CH237475A - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Gasturbinenschaufeln. - Google Patents

Description

      Verfahren    und     Vorriehtung    zur     Kühlung    von     Gasturbinensehaufeln.       Die Kühlung von     Gasturbinenschaufeln,     bei denen die Kühlflüssigkeit nach dem       Drehkesselprinzip    durch Schleuderwirkung  auf Druck gebracht wird und der bei .dem       Druck,        erzeugte    Dampf aus dem Turbinen  läufer abgeleitet wird, ist bekannt. Bei der  Kühlung der     Gasturbinenschaufeln    kommt es  besonders darauf an, dass die zugeführte  Wärme dem Schaufelmaterial möglichst  schnell und für alle Schaufeln möglichst  gleichmässig entzogen wird.  



  Nach dem Verfahren gemäss vorliegender  Erfindung wird von dem zu verdampfenden  auf Druck geschleuderten Flüssigkeitsstrom  für jede     Gasturbinenschaufel    Flüssigkeit ab  geleitet und in einer das     Verdampfungsver-          mögen    der Schaufel übersteigenden Menge  mit Hilfe der     Schleuderwirkung    durch jede  Schaufel umgewälzt.  



  Die Erfindung bringt den Vorteil mit  sich, dass sich alle Schaufeln eines Rades  gleich stark     ausdehnen,    da die von der Kühl  flüssigkeit gegebene Temperatur - zum    Beispiel die Siedetemperatur des Wassers bei  dem jeweiligen Druck     -J    bei gleicher     Behei-          zung,    die in einer Stufe angenommen werden  kann, auch -für alle Schaufeln gleich ist.

    Während das     Drehkesselprinzip    im all  gemeinen mit restloser Verdampfung in den  Heizflächen arbeitet, wird nach vorliegender  Erfindung     in    den     Gasturbinenschaufeln    ein  zur     Dampfleistung    dieser     Schaufeln    mehr  facher Umlauf angestrebt, der sich nicht nur  hinsichtlich einer     intensiven    Kühlung günstig  auswirkt, sondern auch weitgehend verhin  dert, dass sich in den Schaufeln, als den Tei  len der grössten Umfangsgeschwindigkeit, alle  in der Flüssigkeit     befindlichen    Verunreini  gungen und Salzlösungen absetzen.  



  Die Vorrichtung zur Durchführung des       erfindungsgemässen        Verfahrens    zeichnet sich  dadurch aus, dass der     Gasturbinenläufer        einen          zylindrischen    Hohlkörper aufweist mit einer       mitumlaufenden,    an den Innenumfang des       Hohlkörpers    geführten     Kühlmittelzufluss-          leitung    und     einer        zentralen    Ableitung des er-      zeugten Dampfes, und dass die gleichfalls  hohl ausgebildeten     Gasturbinenschaufeln    der  art auf dem Umfang des Hohlkörpers be  festigt sind,

   dass der Hohlraum der Schau  fel mit dem Hohlraum des Hohlkörpers in  Verbindung steht.  



  Auf der Zeichnung, an Hand welcher  auch das Verfahren beispielsweise erläutert  wird, sind     Ausführungsbeispiele    der Vorrich  tung zur Durchführung des erfindungs  gemässen Verfahrens dargestellt.  



  Nach     Fig.    1 läuft durch die Stopfbüchse  1 Flüssigkeit     in    die Hohlwelle 2, wird in  den Rohren 3 auf Druck geschleudert und       tritt    in den     Wasserring,    der sich in der  Trommel 6 bildet, ein. Entsprechend der in  den     Gasturbinenschaufeln    5 und in den be  heizten Teilen der Trommel 6 gebildeten  Dampfmenge und dem gewünschten Dampf  druck stellt sich ein bestimmter     Flüssigkeits-          ring    ein. Der     erzeugte    Dampf strömt in die  Hohlwelle 7 ab; er wird von hier zu einer  Dampfturbine oder einer andern Verwen  dungsstelle geleitet.

   Von dem Flüssigkeits  ring 4 aus erfolgt in den     Gasturbinenschau-          feln    ein besonderer Umlauf, der entsprechend  der ausgeführten Schaufel mehr oder weniger  stark gehalten werden kann. Auf Grund die  ses durch den Gewichtsunterschied von nach  aussen geschleudertem Wasser und nach innen  strömendem     Dampf-Wassergemisch    hervor  gerufenen kräftigen Wasserumlaufes wird  die Schaufel auf ganzer Länge und an allen  Stellen gut gekühlt; auch wird dafür gesorgt,  dass die am weitesten nach aussen liegenden  Teile des gekühlten Läufers, nämlich die  Innenräume der Schaufeln immer gut durch  spült werden und damit Ablagerungen an  diesen Stellen möglichst vermieden werden.  



  Der Umlauf in den Schaufeln tritt ein.  wenn der Hohlraum der Schaufel genügend  Querschnitt hat, so dass die Flüssigkeit nach  aussen und das     Flüssigkeitsdampfgemisch     nebeneinander in verschiedenen Richtungen  strömen können, wobei zu     berücksichtigen     ist, dass für den Umlauf durch die Zen  trifugalkraft starke Kräfte wirken.    Die folgenden Figuren zeigen nun bei  spielsweise, wie durch besondere Einbauten  in den Schaufeln oder durch besondere Ge  staltung der Schaufeln selbst die erstrebte  Umlaufwirkung in den Schaufeln im Zu  sammenhang mit der     Aufdruckschleuderung     der zu verdampfenden Kühlflüssigkeit ver  bessert werden kann.  



       Fig.    2 zeigt den Einbau eines besonderen       Flüssigkeitsrohres    in den Hohlschaufeln.  Solche Rohre sind an sich auch bei umlau  fenden Kesseln bekannt.  



  In der Anwendung nach vorliegender Er  findung werden jedoch durch den     mehrfachen     Umlauf die dem Rohr     bei    umlaufenden  Dampferzeugern anhaftenden Mängel ver  mieden, indem nämlich bei mehrfachem Um  lauf der     Wä        rmefluss    vom Dampf auf die  unter niederem Druck stehende Flüssigkeit  bei kleiner     Belastung    nicht zu     Störungen     führen kann, zumal auch bei der Anordnung  des Rohres an einer Stelle, an der schon       Aufdruckschleuderung    erfolgt ist. eine  Dampfbildung nicht so schädlich sein kann.

    Gemäss     Fig.    ? zum     Beispiel    geht das Rohr 8  von der     AuI3enfläche        il    des Hohlraumes 10  aus. Das Rohr wird nach diesem Beispiel  bis an das äussere Ende der Schaufel 11 ge  führt. Ein     Abdeckblech    1? über das Rohr  ist vorteilhaft, um etwaigen     Dampfeiptritt     in das Rohr zu verhindern. Das durch die       Beheizung    der Schaufel entstehende     Dampf-          wassergemiseh        strömt    nach innen ab. Es  kann durch ein Aufsatzrohr 13 über den nor  malerweise sich einstellenden     _N'asserspiegel     14 geleitet werden.

   Durch die Länge dieses  Aufsatzrohres hat     man    es in gewissen Gren  zen in der Hand, den     gewünschten    Umlauf  einzustellen. Das Rohr 8 dient gleichzeitig  als Verdrängungskörper, so dass hierdurch  eine     Erhöhung    der     Kiihlfliissigkeitsgeschwin-          digkeit    an der     Schaufelinnenfläche    erzielt  wird. Man kann dem Rohr dementsprechend  noch besondere Formen geben. um den Kühl  strom an besonders stark beheizte Stellen zu  drängen.  



       Fig.    3 zeigt zum Beispiel ein Rohr als  Verdrängungskörper, der den Kühlmittel-      Strom hauptsächlich gegen die scharf be  heizten Schaufelstellen abdrängt. Die Ein  und     Austrittskanten    15 und 16 werden  naturgemäss am stärksten beheizt. Das Rohr  17 lässt dementsprechend im innern Teil an  den Kanten mehr     Querschnitt    frei, so dass  das umlaufende Wasser dorthin strömen  wird.  



  Wie die     Fig.    4 zeigt, können die Rohre  18 so ausgebildet sein, dass der     ausgescbleu-          derte    Flüssigkeitsstrahl auf die Innenseite  der Schaufelkante 15 gerichtet ist, so     da,ss    an  dieser Stelle durch das Auftreffen des Flüs  sigkeitsstrahls die Dampfblasen     immer    gut  fortgespült werden. Eine gleiche Wirkung  könnte man erzielen, wenn man nach     Fig.    5  den Flüssigkeitsstrom aus dem Rohr 20 durch  Bohrungen 19 an die Innenkanten spritzt.  Das Rohr 20 kann in diesem Fall am     äussern     Ende geschlossen sein.  



  Der Umlauf in den Schaufeln kann auch  durch eine zweckmässige Unterteilung in der  Schaufellängsrichtung erfolgen. Wenn man  zum Beispiel eine Hohlschaufel nach     Fig.    6  in der Weise unterteilt - sei es durch ein  geschweisste Stege oder durch Zusammen  schweissen der ganzen Schaufel -, dass  Räume verschieden starker Dampfentwick  lung entstehen, so kann auch hierdurch ein  geregelter starker Umlauf erfolgen, da in  den Räumen schwächerer     Beheizung    bei  gutem Umlauf so viel Flüssigkeit nach aussen  strömt und damit auf höheren Druck kommt,  dass die aufgenommene Wärmemenge nur zur  Erhöhung der Flüssigkeitswärme und nicht  zur Dampfbildung dient.

   Bei dem Ausfüh  rungsbeispiel nach     Fig.    6 würde der Raum  21 schwächer beheizt sein als die Räume 22  und 23, so dass in dem Raum 21 das Wasser  nach aussen geschleudert würde, während in  den Räumen 22 und 23 das     Dampfwasser-          g;emisch    wieder nach innen     zurückströmt.     



  Bei dem Verfahren nach vorliegender  Erfindung kommt es - wie eingangs be  schrieben - darauf an, dass die Kühlung der       Gasturbinenschaufeln    bei der Dampferzeu  gung durch     Druckschleuderung    gewährleistet    ist.     Hierbei    treten in den Zonen höherer  Umfangsgeschwindigkeiten, das     heisst    beson  ders in den Schaufeln auch hohe Innen  drücke auf. Bei diesen hohen Drücken muss  man Rücksicht nehmen einerseits auf genü  gende Festigkeit der Schaufel,     anderseits     aber besonders auf die genügende Kühlung  und auf ausreichende Umlaufverhältnisse bei  grosser Dampfdichte.  



  Gemäss den     Ausführungen    nach     Fig.    7  und 8 wird daher vorgeschlagen, die Küh  lung der Schaufeln durch     Bohrungen    vor  zunehmen, die innen und aussen untereinan  der in Verbindung stehen, wobei Zahl und  Anordnung der Bohrungen so getroffen ist,  dass die Bohrungen in Zonen verschiedener  Wärmeaufnahme liegen.     Auf    diese Weise  kann in den     Bohrungen    der Zone geringerer  Wärmeaufnahme eine Strömung nach aussen  sich einstellen und damit ein geregelter  gleichmässiger Fluss in allen Schaufeln ge  sichert sein, was für das Auswuchten des  Läufers sehr wichtig     ist.     



       Fig.    7 und 8 zeigen solche Ausführungen.  In der Schaufel befinden sich in diesem Fall  drei     Bohrungen    24, 25, 26. Die Bohrung 25  befindet sich in einer Zone geringerer       Wärmeaufnahme,    so dass in dieser Bohrung  die Flüssigkeit nach aussen geschleudert wird.  Alle Bohrungen sind am Schaufelkopf durch  den Raum 27 miteinander     verbunden.    Am  Schaufelfuss können -zunächst die Bohrungen  jeder Schaufel für sich zum Beispiel durch  den Raum 28 verbunden sein.

   Es können  aber auch die Bohrungen aller     Schaufeln    un  mittelbar mit dem Wasserring in Verbindung       stehen.'    Um den Umlaufsinn eindeutig fest  zulegen, ist es vorteilhaft, die Bohrungen,  die zur Führung der Flüssigkeit nach aussen  dienen sollen, mit grösserem Durchmesser aus  zuführen, da bei runden     Bohrungen    die durch  strömende Menge dann stärker     zunimmt    als  die     Wärme    abgebende Fläche. Statt der in       Fig.    7 und 8 dargestellten drei     Bohrungen          können    praktisch noch mehr     Bohrengen    in  Frage kommen.

   Auch kann es zweckmässig  sein, getrennte Umläufe für     Vorder-    und  Rückkante vorzusehen.

Claims (1)

1. <B>PATE</B> NTANSPRt t\IIE: I. Verfahren zur Kühlung von Ga.s- turbinenschaufeln, bei denen die K ühlflüssig- keit durch Schleuderwirkung auf Druck ge bracht wird und der bei dem Druck erzeugte Dampf aus dem Turbinenläufer abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet.

   da.ss von dem zu verdampfenden auf Druck geschleuderten Flüssigkeitsstrom für jede Gasturbinen schaufel Flüssigkeit abgeleitet und in einer das Verdampfungsvermögen der Schaufel übersteigenden Menge mit Hilfe der Schleu- derwirkung durch jede Schaufel umgewälzt wird.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des, Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasturbinenläufer einen zylindrischen Hohlkörper aufweist mit einer mitumlaufenden, an den Innenumfang des Hohlkörpers geführten Kühlmittelzufluss- leitung und einer zentralen Ableitung des erzeugten Dampfes,

   und dass die gleichfalls hohl ausgebildeten Gasturbinenschaufeln derart auf dem Umfang des Hohlkörpers befestigt sind, dass der Hohlraum der Schau fel mit dem Hohlraum des Hohlkörpers in Verbindung steht. UN TERANSPRt CIIE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gelennzeiehnet, dass in den Schau feln von Verbrennungsaasen nicht beheizte Einbauten vorgesehen sind, die die Kühl flüssigkeit in die Schaufel einleiten.

   ?. Vorrichtung hach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeicluiet, dass die Einbauten -,o ausgebildel sind, dass der Flüssigkeits strom gehen die hiiclistbelieizten Stellen ge leitet wird. 3. Vorriclil:

   ung nach Patentanspruch 11, dadurch gehennzcicluiet, dass Einbauten zur Ableitung des in der Schaufel erzeugten Dampfes vorgesehen sind, die den Dampf niiridestens teilweise durch den Flüssigkeits- rin- hindurchführen.

   4. Vorrichtung nach Unterar sprucli Il., dadurch -,elzennzeicbiiet, class die Schaufel in der @än @@:srichtun@,r in mehrere Räume un gleicher Wärmeaufn < iluuc aufgeteilt ist.

   . Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch. gekerinzeii@hnet, dass die Schaufeln mit in Zonen verschiedener Wärineaufnallme angeordneten Bobrungen versehen sind, und die Bohrun-en einerseits mit dein Flüssiä- keitsrin-,

   anderseits untereinander am Schau felkopf i11 Verbindung stehen. 6. Vorrichtung nach Unteranspruch :i, dadurch gel@ennzeiclinet. dass die Bohrungen mit verschiedenem Durchmesser ausgeführt sind.

   7. Vorrichtung nach Unteransprüchen arid 6, dadurch gekennzc@iehnet, dass die in Zonen. geringer -NjTäi@meaufnahme liegenden Bohrungen grössere Durchmesser haben. B. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gehennzeiclinet, class für die Kühl räume an den.

   Vorder- und Rückkanten der Schaufel getrennte Umläufe vorgesehen sind.