 1 gegenüber der
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zwischen den Scheitel der Linie 5 und der Linie 1 zurückzuführen.
Verzichtet man bei der neuen Schaufel auf die Erhöhung der Betriebssieherheit durch die Verbesserung der Festigkeitsreserve der Schaufel, so können ihr bei Zulassung derselben Sicherheitsspanne höhere Temperaturen zugemutet werden, so dass das Arbeitsverfahren der Brennkraftturbine verbessert und ihre Wirtschaftlichkeit gesteigert werden kann. Bei gleichen Temperatuiverhältnissen kann umgekehrt die radiale Schaufellänge vergrössert und damit die Leistungsfähigkeit der Sehaufel erhöht werden.
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Shovel for internal combustion engines.
The present invention relates to the shaping of the blades of internal combustion turbines and is based on the knowledge that in the case of a blade that is acted upon by combustion gases flowing out of a nozzle, the gases are compressed in the blade cavity as a result of the jet deflection, which is caused by an increase in temperature Gases is accompanied. While the temperature of the gas jet when entering the blade channel is, for example, 800 C, it rises to 920 in the middle of the trough and returns to the temperature 800 C when it exits the blade channel after the compression shock has equalized.
This phenomenon occurs in the blade channel.
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Sehaufdkanal flows along the back of the shovel, experiences no shock waves and consequently no temperature increase.
The combustion gases transfer heat to the blade through contact and radiation as they flow through the blade channel according to their temperatures at the individual points and according to the temperatures of the blade itself at the various points on its surface.
The heat that has penetrated into the blade in this way is distributed through the blade and is partly re-radiated to the surroundings at the blade tip and the blade flanks or released again through contact as a result of eddy currents. A further part of the captured heat is passed on through the saw blade flow into the blade support ring or the blade carrier sections. Approximately 30 minutes after the start-up of an internal combustion turbine, an equilibrium state occurs in which the heat supply from the combustion gas jet to the blade is the same as the heat dissipation from the blade into the environment and into the saw blade support ring.
Once this state of thermal equilibrium has been reached, certain and constant temperatures prevail in the various zones of the blade. If you connect the points with the same temperatures by lines (isotherms), you get a clear picture of the true temperatures that the individual viewing bucket zones assume.
This picture is far from the view which, based on the usual thinking, might lead the competent to the conclusion that the individual shovel zones in the company assume a uniform temperature. The present invention is based on the peculiar and novel, systematically obtained knowledge that the temperature distribution over the blade surface and the blade interior is a very specific, but extremely difficult one.
The temperature distribution and the corresponding diversity of permissible stresses enable the blade for internal combustion turbines to be designed, which is fundamentally different from the design of the blade for continuous flow turbines to which steam is applied. Up to now there was no reason to design the blades of the internal combustion engine differently than the blades for continuous flow turbines. Good flow conditions in the Sehaufel Canal and sufficient resistance to bending stress and stress from centrifugal force were exclusively decisive.
The new design of the blade according to the present invention is now fundamentally different from the previous design of the blade for internal combustion turbines and enables under otherwise identical circumstances, namely with the same operational reliability, the same blade material, the same comparison
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knife, same speed per unit of time, a significant radial extension of the blade. thus a substantial increase in the performance of the machine (advantage in the system costs) or an increase in the gas jet temperature and thus an increase in the thermal efficiency with a constant radial blade length.
The new knowledge on which the invention is based results in the peculiar, surprising fact that very specific, delimitable temperature zones arise. The zone of highest temperature is located like an island in the blade center, while the zones of decreasing temperature lie towards the blade edges. From the temperature conditions on the surface of the bowl
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there is a difference between the stresses arising from centrifugal force and the bending stresses arising from the combustion gas jet pressure. If one plots the sum of both in a coordinate system as ordinates, while the abscissa corresponds to the blade heights, then one obtains a line starting from the coordinate starting point, which corresponds to the blade tip, rising upwards.
If the temperature profile in the middle of the trough surface and the temperature profile in the middle of the back are plotted in the same coordinate system, then two curves are obtained that are concave to the abscissa axis, the apex of which is approximately in the middle of the effective part of the blade. By integrating over the entire cross section of the blade, a curve lying between the two aforementioned curves can be determined, which curve indicates the mean temperature in each individual blade cross section. This mean temperature line is decisive for the resistance of the shovel.
Since the creep resistance is the most important factor in building materials that are exposed to high temperatures, it should be considered when examining impeller blades. Creep resistance is understood to mean that load which can act indefinitely at a certain temperature without permanent elongation occurring. If you enter the curve of the kneehiffness into the coordinate system just described for the determined mean temperature curve of the shovel for a certain building material, you can see that this line of the decisive creep strength to the abscissa axis is convex and its apex is where the apex is this temperature curve occurs.
The distance between this curve and the curve for the stresses from centrifugal force and combustion gas jet pressure is then a measure of the strength of the blade against creeping.
If one then examines the blade shapes that result from observing the flow and mechanical strength conditions that are decisive for continuous flow turbines
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If you use an internal combustion turbine, this blade would begin to creep after a short time and thus cause the most significant operational hazards and operational disadvantages.
Based on this knowledge, the present invention consists in that the bucket over the
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The dimension resulting from the centrifugal force is widened, so that the middle section of the blade, whose strength is low due to the high mean temperature it assumes in operation in relation to the mechanical loads, is supported by the blade flanks, which with increasing width compared to the middle section accept lower temperatures and therefore have a greater strength than the middle piece compared to the mechanical stresses that occur.
The invention thus utilizes the knowledge that the high temperatures that inevitably occur in the center piece mean that the difference between the creep resistance and the
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decrease, to create so much strength reserve between the creep strength and the actual stress through a sufficient width of the blade that the blade flanks like the blade center piece
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hanging of the highly stressed middle section of the blade in this frame of the low stressed blade flanks is sufficient.
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FIG. 5 and the top view of the back part of the blade extended flat is FIG. 6.
Finally, FIG. 7 shows the decisive strength and temperature conditions of the blade according to the invention according to FIGS. 1 to 3.
The isotherms shown in FIGS. 4-6 reflect the temperature setting which occurs when the steady state is reached when the blade according to FIGS. 1-3 is exposed to the impact of combustion gas jets at a temperature of about 800 C. The course of the isotherms provides the unique and novel insight that very specific, precisely recognizable temperature zones arise in the shovel. The zone of highest temperature is located like an island in the middle of the blade, while the zones of decreasing temperature lie towards the blade edges. The temperature conditions prevailing on the hollow surface are differentiated from the corresponding conditions on the back surface. In the shovel skin itself, there is a certain transition from the temperatures in the trough surface to those on the back surface.
If one first calculates the actual stresses due to centrifugal forces and the bending force resulting from the combustion gas jet pressure for this blade and plots the sum of the stresses in a coordinate system so that the abscissas correspond to the blade heights from the blade tip, the ordinates correspond to the sum of the loads, the line 1 is obtained. If one continues in FIG. 7 the temperature profile along the line 1-1 - II of FIG. 5 in the middle of the trough surface and the temperature profile along the line 11-11 of FIG. 6 in the middle of the On the back, each time depending on the height of the shovel, you come to curves 2 and 3.
Line 4 is determined by integration over the entire blade cross section, which therefore indicates the mean temperature in each blade cross section. This temperature line 4 is decisive for the resistance of the blade. Since the creep resistance is decisive for all building materials that are exposed to high temperatures, the creep resistance is also considerable in the present case. If you enter it for a certain Sehaufel building material, for example for an alloy of 10% iron, 650 nickel, 150 "chromium and 7% molybdenum, line 5 is obtained as a function of line 4.
The shovel according to FIGS. 1-3 may therefore be stressed in its various cross-sections up to line 5. In fact, it is claimed after line 1. Lines 1 and 5 come closest together at approximately half the radial blade height. The lowest level of security is not offered by the root cross-section, as was to be expected, but the cross-section in half the vane. The object of the invention was therefore to determine the distance between curves 1 and 5, which is a measure of the strength reserve
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the means to increase it are disproportionate to success.
However, the invention makes use of the further knowledge that the blade flanks, in contrast to the warmer middle section, assume lower temperatures with increasing width and that finally the blade can be given widths at which the blade flanks assume temperatures that are significantly below those at which the Creep strength is exceeded.
The blade according to FIGS. 1-3 has this width, as can be seen from FIGS. 5 and 6. The widened blade flanks thus act like a supporting and supporting structure for the inner, island-like, highly stressed blade parts, in which these blade parts are suspended like a skeleton. The mean values of the temperature, which the shovel assumes in operation, are therefore drawn down so that indirect cooling of the shovel is obtained. The widening of the blade naturally also increases the moment of resistance of the blade, so that line 1 is opposite to
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traced back between the vertex of line 5 and line 1.
If one waives the increase in the operational reliability of the new blade by improving the strength reserve of the blade, then higher temperatures can be expected of it if the same safety margin is permitted, so that the working process of the internal combustion turbine can be improved and its economic efficiency increased. Conversely, given the same temperature conditions, the radial blade length can be increased and thus the efficiency of the saw blade can be increased.