Leitschaufel einer Turbomaschine mit eingebautem Messinstrument Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschanfel einer Turbomaschine mit eingebautem Messinstrument, z. B. einem Pitot-Rohr oder einem Thermoelement. Der Einbau des Instrumentes soll Form und Aussehen der Leitschaufel praktisch nicht beeinflussen.
Zur Bestimmung der Leistung einer Dampf- oder Gasturbine müssen Grössen wie Arbeitsmediumdruek, Strömungsgeschwindig- keit und Temperatur in der Turbine selbst und, wenn es sich um eine Gasturbinenanlage handelt, im Kompressor gemessen werden.
Eine geeignete Stelle zum Einbau von Thermoelementen, Pitot-Rohren und ähnlichen Messgeräten ist die Vorderkante einer Leitschaufel der betreffenden Turbomaschine. Das Bohren von entspreehenden Kanälen zum Teil längs der Schaufel und quer durch die Schaufel kante stellt ; aber eine schwierige Operation dar, die nicht immer zurn gewünschten Resultat führt.
Besonders schwierig ist es, ein Pitot-Rohr in die Nase einer Schaufel einzubauen. Das Pitot-Rohr ist meist in ein an den Enden offenes Mantelrohr mit Kreisquerschnitt eingebaut, welches Mantelrohr dazu dient, die Luftströmung in nnmittelbarer Nähe des Pitot-Rohres zu glätten und geradezurichten.
Dieses ummantelte Pitot-Rohr gestattet die Messung des Gesamtdruckes, der unabhängig ist vom Einströmwinkel des Arbeitsmedium- stromes innerhalb des praktisch vorkommenden Winkelbereiches bis zu etwa 40"; demzufolge kann dieses Pitot-Rohr ortsfest angeordnet werden und braucht nicht winkelbeweg- lich zu sein, um sich den Änderungen der Strö mnngsbedingungen anpassen zu können.
Die erfindungsgemässe Leitschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass in eine Ausneh mimg der Schaufelnase ein das Messinstrument enthaltendes Einsatzrohr eingesetzt ist, das zwecks Erhaltung der Schaufelform der Form der Schaufelnase angepasst ist, wobei das Einsatzrohr Öffnungen aufweist, um Arbeits- medium der Maschine den Zutritt zum Messinstrument zu ermöglichen.
Wenn ein ummanteltes Pitot-Rohr als Instrument vorgesehen wird, so wird zweckmässig dessen Mantelrohr so am genannten Einsatzrohr befestigt, dass seine Axe quer zur Axe des letztgenannten Rohres liegt, während der Auslass des Pitot-Rohres innerhalb des Einsatzrohres liegt. Anschliessend wird dieses so geschaffene Rohrgebilde so an der Schau- fel befestigt, dass es die genannte Ausneh mung in der Sehaufelnase füllt, wobei am stromabwärtsliegenden Ende des Mantelrohres ein Fluidumauslass belassen wird, welcher den freien Durchfluss von Fluidum durch das Mantelrohr gestattet.
Wird als einzubauendes Instrument ein Thermoelement verwendet, so werden im Ein satzrohr auf der von der Schaufelvorderkante abgekehrten Seite desselben ein oder mehrere Öffnungen vorgesehen, zwecks Schaffung eines Fluidirndurchlasses, in welehem das Thermoelement liegt.
In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindungsgegenstand bildenden Leitschaufel mit eingebautem Messinstrument dargestellt; es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Beispiel einer Leitschaufel mit eingebautem Messinstrument in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 11-11 in Fig. 1,
Fig. 3 schaubildlich das Instrument und einen Teil der Schaufel nach Fig. 1 in zerlegtem Zustand,
Fig. 4 eine Detailvariante zu Fig. 1 im Schnitt,
Fig. 5 in grösserem Massstab und schaubild lich eine Einzelheit aus Fig. 1 und
Fig. 6 in Seitenansicht ein weiteres Beispiel einer Leitschanfel mit eingebautem Messinstrument nach der Erfindung.
Zum Einbau eines Pitot-Rohres in eine Leitschaufel 2 wird ans der Schaufel 2 an deren Nase z. B. mittels eines Fräswerkzeuges ein Stück von geeigneter Länge imd Tiefe so heransgesehnitten, dass eine Ausnehmung mit im Querschnitt gewölbtem Boden 3 (Fig. 3) gebildet wird. Dieser Boden 3 dient dem Manielrohr, das als Ersatz des herausgeschnit- tenen Schaufelstückes gedacht ist, als Sitzfläche.
Ein Rohr 4, dessen Radius grösser ist als der Radius der abgerundeten Schaufelnase und das kürzer ist als das herausgeschnittene Schaufelstück, wird so verformt, dass es die Form des herausgeschnittenen Sehaufelteils erhält; dieses Rohr 4 wird so ausgebildet, dass es genau in die Ausnehmung der Schaufel passt imd ein glatter Übergang zwischen diesem Rohr und den benachbarten Partien der Schaufelnase geschaffen ist. Ein Rohr 5, dessen Durchmesser grösser ist als der Durchmesser des Rohres 4 und das als Mantelrohr dient, wird in seiner zylindrischen Wand mit einer Bohrung 6 versehen. Das vorgesehene Pitot Rohr 1 ist ein rechtwinklig abgebogenes Rohrstück mit sehr enger Bohrung.
Dieses Pitot Rohr 1 wird in die genannte Bohrung 6 in der Wand des Mantelrohres 4 eingesetzt und vor übergehend genau zentrisch im Mantelrohr so festgehalten, dass die Einlassöffnung des Pitot Rohres in Richtung der Axe des Mantelrohres 5 blickt. Zum genannten Festhalten des Pitot Rohres in der Bohrung 6 kann z. B. ein gegabeltes rohrförmiges Haltewerkzeug verwendet werden. Anschliessend wird auf den radial gerichteten Teil des Pitot-Rohres 1 eine Hülse 7 satt aufgesetzt. In den Fig. 1 und 3 ist gezeigt, dass die Hülse 7, welche das Pitot-Rohr 1 umschliesst, in die etwas grössere Bohrung 6 der Wandung des Mantelrohres 5 passt. Die drei Elemente 1, 5 und 7 werden anschliessend durch Erhitzen in einer Flamme unter Verwendung von Lötmetall an der Stelle 8 der Bohrung 6 des Mantelrohres 5 miteinander fest verbunden.
Dieses Erhitzen bewirkt einerseits ein Anschweissen der Hülse 7 am Mantelrohr 5 und gleichzeitig ein Festschweissen des Pitot-Rohres 1 an der Hülse 7; es wird dabei jede Gefahr der Verstopfung der Pitot-Rohr Bohrung durch Lötmetall vermieden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Variante ist die das Pitot Rohr 1 umschliessende Hülse als Kragen 7a ausgebildet, der in analoger Weise wie beim vorangehend besehriebenen Beispiel mit dem Mantelrohr 5 und dem Pitot-Rohr 1 verbunden wird; in diesem Fall sitzt der Kragen 7a auf dem Mantelrohr 5 auf, während das Pitot Rohr 1 genau in die Bohrung 6a im Mantelrohr 5 passt.
Die Länge des Einsatzrohres 4 und der Durchmesser des Mantelrohres 5 sind zusammen gleich gross wie die Länge des aus der Schaufel 2 herausgeschnittenen Teils. Beim Einbau des Instrumentes werden die beiden Rohre 4, 5 rechtwinklig aneinanderstossend zu- sammenversehweisst, wobei die Hülse 7 bzw. der Kragen 7a in das Einsatzrohr 4 hineinragen. Beim gezeiehneten Beispiel ist eine Endplatte 4a an das Einsatzrohr 4 ange schweisst, um ein Austreten von Fluidum zwi schen dem Einsatzrohr und dem Schaufelende zu verhindern.
Anschliessend wird das Gebilde 4, 5 in die Ausnehmung in der Schaufel 2 so eingesetzt, dass es gegen die im Querschnitt gebogene Bodenfläche der Ausnehmung anliegt, worauf das Gebilde mittels eines Schweiss- brenners mindestens längs der Länge des Einsatzrohres 4 an der Schaufel angeschweisst wird.
Wie Fig. 5 zeigt, wird an der Stelle 9 Schweissmetall zugefügt, so dass die Aussenfläche des Einsatzrohres glatt in die Oberfläche der benachbarten Schaufelteile übergeht; wenn nötig, wird noch durch Nachbearbeiten das genaue Aussenmass der Schaufel hergestellt. Handelt es sieh um eine Schaufel mit aus dem Vollen gearbeiteter Deckplatte an beiden Schaufel enden zwecks Schaffung von Deekringen am Innen- nnd am Aussenumfang der Schaufelung ist das Mantelrohr zweckmässig nicht direkt an die Schaufel angeschweisst. Dadurch werden unzulässige Spannzungen zufolge ungleicher thermischer Expansion oder Kontraktion bei starken Temperatursprüngen vermieden.
Unmittelbar hinter dem Mantelrohr ist eine weite Öffnung 10 in die Schaufel gebohrt und so weit nach hinten erweitert, dass ein freier Auslass für Fluidum am stromabwärts liegenden Ende des Mantelrohres geschaffen ist, und schliesslich wird in der Schaufel und in der Endplatte 4a eine Bohrung 2a bzw. 4b angebracht (die Bohrung 2 kann auch vor dem Einbau des Instrumentes gebohrt werden), worauf in diese Bohrungen ein Anschlussrohr 15 eingesetzt wird, das in den Innenraum des Rohres 4 mündet.
Auf die beschriebene Weise erhält man eine Statorleitschaufel, in welche ein Pitot Rohr eingebaut ist, dessen Einlass stromaufwärts gegen die 5 chaufelvorderkante gerichtet ist. Das Schaufelprofil ist unverändert wie bei einer normalen Schaufel ohne eingebautes Instrument, ausgenommen im Mittelteil der Schaufel, wo das Einsatzrohr leicht nach aussen gewölbt ist und glatt in das Mantelrohr des Pitot-Rohres übergeht, wobei auf der Rückseite der Deckplatte eine Öffnung 10 (Fig. 5) vorgesehen ist.
In ähnlicher Weise kann beim Einbau eines Thermoelementes in die Vordernase einer Statorleitschaufel vorgegangen werden. Eine solche Schaufel ist in Fig. 6 dargestellt; das Instrument dient dabei zur Messung von Gastemperaturen, welche von der Temperatur der im Gasstrom befindlichen Schaufel erheblich abweichen können. Würde man das Thermoelement in die Nase der Schaufel vollständig einschliessen, würden die das Thermoelement umschliessenden Wände als Strahlungsschutz wirken und verhindern, dass das Element Wärme, die von den mit dem Gasstrom in Berührung stehenden Flächen der Schaufel abgestrahlt wird, aufnehmen kann. Demzufolge muss die Lötstelle des Thermoelementes dem Gasstrom ausgesetzt sein; dabei wird zwar die Strömung abgebremst, jedoch wird verhindert, dass in unmittelbarer Umgebung des Thermoelementes eine völlig ruhige Gaszone gebildet wird.
Beim Einbau des Thermoelementes in die Schaufel wird demzufolge analog dem vorangehend beschriebenen Einbauverfahren das Element in ein Rohr eingesetzt, wobei eine Öffnung 11 belassen wird, durch welche das Thermoelement dem Gas ausgesetzt wird. Die Länge des Einsatzrohres 4 ist hier so, dass dieses Rohr die Ausnehmung an der Schaufelnase füllt, wobei das Rohr mit einer : Kerbe versehen ist, zwecks Schaffung des erforderlichen Spaltes oder Fensters 11.
Ein Rohr 12 aus hitzebeständigem Isoliermaterial wird entweder vor oder nach dem Anschweissen des Einsatzrohres 4 aus Metall an die Schaufel in das Einsatzrohr 4 eingesetzt. Die Anschlussdrähte 13, die voneinander elektrisch isoliert sind, erstrecken sich durch dieses Isolationsrohr 12. Das Thermoelement selbst ragt dabei über das Isolationsrohr 12 hinaus, so dass die Lötstelle des Thermoele inertes im Einsatzrohr 4 dem Gas ausgesetzt ist. Wenn der Gasstrom über die Schaufel strömt, gelangt Gas durch die öffnung 11 auf die innere Rückseite des Einsatzrohres 4, wodurch seine Geschwindigkeitsenergie vermindert, während seine Temperatur erhöht wird. Auf diese erhöhte Temperatur spricht das Thermoelement an.
Um eine völlig ruhige, tote Gaszone zu verhindern, ist die Ausbildung derart, dass Gas über das Thermoelement und mindestens über einen Teil der Länge des Einsatzrohres 4 - strömen kann, wonach es aus der Schaufel austreten kann.
Dies wird beim gezeichneten Beispiel dadurch erreicht, dass durch die Wand des Einsatzrohres 4 an einer zwischen dessen Enden im Bereich der Öffnung 11 liegenden Stelle ein Loch 14 gebohrt wird.
Wenn die Leitschaufel in ihren beiden Enden aus dem Vollen gearbeitete Deckplatten besitzt, ist das dem Sehaufelende zugekehrte Ende des Einsatzrohres 4 zweckmässig geschlossen, jedoch nicht an der Schaufel ange schweisst, so dass die Möglichkeit der freien ungleichen thermischen Expansion zwischen Schaufel und Einsatzrohr geschaffen ist.
Soll die Leitschaufel mit dem eingebauten Instrument in einer Turbine und speziell in einer Gasturbine verwendet werden, müssen die verwendeten Metallrohre aus hitzebeständigem Material bestehen; zweckmässig bestehen sie in diesem Fall aus dem gleichen Metall wie die Schaufel selbst, die üblicherweise aus einer unter der Schutzmarke Nimonic im Handel erhältlichen Legierung besteht.