Verfahren zum Kühlen von Turbinenschaufeln. Aus den bekannten Zusammenhängen des Wirkungsgrades mit der Temperatur ist, man im Turbinenbau, zumal bei grossen Einheiten, bestrebt, die Betriebstemperaturen soweit irgend angängig heraufzusetzen, ebenso wie man auch sonst alle Massnahmen ergmeift, die zu einer besseren Brennstoffausnutzung füh ren können. Die Kohlenknappheit. und das Ansteigen der Betriebskosten zwingt. dazu, die sen Weg zu beschreiten.
Dies gilt sowohl für Dampfturbinen als auch in erster Linie für Gasturbinen aller Systeme, bei denen ja. die Heraufsetzung der Betriebstemperaturen ganz besonders wirksam ist.
Bei den heute verfügbaren Baustählen, insbesondere für die Laufschaufeln der Gas turbinen, die ja am höchsten beansprucht werden, ist. eine weitere Heraufset.zung der Betriebstemperaturen, also insbesondere der Binlasstemperaturen, in die Gasturbinen nicht mehr möglich. Mit Temperaturen von 650 C und allerhöchstens 670 C oder gar 700 C muss man sich bei grösseren stationären Ein heiten und andern Einheiten, bei denen Be triebssicherheit und längere Lebensdauer ge wünscht. werden, begnügen, wenn man eine künstliche Kühlung der Schaufeln vermeiden will.
Anderseits ist. die künstliche Kühlung der Laufschaufeln noch lange nicht aus dem Versuchsstadium heraus, wenn auch eine Reihe von zum Teil schon ausgeführter Vor schläge für die Schaufelkühlung vorliegt. Die Schaufelkühlung, so wie sie bisher durch- geführt wurde, ganz gleich ob es sich um eine reine Wasserkühlung oder um eine Ver- dampfungskühlung oder eine Kombination beider Systeme handelt., ist zu kompliziert und zu störungsanfällig. Ausserdem wird mei stens ein zu grosser Betrag der zugeführten Wärme an das Kühlwasser oder für die Ver dampfung des Wassers abgegeben.
Im ersten Falle ist die Wärme für den Prozess über haupt verlorengegangen, im zweiten Falle in eine für den Gasturbinenprozess erheblich minderwertigere Form übergeführt worden. Vor allem sind es aber die grosse Kompli kation und die vielen Störungsmögliehkeiten, die der Anwendung der bisherigen Vor schläge im Wege stehen, denn die Konstruk tionen müssen sich ja bei ganz ausserordent lichen Bear_spriichungen bewähren.
Die Nachteile der bisherigen Konstruk tionen und Lösungen sollen nun durch die nachstehend beschriebene Methode der Lauf schaufelkühlung, die sich auch dann eignet, wenn nicht nur ein oder zwei Räder am Gas eintritt gekühlt werden müssen, sondern wenn bei beispielsweise angenähert isothermer Ex pansion sich die Zone höchster Temperaturen auf fast alle Rädererstreckt.
Die erfindungsgemässe Methode der Lauf schaufelkühlung verwendet als Kühlmedium nicht Wasser oder verdampfendes Wasser, also ein der Turbine wesensfremdes Medium, sondern Gas bzw. Dampf, also einen Teil des Arbeitsmittels, und zwar in einer ganz beson- deren Weise. Das Kühlmedium ist zunächst. kühler als das Arbeitsmedium, das durch die Laufschaufeln fliesst.
Sodann wird es zweck- mässigerweise, um sowohl Drosselverluste als auch Dichtungsschwierigkeiten zu vermeiden, unter ganz verschiedenen, in Richtung des Durchflusses stark abnehmenden Drücken, durch die Laufschaufeln geführt, um sie zu kühlen.
Fig. la, bis 1d der beiliegenden Zeichnung zeigen eine bekannte Turbinenbeschaufelun-@. Es ist darin a die Laufschaufel und b die Leitschaufel davor und dahinter, d ist der Turbinenläufer und f die feststehende C=e- häusewand. Die Befestigung von a in d <I>ge-</I> schieht nach einer der üblichen Methoden. In der Fig.1 ist c eine Hammerkopfbefestig@ing, die jedoch ganz schematisch gezeichnet wor den ist.
Die einzelnen Laufschaufeln a sind durch die üblichen Zwischenstücke e bezüg lich ihrer Hammerkopffüsse c voneinander getrennt. Fig. 2a bis 2d zeigen nun beispiels weise eine Änderung an den Lauf- und Leit- schaufeln zwecks Durehführung der erfin dungsgemässen Kühlung.
Die Fig. 2c zeigt den Schnitt A-A in Fig. 2a und Fig. <I>2d</I> den Schnitt B-B in Fig. 2b. Hierfür ist jede Laufschaufel a durch eine Platte p in einen erheblich grösseren Teil a,1 und in einen weitaus kleineren Teil a2 unterteilt, der di rekt an der Lauftrommel d liegt.
Die Platten p stossen von Laufschaufel zu Laufsehaufel (Fig.2b) möglichst dicht. zusammen und in axialer Richtung (Fig. 2e) gehen sie nicht über das Schaufelprofil hinaus. Eine entspre chende Platte q in gleicher Höhe und R.ieh tung mit den Platten p der Laufschaufeln ist an den Leitschaufeln b angebracht und teilt auch diese in zwei Teile b1 und b2, wo bei wieder der grössere Teil am Gehäuse und der kleinere an der Lauftrommel liegt..
Auf diese Weise entstehen zwei koaxiale, ringför mige Strömungskanäle w1 und w2, wovon w1 vom Arbeitsmedium, also bei Gasturbinen vom Arbeitsgas bei den hoben Betriebstempe raturen, und w2 von einem kühleren Arbeits- mediumstrom, also dem erheblich niedriger temperierten Kühlmedium durchflossen wird.
Die Lauf- und Leitsehaufelteile crl und b1 werden also beispielsweise von einem Gas bei hoher Temperatur unter Arbeitsleistung; durchströmt, wobei die (Tesehwindiglm[eitezi und Schaufelprofile ganz den optimalen Be dingungen entsprechend gewählt werden.
Der erheblich kleinere Kühlgasstrom durchfliesst gleichzeitig den an der Lauftrommel liegen den Ringkanal w2 ebenfalls unter möglichst günstigen Bedingungen, also möglichst kolier Arbeitsleistung.
Die Laufschaufeln cc sind nun, wie Fig. 2(, 2d und Fig.4 zeigen, mit Kühlkanälen h: parallel der Schaufelaehse ausgerüstet, die so angebracht sind, dass eine möglichst intensive Kühlung vor allem der am meisten. gefähr deten Schaufelpartie (d. h. die Eintritt,seite der Schaufel) gewährleistet. ist.
Dabei gehen die Kühlkanäle 7c bis unterhalb der Platten 1). Kleine Löcher m unterhalb der Platte<I>p,</I> also im Strom des Kühlmediums, verbinden nun den ringförmigen Kanal ac. kälteren Mediums mit den Kühlkanälen h. jeder Schaufel. Die Expansion des Kühlmediums wird min bei etwa. gleichen Anfangsdrücken wie im Ar beitsmittel durch entsprechende Auslegung von Geschwindigkeit, Sehaufelwinkel \und Höhe bzw.
Länge der Sehaufelteile a2 und b2 so festgelegt, dass der Kühlmediumerom in allen Schaufeln dieselben bzw. möglichst die selben Zwisehendrüeke hat wie an den ent sprechenden Stellen des Hauptgasstromes, so dass also beide Ströme ohne Veirnischungs- tendenz nebeneinander unter Arbeitsleistung expandieren können.
Dabei führen die Plat ten p und q beide Gasströme uncl stellen, so weit möglich, eine Trennung der Gasströme her. Zweckmässigerweise wählt man die Ver hältnisse so, da.ss eher ein Überströmen aus dem Ringkanal at,2 in .den Ringkanal arl, also des Kühlmediums in den Arbeitsmittelstrom eintritt als umgekehrt.
Das durch den R,inglianal ic,.. strömende Kühlmedium hat nun einen doppelten Zweck. Einmal kühlt es die Lauftrommel und die Befestigungen der Laufschaufel sowie die untern Schaufelteile, und ferner werden ge wisse Teile des Kühlmediunns durch die Lö- eher<I>in,</I> die zu jedem Kühlkanal jeder Lauf schaufel führen, angesaugt und infolge der Zentrifugalkraft der rasch rotierenden Lauf schaufeln durch die Kanäle k aller Lauf- sehaufeln gedrückt, so dass die Laufschaufeln von den Kanälen k aus auf der ganzen Länge gekühlt werden.
Diese Kühlung ist am wirk samsten in der Nähe des Laufschaufelfusses, dort, wo die Temperatur des Kühlgases noch am niedrigsten ist, und nimmt in den Ka nälen 1, gegen Ende der Laufschaufeln ab.
Man hat es also in der Hand, durch Bemes sung der Löcher m und damit der Durch flussmenge durch die Kühlkanäle k diesen Temperaturverlauf längs der Schaufeln zu beeinflussen. Bei kleineren Gasmengen in den Kühlkanälen k wird sich das Gas stärker erwärmen als bei Wahl einer grossen Kühl gasmenge in den Kanälen k. Entsprechend der Zunahme der Gastemperatur in den Ka nälen k wird der Schaufelkopf eine etwas hö here Temperatur annehmen als diejenigen Schaufelteile, die näher am Schaufelfuss sitzen.
Fig. 3 zeigt beispielsweise das Prinzip der Kühlung bei einer fünfstufigen Gasturbine. Dabei ist der Kühlgasstrom w2 mit leicht in Strömungsrichtung grösser werdenden Schau felhöhen gezeichnet worden. Da immer kleine Gasströme aus dem Kühlgasstrom w2 nach dem. Hauptstrom w1 durch die Kanäle k ab fliessen, so kann man dem Strömungskanal w2 in gewissen Grenzen jede beliebige Form ge ben.. Man kann die Schaufelhöhen a2 und b2 konstant lassen, man kann sie auch zunehmen oder abnehmen lassen.
Die Schaufelprofile in den Teilen a1 und (a.- bzw. b1 und b2 können gleichartig oder a.neh verschiedenartig sein. Wenn die Schau feln aus dem, vollen gefräst werden, so können zweekmässigerweise die Schaufelprofile a1 und b1 anders sein als die Profile a2 und b2.
Man wird a2 und b2 unter Umständen so auslegen, dass man nach Möglichkeit kleinere axiale Geschwindigkeiten erhält als im Hauptstrom ivl, um zu erreichen, dass die Schaufelhöhen in den Kühlteilen a2 und b2 nicht zu klein werden.
Dabei wird man die Schaufelhöhe in Richtung des Durchflusses und abhängig Y,om Druckabfall im Hauptstrom w1 so aus legen, dass unter Berücksichtigung von Ex pansion und Wärmeleitung aus dem Strom w1 her sowie vom Abfluss durch die Kühl kanäle k der Laufschaufeln überall im Strom wz dieselben oder ungefähr dieselben Drücke wie im Strom zvl .an der betreffenden Stelle in axialer Richtung herrschen.
Ein kleiner Überdruck im Strom w2 wird erwünscht sein, um auf jeden Fall ein Eindringendes heissen Gases aus dein Hauptstrom w1 in den Kühl gasstrom zu vermeiden. Auch bei Wahl klei ner axialer Durchflussgeschwindigkeiten für den Kühlgasstrom w2 wird man der Volumen vergrösserung bei der Expansion gut durch Vergrösserung der Schaufelhöhen a2 und bi Rechnung tragen können, was wegen der klei nen Anfangslängen von a2 und b2 leicht durchführbar ist.
Dabei kann man unter Um ständen zweckmässigerweise so vorgehen, dass die Verlängerung der Schaufelhöhen in erster Linie in die Leitschaufeln gelegt wird, weil sich diese wegen ihrer geringen mechanischen Beanspruchungen leichter werkstattmässig herstellen lassen.
Eine andere Möglichkeit der Schaufelaus legung besteht darin, in den Laufschaufeln die Teile a1 und 42 vollkommen gleichmässig auszubilden, was ja. bei Reaktionsbeschaufe- lung meistens auch die gleichartige Ausbil dung von bi und b2 bei den Leitschaufeln mit sich bringt. Fg.4a und 4b zeigen bei spielsweise .eine aus einem Stück gefräste Laufschaufel mit dem Hauptteil cal, der das heissere Arbeitsgas verarbeitet,
und dem Kühlteil a2 sowie der dazwischenliegenden ausgefrästen Platte p. ai und a2 haben dabei verschiedenartige Schaufelprofile. Dasselbe gilt für die Teile b1 und b2 der hier nicht ge zeichneten Leitschaufeln. Die Platten p der einzelnen Laufschaufeln ebenso wie die Plat ten q der Leitschaufeln stossen dicht zusam men, so dass als lauftrommelseitige Begren zung des Stromes w1 eine glatte Fläche, die von den Platten p und q gebildet wird, vor liegt.
Fig. 5cc und 5b, wobei Fig. 5a dem Schnitt D-D in Fig.5b entspricht, zeigen die Aus führung mit glatt bis zur Lauftrommel durch gehender Laufschaufel a, wobei die Unter teilung in. den heissen Teil a1 und, den kühlen Teil a2 der Laufschaufel durch Platten<I>p</I> erfolgt, die auf Zwischenstücken e zwischen den LaLzfschaLrfelfüssen c angebracht sind.
Die Zwischenstücke e sind für diesen Zweck aus dem Laziftrommelumfang heraus durch im Vergleich mit. den Laufschaufeln a schmä lere und kürzere Hilfsschaufeln A verlän gert, die oben die Platten p tragen. Die Plat ten p sind so geformt, dass sie sich an die konkave bzw. konvexe Seite zweier benach- barter Laufschaufeln anschliessen und in axialer Richtung nicht über die Laufschau feln vorstehen.
Die kurzen Hilfsschaufeln A passen sich der Strömung zwischen den Lauf- schaufeln. im Strom w2 möglichst gut an und erhöhen die Geschwindigkeit im Strom w2 an diesen Stellen wegen ihrer geringen Wand stärke nur unwesentlich. Wegen ihrer gerin gen Höhe bleiben die Fliehkräfte in den Hilfs_ schaufeln A gering. Ausserdem liegen die Hilfsschaufeln A und einseitig auch die Plat ten p 'im Kühlgasstrom.
Wegen der hohen Fliehkräfte muss man unter Umständen die Platten p entsprechend Fig. 6 ausbilden, d. h. die Platten müssen an den Ansatzstellen an die Laufschaufeln ent sprechend verstärkt werden, wenn man die Platten nicht von vornherein dicker ausbilden will. Man kann die Ausbildung der Platten entsprechend Fig.'7 vornehmen, wobei kleine Vorsprünge s an den Laufschaufeln eine Auf lage für die Platten und damit ein Abfangen der Fliehkräfte ergeben.
Die Kühlkanäle k kann man in den Lauf schaufeln ähnlich anordnen, wie es bei der Laufschaufelkühlung mit Wasser üblich ist (siehe Fig. 4 sowie 4a und 5a). Die Eintritts öffnungen m, aus dem Kühlgasstrom in die Kühlkanäle k kann man auf der konvexen Seite der Schaufel vorsehen (siehe Fig. 4, 4b und 5b).
Zweckmässigerweise legt man sie dort hin, wo am leichtesten eine Ablösung der Strömung vom Schaufelprofil zu erwarten ist, so dass durch die Absaugung der Rand zone die Strömung an den Schaufeln wieder zum Anliegen kommt und damit verbessert wird.
Der Austritt der Kühlströme aus den Ka nälen k kann auf verschiedene Weise erfolgen. Man kann den Austritt. aus dem Schaufelkopf in radialer Richtung vornehmen, wobei durch das sehr nahe Gehäuse dennoch eine Umlen kung erfolgt.
Man kann aber auch die Boh rungen k durch Stauehen der Schaufelköpfe ganz oder teilweise schliessen und dann die ganze bzw. den grössten Teil der Kühlgas menge durch Löcher austreten lassen, die am Kopf der Schaufeln dicht unter dem obern Schaufelrande, jedoch noch in den St-rö- mungsfläehen liegen und hier so angeordnet werden, da,ss sie strörnungsteehnisch möglichst günstig wirken.
Allgemein kann so vorgegan gen werden, dass die Ausströmungslöcher r (Fig.4b und 5b) und die Einströmlöeher rrr der Kühlkanäle auf annähernd denselben Mantellinien der Schaufeln liegen, so dass beim Eintritt und Austritt. der Kühlgasströme ähnliche Druckverhältnisse. vorherrschen. Die Austrittslöcher r können sowohl auf der kon vexen wie auf der konkaven Schaufelseite lie gen.
Unter Umständen kann man, falls erfor derlich, die Löcher ni und r bezüglich jedes Kühlkanals k so anordnen, dass der Kühlgas strom nicht allein durch die Zentrifugalkraft in Bewegung gesetzt, sondern noch durch die besondere Anordnung von in und r in Zonen verschiedenen Druckes an der Laufschaufel unterstützt oder erforderlichenfalls abge bremst wird.
Das Austreten des Kühlgases am Schau felkopf hat den kleinen Nebenvorteil, dass an der Gehäusewand die Betriebstemperatur etwas herabgesetzt wird.
Es bedarf keiner Erörterung, dass eine Kühlung der Laufschaufeln durch strö mendes Gas in den Kühlkanälen k nicht oder nicht ganz so wirksam sein kann wie wenn strömendes oder verdampfendes Wasser in den Kühlkanälen k vorhanden wäre, wenn gleich bei höheren Drucken die Wärmeüber- gan,szahlen auch ganz beträchtliche Werte in ,den Kühlkanälen beim Übergang von Kühl- r!;as an Wandung annehmen können.
Dafür wird dem Arbeitsprozess aber anderseits nicht soviel als Verlust oder grösstenteils als Ver lust zu buchende Wärme entzogen wie bei der Wasserkühlung -Lind anderseits genügt diese mindere Kühlung völlig dann, wenn Betriebs temperaturen erreicht werden sollen, die erheblich unter den Temperaturen von 1200 C liegen, die bei der Wasser- oder Ver- dampfungskühlung der Laufschaufeln ange strebt worden sind. Die vorgeschlagene Lauf- schaufelkühlung ist bestimmt für Betriebs temperaturen, die vorzugsweise zwischen 750 und 900 C liegen. Legt man z.
B. eine Be triebstemperatur von 850 C im Hauptgas strom zugrunde, so würde bei Temperaturen des Kühlgasst.romes zwischen 300 und 400 C und max. 450 C je Laufrad eine Kühl.gas- inen <U>"</U>e, die durch die Kühlkanäle k der Lauf sehaufeln in den Hauptstrom abfliesst, von 1 bis höchstens 3% des Ha,uptgasstromes genü- --en, nin. die Laufschaufeln auf Temperaturen zu halten,
die mit den heute vorhandenen Konstruktionsstählen ohne weiteres zu mei stern sind, d. h. die Schaufeln würden keine höheren Temperaturen annehmen wie etwa 600 bis 650 C. Dabei würden die Tempera turen im Schaufelfuss und in der Nähe des Sehaiifelf'usses erheblich darunter liegen. Die Sehaufelfüsse könnten sich z. B. nur auf etwa 300 bis 400 C erwärmen.