Einrichtung zur Kühlung von Turbinenschaufeln durch Flüssigkeitsver dampfung. Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein richtung zur Kühlung von Turbinenschau feln durch Flüssigkeitsverdampfung.
Der Wirkungsgrad wächst bei Brenn kraftturbinen bekanntlich mit der Höhe der Treibmitteltemperatur. Der Temperaturstei gerung ist dabei durch die höchstzulässige Beanspruchung des Schaufelbaustoffes eine natürliche obere Grenze gesetzt, die mit Rücksicht auf die Betriebssicherheit und Le bensdauer der Turbine keinesfalls überschrit ten werden darf. Es liegt daher im allgemei nen Bestreben, die dem Turbinenbaustoff zu trägliche Temperatur so weit wie möglich hinaufzutreiben.
Im Laufe der Entwicklung sind zur Küh lung der Turbinenschaufeln und Laufräder die mannigfachsten Vorschläge bekannt ge ivorden, die vor allem darauf hinaus gehen, die von dem Treibmittel auf die Turbinen schaufel und den Träger übergehende Wärme züi verringern oder schnellstens abzuführen, so dass schädliche Temperatursteigerungen vermieden werden.
Es ist zum Beispiel bekannt, in Laufrad und Schaufel zum Durchleiten von Kühl flüssigkeit getrennte Kanäle anzuordnen, von denen die einen zum Einführen und die an dern zum Rückführen der Kühlflüssigkeit zur Nabe und von dort zum aussen liegenden Kühler dienen. In einer weiteren Ausführung sind bei Brennkraftturbinen Träger und Schaufel hohl ausgebildet und werden von einem Kühlmittel durchströmt, welches ent weder, nachdem es Wärme aufgenommen hat, durch den offenen Schaufelkopf in eine besondere Vorrichtung des Gehäuses ge schleudert wird, oder sich durch seitliche Austrittschlitze filmartig schützend über die Schaufeloberfläche verteilt, um darnach mit dem Treibmittel vermischt auszutreten.
Eine Senkung der Schaufeltemperatur durch Einführen der Kühlflüssigkeit von der Nabe her durch den Schaufelträger hat den Nachteil, dass hierbei die grosse Masse der Kühlflüssigkeit im Innern des Laufrades be schleunigt werden muss, was einen erhebli chen Energieverlust für die Turbinenleistung hervorruft. Besonders stark ist dieser Ver lust, wenn das erwärmte Kühlmittel der Fliehkraft entgegen durch den Scha,ufeltrii- ger zurückgeführt werden soll.
Es ist weiter bekannt, jede einzelne Schaufel mit einem U-förmigen Kanal zu versehen, dessen beide Sehenkel in einen Kühlflüssigkeit führenden Ringkanal a.ni Umfang des Schaufelträgers reichen und von dort mit Kühlflüssig1,:eit gespeist werden, die innerhalb der Schaufel verdampft. Der sich in der Schaufel bildende Dampf wird, da er heisser und spezifisch leichter als die Kühlflüssigkeit ist, durch die Fliehkraft des nachströmenden Kühlmittels und Konveldion wieder in den Ringkanal zurückgeführt, -o er sich abkühlt und kondensiert.
Aber auch diese Anordnung weist den vorbeschriebenen Leistungsverlust auf, da das Kühlmittel des Ringkanals durch den Schaufelträger ein und rückgeführt wird.
Bei Hochleistungsturbinen wird in neue rer Zeit eine wirksame Kühlung durch Ver dampfung einer Flüssigkeit angewendet. Es wird hierbei nur eine beschränkte Fliissig- keitsmengeeingeführt, die durch Wärmeauf nahme verdampft. Der Dampf gelangt ausser halb des Rades in einer besonderen Kühl einrichtung zur Kondensation und wird dar aufhin erneut durch eine Pumpe in die Kühl kanäle gepresst.
Eine Verdampf lingskühlung hat gegenüber der Flüssigkeitskühlung den Vorteil, dass eine bedeutend kleinere Kühl- flüssigkeitsmenge zur Temperatursenhinig notwendig ist, rund somit der Energieverlust durch blassenbesehleuliigiing der eingefiilir- ten Flüssigkeit im gleichen. Verhältnis ab fällt. Jedoch tritt hierbei der erhöhte Bau aufwand infolge der Anordnuilg eines beson deren Kühlers mit Pumpe nachteilig in Er scheinung.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es ebenfalls schon vorgeschlagen \worden, den entstehenden Dampf ins Freie auszuleilen und jeweils neue Flüssigkeit zuzuführen, Dieses Verfahren ist jedoch nur dort anzu wenden, wo eine unbeschränkte Kühlflüssig keitsmenge vorhanden ist und scheidet für andere Anlagen, z. B. Flugzeugtriebwerke, aus.
Vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass eine wirksame Verdamp- fungskühlrmg lediglich für die Schaufeln, die der stärksten Mrärmel>eansprucliung rin- terworfen sind, erforderlich ist, während fiii den Schaufelträger bereits eine Luftkühlung ausreicht.
Die geschilderten Nachteile werden ge- r m äss der Erfindung dadureh vermieden, daPi innerhalb der einzelnen Schaufeln ein in sich geschlossener, nur teilweise mit Kühlmittel gefüllter Ringkanal angeordnet ist,
in wel chem das Kühlmittel bei Betrieb der Turbine im freistellenden Schaufelteil durch Auf nahme der auf die Schaufel übergehenden Wärme fortlaufend verdampft und der Dampf infolge der Fliehkraft zum Schaufelfuss zli- rückgedrä ngt wird, dort kondensiert und das Kondenswasser unter dem Einfluss der Flieh kraft wieder dem Schaufelkopf zuströmt, derart,
dass während des Betriebes der Tur bine innerhalb jeder Schaufel ein ununter brochener Kreislauf des Kühlmittels vom Schaufelkopf zum Schaufelfuss und zurück unter ständigem Wechsel des Aggregat zustandes aufrechterhalten wird.
Es ist vorteilhaft, dass zur schnelleren Kondensation des zum Schaufelfuss zurÜck- gedrängten Dampfes im Schaufelträger in unmittelbarer Nähe des Schaufelfusses eitre weitere, voll der ersten getrennte Kühlvor richtung vorgesehen ist, die auf einer an sich bekannten Kühlwirkung beruht.
Dabei wird zweckmässigerweise die weitere Kühlvorrich tung so ausgebildet, dass unmittelbar unter jeder Turbinenschaufel in Richtung der Pro filsehne verlaufende, mit Kühlrippen aus gestattete Wärmeentzugskanäle vorgesehen sind, die voll einem Kühlmittel, vorteilhaft Luft, ununterbrochen durchströmt werden, welches entweder durch sternförmig von der Turbinemvelle ausgehende Bohrungen ein- und zu beiden Seiten ausströmt,
oder unter Vermeidung von Beschleunigungsverlusten auf der einen Seite durch einen mit Leit- schaufeln versehenen Zuführungsringkanal ein- und auf der andern Radseite austritt.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Radialschnitt durch einen Läuferteil mit Schaufel, Fig. 2 ein Stück einer Abwicklung des Laufradumfanges mit nach der Linie II-11 geschnittenen Schaufeln, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gekrümmte Turbinenschaufel 1 aus zwei Profilblechen 2 und 3 zusammenge setzt, die in ihren parallel zur Schaufel längsachse verlaufenden Stossfugen 4 und 5 metallisch miteinander verbunden sind und den Schaufelhohlraum 6 in sich einschliessen. Der Schaufelhohlraum 6 ist in Längsrich tung durch eine dem Schaufelprofil entspre chende, gewölbte Trennwand 7 in zwei Ka näle 8 und 9 unterteilt. Die Trennwand 7 wird seitlich in den Stossfugen 4 und 5 mit den Profilblechen 2 und 3 befestigt und ist kürzer gehalten als die Profilbleche, so dass diese beiderseitig überstehen. Den Abschluss des Schaufelhohlraumes zum Schaufelfuss und Schaufelkopf hin bildet je eine Deck platte 10 und 11, die mit den überstehenden Profilblechen verschweisst wird.
Zwischen der Trennwand 7 und der untern sowie der obern Deckplatte 10 und 11 bleibt je ein Schlitz 12 und 13 frei, der die beiden Längs kanäle 8 und 9 miteinander verbindet. Auf diese Weise entsteht im Innern der Schaufel ein geschlossener Ringkanal. Dieser Ring kanal wird vor Aufbringen der obern Deck platte 10 zum Teil mit einem Kühlmittel ge füllt, welches aus einer Kühlflüssigkeit oder einem pulverförmigen Kühlmittel, das sich erst bei steigender Temperatur verflüssigt, bestehen kann.
Die Festlegung der so gebildeten I3ohl- schaufel 1 am Schaufelträger 14 erfolgt eben- falls durch Schweissung in Aussparungen des äussern Laufradumfanges, die dem Schau felprofil angepasst sind.
Die Turbinenschaufel 1 wird in Pfeil richtung P1 von dem Treibmittel beauf- schlagt; dadurch wird der Läufer 14 in Be wegung gesetzt und die Kühlflüssigkeit in nerhalb jeder Turbinenschaufel infolge der Fliehkraft zum Schaufelkopf getrieben. Durch die von dem Treibmittel auf den Schaufelkörper übergehende Wärme wird von der Kühlflüssigkeit ein Teil verdampft. Der gebildete Dampf ist leichter als die Kühlflüssigkeit und wird infolgedessen durch die Fliehkraft in den Raum am Schau felfuss zurückgedrängt.
Da der Schaufelfuss nicht direkt von dem Treibmittel beauf- schlagt wird, besitzt er eine unter dem Siede punkt der Kühlflüssigkeit liegende Tempera tur, so dass in dieser Zone der Dampf wieder kondensiert. Das Kondensat fliesst unter dem Einfluss der Fliehkraft zum Schaufelkopf zurück.
Da dieser Kreislauf innerhalb jeder Tur binenschaufel in sich geschlossen ist und keine Verbindung zum Schaufelträger be steht, ist als besonderer Vorteil keinerlei Ab dichtung erforderlich.
Zur schnelleren Kondensation sind unmit telbar in der Nähe jedes Schaufelfusses im Schaufelträger Wärmeentzugskanäle 15, die in Richtung der Schaufelprofilsehne verlau fen, angebracht. Diese Kanäle 15 sind schau- felseitig zum besseren Wärmeübergang mit Kühlrippen 16 versehen und werden von einem weiteren Kühlmittelstrom durchflos sen.
Dieser Kühlmittelstrom besteht zweck mässig aus Luft, die von der Turbinenwelle durch sternförmig ausgehende Bohrungen 17 in die Wärmeentzugskanäle 15 gelangt und nach den Pfeilen P, (Fig. 3) zu beiden Sei ten ausströmt.
In einer weiteren Ausführungsmöglich keit der Kühlluftzuführung kann die Luft in Pfeilrichtung P3 (Fig. 1 und 2) durch einen mit Leitschaufeln 18 versehenen Zu führungsringkanal 19 auf der einen Seite ein- und auf der andern Seite (Pfeil P,) aus treten.