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Sammler von Treibgasen für das Leitrad der Gasturbine
Der Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Anordnung des Sammlers von Treibgasen für das Leitrad der Gasturbine, bestehend aus dem mit Druckluft ausgefüllten Aussengehäuse und dem Innengehäuse oder Leitwänden, die einen Kanal für den Durchfluss von Treibgasen zur Leitbeschaufelung bilden.
Der Wirkungsgrad und die Arbeitsleistung von Gasturbinen wird in sehr hohem Masse durch die Temperatur der Treibgase, die in der Turbine expandieren, beeinflusst. Die Höhe dieser Temperatur ist allerdings durch die Lebensdauer einer Reihe von Gasturbinenteilen begrenzt, die mit den Treibgasen in Berüh- rung kommen. Manche von diesen Teilen smd den Wirkungen hoher Temperatur und grosser mechanischer Beanspruchung gleichzeitig ausgesetzt, bei ändern machen sich überwiegend die Oxydations- und Korrosionswirkungen der Verbrennungsprodukte geltend. Einer von den kritischen Gasturbinenteilen ist die Leitbeschaufelung der ersten Stufe.
Ihre mechanische Beanspruchung ist zwar beträchtlich kleiner als die mechanische Beanspruchung der Laufschaufeln, dafür ist aber die Leitbeschaufelung der Wirkung der Treibgase ausgesetzt, die eine'höhere Temperatur haben als die Treibgase im Laufrad. Bei der Leitbeschaufelung macht sich auch die Ungleichmässigkeit in der Temperaturverteilung am Umfang stärker gelten, die die Ursache lokaler Temperaturspitzen und hiedurch hervorgerufener Korrosion ist. Diese Schwierigkeiten werden einerseits durch Verbesserung der Gleichmässigkeit des Temperaturfeldes am Umfang, anderseits durch Kühlung der Zylinder- oder Kegelflächen, die den Zuführungskanal von Treibgasen begrenzen, oder auch durch Kühlung von Leitschaufeln selbst, beseitigt.
Gemäss der Erfindung werden schädliche Wirkungen glühenderTreibgase dadurch wirksamer beseitigt, dass man in diesen vor jeder Leitschaufel eine Zone mit beträchtlich herabgesetzter Temperatur und beträchtlich herabgesetzter Konzentration von Korrosionskomponenten bildet. Dadurch sinkt wesentlich die Temperatur der Leitschaufeln, es sinken auch die Temperaturgradienten in denselben und es sinken entsprechende Zusatzspannungen, es vermindert sich die Bildung der Ansätze an den Schaufeln und es wird die Korrosion der Schaufelwerkstoffe begrenzt.
Diese beschriebenen Wirkungen werden gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass man in den abgrenzenden Wänden des Sammelkanals, durch den die Treibgase zur Leitbeschaufelung zugeführt werden, vor jeder Schaufel eine oder mehrere Bohrungen für die Zuführung der Luft in die Treibgase bildet. Die Grösse der Bohrungen bleibt entweder dieselbe oder sie ändert sich in derStrömungsrichtung der Treibgase. im Grunde sind aber die Bohrungen immer an der Stromlinie angebracht, längs welcher die den Schaufelrücken und den Schaufelunterteil umströmenden Treibgase geteilt werden.
Das Prinzip der Erfindung ändert sich aber weder mit der Form der Bohrungen noch durch die Einlegung entsprechender Ablenker'in die Bohrungen, oder durch den Anschluss von Düsen oder Stutzen, die entweder in den Druckluft- oder in den Treibgasraum eingreifen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gasturbinenleitrades gemäss der Erfindung dargestellt, u. zw. in Fig. l in einem durch Rotationsachse laufenden Schnitt, in den Fig. 2 und 3 im abgewickelten Zylinderschnitt und in den Fig. 4-11 schliesslich Ausführungsbeispiele verschiedener Bohrungsdurchführungen für die Luftzuführung in die Treibgase.
Die in Fig. l dargestellte Ausführung besteht aus den Leitschaufeln 1, die vom Aussenring 2 und vom Innenring 3 getragen werden. Der Aussenring 2 ist im Eintrittsgehäuse 4 zentriert, das durch das Zwischenstück 5 mit dem Träger daranfolgender Turbinenstufe 6 verbunden ist. Der Deckring 7 der Laufbeschaufelung erster Stufe bildet gleichzeitig den Eintrittskanal des Leitrades zweiter Stufe. Der Innenring 3 ist
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mittels der Laschen 8 und 9 in den Innenteil des Gehäuses 10 zentriert. Gemeinsam mit dem Ring 2 ist in dem Gehäuse 4 auch der Aussenteil 11 des Eintrittssammlers des Leitrades zentriert. Ähnlich ist gemeinsam mit dem Ring 3 in den Innenteil des Gehäuses 10 auch der Innenteil 12 des Eintrittssammlers des Leitrades zentriert.
In der Wand des Sammlers 11 sind in drei Reihen Bohrungen 13a. 13b, 13c angeordnet.
Ähnlich befinden sich in der Wand des Sammlers 12 die Bohrungen 14a, 14b, 14c.
In der Fig. 2, die den abgewickelten Zylinderschnitt durch das beschriebene Leitrad darstellt, ist gut zu ersehen, dass die Bohrungen 14a, 14b, 14c an der Stromlinie 15 angeordnet sind, längs welcher das den Rücken und den Unterteil der Leitschaufel l umströmende Medium geteilt wird. Im bezeichneten Beispiel ist eine Strömung im Sammler ohne Rotationskomponente und mit gleichmässiger Geschwindigkeitsverteilung dargestellt. Deshalb sind die Stromlinien 15 gleichlaufend und die Bohrungen 13 bzw. 14 sind in einzelnen Reihen a, b, c gleichmässig verteilt.
Der Raum zwischen dem Gehäuse 4 bzw. 10 und der Wand des Sammlers 11 bzw. 12 ist mit Druckluft ausgefüllt, deren absoluter Druck immer höher liegt als der absolute Druck der Treibgase im Innern des Sammlers. Infolgedessen strömt diese Luft durch Bohrungen 13a, 13b, 13c, 14a, 14b, 14c in die Treibgase ein und bildet so vor der Leitkante der Leitschaufeln 1 eine Zone von Gasen mit gesenkter Temperatur und verminderter Konzentration von Korrosionskomponenten.
Ein anderes Ausführungsbeispiel des Leitrades gemäss der Erfindung ist in Fig. 3 im abgewickelten Zylinderschnitt dargestellt. In dieser Figur bedeuten : 16 Gehäuse der Treibgassammler, 17 Mäntel der Verbrennungskammern, 18 Flammrohre, 19 Innengehäuse der Sammler, 20 Innenringe des Leitrades und 21 Leitschaufeln. Im Innengehäuse des Sammlers befinden sich die Bohrungen 22a, 22b, 22c, die an den Stromlinien 23 angebracht sind. Da die Stromlinien 23, längs welcher die den Rücken und den Unterteil der Leitschaufeln 21 umströmenden Treibgase geteilt werden, gekrümmt sind, haben die Bohrungen 22 in einzelnen Reihen a. b. c keine gleichmässig geteilte Teilung. Die Zahl derselben gleicht der Zahl der Leitschaufeln nur in der Reihe a. wogegen in den Reihen b und c die Zahl der Bohrungen kleiner ist als die Zahl der Leitschaufeln.
Eine nachträgliche Luftzuführung in die Treibgase ist durch die Bohrungen 25 im radial angeordneten Wandteil 19 gesichert. Diese Anordnung wird deshalb benutzt, weil die Grenzstromlinie 26, längs welcher das den Rücken und den Unterteil der Schaufel 21'umströmende Medium geteilt wird, von der Abfliesskante der Wand 19 ausgeht.
Die beschriebenen Bohrungen für die Luftzuführung in die Treibgase können eine runde Form haben,
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mit kleiner Oberfläche kann eine ovale, in Fig. 4 dargestellte Form von Bohrungen oder eine in Fig. 5 dargestellte Tropfenform vorteilhafter sein. Falls die Differenz zwischen den Luft-und Treibgasdrücken klein ist, kann die Anordnung von Bohrungen nach den Fig. 6 und 7 bzw. 8 und 9 zur wesentlichen Steigerung derLufteinströmungsgeschwindigkeit in die Treibgase dadurch beitragen, dass sie eine Teilausnutzung kinetischer Druckluftenergie sichert. Eine beträchtliche Orientierung der Druckluftströme in die durch dieLeitkante von Leitschaufeln laufendeEbene kann mit der Einlegung von Rohrstutzen nach Fig. 10 in einzelnen Bohrungen in den Wänden des Sammlers erreicht werden.
Wenn vor so einem Rohrstutzen die Hilfsluftzuführung so z. B. angeordnet wird, dass man in die ovale Bohrung einen runden Rohrstutzen einlegt ; wie dies in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist, erreicht man nicht nur eine vollkommene Orientierung des Kühlluftstromes, sondern es wird auch eine volle Auskühlung des Rohrstutzens erreicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sammler von Treibgasen für das Leitrad der Gasturbine, bestehend aus dem mit Druckluft gefüllten Aussengehäuse und dem Innengehäuse oder Leitwänden, die den Kanal für den Zufluss von Treibgasen zur Leitbeschaufelung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse oder die Leitwand (11, 12) des Verteilers vor jeder Leitschaufel (1, 21) mit einer oder mehreren Bohrungen (13, 14,'22 abc) versehen sind, die an der Stromlinie (15, 23, 26) liegen, längs welcher die den Rücken und den Unterteil der Schaufel (1, 21) umströmenden Treibgase geteilt werden, wobei der Abstand der Bohrungen von der Leitkante der Schaufeln das Doppelte deren Teilung nicht übersteigt.
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Propellant gas collector for the gas turbine stator
The object of the invention is an improved arrangement of the collector of propellant gases for the stator of the gas turbine, consisting of the outer housing filled with compressed air and the inner housing or guide walls which form a channel for the flow of propellant gases to the guide vanes.
The efficiency and performance of gas turbines is influenced to a very high degree by the temperature of the propellant gases that expand in the turbine. The level of this temperature is, however, limited by the service life of a number of gas turbine parts that come into contact with the propellant gases. Some of these parts are exposed to the effects of high temperature and great mechanical stress at the same time, with others the oxidation and corrosion effects of the combustion products predominate. One of the critical gas turbine parts is the first stage guide vanes.
Their mechanical stress is considerably smaller than the mechanical stress on the rotor blades, but the guide vanes are exposed to the action of the propellant gases, which have a higher temperature than the propellant gases in the impeller. In the case of guide vanes, the unevenness in the temperature distribution around the circumference, which is the cause of local temperature peaks and the resulting corrosion, also applies. These difficulties are eliminated on the one hand by improving the uniformity of the temperature field on the circumference, on the other hand by cooling the cylinder or conical surfaces that limit the supply channel for propellant gases, or by cooling the guide vanes themselves.
According to the invention, the harmful effects of glowing propellant gases are more effectively eliminated by forming a zone in them in front of each guide vane with a considerably reduced temperature and a considerably reduced concentration of corrosion components. As a result, the temperature of the guide vanes drops significantly, the temperature gradients in them also drop and corresponding additional stresses drop, the formation of deposits on the blades is reduced and the corrosion of the blade materials is limited.
These described effects are achieved according to the invention in that one or more bores for the supply of air into the propellant gases are formed in front of each blade in the delimiting walls of the collecting channel through which the propellant gases are supplied to the guide vanes. The size of the holes either remains the same or changes in the direction of flow of the propellant gases. Basically, however, the bores are always attached to the streamline along which the propellant gases flowing around the blade back and the blade lower part are divided.
The principle of the invention changes neither with the shape of the bores nor with the insertion of corresponding deflectors in the bores, or with the connection of nozzles or nozzles that engage either in the compressed air or in the propellant gas space.
In the drawing, embodiments of the gas turbine nozzle according to the invention are shown, u. between FIG. 1 in a section running through the axis of rotation, in FIGS. 2 and 3 in the developed cylinder section and in FIGS. 4-11 finally exemplary embodiments of different bore passages for the air supply into the propellant gases.
The embodiment shown in FIG. 1 consists of the guide vanes 1, which are carried by the outer ring 2 and the inner ring 3. The outer ring 2 is centered in the inlet housing 4, which is connected by the intermediate piece 5 to the carrier of the turbine stage 6 that follows it. The cover ring 7 of the first stage rotor blades also forms the inlet channel of the second stage stator. The inner ring 3 is
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centered in the inner part of the housing 10 by means of the tabs 8 and 9. Together with the ring 2, the outer part 11 of the inlet collector of the stator is also centered in the housing 4. Similarly, together with the ring 3, the inner part 12 of the inlet collector of the stator is also centered in the inner part of the housing 10.
In the wall of the collector 11 holes 13a are in three rows. 13b, 13c arranged.
Similarly, the bores 14a, 14b, 14c are located in the wall of the collector 12.
In FIG. 2, which shows the developed cylinder section through the guide wheel described, it can be clearly seen that the bores 14a, 14b, 14c are arranged on the streamline 15 along which the medium flowing around the back and the lower part of the guide vane 1 divides becomes. In the example given, a flow in the collector is shown without a rotational component and with a uniform velocity distribution. The streamlines 15 are therefore concurrent and the bores 13 and 14 are evenly distributed in individual rows a, b, c.
The space between the housing 4 or 10 and the wall of the collector 11 or 12 is filled with compressed air, the absolute pressure of which is always higher than the absolute pressure of the propellant gases inside the collector. As a result, this air flows through bores 13a, 13b, 13c, 14a, 14b, 14c into the propellant gases and thus forms a zone of gases with reduced temperature and reduced concentration of corrosion components in front of the leading edge of the guide vanes 1.
Another embodiment of the stator according to the invention is shown in Fig. 3 in the developed cylinder section. In this figure: 16 housings of the propellant gas collector, 17 jackets of the combustion chambers, 18 flame tubes, 19 inner housings of the collectors, 20 inner rings of the stator and 21 stator blades. The bores 22a, 22b, 22c, which are attached to the streamlines 23, are located in the inner housing of the collector. Since the streamlines 23, along which the propellant gases flowing around the back and the lower part of the guide vanes 21 are divided, are curved, the bores 22 have a in individual rows. b. c no evenly divided division. The number of these equals the number of guide vanes only in row a. whereas in rows b and c the number of holes is smaller than the number of guide vanes.
A subsequent supply of air into the propellant gases is ensured by the bores 25 in the radially arranged wall part 19. This arrangement is used because the boundary flow line 26, along which the medium flowing around the back and the lower part of the blade 21 'is divided, starts from the trailing edge of the wall 19.
The holes described for the air supply into the propellant gases can have a round shape,
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With a small surface, an oval shape of bores, shown in FIG. 4, or a teardrop shape, shown in FIG. 5, may be more advantageous. If the difference between the air and propellant gas pressures is small, the arrangement of bores according to FIGS. 6 and 7 or 8 and 9 can contribute to a substantial increase in the air inflow speed into the propellant gases by ensuring that the kinetic energy of compressed air is partially utilized. A considerable orientation of the compressed air flows in the plane running through the leading edge of guide vanes can be achieved by laying pipe connections according to Fig. 10 in individual bores in the walls of the collector.
If before such a pipe socket the auxiliary air supply so z. B. is arranged that you insert a round pipe socket in the oval hole; As shown in FIGS. 11 and 12, not only is the cooling air flow perfectly oriented, but the pipe socket is also completely cooled.
PATENT CLAIMS:
1. Collector of propellant gases for the stator of the gas turbine, consisting of the outer casing filled with compressed air and the inner casing or guide walls which form the channel for the inflow of propellant gases to the guide vanes, characterized in that the inner housing or the guide wall (11, 12) of the distributor in front of each guide vane (1, 21) are provided with one or more bores (13, 14, '22 abc) which lie on the streamline (15, 23, 26) along which the back and the lower part of the vane (1, 21) circulating propellant gases are divided, the distance between the holes and the leading edge of the blades not exceeding twice their division.