CH253087A - Device for cooling the rotor blades of a gas or hot air turbine. - Google Patents

Device for cooling the rotor blades of a gas or hot air turbine.

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CH253087A
CH253087A CH253087DA CH253087A CH 253087 A CH253087 A CH 253087A CH 253087D A CH253087D A CH 253087DA CH 253087 A CH253087 A CH 253087A
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CH
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cooling
blade
blade root
gas
temperature
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German (de)
Inventor
Pilsen Aktiengesellschaft V In
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Skoda Kp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  

  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.



  Device for cooling the rotor blades of a gas or hot air turbine. Various devices for cooling the blades of a gas or hot air turbine have been proposed, but none of them are entirely satisfactory. The main thing is that the hot gases flow through the blade channels at a steady speed, which means that the heat transfer from the gases into the rotor blades is very high.



  If air is used for cooling, which flows through channels within the blade foot and the actual blade, the cooling effect is very small because the area that comes into contact with the cooling air is much smaller than the area that comes with the is flushed with hot gases; also the speed and thus the heat transfer coefficient of the cooling air is significantly lower than the speed and thus the heat transfer coefficient of the hot gases.

   Another disadvantage is the fact that the cooling air ducts make it more difficult to manufacture the rotor blades and reduce the blade cross-section, as a result of which the blade stress increases significantly.



  The use of water or another liquid to cool the blades is even less advantageous than the use of air, because the cooling effect is then too great. The walls of the cooling channels have almost the same temperature as the cooling water. The temperature of the walls, which are flushed by the hot gases, especially at the leading edge of the rotor blades, is almost the same as the temperature of the hot gases.

    Temperature differences of up to several 100 ° C arise in the rotor blade and thus very considerable material stresses (a temperature difference of 1.00 C causes stress on the steel of around 2000 kg / cm \ if the body cannot expand freely) ). These claims are not permissible and threaten the life of the rotor blade very much, especially if the temperature of the rotor blade changes frequently, e.g.

   B. as a result of load changes or starting and stopping the turbine. Another disadvantage of cooling with water is that the whole system is very complex.



  Another type of cooling consists in that a gaseous coolant is not passed through channels in the rotor blades, but between the wall of the housing and the rotor and along the rotor blades, that is to say cools them from the outside. The coolant then either mixes with the propellant gases from the turbine or is captured separately and cooled again or used in some other way. This type of cooling is neither inadequate in the known designs or causes great temperature stresses when the cooling area never extends near the channels through which the hot gases flow.



  The invention aims to eliminate the disadvantages of the last-mentioned type of cooling. It consists in the fact that the guide for the coolant extends only along the lower part of the blade root, the blade root between the lower end of the actual rotor blade and the outer circumference of the impeller having a length which is at least twice the circumference direction at the lower end of the actual blade is measured blade root width.



  Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing. Figs. 1 and 2 show the device on a blade in section and in An looks, in which., The actual blade 1 sits on a foot 2 that is fastened in the impeller 3 be.

   Approximately to the middle of the blade foot 2, the wall 4 extends, between which and the blade foot 2 the space 5 is left, into which the cooling air is introduced (preferably the air from the compressor ter, which för the air for the gas turbine changes, or from one of its stages).

   The blade root 2 is designed to be hollow and the thickness of its walls is as small as possible. ge selected in order to achieve the smallest heat transfer from the actual rotor blade 1 into the wheel 3. Fig. 3 shows the temperature profile in the rotor blade for a cooling air temperature of 250 C and a temperature of the hot gases of 550 C:

   It can be seen that the impeller 3 has practically the same temperature up to the circumference, and there are no significant temperature differences in the actual rotor blade 1 either. Almost the entire temperature gradient is therefore limited to the blade root 2.



  After leaving space 5, the cooling air flows freely into the space of the turbine housing, where it mixes with the hot gases. The area around the blade foot 2 has essentially the temperature of the cooling air in the lower part of the blade foot from the impeller to the end of the wall 4, whereas the area around the upper part of the blade foot essentially has the temperature of the hot gases passing through the blade channel stream.

   The position of the end point of the wall 4, which divides the area around the blade into the cold and hot areas, is selected by calculation or, better, by experiments so that the strength properties of the material of the blade and the impeller are well utilized. Is z. B. shortened the 'wall 4, this has the consequence.

    that the temperature differences in impeller 3, i.e. also the stresses on the impeller, increase, but at the same time the temperature differences in the blade, i.e. also their stresses, decrease. If the stresses on the impeller have to be reduced, the stresses but the shovel may be enlarged, the wall 4 is lengthened. This increases the temperature differences in the blade while reducing the temperature differences in the impeller.

   The most advantageous location of the end point of the wall 4 therefore needs. not to be exactly in the middle of the blade root.



  The blade root 2 is made as long as possible, not only in order to create the largest possible area for heat transfer from the blade root 2 into the cooling air, but also because otherwise excessive stresses would arise in it due to the large temperature gradient.



  In Fig. 4, a straight bar of unchangeable cross-section (e.g. square) is shown for the sake of better explanation. If this rod is heated in such a way that a temperature profile as shown in Fig. 5 arises in it, the rod will theoretically expand according to the dashed outline in Fig. 4 and in reality according to the solid line.

   The outer fibers in particular have to stretch considerably, which results in very considerable bending stresses in the rod, especially in cross-sections 8 and 9. It is therefore advisable to keep the thickness 7 of the rod as small as possible and the length 6 as large as possible choose.



  A closer examination of the stress shows that it is necessary to choose length 6 at least twice the thickness 7 in order to keep the bending stresses within acceptable limits. For this reason, too, the blade root 2 according to FIGS. 1 and 2 is made hollow and the thickness of the side walls is selected to be as small as possible. The width of the blade root in the circumferential direction is determined by the pitch of the blades. If the blade root width in the circumferential direction is relatively large, the blade root can be formed in the shape of a fork.

   Instead of separating the foot over the entire length and parallel to the impeller plane, as indicated in Fig. 6, it can also be separated only over part of its length or in a plane perpendicular to the impeller plane or in these two planes. It is also possible to provide the blade root with cooling fins 1.0 to increase cooling, as shown in Fig. 7.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Einrichtung zur Kühlung der Laufschau feln einer Gas- oder Heissluftturbine durch ein über ihre Oberfläche geführtes gasförmi.- ges Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Führung für das Kühlmittel nur ent- lung des untern Teils des Schaufelfusses er streckt, wobei der Schaufelfuss zwischen dem untern Ende der eigentlichen Laufschaufel (1) und dem äussern Umfange des Laufrades (3) eine Länge (6) besitzt, welche wenigstens das Zweifache der in Umfangsrichtung am untern Ende der eigentlichen Laufschaufel gemessenen Schaufelfussbreite (7) beträgt. Claim: device for cooling the blades of a gas or hot air turbine by means of a gaseous coolant guided over its surface, characterized in that the guide for the coolant only extends along the lower part of the blade root, the blade root between the lower end of the actual rotor blade (1) and the outer circumference of the impeller (3) has a length (6) which is at least twice the blade root width (7) measured in the circumferential direction at the lower end of the actual rotor blade. UNTERANSPRÜCHE: 1. Kühlungseinrichtung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfuss (2) gabelförmig ist. 2. Kühlungseinrichtung nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Schaufelfuss (2) mit Kühl rippen (10) versehen ist. SUBClaims: 1. Cooling device according to patent claim, characterized in that the blade root (2) is fork-shaped. 2. Cooling device according to claim and dependent claim 1, characterized in that the blade root (2) is provided with cooling ribs (10).
CH253087D 1946-06-04 1946-06-04 Device for cooling the rotor blades of a gas or hot air turbine. CH253087A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE956822C (en) * 1953-07-06 1957-01-24 Napier & Son Ltd Turbine blade for the rotor of a turbine
DE1144537B (en) * 1960-07-13 1963-02-28 Henschel Werke Ag Arrangement for cooling the impellers and blading of turbo machines, especially gas turbines

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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