Verfahren zum Kühlen der Schaufeln einer Turbine. Es ist bekannt, Schaufeln für hohe Tem peraturen zu bauen, welche einen die mecha nischen Beanspruchungen aufnehmenden Kern und einen hitzebeständigen Schutzmantel aufweisen. Es ist ferner bekannt, durch Boh rungen innerhalb des Schaufelkernes Kühl wasser zu leiten. Solche Schaufeln bewirken jedoch, sofern eine gute Kühlung verlangt wird, eine starke Wärmeableitung aus dem Arbeitsmittelraum in den .Schaufelkern und von da über die Scheibe und Welle nach aussen.
Wenn man nun den Schaufelmantel vom gern durch einen Zwischenraum trennt, durch welchen das Kühlmittel derart gefördert wird. dass dieses den gern umspült, dann wird die vom gern nach der Welle abgeleitete Wärme menge und damit das Ableit-Temperatur- gefälle klein, und die Temperatur des Schau felkernes bleibt niedrig.
Da ferner das Kühl mittel infolge seiner Lage zwischen dem Schutzmantel und dem zu schützenden gern schlecht wärmeleitend sein darf (Luft), ja sogar bei schlechter Wärmeleitfähigkeit den Kern auch noch infolge Isolierwirkung schützt, braucht die mit dem Kühlmittel ab geführte Wärme nicht sehr gross zu sein, um den gern auf tiefer Temperatur zu halten.
Durch die Kühlmittelströmung um den Kern herum wird die Hauptableitwärme dem gern überhaupt nicht zugeführt, sondern es wird diese, bevor sie in den Kern eintreten kann, vom güblmittel aufgefangen und weg geführt, und es wird erst durch diese Füh rung der Vorteil der Trennung des tragenden Kernes vom Schutzmantel voll ausgenützt. Wie schon erwähnt, darf infolge der Führung des Kühlmittels um den gern herum das Kühlmittel eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Aus dem gleichen Grunde darf auch die Geschwindigkeit, mit der das Kühl mittel den Zwischenraum durchströmt, ge ring sein, so dass man mit einer geringen.
1llenge Kühlmittel auskommen kann. Würde dagegen das Kühlmittel innerhalb des Kernes geführt, so wäre ein schlecht leitendes Gas nicht oder nur bei sehr grossen Geschwindig keiten wirksam. Auf dieser Erkenntnis beruht die vorlie gende Erfindung, welche ein Verfahren zum Kühlen der Schaufeln einer Turbine betrifft, welche Schaufeln einen die mechanischen Be- aispruchungen aufnehmenden Kern und einen hitzebeständigen Schutzmantel aufweisen. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, dass man durch einen zwischen Kern und Schutzmantel angeordneten Zwischen raum ein den Kern wenigstens teilweise um hüllendes Kühlmittel, z.
B. ein Gas, wie Luft, hindurchleitet. Durch Verwendung eines schlecht leitenden Kühlmittels, das mit klei nen Geschwindigkeiten strömen kann, wird gleichzeitig eine Isolierung und eine Wärme abführung erreicht.
Da bei der vorgesehenen Kühlmittelfüli- rung zwischen Schaufelmantel und -kern ein Gas gegenüber einer Flüssigkeit von Vorteil ist, weil eben der vom Kühlmittel umgebene Kern um so besser geschützt ist, je schlechter die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels ist, kann bei einer Gasturbinenanlage als Kühl mittel ein Teil des Arbeitsmittels verwendet werden, vorzugsweise Luft, die am Kom- pressoraustritt oder nach einer beliebigen Stufe des Kompressors für diesen Zweck ab gezweigt wird, um über Welle und Scheibe den zu kühlenden Schaufeln zugeführt zu erden.
Diese Luft kann beispielsweise nach der ersten Kompressorstufe entnommen und nach der Erfüllung ihrer Kühlaufgabe wieder über die Scheibe und die Welle zurüclZ ins Freie entlassen werden. Die Luft kann aber auch einer höheren Druckstufe des Kompres- sors oder dem Kompressoraustritt entnommen und nach Durchströmen der Schaufel unmit telbar in die Strömungskanäle der Turbine entlassen werden. Dies bedingt allerdings, dass der Überdruck an der Entnahmestelle der Kühlluft genügend gross ist gegenüber dem Druck an der Einführungsstelle in den Tur binenkanal. Infolge der notwendigen geringen Kühlluftmengen, z.
B. weniger als 10 g/seo. je Schaufel, ist dies auch bei Verwendung der Kühlluft in der ersten Turbinenstufe ohne weiteres möglich. Allgemein kann das Kühlmittel stets einer passenden Kompressorstufe entnommen werden, derart, dass der Überdruck zwischen Entnahmestelle und Einführstelle gerade ge nügt, um die erforderliche Luftmenge zu fördern.
Die Austrittsöffnungen für die Kühlluft an der Schaufel werden vorzugsweise so an geordnet, dass die Relativgeschwindigkeit der Kühlluft und des Turbinentreibmittels min destens angenähert gleiche Richtung aufwei sen, so dass ein Teil der Austrittsgeschwindig keit der Kühlluft bei der Mischung mit dem Treibmittel erhalten bleibt.
Da, wie bereits beschrieben, mit kleinen Kühlluftmengen gearbeitet werden kann, muss besonders darauf geachtet werden, dass sich diese nicht schon vor dem Eintritt in die Schaufel,<B>d. 11.</B> auf dem Wege durch die Welle und Scheibe zu hoch erwärmen. Es werden daher vorteilhafterweise die Zufüh rungswege der Kühlluft durch Isolation oder Kühlung besonders vor starker Erwärmung geschützt. Es können hierfür zwischen die Zuführungswege des Kühlmittels und dem äussern Raum Kanäle gelegt werden, die ihrerseits ebenfalls von einem Kühlmittel be strichen werden, wobei das letztere vom Schaufelkühlmittel abgezweigt und durch die zusätzlichen Kühlkanäle geführt werden kann.
Diese zusätzlichen Kanäle können irgendwie zwischen die Schaufelkühlmittel- Zufuhrkanäle und den Heissgasraum derart angeordnet werden, dass sie den Wärmefluss, der von den Heissgasen herrührt, auffangen. Sie können auch die Schaufelzufuhrkanäle unmittelbar umschliessen oder auch weiter aussen, zwischen dem Heissgasraum und der Scheibe, angebracht -erden. In letzterem Falle kann z.
B. die Scheibe von einem hitze beständigen Mantel umgeben sein und Zii- sa.tzkühlilittel zwischen Scheibe und Mantel gefördert werden. Statt Kühlmittel durch die Zusatzkühlkanäle zu fördern, können diese auch finit einem Isolationsmaterial oder mit ruhender Luft gefüllt sein und als Isolations schichten wirken. Schliesslich können sie zwecks besserer Isolierwirkung auch evaku iert sein.
An Hand der Zeichnung, welche eine nach dem Verfahren gemäss der Erfindung ge kühlte Schaufel mit dem zugehörigen Rad in einem Achsialschnitt (Fig. 1), in einem Schnitt quer zur Radachse (Fig. 2) und in einem Schnitt nach der Linie A-B der Fig. 1 zeigt (Fig. 3), wird nun das Verfahren beispielsweise erläutert.
1 bedeutet die Welle, 2 die Scheibe, 3 den Schaufelkern und 4 den Schutzmantel, der aus hitzebeständigem (zunderfreiem) Mate rial besteht. Der Kern 3 hat die mechanische Beanspruchung von Schaufel und Deckband aufzunehmen. Er befindet sich innerhalb der wärmeabführenden Kühlmittelräume 5 und braucht daher nur aus warmfestem oder ge wöhnlichem Material zu bestehen. Durch die Räume 5 wird beispielsweise Kühlluft ge schickt.
Die Scheibe 2 ist von Schutzblechen 6 umgeben, die beidseitig der Scheibe je einen Kanal 15 bilden, durch welchen beispiels weise ebenfalls Kühlluft gefördert wird. Die Kühlluft, die beispielsweise dem Kompressor der Gasturbinenanlage entnommen wird, von der die zu kühlende Turbinenschaufelung einen Bestandteil bildet, strömt zunächst durch einen Kanal 8 der Welle 1 und verteilt sich dann auf die zu kühlenden Räder, in welchen Radialkanäle 9, deren am Umfang mehrere verteilt sein können, vorgesehen sind. Die Verteilung auf die einzelnen Schau feln erfolgt durch einen Ringkanal 10. Von diesem aus strömt die Kühlluft durch Radial kanäle 11 in den Schaufelfüssen, die in die Schaufelkühlräume 5 führen.
Nach Durch strömen dieser Kühlräume 5 wird die Kühl luft durch Öffnungen 12 im äussern Mantel 4 in den Turbinenraum 13 entlassen.
Statt die Luft in den Turbinenraum 13 zu entlassen, kann sie auch wieder durch die Scheibe 21 und die Welle 1 zurückgeführt werden, wobei die Rückführkanäle von den Zuführkanälen am Umfang oder achsial ver setzt sein können. Der, Zuführweg der Kühlluft ist vor star ker Erwärmung durch die Kanäle 14 und die Kanäle 15 geschützt, die alle den Wärmefluss vom Heissgasraum 13 zum Kanal 9 unterbin den sollen, Natürlich kann auch nur eine der Gruppen von Kanälen 14 und 15 vorgesehen sein.
Durch die Kanäle 14 und 15 wird bei spielsweise Kühlluft geführt, die bei 16 und 17 von der Schaufelkühlluft abgezweigt wird. Nach Durchströmen der Kanäle 14 und 15 wird diese zusätzliche Kühlluft durch Öff nungen 7 im -Schutzmante,l 6 dem Heissgas raum 13 zugeführt.
Durch die zusätzlichen Kühlluftkanäle 14 und 15 wird eine zu starke Vorwärmung der Schaufelkühlluft vor Eintritt in den Schau felraum 5 verhindert, so dass die Schaufele kühlluft ihrer Aufgabe in vollem Umfange nachkommen kann.
Method for cooling the blades of a turbine. It is known to build blades for high temperatures, which have a core that absorbs the mechanical stresses and a heat-resistant protective jacket. It is also known to direct cooling water through holes within the blade core. However, if good cooling is required, such blades bring about a strong dissipation of heat from the working medium space into the blade core and from there to the outside via the disk and shaft.
If one now separates the blade casing from the like by a gap through which the coolant is conveyed in this way. if this likes to wash around it, then the amount of heat that is dissipated after the wave and thus the dissipation temperature gradient is small, and the temperature of the blade core remains low.
Furthermore, since the coolant, due to its position between the protective jacket and the one to be protected, may be a poor conductor of heat (air), and even with poor thermal conductivity, it also protects the core as a result of an insulating effect, the heat carried away with the coolant need not be very large to keep it at a low temperature.
Due to the coolant flow around the core, the main heat dissipation is not supplied at all, but rather it is captured and carried away by the lubricant before it can enter the core, and it is only through this leadership that the advantage of separating the load-bearing The core of the protective jacket is fully utilized. As already mentioned, as a result of the routing of the coolant around the like, the coolant may have poor thermal conductivity. For the same reason, the speed at which the coolant flows through the space may also be low, so that a low.
1long coolant can get by. If, on the other hand, the coolant were guided inside the core, a poorly conductive gas would not be effective or would only be effective at very high speeds. The present invention, which relates to a method for cooling the blades of a turbine, which blades have a core that absorbs the mechanical loads and a heat-resistant protective jacket is based on this knowledge. The method according to the invention consists in that through an intermediate space arranged between the core and the protective jacket, a coolant which at least partially surrounds the core, e.g.
B. a gas, such as air, passes through. By using a poorly conductive coolant that can flow at small speeds, insulation and heat dissipation is achieved at the same time.
Since a gas is advantageous over a liquid with the provided coolant flow between the blade jacket and core, because the core surrounded by the coolant is protected the better the poorer the thermal conductivity of the coolant, a gas turbine system can use a coolant Part of the working medium can be used, preferably air, which is branched off at the compressor outlet or after any stage of the compressor for this purpose in order to be fed to the blades to be cooled via the shaft and disk.
This air can, for example, be withdrawn after the first compressor stage and, after its cooling task has been fulfilled, released back into the open via the disk and the shaft. However, the air can also be taken from a higher pressure stage of the compressor or the compressor outlet and, after flowing through the blade, can be released immediately into the flow channels of the turbine. However, this requires that the overpressure at the point of extraction of the cooling air is sufficiently large compared to the pressure at the point of introduction into the turbine channel. As a result of the small amounts of cooling air required, e.g.
B. less than 10 g / seo. per blade, this is easily possible even when using the cooling air in the first turbine stage. In general, the coolant can always be taken from a suitable compressor stage in such a way that the overpressure between the removal point and the introduction point is just enough to convey the required amount of air.
The outlet openings for the cooling air on the blade are preferably arranged in such a way that the relative speed of the cooling air and the turbine propellant have at least approximately the same direction, so that part of the outlet speed of the cooling air is maintained when mixed with the propellant.
Since, as already described, it is possible to work with small amounts of cooling air, particular care must be taken to ensure that this is not already before it enters the shovel, <B> d. 11. </B> Heat too high on the way through the shaft and disc. It is therefore advantageous to protect the supply routes of the cooling air by insulation or cooling, especially from excessive heating. For this purpose, channels can be placed between the supply paths for the coolant and the outer space, which in turn are also coated by a coolant, the latter being branched off from the blade coolant and being guided through the additional cooling channels.
These additional channels can somehow be arranged between the blade coolant supply channels and the hot gas space in such a way that they intercept the heat flow resulting from the hot gases. They can also enclose the blade feed ducts directly or they can be earthed further outside, between the hot gas space and the disk. In the latter case, for.
For example, the disk can be surrounded by a heat-resistant jacket and Zii- sa.tzkühlilittel can be conveyed between the disk and jacket. Instead of conveying coolant through the additional cooling channels, these can also be filled with an insulating material or with still air and act as insulating layers. Finally, they can also be evacuated for better insulation.
With reference to the drawing, which a ge by the method according to the invention cooled blade with the associated wheel in an axial section (Fig. 1), in a section transverse to the wheel axis (Fig. 2) and in a section along the line AB of FIG 1 shows (FIG. 3), the method will now be explained by way of example.
1 means the shaft, 2 the disc, 3 the blade core and 4 the protective jacket, which is made of heat-resistant (scale-free) material. The core 3 has to absorb the mechanical stress of the blade and shroud. It is located within the heat-dissipating coolant spaces 5 and therefore only needs to consist of heat-resistant or ordinary material. For example, cooling air is sent through the rooms 5.
The disc 2 is surrounded by protective plates 6, which each form a channel 15 on both sides of the disc, through which example, cooling air is also promoted. The cooling air, which is taken, for example, from the compressor of the gas turbine system, of which the turbine blades to be cooled forms a component, first flows through a channel 8 of shaft 1 and is then distributed to the wheels to be cooled, in which radial channels 9, several on the circumference can be distributed, are provided. The distribution to the individual blades takes place through an annular channel 10. From this, the cooling air flows through radial channels 11 in the blade roots, which lead into the blade cooling chambers 5.
After flowing through these cooling spaces 5, the cooling air is discharged through openings 12 in the outer jacket 4 into the turbine space 13.
Instead of releasing the air into the turbine chamber 13, it can also be fed back again through the disk 21 and the shaft 1, the return ducts from the supply ducts being able to be set on the circumference or axially ver. The supply path of the cooling air is protected from strong warming by the channels 14 and the channels 15, all of which are intended to prevent the flow of heat from the hot gas space 13 to the channel 9. Of course, only one of the groups of channels 14 and 15 can be provided.
Cooling air is passed through channels 14 and 15, for example, which is branched off at 16 and 17 from the blade cooling air. After flowing through the channels 14 and 15, this additional cooling air is supplied to the hot gas space 13 through openings 7 in the protective jacket, l 6.
The additional cooling air ducts 14 and 15 prevent the blade cooling air from being excessively preheated before it enters the blade chamber 5, so that the blade cooling air can fulfill its task to the full.