Gekühltes Düsensegment für Brennkraftturbinen und Verfahren zu seiner Herstellung. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein gekühltes Düsensegment für Brennkraft- turbinen, das aus einzelnen Teilen zusammen gesetzt ist und bei dem die Seitenstücke, zwi schen welchen die gekühlten Düsenblätter angeordnet sind, ebenfalls gekühlt sind, so wie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Bekanntlich erfolgt bei Verpuffungs- brennkraftturbinen die Beaufschlagung der Turbinenradbeschaufelung in ähnlicher Weise wie bei Dampfturbinen durch Düsengruppen. Die Düsengruppen bestehen aus im Quer schnitt durchweg rechteckig geformten Ein zeldüsen, die durch Zwischenwände vonein ander getrennt sind.
Bei Verpuffungsbrenn- kraftturbinen treten im allgemeinen in die sen Düsen überkritische Geschwindigkeiten auf, so dass die Düsen entsprechend der von Laval angegebenen Form mit einer Erwei terung ausgeführt werden müssen. Die Er weiterung bringt es also mit sich, dass die zwischen den Einzeldüsen vorhandenen Zwi- schenwände nach dem Gasaustrittsende zu in einer mehr oder weniger scharfen Spitze aus laufen.
Diese Ausbildung der Zwischenwände führt nun deshalb zu besonderen Schwierig keiten, weil der weitere Umstand hinzutritt, dass diese Zwischenwände auf beiden Sei ten von Verbrennungsgasen hoher Tempera tur und durchweg überkritischer Geschwin digkeit bestrichen werden.
Da sich. die Wärmeübergangsbeiwerte mit der Erhöhung der Gasgeschwindigkeiten, insbesondere im überkritischen Gebiet, stark und teilweise sprunghaft steigern, kann eine Zerstörung der Zwischenwände durch Ausglühen und Verzunderungen nur dadurch verhindert wer den, dass die Zwischenwände stark gekühlt werden.
Die Zwischenwände müssen also hohl, als hohle Düsenblätter, ausgeführt und von einem Kühlmittel durchströmt werden. Es hat sich nun gezeigt, dass die Wärme übergänge an den Düsenblättern so gross sind, dass selbst bei Verwendung von Kühlflüssig- keiten eine störungslose Kühlung nicht ohne weiteres zu erreichen ist.
Führt man näm lich, wie dies zunächst geschehen ist, die ge kühlten Düsenblätter in der Weise aus, dass die mit den Seitenwangen des Düsensegmen tes aus einem Stück gegossenen Düsenblätter durch nebeneinander liegende Bohrungen aufgebohrt und nach dem spitz zulaufenden Austrittsende zu von diesen Bohrungen aus aufgeschlitzt sind, so dass die Kühlflüssig keit senkrecht zur Richtung des Gasstromes in Parallelströmen durch das gesamte Düsen blatt fliesst, so strömt das Kühlmittel vor wiegend durch die einen grösseren Quer schnitt aufweisenden Bohrungen des Düsen blattrückens, das heisst des von den Verbren nungsgasen zunächst berührten, verbreiterten Teils des Düsenblattes, so dass nur eine ge ringe Menge an Kühlflüssigkeit durch den verhältnismässig engen Schlitz in der Blatt spitze durchtritt.
Gerade hier treten aber in folge der höheren Gasgeschwindigkeiten die grösseren Wärmeübergänge auf. Es strömt daher das Kühlmittel mit unzureichender Ge schwindigkeit und zu geringer Menge durch den Schlitz der Düsenblattspitze, so dass Ver dampfung eintritt. Durch die Verdampfung scheidet sich in dem engen Schlitz Kessel stein aus und verengt den Strömungsquer schnitt erheblich bezw. setzt ihn vollständig zu. Der sich bildende Dampf verdrängt die Kühlflüssigkeit und erhöht auf diese Weise die ungleichmässige Verteilung derselben. An den Stellen aber, an denen sich das Dampf polster bereits gebildet hat, findet eine aus reichende Wärmeabfuhr nicht mehr statt.
In folge dieser mangelhaften Kühlung nehmen die Düsenblätter unzulässig hohe Tempera turen an. Da durch die Aufbohrungen und durch die Aufschlitzung des Düsenblattes die Wandungen der nur unter dem geringen Kühlflüssigkeitsdruck stehenden Hohlräume des Blattes nicht mehr genügend Wider standskraft besitzen, um dem äussern Gas druck Widerstand zu leisten, werden die Wandungen eingedrückt und undicht, so dass die Kühlflüssigkeit austreten kann.
Diese nachteiligen Erscheinungen führten zu dem weiteren Vorschlag, am Düsenblatt- rücken das Düsenblatt von den den Seiten wangen des Düsensegmentes zugekehrten Stirnflächen aus unter Belassung eines Zwi schensteges auszufräsen. Der Zwischensteg wurde nur an einer Stelle mit einer kleinen Bohrung durchstochen. Weitere, über die gesamte Düsenblatthöhe von Stirnfläche zu Stirnfläche durchgehende Bohrungen wurden an der Düsenblattspitze vorgesehen.
Durch die so erzielte Drosselung der Strömungs querschnitte im Düsenblattrücken sollte das Kühlmittel gezwungen werden, die Bohrun gen der Düsenblattspitze mit Sicherheit zu durchfliessen. Es zeigte sich aber, dass auch dieser Vorschlag nicht zum Erfolg führt, weil die mit der zunehmenden Verjüngung der Düsenblattspitze einen immer kleiner werdenden Durchmesser annehmenden Boh rungen im Verhältnis zu ihrem Durchtritts- querschnitt eine zu grosse Oberfläche be sitzen.
Es ist also auch bei Drosselung der durch die grösseren Kühlräume des Düsen blattrückens tretenden Parallelströme der Kühlflüssigkeit nicht möglich, durch die kleinen Bohrungen an der Düsenblattspitze eine solche Kühlflüssigkeitsmenge durchzu treiben, dass Verdampfungen verhindert wer den. Die Verdampfung führt aber in Ver bindung mit der Enge der Bohrungen zu den bereits erörterten Nachteilen, so dass auch bei der Verwirklichung dieses Vorschlages Beschädigungen der Düsenblätter festgestellt werden mussten.
Die sich damit ergebende Aufgabe, die Düsenblattkühlung so auszugestalten, dass die dargelegten nachteiligen Erscheinungen mit Sicherheit vermieden werden, ist bereits dadurch gelöst worden, dass das Kühlmittel am Düsenblattrücken in das Düsenblatt ein geführt und in einem sich über nahezu die Hälfte der Düsenblatthöhe erstreckenden Strom in Richtung der Verbrennungsgase bis in die Düsenblattspitze geleitet, hierauf innerhalb derselben umgelenkt,
entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase in einem wieder nahezu die Hälfte der Düsen blatthöhe in Anspruch nehmenden Strom zum Düsenblattrücken zurückgeführt und hier ab geleitet wird. Es ist also bewusst auf die früher übliche Strömungsrichtung des Kühlmittels senkrecht zur Strömungsrichtung der Ver brennungsgase durch die Düsen verzichtet und statt dessen ein U-förmiger Durchfluss des Kühlmittels durch das Düsenblatt ver wirklicht worden, weil dadurch eine Reihe von Vorteilen eintreten.
Zunächst werden die Parallelströme durch einen einzigen Kühlmittelstrom ersetzt, so dass die Berüh rung der gesamten Kühlflächen unabhängig vom Strömungswiderstand gewährleistet ist. Weiter können auch in der Düsenblattspitze grosse Strömungsquerschnitte verwirklicht werden, so dass das Verhältnis von Wärme übertragungsfläche und Querschnitt einen Wert annimmt, bei dem Dampfbildungen mit Sicherheit vermieden werden können.
Damit sind gleichzeitig die Gefahren der Kessel steinbildung und der Verringerung der Strö mungsquerschnitte beseitigt. Dadurch also, dass die gesamte Menge des Kühlmittels ge zwungen wird, das Innere gerade der Blatt spitze zu kühlen, und dadurch, dass hierfür Durchtrittsquerschnitte in einer Grösse ver wirklicht werden können, bei der Verdamp fungen des Kühlmittels und Verstopfungen der Kühlräume mit Sicherheit vermieden sind, ist es gelungen, die bisher nicht be herrschbaren Schwierigkeiten zu beseitigen.
Die zur Durchführung einer derartigen Kühlung vorgesehenen Einrichtungen waren jedoch ausserordentlich verwickelt. Denn die Kühlmittelführung wurde im wesentlichen mittels kegeliger, mit Achsial- und Quer bohrungen versehener Bolzen bewirkt, die je ein Düsenblatt so durchsetzen, dass das aus dem einen Seitenstück des Düsensegmentes aufgenommene Kühlmittel durch die eine der Achsialbohrungen und die sich anschliessende Querbohrung in das Düsenblatt einzutreten vermochte, worauf es innerhalb des Düsen blattes längs einer Scheidewand geleitet,
in nerhalb der Düsenblattspitze umgelenkt, auf der andern Seite der Scheidewand wieder zu rückgeleitet wurde, um dann über die Quer und die anschliessende Achsialbohrung des Befestigungsbolzens in das andere Seiten stück geleitet zu werden.
Damit ergab sich die Notwendigkeit, jeden Bolzen durch eine besondere Mutter zu befestigen, zu Zwecken der Einführung jedes Bolzens Verschraubun gen an den beiden äussern Begrenzungswän den der Seitentücke anzubringen, die Be festigungsbolzen selbst mit verhältnismässig engen Kühlkanälen auszurüsten und entspre chende Kühlkanäle in den Düsenblättern vor zusehen, womit eine erhebliche Anzahl von Dichtungen erforderlich wird und eine ebenso grosse Anzahl von Undichtigkeitsstellen ent steht, die ständiger Überwachung und War tung bedürfen.
Darüber hinaus zeigten der artig ausgebildete Düsensegmente die Nei gung, an bestimmten Stellen zu reissen, so dass besondere zusätzliche Massnahmen er forderlich wurden, um diese Gefahr zu be seitigen.
Die geschilderten Nachteile sind beim nachfolgend beschriebenen Beispiel gemäss der Erfindung nicht vorhanden, nach welcher beim vorliegenden gekühlten Düsensegment für Brennkraftturbinen, das aus einzelnen Teilen zusammengesetzt ist und bei dem die Seitenstücke, zwischen welchen die gekühl ten Düsenblätter angeordnet sind, ebenfalls gekühlt sind, die Düsenblätter, welche mit seitlichen, mit ihnen aus einem Stück be stehenden Ansätzen die Düsen bilden,
durch diese Ansätze zu einem einheitlichen Bau teil vereinigt sind. Das geschieht zweck mässig dadurch, dass die im Querschnitt H- förmigen Düsenblattkörper auf ihren beiden Seiten lappenförmige Ansätze aufweisen, über die sie durch längs der Düsenmittel linien verlaufende Nähte miteinander ver bunden, vorzugsweise miteinander ver schweisst sind.
Werden die lappenförmigen Ansätze der im Querschnitt H-förmigen Düsenblattkörper durch Ausfräsungen gebildet, so ergibt sich ein besonders einfaches und zuverlässiges Flerstellungsverfahren.
Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgedankens, und zwar gibt Fig. 1 einen in Umfangsrichtung durch die Düsengruppe einer Verpuffungsbrenn- kra.ftturbine verlaufenden, in die Zeichnungs ebene abgewickelten Schnitt wieder; Fig. 2 stellt einen Radialschnitt durch die Düsenanordnung gemäss Linie II-II der Fig. 1 dar, wobei die Schnittebene die Tur binenachse enthält;
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Düsenanordnung nach der Linie III-III der Fig. 1 und 2, während Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV der Fig. 1 wiedergibt.
Es bezeichnet 1 das Düsenventil einer nichtgezeichneten Verpuffungskammer, nach dessen Öffnung die in der Verpuffungskam- mer erzeugten, hochgespannten und hoch erhitzten Verbrennungsgase über den Düsen vorraum 2 in die Düsenkanäle 3 eintreten, die nach Art einer Lavaldüse ausgebildet sind und in denen die Verbrennungsgase ent spannt sowie beschleunigt werden. Die Dü sen 3 sind dabei ausser durch die Lappen 4 und 5 der Düsenblätter durch deren Seiten wände 6 begrenzt.
Die Lappen 4, 5 sind zweckmässig durch entsprechende Ausfräsung der u-förmigen Düsenblattrohlinge entstan den. Je zwei benachbarte Lappen 4 und 5 sind durch Schweissnähte 7 miteinander ver bunden, wobei die Schweissnähte 7, wie Fig. 1 erkennen lässt, etwa mit der Mittellinie der Düsen 3 zusammenfallen.
Die Düsenblätter selbst sind hohl ausge führt und werden mit Wasser gekühlt, das durch eine Leitung 8 in den unterhalb der Düsen vorgesehenen Kühlraum 9 (Fig. 2 bis 4) eintritt, die Kühlräume jedes Düsenblat tes durchströmt und in den oberhalb der Dü sen angeordneten Kühlraum 10 gelangt, um aus diesem über Leitung 11 abgezogen zu werden. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Zu- und Abführungsleitungen 8 und 11 für das Kühl mittel an den seitlichen Enden des die Dü sengruppe enthaltenden Beaufschlagungs- bogens vorgesehen.
Die Räume 9 und 10 sind durch die Zwischenwand 12 (Fig. 3) voneinander getrennt, um den Durchfluss des Kühlmittels durch die Kühlräume der Dü senblätter zu erzwingen.
Der Kühlraum 13 des Düsenvorraumes wird unabhängig von der Kaltkühlung der Düsenblätter über Leitung 14 (Fig. 1) mit heissem Druckwasser beschickt; die Ableitung erfolgt bei 15.
Wie besonders deutlich Fig. 4 erkennen lässt, kennzeichnen sich die Düsenblätter durch Anordnung einer ihr Inneres in zwei Längsräume 17 und 18 einteilenden, eine Durchtrittsausnehmung 19 an der Blattspitze aufweisenden Zwischenwand 20 im Innern jedes Blattes, wobei die Zwischenwand<B>20</B> etwa in der Mitte der Düsenblatthöhe liegt.
Die Zwischenwand 20 stützt dabei gleich zeitig die Seitenwände des Düsenblattes, wie man insbesondere aus Fig. 3 zu erkennen vermag, gegeneinander ab, so dass sie unter dem Einfluss des Verbrennungsgasdruckes nicht in ihrer Form verändert werden kön nen.
Die zweckmässig durch Ausfräsung her gestellten Längsräume 17 und 18 jedes Dü senblattes sind nach oben und unten abge deckt durch in den Düsenblattkörper einge schweisste bezw. eingelötete Deckel 21 bezw. 22, die bei 23 und 24 Öffnungen zum Ein- bezw. Austritt des Kühlwassers aufweisen. In Fig. 3 sind die Deckel 21 und 22 in An sicht zu sehen, weil der Schnitt an der Stelle durchgeführt worden ist,
an der die Öffnun gen bezw. Aussparungen 23 und 24 liegen.
Die Zu- bezw. Abflusssammelräume 9 bezw. 10 für das Kühlwasser sind durch dünne und elastische Wandungen 25 und 26 gebildet; sie sind einerseits bei 27 mit den Düsenblattspitzen, anderseits bei 28 mit dem Tragkörper 29 für die Düsengruppe ver schweisst. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die Düsengruppe bei ihrer Erwär- mung so ausdehnen kann, dass Spannungs risse mit Sicherheit vermieden sind.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Das über Leitung 8 zugeführte kalte Kühlwasser erfüllt zunächst den Zufluss- sammelraum 9, um von diesem über die Öff nungen<B>23</B> in die Längsräume 18 jedes Dü- senblattes einzutreten.
Demgemäss wird das Düsenblatt in Strömungsrichtung der Ver brennungsgase vom Blattrücken 16 aus bis in die Blattspitze hinein von einem Kühlmittel- strom durchflossen, der sich auf nahezu die Hälfte der Düsenblatthöhe erstreckt.
Bei 19 erfolgt innerhalb der Düsenblattspitze die Umlenkung des Kühlmittelstromes, worauf der Längsraum 17 entgegengesetzt zur Strö mungsrichtung der Verbrennungsgase von der Blattspitze bis zum Blattrücken von einem Kühlstrom durchsetzt wird, der wie- derum nahezu die Hälfte der Düsenblatthöhe in Anspruch nimmt. Die bei 24 austretenden Kühlmittelströme vereinigen sich in dem Ab flusssammelraum 10, um über die Leitung 11 abgeführt zu werden.
Auf diese Weise wird nicht nur jedes Düsenblatt fast der gesamten Länge und Höhe nach wirksam mit Kühlmittel durch strömt, sondern es wird auch das Kühlmittel gezwungen, seiner gesamten Menge nach an den Innenwandungen der Blattspitze vorbei zuströmen, um diese wirksam zu kühlen.
Die Strömungsquerschnitte, die dem Kühlmittel dabei zur Verfügung stehen, sind verhältnis- mässig gross, so dass ausreichende Kühlmittel- mengen durch die Kühlräume geführt werden können, womit nicht nur eine genügende Wärmeabfuhr ohne jegliche Gefahr von Dampfbildungen gewährleistet, sondern auch die Neigung zur Verstopfung beseitigt ist.
Aus der Fig. 3 geht aber auch hervor, dass die durch die Lappen 4 und 5 gebildeten Seitenwände der Düsen 3 ebenfalls gekühlt werden, und zwar durch die in den Räumen 9 und 10 zirkulierende Flüssigkeit.