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.
Guide vane of a turbomachine with built-in measuring instrument. The present invention relates to a guide vane of a turbomachine with built-in measuring instrument, e.g. B. a pitot tube or a thermocouple. The installation of the instrument should practically not affect the shape and appearance of the guide vane.
To determine the performance of a steam or gas turbine, variables such as working medium pressure, flow velocity and temperature must be measured in the turbine itself and, if it is a gas turbine system, in the compressor.
A suitable place for installing thermocouples, pitot tubes and similar measuring devices is the leading edge of a guide vane of the turbomachine concerned. The drilling of corresponding channels in part along the blade and across the blade edge provides; but it is a difficult operation that does not always lead to the desired result.
It is particularly difficult to install a pitot tube in the nose of a shovel. The pitot tube is usually built into a jacket tube with a circular cross-section that is open at the ends, which jacket tube serves to smooth and straighten the air flow in the immediate vicinity of the pitot tube.
This jacketed pitot tube allows the measurement of the total pressure, which is independent of the inflow angle of the working medium flow within the practically occurring angular range of up to about 40 "; accordingly, this pitot tube can be arranged in a stationary manner and does not need to be angularly movable in order to to be able to adapt to changes in the flow conditions.
The guide vane according to the invention is characterized in that an insert tube containing the measuring instrument is inserted into a recess of the vane nose, which insert tube is adapted to the shape of the vane nose in order to maintain the vane shape, the insert tube having openings to allow the working medium of the machine to access the measuring instrument to enable.
If a jacketed pitot tube is provided as an instrument, its jacket tube is expediently attached to the insert tube in such a way that its axis is transverse to the axis of the latter tube, while the outlet of the pitot tube lies within the insert tube. This tubular structure created in this way is then attached to the shovel in such a way that it fills the mentioned recess in the shovel nose, leaving a fluid outlet at the downstream end of the jacket tube, which allows fluid to flow freely through the jacket tube.
If a thermocouple is used as the instrument to be installed, one or more openings are provided in the insert tube on the side facing away from the blade leading edge in order to create a fluid passage in which the thermocouple is located.
In the accompanying drawings, exemplary embodiments of the guide vane forming the subject of the invention are shown with a built-in measuring instrument; it shows:
1 shows a first example of a guide vane with built-in measuring instrument in a side view and partially in longitudinal section,
FIG. 2 shows a cross section along the line 11-11 in FIG. 1,
3 shows a perspective view of the instrument and part of the shovel according to FIG. 1 in a disassembled state,
4 shows a detailed variant of FIG. 1 in section,
Fig. 5 on a larger scale and schaubild Lich a detail from Fig. 1 and
6 shows a side view of another example of a guide rail with a built-in measuring instrument according to the invention.
To install a pitot tube in a guide vane 2, the vane 2 is attached to its nose z. B. by means of a milling tool a piece of suitable length and depth so that a recess with a curved cross-section bottom 3 (FIG. 3) is formed. This base 3 serves as a seat for the maniel tube, which is intended to replace the cut-out shovel piece.
A tube 4, the radius of which is larger than the radius of the rounded blade nose and which is shorter than the cut-out blade piece, is deformed so that it receives the shape of the cut-out blade part; this tube 4 is designed in such a way that it fits exactly into the recess of the blade and a smooth transition is created between this tube and the adjacent parts of the blade nose. A tube 5, the diameter of which is greater than the diameter of the tube 4 and which serves as a jacket tube, is provided with a bore 6 in its cylindrical wall. The pitot tube 1 provided is a pipe section bent at right angles with a very narrow bore.
This pitot tube 1 is inserted into the mentioned bore 6 in the wall of the jacket tube 4 and is held precisely centrally in the jacket tube before the transition so that the inlet opening of the pitot tube looks in the direction of the axis of the jacket tube 5. To hold the pitot tube in the bore 6, for. B. a forked tubular holding tool can be used. A sleeve 7 is then placed tightly on the radially directed part of the pitot tube 1. In FIGS. 1 and 3 it is shown that the sleeve 7, which surrounds the pitot tube 1, fits into the somewhat larger bore 6 in the wall of the jacket tube 5. The three elements 1, 5 and 7 are then firmly connected to one another at the point 8 of the bore 6 of the jacket tube 5 by heating in a flame using solder.
This heating causes the sleeve 7 to be welded to the jacket tube 5 and, at the same time, to the pitot tube 1 being welded to the sleeve 7; this avoids any risk of the pitot tube bore being blocked by solder. In the variant shown in FIG. 4, the sleeve surrounding the pitot tube 1 is designed as a collar 7a, which is connected to the jacket tube 5 and the pitot tube 1 in a manner analogous to that in the example described above; in this case the collar 7a rests on the jacket tube 5, while the pitot tube 1 fits exactly into the bore 6a in the jacket tube 5.
The length of the insert tube 4 and the diameter of the jacket tube 5 are together the same size as the length of the part cut out of the shovel 2. When installing the instrument, the two tubes 4, 5 are welded together butt at right angles, the sleeve 7 and the collar 7a projecting into the insert tube 4. In the example shown, an end plate 4a is welded to the insert tube 4 in order to prevent leakage of fluid between the insert tube and the blade end.
The structure 4, 5 is then inserted into the recess in the blade 2 so that it rests against the bottom surface of the recess, which is curved in cross section, whereupon the structure is welded to the blade by means of a welding torch at least along the length of the insert tube 4.
As FIG. 5 shows, welding metal is added at point 9 so that the outer surface of the insert tube merges smoothly into the surface of the adjacent blade parts; if necessary, the exact outer dimensions of the blade can be reworked. In the case of a shovel with a cover plate machined from the solid at both shovel ends for the purpose of creating décor rings on the inner and outer circumference of the shovel, the casing tube is expediently not welded directly to the shovel. This avoids impermissible clamping tongues due to uneven thermal expansion or contraction in the event of sharp temperature jumps.
Immediately behind the casing tube, a wide opening 10 is drilled into the blade and widened so far to the rear that a free outlet for fluid is created at the downstream end of the casing tube, and finally a bore 2a or 2 is made in the blade and in the end plate 4a 4b attached (the hole 2 can also be drilled before the installation of the instrument), whereupon a connecting tube 15 is inserted into these holes, which opens into the interior of the tube 4.
In the manner described, a stator guide vane is obtained in which a pitot tube is installed, the inlet of which is directed upstream against the leading edge of the vane. The blade profile is the same as that of a normal blade without a built-in instrument, except in the middle part of the blade, where the insert tube is slightly curved outwards and smoothly merges into the jacket tube of the pitot tube, with an opening 10 on the back of the cover plate (Fig. 5) is provided.
A similar procedure can be used when installing a thermocouple in the front nose of a stator guide vane. Such a blade is shown in FIG. 6; the instrument is used to measure gas temperatures, which can differ significantly from the temperature of the blade in the gas flow. If the thermocouple were to be completely enclosed in the nose of the blade, the walls surrounding the thermocouple would act as radiation protection and prevent the element from absorbing heat that is radiated from the surfaces of the blade in contact with the gas flow. As a result, the solder joint of the thermocouple must be exposed to the gas flow; this slows the flow, but prevents a completely calm gas zone from being formed in the immediate vicinity of the thermocouple.
When installing the thermocouple in the blade, the element is consequently inserted into a pipe in a manner analogous to the installation method described above, leaving an opening 11 through which the thermocouple is exposed to the gas. The length of the insert tube 4 is here such that this tube fills the recess on the blade nose, the tube being provided with a notch in order to create the required gap or window 11.
A tube 12 made of heat-resistant insulating material is inserted into the insert tube 4 either before or after the insert tube 4 made of metal is welded to the shovel. The connecting wires 13, which are electrically insulated from one another, extend through this insulating tube 12. The thermocouple itself protrudes beyond the insulating tube 12 so that the soldering point of the inert thermocouple in the insert tube 4 is exposed to the gas. When the gas stream flows over the blade, gas passes through the opening 11 onto the inner rear side of the insert tube 4, as a result of which its velocity energy is reduced while its temperature is increased. The thermocouple responds to this increased temperature.
In order to prevent a completely calm, dead gas zone, the design is such that gas can flow over the thermocouple and at least over part of the length of the insert tube 4 - after which it can exit from the shovel.
In the example shown, this is achieved in that a hole 14 is drilled through the wall of the insert tube 4 at a point located between its ends in the region of the opening 11.
If both ends of the guide vane have cover plates made from solid material, the end of the insert tube 4 facing the end of the blade is expediently closed, but not welded to the vane, so that the possibility of free unequal thermal expansion between the vane and insert tube is created.
If the guide vane with the built-in instrument is to be used in a turbine and especially in a gas turbine, the metal tubes used must be made of heat-resistant material; in this case they are expediently made of the same metal as the blade itself, which is usually made of an alloy commercially available under the trademark Nimonic.