Einrichtung zur Kühlung der Laufschaufeln einer Gas- oder Heiiluftturbine. Es wurden verschiedene Einrichtungen zur Kühlung der Schaufeln einer Gas- oder Heissluftturbine vorgeschlagen, aber keine der selben ist voll befriedigend. Die Haupt- @ch-#vierigkeit besteht nämlich darin, dass die heissen Gase durch die Schaufelkanäle mit einer holten Geschwindigkeit strömen, was zur Folge hat, dass der Wärmeübergang aus den Gasen in die Laufschaufeln sehr hoch ist.
Wenn für die Kühlung Luft benutzt wird, welche durch Kanäle innerhalb des Schaufel fusses und der eigentlichen Laufschaufel fliesst, ist die Kühlwirkung sehr klein, weil die Fläche, welche mit der Kühlluft in Be rührung kommt, wesentlich kleiner ist als die Fläehe, welche mit den heissen Gasen be- spült wird; auch ist die Geschwindigkeit und somit die Wä.rmeübergang.szahl der Kühlluft wesentlich niedriger als die Geschwindigkeit und somit die Wärmeübergangszahl der hei ssen Gase.
Ein weiterer Nachteil ist der Um stand, dass die Kühlluftkanäle die Herstellung der Laufschaufeln erschweren und den Schau felquerschnitt verkleinern, wodurch die Sc-hau- felbeanspruchung wesentlich wächst.
Die Benutzung von Wasser oder einer an dern Flüssigkeit zur Kühlung der Schaufeln ist noch weniger vorteilhaft als die Benutzung fron Luft, weil die Kühlwirkung dann zu gross ist. Die Wände der Kühlkanäle haben an- nähernd die Temperatur des Kühlwassers. Die Temperatur der Wände, welche durch die heissen Gase bespült werden, besonders an der Eintrittskante der Laufschaufeln, ist fast die (Y eiche wie .die Temperatur der heissen Gase.
ES entstehen also in der Laufschaufel Tem peraturunterschiede bis von mehreren 100'C und somit sehr beträchtliche Materialbean spruchungen (ein Temperaturunterschied von l.00 C verursacht, wenn sich der Körper nicht frei ausdehnen kann, eine Beanspruchung des Stahls von etwa 2000 kg/cm\). Diese Bea.n- spr2ichungen sind nicht zulässig und bedrohen die Lebensdauer der Laufschaufel sehr, be sonders wenn sich die Temperatur der Lauf schaufel oft ändert, z.
B. infolge von Last wechsel oder Ingang- und Ausserbetrieb- setzung der Turbine. Ein weiterer Nachteil bei der Kühlung mit Wasser besteht darin, dass die ganze Anlage sehr verwickelt ist.
Eine andere Art der Kühlung besteht darin, dass ein gasförmiges Kühlmittel nicht durch Kanäle der Laufschaufeln, sondern zwi schen der Wand des Gehäuses und dem Lauf- rade und entlang der Laufschaufeln geführt wird, diese also von aussen kühlt. Das Kühl mittel mischt sich dann entweder mit .den Treibgasen der Turbine oder -wird gesondert gefangen und wieder gekühlt oder in einer andern Weise verwendet. Diese Kühlungsart ist bei den bekannten Ausführungen ent weder ungenügend oder verursacht grosse Temperaturspannungen, wenn das Kühlungs gebiet bis in nie Nähe der Kanäle reicht, welche von den heissen Gasen durchflössen, werden.
Die Erfindung bezweckt, die Nachteile der letzterwähnten Kühlungsart zu beseitigen. Sie besteht darin, dass sich die Führung für das Kühlmittel nur entlang des untern Teils des Schaufelfusses erstreckt, wobei der Schaufel fuss zwischen dem untern Ende der eigent lichen Laufschaufel und dem äussern Um fange des Laufrades eine Länge besitzt, welche wenigstens das Zweifache der in Umfangs richtung am untern Ende der eigentlichen Laufschaufel gemessenen Schaufelfussbreite beträgt.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbei- spieledes Erfindungsgegenstandes dargestellt. Die Abb. 1 und 2 zeigen die Einrichtung an einer Laufschaufel im Schnitt und in An sieht, bei der.,die eigentliche Laufschaufel 1 an einem Fuss 2 sitzt, der im Laufrad 3 be festigt ist.
Ungefähr bis zur Mitte des Schau felfusses 2 ,erstreckt sich die Wand 4, zwischen welcher und dem Schaufelfuss 2 der Raum 5 belassen ist, in den die Kühlluft eingeführt wird (am besten die Luft aus dem Verdich ter, welcher die Luft für die Gasturbine för dert, oder aus einer seiner Stufen).
Der Schaufelfuss 2 ist hohl ausgeführt, und die Dicke seiner Wände wird möglichst klein. ge wählt, um die kleinste Wärmeübertragung von der eigentlichen Laufschaufel 1 in das Lauf rad 3 zu erzielen. In Abb. 3 ist der Tem peraturverlauf in der Laufschaufel für eine Temperatur der Kühlluft von 250 C und eine Temperatur der heissen Gase von 550 C ver anschaulicht:
Es ist ersichtlich, dass das Lauf- rad-3 bis an den- Umfang hinaus praktisch die gleiche Temperatur hat, und auch in der eigentlichen Laufschaufel 1 gibt es keine wesentlichen Temperaturunterschiede. Fast das ganze Temperaturgefälle ist also auf .den Schaufelfuss 2 beschränkt.
Die Kühlluft strömt nach dem Verlassen des Raumes 5 frei in den Raum des Tur- binengehäuses, wo sie sich mit den heissen Gasen vermischt. Die Umgebung des Schau felfusses 2 hat also im untern Teile des Schau felfusses vom Laufrad bis zum Ende der Wand 4 im wesentlichen die Temperatur der Kühlluft, wogegen die Umgebung des obern Teils des Schaufelfusses im wesentlichen die Temperatur der heissen Gase besitzt, welche durch den Schaufelkanal strömen.
Die Lage des Endpunktes der Wand 4, welcher die Tei lung der Umgebung der Laufschaufel in das kalte und das heisse Gebiet bewirkt, wird durch Berechnung oder besser durch Versuche so gewählt, dass die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes der Laufschaufel und des Laufrades gut ausgenützt werden. Wird z. B. die 'Wand 4 verkürzt, so hat dies zur Folge.
dass .sich die Temperaturunterschiede im Lauf rad 3, also auch die Beanspruchungen des Laufrades, vergrössern, gleichzeitig aber ver kleinern sich die Temperaturunterschiede in der Schaufel, also auch deren Beansprüchun- gen. Wenn die Beanspruchungen des Lauf rades herabgesetzt werden müssen, die Bean spruchungen der Schaufel aber vergrössert werden dürfen, wird die Wand 4 verlängert. Dadurch vergrössern sich die Temperatur unterschiede in der Schaufel bei gleichzeitiger Senkung der Temperaturunterschiede im Laufrad.
Die vorteilhafteste Lage des End punktes der Wand 4 braucht also. nicht genau in der Mitte des Schaufelfusses zu sein.
Der Schaufelfuss 2 wird möglichst lang ausgeführt, nicht nur um eine möglichst grosse Fläche zur Wärmeübertragung vom Schaufel fuss 2 in die Kühlluft zu schaffen, sondern auch, weil in ihm infolge des grossen Tem peraturgefälles sonst zu grosse B:eanspruehun- gen entstehen würden.
In Abb. 4 ist zwecks besserer Erklärung ein gerader Stab von unveränderlichem Quer schnitt (z. B. Quadrat) dargestellt. Wenn die ser Stab so .erwärmt wird, dass in demselben ein Temperaturverlauf nach Abb. 5 entsteht, wird sich der Stab theoretisch nach dem in Abb. 4 gestrichelten Umriss und in Wirklich- keit nach der voll ausgezogenen Linie aus dehnen.
Besonders die äussern Fasern müssen sich also beträchtlich dehnen, wodurch im Stabe sehr beträchtliche Biegungsbeanspru- chungen entstehen, besonders in den Quer- schnitten 8 und 9. Demzufolge ist es zweck mässig, die Dicke 7 des Stabes möglichst klein und die Länge 6 möglichst gross zu wählen.
Eine nähere Untersuchung der Beanspru chung zeigt, dass es nötig ist, die Länge 6 mindestens das Zweifache der Dicke 7 zu \vählen, um die Biegungsbeanspruchungen in annehmbaren Grenzen zu halten. Auch aus diesem Grunde ist der Schaufelfuss 2 nach Abb. 1 und 2 hohl ausgeführt und die Dicke der Seitenwände möglichst klein gewählt. Die Breite des Schaufelfusses in der LTmfangs- richtung wird durch die Teilung der Schau feln bestimmt. Wenn die Schaufelfussbreite in der Urnfangsriehtung verhältnismässig gross ist, kann der Schaufelfuss gabelförmig aus Uebildet sein.
Statt den Fuss über die ganze Länge und parallel zur Laufradebene zu tren nen, wie in Abb. 6 angedeutet ist, kann er auch nur über einen Teil seiner Länge oder in einer zur Laufradebene senkrechten Ebene oder in diesen beiden Ebenen getrennt sein. Es ist auch möglich, zur Vergrösserung der Kühlung den Schaufelfuss mit Kühlrippen 1.0 zu versehen, wie in Abb. 7 dargestellt ist.