Rotorschaufel an mit heissem Arbeitsmittel arbeitender Strömungsmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotor- sehaufel an mit heissem Arbeitsmittel arbei tender Strömungsmaschine.
Bei der Rotorschaufel gemäss der Erfin dung sind Mittel vorgesehen, um einem dem heissen Arbeitsmittel ausgesetzten Schaufelteil Wärme zu entnehmen und auf einen andern Schaufelteil zu übertragen, von welchem aus die Wärme abgeleitet wird.
Die erfindungsgemässe Rotorschaufel an finit heissem Arbeitsmittel arbeitender Strö mungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen vom heissen Arbeitsmittel beauf- schlagten Schaufelteil, einen in eine kühlere Zone ragenden Schaufelteil und einen ein Kühlmittel enthaltenden, sich in beide Schau felteile erstreckenden Innenhohlraum auf weist., das Ganze zum Zweck,
dass im Betrieb dieses Kühlmittel nach aussen in den erst genannten Schaufelteil geschleudert wird und infolge der relativen Lage der beulen Schau felteile sowie ihrer unterschiedlichen Tempera turen eine Zirkulation des Kühlmittels zwecks Wärmetransportes vom heisseren Schaufelteil zum kälteren Schaufelteil erfolgt.
Das Kühlmittel kann eine Flüssigkeit sein oder es kann im Betrieb flüssig werden, um eine Zirkulationsströmung auszuführen. Vor zugsweise soll das Kühlmittel im Betrieb in dem vom heissen Arbeitsmittel beaufschlagten Schaufelteil sieden und im kälteren Schaufel teil kondensieren, so dass es fortlaufend von einem in den andern Aggregatzustand wech selt.
Im Betrieb wird das flüssige Kühlmittel zufolge Zentrifugalwirkung nach aussen ge schleudert. Demgemäss liegt bei der erfin dungsgemässen Schaufel der Teil des Hohl raumes, der im vom heissen Arbeitsmittel be- aufschlagten Schaufelteil liegt, radial aussen, während der Teil des Hohlraumes, der im kälteren Schaufelteil liegt, radial innen liegt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel be trifft eine Rotorschaufel an einer sowohl eine Turbine als auch einen Kompressor bildenden Axialströmungsmasehine mit zwei koaxial übereinanderliegenden Durchströmkanälen, wobei diese Schaufel einen radial innen ge legenen Kompressorteil und einen radial aussen gelegenen Turbinenteil aufweist.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes, ausgebildet als kombinierte Schaufel mit koaxial übereinanderliegendem Kompressor- und Turbinenschaufelteil, ist auf der beiliegenden Zeichnung dargestellt.
Fig.1 ist ein Aufriss einer einzelnem Schaufel.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Schaufel. Fig. 3 ist ein Längsschnitt, und Fig. 4 und 5 sind Querschnitte nach den Linien 4-4 und 5-5 der Fig. 3.
Die in Fig.1 gezeigte Rotorschaufal weist einen Fussteil 10, einen Teil 12, einen Flansch 14 und einen weiteren Teil 13 auf, welche alle aus einem Stück hergestellt sind. Der Fussteil 10 weist eine Verlängerung 11 mit gezahnten oder gerippten Seitenflächen auf, die in einer entsprechend ausgebildeten Nut eines Schaufelträgers befestigt werden.
Der Teil 12 ist als Kompressorschaufel und der Teil 13 als Turbinenschaufel ausgebildet. In Fig.1 ist die Schaufel in der Axialrich- tung der Maschine gezeigt und in Fig. 2 ist die Drehrichtung durch den Pfeil R angedeu tet. Pfeile A bzw.
T geben die Strömungs- richtungen von Luft und Gas durch den Kom pressor bzw. die Turbine an, wobei die Schau fel für eine Maschine bestimmt ist, in wel cher die Strömungsriehtungen durch den Kompressor und durch die Turbine entgegen- gesetzt sind.
Bei einer Maschine, bei welcher die Strömungsrichtungen im Kompressor und in der Turbine dieselben sind, wäre die Schaufel im allgemeinen auch gleich der dar gestellten, wobei jedoch die Schaufelwinkel der zwei Schaufelteile 12, 13 abgeändert wären.
Der Turbinenschaufelteil 13 ist in bezug auf die Drehachse ausserhalb des Kompressor schaufelteils 12 angeordnet. Diese Anordnung ist wichtig für das wirksame Kühlen.
Die Schaufel ist, wie in Fig. 3 bis 5 ge zeigt, hohl, indem sich ein Hohlraum 15 vom Fuss 10 bis zur Schaufelspitze erstreckt, wo er durch einen Zapfen 16 abgeschlossen ist. Dieser Hohlraum 15 ist teilweise mit einem Kühlmittel 17 gefüllt, das nach der Schaufel herstellung vor dem Einsetzen des Zapfens 16 in den Hohlraum 15. eingebracht wird.
Das für die Füllung 17 benutzte Material kann metallisches Natrium oder ein schmelz bares Salz, z. B. Aluminiumbromid, Al@uni- niumchlorid, Aluminiumjodid, deren Siede punkte bei 263 - bzw. 183 bzw. 360 liegen, sein, wie es als Kühlmittel für die- Auspuff ventile von Kolbenverbrennungsmotoren be nutzt wird. Es soll so viel Kühhnittel 17 im festen Aggregatzustand eingefüllt werden, dass er weniger als die Hälfte des Gesamt volumens des Innenraumes 15 der Schaufel einnimmt.
Beim Betrieb der Maschine wird der äussere bzw. Turbinenschaufelteil 13 durch die heissen Gase auf hohe Temperatur erhitzt. Die Wärme wird einwärts längs der Schau fel auf den innern oder Kompressorschaufel- teil 12 geleitet, dessen Temperatur auf solche Höhe steigt, dass das Natrium oder Salz schmilzt und durch die Zentrifugalkraft an das Aussenende des Hohlraumes 15 geschleu dert wird, wo es Wärme von den Wänden des Turbinenschaufelteils 13 aufnimmt.
Die Tem peratur des flüssigen Natriums oder Salzes steigt bis zu der dem herrschenden Druck ent sprechenden Verdampfungstemperatur. Der entstehende Dampf wird an das Innenende des Hohlraumes 15 gedrängt und hier kon densiert. Die durch die Verdampfung des flüssigen Natriums oder Salzes von den Wän den des Turbinenschaufelteils 13 aufgenom mene Wärme wird durch den genannten Dampf auf die Wände des Kompressorschau- felteils 12 übertragen.
Infolge seiner latenten Verdampfungswärune kann das flüssige Na trium oder Salz eine grosse Wärmemenge: bei einem verhältnismässig geringen Temperatur anstieg aufnehmen. Der Wärmetransport, be dingt durch Konvektionsströme in der Flüs- sigkeits- und Dampfphase des Kühlmittels, wird durch die Zentrifugalwirkung noch ge fördert. Letzteres kühlt somit den heissen Tur- binenschaufelteil 13 sehr wirksam und hilft.
mit, durch Übertragen der 'Wärme auf den kühleren Kompressorschaufelteil 12, das Tem peraturgefälle im Schaufelmaterial selbst her abzusetzen, um innere Spannungen und ein Deformieren der Schaufel zu verringern.
Die Wärme wird von den Wänden des Kompressorschaufelteils 12 an das vom Kom pressor geförderte Arbeitsmittel abgegeben und geht daher nicht ganz verloren, wenn es sich um eine Gasturbinenanlage handelt.
Beim Auswuchten eines Rotors mit solchen Schaufeln ist nicht nur das Auswuchten des Rotors mit den Schaufeln ohne Kühlmittel- fiillung nötig, sondern es muss nach dem Ein führen des genau gleichen Gewichtes an Kühl mittel in jede Schaufel erneut gewuchtet wer den. Es ist auch wichtig, dass die Schaufel- hohlrä'LZme 15 in Anordnung und im Ausmass genau miteinander übereinstimmen, damit die Schwerpunkte der an die Aussenenden der lIohlräume 1.5 geworfenen Füllungen 17 im gleichen Abstand von der Drehachse liegen.
Die Zapfen 16 dürfen sich natürlich un ter dem Einfluss der Zentrifugalkraft der flüssigen Füllung 17 nicht lockern.
Beim gezeigten Beispiel bildet der Innen- bzw. Kompressorschaufelteil 12 eine radial einwärts gerichtete Verlängerung des Aussen bzw. Turbinenschaufelteils 1.3, die in eine küh lere, diireh den Kompressorkanal der Maschine gebildete Zone ragt.
Rotor blade on turbomachine working with hot working fluid. The invention relates to a rotor blade on a fluid-flow machine working with hot working fluid.
In the rotor blade according to the invention, means are provided to extract heat from a blade part exposed to the hot working medium and transfer it to another blade part from which the heat is dissipated.
The rotor blade according to the invention on a finite hot working fluid machine is characterized in that it has a blade part acted upon by the hot working fluid, a blade part protruding into a cooler zone and an inner cavity containing a coolant and extending into both blade parts All for the purpose
that during operation this coolant is thrown outwards into the first-mentioned blade part and, due to the relative position of the bulging blade parts and their different temperatures, the coolant circulates for the purpose of transporting heat from the hotter blade part to the colder blade part.
The coolant can be a liquid or it can become liquid during operation in order to carry out a circulation flow. Before preferably, the coolant should boil in operation in the vane part acted upon by the hot working medium and condense part in the colder vane, so that it continuously changes from one physical state to the other.
During operation, the liquid coolant is thrown outwards due to the centrifugal effect. Accordingly, in the case of the blade according to the invention, the part of the cavity which lies in the blade part acted upon by the hot working medium lies radially outside, while the part of the cavity which lies in the colder blade part lies radially inside.
A preferred embodiment applies to a rotor blade on both a turbine and a compressor forming Axialströmungsmasehine with two coaxially superimposed flow channels, this blade having a radially inner ge placed compressor part and a radially outer turbine part.
An embodiment of the subject invention, designed as a combined blade with coaxially superposed compressor and turbine blade part, is shown in the accompanying drawing.
Figure 1 is an elevation of a single paddle.
Figure 2 is a top plan view of the bucket. 3 is a longitudinal section and FIGS. 4 and 5 are cross sections taken along lines 4-4 and 5-5 of FIG.
The rotor blade shown in Figure 1 has a base part 10, a part 12, a flange 14 and a further part 13, which are all made from one piece. The foot part 10 has an extension 11 with toothed or ribbed side surfaces which are fastened in a correspondingly formed groove of a blade carrier.
Part 12 is designed as a compressor blade and part 13 as a turbine blade. In FIG. 1 the blade is shown in the axial direction of the machine and in FIG. 2 the direction of rotation is indicated by the arrow R. Arrows A and
T indicate the flow directions of air and gas through the compressor or the turbine, the blade being intended for a machine in which the flow directions through the compressor and through the turbine are opposite.
In a machine in which the flow directions in the compressor and in the turbine are the same, the blade would also generally be the same as that provided, but the blade angles of the two blade parts 12, 13 would be modified.
The turbine blade part 13 is arranged outside the compressor blade part 12 with respect to the axis of rotation. This arrangement is important for effective cooling.
The shovel is, as shown in Fig. 3 to 5 GE shows, hollow in that a cavity 15 extends from the foot 10 to the tip of the blade, where it is closed by a pin 16. This cavity 15 is partially filled with a coolant 17, which is introduced into the cavity 15 after the blade is manufactured before the pin 16 is inserted.
The material used for the filling 17 can be metallic sodium or a fusible salt, e.g. B. aluminum bromide, aluminum chloride, aluminum iodide, the boiling points of which are 263 or 183 or 360, as it is used as a coolant for the exhaust valves of internal combustion piston engines. So much coolant 17 should be filled in in the solid aggregate state that it takes up less than half of the total volume of the interior 15 of the shovel.
When the machine is in operation, the outer or turbine blade part 13 is heated to a high temperature by the hot gases. The heat is conducted inwards along the blade to the inner or compressor blade part 12, the temperature of which rises to such a level that the sodium or salt melts and is thrown by the centrifugal force to the outer end of the cavity 15, where there is heat from the Walls of the turbine blade part 13 receives.
The tem perature of the liquid sodium or salt rises to the evaporation temperature corresponding to the prevailing pressure. The resulting steam is forced to the inner end of the cavity 15 and condenses here. The heat absorbed by the evaporation of the liquid sodium or salt from the walls of the turbine blade part 13 is transferred to the walls of the compressor blade part 12 by the steam mentioned.
As a result of its latent heat of evaporation, the liquid sodium or salt can absorb a large amount of heat with a relatively low rise in temperature. The heat transport, caused by convection currents in the liquid and vapor phase of the coolant, is further promoted by the centrifugal effect. The latter thus cools the hot turbine blade part 13 very effectively and helps.
with, by transferring the 'heat to the cooler compressor blade part 12, the tem perature gradient in the blade material to lower down itself in order to reduce internal stresses and deformation of the blade.
The heat is given off from the walls of the compressor blade part 12 to the working fluid conveyed by the compressor and is therefore not completely lost if it is a gas turbine system.
When balancing a rotor with such blades, not only the balancing of the rotor with the blades without coolant filling is necessary, but it must be rebalanced after introducing exactly the same weight of coolant into each blade. It is also important that the arrangement and extent of the blade hollow spaces 15 exactly match one another, so that the centers of gravity of the fillings 17 thrown at the outer ends of the hollow spaces 1.5 are at the same distance from the axis of rotation.
The pegs 16 must of course not loosen under the influence of the centrifugal force of the liquid filling 17.
In the example shown, the inner or compressor blade part 12 forms a radially inward extension of the outer or turbine blade part 1.3, which protrudes into a cooler zone formed by the compressor channel of the machine.