DE1056426B - Kuehleinrichtung an Gasturbinenanlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung an Gasturbinenanlagen, bei der an einer Steile stromaufwärts der Turbinen-Laufsclhaufeln Kühlflüssigkeits-Einspritzdüsen vorgesehen sind und Kühlmittel-Strahlen in das Gebiet der Leitkanten der Schaufeln gerichtet werden.

Kühileinrichtungen für Gasturbinenschaufeln sind bereits früher vorgeschlagen warden, und zwar insbesondere Einrichtungen zum Einspritzen eines feinstverteilten Kühlsprühstrahls in den Arbeitsmitteldurchlaß, um diesen mit den Schaufeln in Kontaktberührung zu bringen. Bei solchen Einrichtungen wird der Sprühsträhl durch das heiße Arbeitsmittel und nach Kontakt mit den heißen Schaufeln verdampft. Darüber hinaus wird der fekistverteilte Kühlsprühstrahl in den Arbeitlmitteldurchlaß strömungsauf wärts der Schaufeln in Richtung der Arbeitsmittelströmung eingespritzt. Die (vorliegende) Erfindung bezieht sich dagegen auf das Einspritzen einer Kühlflüssigkeit in kompakten Strahlen in den Arbeitsmitteldurcihlaß strömungsauf wärts der Schaufeln und in einer Richtung, welche anfänglich quer zur mittleren Strömungsrichtung der Arbeitsmittel-Gasströmung verläuft. Die Kühlflüssigkeit wird durch die Arbeitsmittelströmung abgelenkt, um sie in das Gebiet der Leitkanten der Schaufeln in flüssiger Form einzubringen. Ein sich durch diese Gattung von Kühleinrichtungen ergebender Vorteil ist, daß die Kühlflüssigkeit, anstatt sofort zu verdampfen, auf die Schaufeln in flüssiger Form einwirkt und auf diesen als ein Überzug oder Schleier oder eine Schicht verbleibt, welcher fortlaufend erneuert wird und dazu dient, sowohl die Schaufeln vom heißen Arbeitsmittel abzuschirmen als auch den Schaufeln Wärme zu entziehen. Ein weiterer, durch Versuche erwiesener Vorteil besteht darin, daß das Einspritzen von Kühlflüssigkeit in einer Richtung, welche anfänglich quer zur Richtung der Arbeitsmittelströmung verläuft, eine größere Kühl wirkung ergibt, als dies mit der gleichen Menge von Kühlflüssigkeit, welche in den Arbeitsmitteldurchlaß in Richtung der Arbeits-Gasströmung eingespritzt wird, zu erreichen ist. Dementsprechend ist, um eine gegebene oder geforderte Schaufeltemperaturherabsetzung zu erzielen, die Menge der Kühlflüssigkeit, welche benötigt wird, wenn sie in Querrichtung in die Arbeitsmittelströmung eingespritzt w'rd, eine viel geringere als bei Einspritzung von Kühlflüssigkeit in Richtung der Arbeitsmittelströmung.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kühleinrichtung, bei welcher die Kühlflüssigkeit in der Nähe der Läuferwelle des Läufers zugeführt und nach einem ringförmigen Trog am Rand oder an der Nabe des Läufers übermittelt wird und welche dadurch gekenn-Kühleinrichtung an Gasturbinenanlagen

Anmelder:

Power Jets (Research. & Development)
Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien, vom 16. Mai 1951

William Evelyn Patrick Johnson, London,
ist als Erfinder genannt worden

zeichnet ist, daß der Trog eine Mehrzahl von Auslässen aufweist, durch welche hindurch die kompakten Küfalmittelstraihlen in den Gasstrom unmittelbar stromaufwärts der Turbinen-Läuferschaufeln hinein, gefördert werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Kühlfmssigkeits-Einspritzdüsen aus einer Mehrzahl von Öffnungen an in Umfangsrichtung verteilt vorgesehenen Stellen der inneren radialen Wandung des Leitschaufelträgers unmittelbar strömungsaufwärts der Turbinen-Läuferschaufeln bestehen.

Schließlich wird erfindungsgemäß eine Kühleinrichtung für Radialturbinen in Vorschlag gebracht, bei welcher die Einspritzdüsen aus einer Mehrzahl von Düsen bestehen, welche an in Umfangsrichtung verteilten Stellen in einer der Wände der Laufradabdeckungen in dem dem Gaseintritt zu gelegenen Gebiet der Läuferschaufeln vorgesehen sind.

Wasser kann als Kühlmittel benutzt werden; doch kann auch alternativ die Kühlung dadurch bewirkt werden, daß ein flüssiger Brennstoff eingespritzt wird. Im letzteren Falle können Mittel strömungsabwärts der Turbine zum Verbrennen des sich daraus ergebenden Brenngemisches vorgesehen werden.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt

Fig. 1 einen ringförmigen Trog im Längsschnitt zum Einbringen der Kühlflüssigkeit strömungsaufwärts der Turbinenschaufeln,

Fig. 2 eine Teilvorderansicht der Anordnung nach Fig. 1, , :."

909 508/125

Fig. 3 inLängsschnittdarstellung eineAusführungsform, mittels welcher das Kühlmittel quer zur Gasströmung unmittelbar strömungsaufwärts der Türbinenschatifeln eingebracht wird, während

Fig. 4 eine Ausführungsform der Erfindung, für eine Radialturbine mit nach innen verlaufender S trömungsricbtung wiedergibt.

Es ist offensichtlich, daß der Abstand zwischen der Düsen-Leitschaufel und der Turbinen-Lauf schaufel in Fig. 1 übertrieben groß dargestellt ist, und zwar zwecks Verdeutlichung der Bauart des Trogs und seiner zugehörigen Umleökbauteile, welche für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens bei dieser Ausfühirungsform benutzt werden.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß ein Turbinenläufer 1 Schaufeln, die mit 2 bezeichnet sind, innerhalb eines Gehäuses 3 aufweist. Das Treibgas strömt in Richtung des Pfeiles 4 und passiert dabei die Leitschaufeln 5j bevor es auf die Turbinenschaufeln auftrifft. An der Stirnseite des Läufers und an seinem Randteil ist ein nach innen gerichteter ringförmiger Trog vorgesehen, welcher Umkehrtrog im Schnitt bei 6 gezeigt ist. Ein Umlenkbauteil 7 sitzt an dem Leitsohaufelträger.

Ist die Turbine in Betrieb, so wird eine Kühlflüssigkeit auf die Stirnfläche der Turbinenscheibe zur Einwirkung- gebracht, und zwar beispielsweise über Düsen 8. Das Kühlmittel wird infolge der Zentrifugalwirkung im Trog 6 in solcher Weise aufgefangen, daß sich dort ein Flüssigkeitsring 9 bildet. Es ist offensichtlich, daß der Flüssigkeitsring eine Dichtung bildet, die die Leckverluste des Arbeitsmittelstromes durch den Raum zwischen Trog6 und Umlenkbauteil 7 hindurch in Richtung auf die Läuferwelle zu verhindert.

Eine Anzahl von Löchern 10 sind rund um den Umfang des Troges 6 herum verteilt vorgesehen (wie deutlicher aus Fig. 2 hervorgeht), und das Kühlmittel wird von der Ringdichtung her durch diese Löcher düsenartig hindurchgespritzt. Für jede Turbinenschaufel 2 kann ein Loch 10 vorgesehen werden, so daß in gleicher Anzahl Düsen-Einspritzstellen für die Kühlflüssigkeit vorhanden sind, durch welche hindurch die Kühlflüssigkeit in den Arbeitsmittelstrom eingespritzt wird. Die Düsen-Einspritzrichtung verläuft etwas entgegen dem Arbeitsmittelstrom im strömungsaufwärts gelegenen Teil der Turbine vor den Turbinenschaufeln. Es kann sich aber auch herausstellen, daß eine geringere Anzahl von Ausspritzöffnungen bereits ausreicht. Experimentelle Untersuchungen haben sogar gezeigt, daß einige wenige Einspritzstellen, welche je eine ziemlich große Menge von Kühlmitteln durchlassen, besser wirken als eine große Anzahl von sehr feinen Einspritzöffnungen. Dabei scheint es, daß dann, wenn die Einspritzöffnungen so fein, sind, daß der Einspritzstrahl im Gasstrom zerstäubt wird, die Temperaturverringerung an den Turbinenschaufel wesentlich weniger in Erscheinung tritt.

Aus der gezeigten und vorbeschriebenen Anordnung ist weiterhin ersichtlich, daß nicht nur die Turbinenschaufeln gekühlt werden,, sondern auch die Läuferscheibe eine Kühlung erfährt.

Bei der Ausführunigsform nach Fig. 3 ist die Troganordnung gemäß den Fig. 1 und 2 in Wegfall gekommen, and die Kühlflüssigkeit wird durch mehrere •öffnungen 11 (welche nicht unbedingt kreisförmig zu sein brauchen) gespritzt, die rund um die Innenwandung des Gasstutzens strömungsabwärts und in der Nähe der Wurzelteile der Leitschaufeln 5 verteilt vorgesehen sind. Das Kühlmittel wird unter Druck durch die Führungskanäle 12 nach den Austrittsöffnungen gefördert. Beim Verlassen der letzteren wird das Kühlmittel quer zur mittleren Strömungsrichtung des ■ Gasstromes eingespritzt, welch letzterer den Kühlflüssigkeits-Einspritzstrom umlenkt und ihn in das Gebiet der Leitkante der Turbinenschaufeln 2 bringt.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Radialturbine

mit nach innen gerichteter Turbinenströmung. Die

ίο Schaufeln sind bei 19 angedeutet, und das Treibgas strömt in die Räume zwischen den Leitschaufeln 20 ein, um die Turbine durch den Stutzen 21 zu verlassen. Bei dieser Ausführungsform wird in Vorschlag gebracht, die Kühlflüssigkeit vom Ring 22 her an einer Anzahl von ausgewählten, in Umfangsrichtung verteilt vorgesehenen Stellen im Außenstutzen einzuspritzen, welcher die Abschlußwandung für die strömungsaufwärts gelegenen Enden der Schaufeln 19 bildet. Die Kühlflüssigkeit verdampft dort und verringert die Temperatur der Turbinenschaufeln. Eine weitere Alternativeinspritzanordnung wird in Fig. 4 gezeigt. In gestrichelten Linien ist ein Durchlaß für eine Kühlflüssigkeit durch die Hohlwelle 24 hindurch angedeutet. Vom Sammelhohlraum 25 her führt eine Anzahl von Leitbohrungen 26 zu den strömungsaufwärts gelegenen Enden der Turbinenschaufeln 19. Es können aber auch noch, falls erwünscht, zusätzlich einige der Leitschaufeln 20 mit Kühlflüssigkeits-Einspritzdüsen 23 an ihren hinteren Leitflächen versehen werden. Auch das Kühlmittel, das dort austritt, wird durch den Gasstrom in die Turbine hinein gefordert. So können alle Leitschaufeln eine Innenkühlung erfahren. Jede dieser drei Kühlanordnungen ist geeignet, Kühlflüssigkeit an das strömungsaufwärts gelegene Ende heranzuführen und dadurch die Temperatur der Turbinenschaufeln abzusenken.

Wird als Kühlflüssigkeit Brennstoff benutzt, dann wird in Vorschlag gebracht, eine Nachbrennkammer strömungsabwärts der Turbinenschaufeln vorzusehen, wodurch eine weitere Schubvergrößerung des Arbeitsmittelstromes bewirkt wird.

Sind solche zusätzlichen Einrichtungen nicht erwünscht, so wird zweckmäßig Wasser als Kühlflüssigkeit benutzt.

Mitunter ist es nicht zweckmäßig, ständig eine Kühleinspritzung der vorbeschriebenen Ausführungsformen zur Anwendung zu bringen; doch sind in einem solchen Fall diese Ausführungsformen immer noch dann sehr brauchbar, wenn die Normalleistung der Turbine eine plötzliche Steigerung erfahren soll. Eine solche plötzliche Leistungssteigerung kann dadurch bewirkt werden, daß gleichzeitig sowohl der Brennstoffverbrauch der Hauptbrennanlage vergrößert als auch die Turbinenschaufeltemperatur herabgesetzt wird, wie dies die Erfindung ermöglicht.

Die Erfindung ist anwendbar sowohl bei Axial- als auch bei Radialturbinen.

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Einrichtung an Gasturbinenanlagen, bei der an einer Stelle stromaufwärts der Turbinen-Laufschaufeln Kühlflüssigkeits-Einspritzdüseii vorgesehen sind und Kühlmittelstrahlen in das Gebiet der Leitkanten der Schaufeln gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen die Kühlflüssigkeit in kompakten Strahlen in einer Richtung einspritzen, die anfänglich quer zur mittleren 'Strömungsrichtumg der Arbeits-Gasströmung

verläuft, und daß die letztere die Kühlmittelstrahlen ablenkt und in das Gebiet der Leitkanten der Schaufeln bringt.

2.. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Kühlflüssigkeit in der Nähe der Läuferwelle des Läufers zugeführt und nach einem ringförmigen Trog am Rand oder an der Nabe des Läufers übermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Trog eine Mehrzahl von Auslassen (10) aufweist, durch welche hindurch die kompakten Kühlmittalstrahlen in den Gasstrom, unmittelbar stromaufwärts der Turbinen-Läuferschaufeln hineingefördert werden (Fig. 1 und 2).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfrüssigkeits-Einspritzdüsen aus einer Mehrzahl von öffnungen (11) an m Umfangsrichtung verteilt vorgesehenen Stellen der inneren radialen Wandung des Leitschaufelträgers unmittelbar strömungsaufwärts der Turbinen-Läuferschaufeln bestehen (Fig. 3).

4. Kühleinrichtung für Radialturbinen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen aus einer Mehrzahl von Düsen be-

stehen, welche an in Umfangsrichtung verteilten Stellen in einer der Wände der Laufradabdeckungen in dem dem Gaseintritt zu gelegenen Gebiet der Läuferschaufeln vorgesehen sind (Fig. 4).

5. Kühleinrichtung für Radialturbinen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen aus einer Mehrzahl von Düsen, welche im Turbinen-Läuferkörper vorgesehen sind, und Leitungen (26) innerhalb des vorerwähnten Körpers bestehen, durch welchen hindurch das Kühlmittel zu diesen gefördert wird (Fig. 4).

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit Brennstoff dient, wobei eine Nachbrennkammer strömungsabwärts der Turbinenschaufeln vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 522 104, 383 506, 002, 190318, 172 137;

französische Patentschrift Nr. 345 984;
USA.-Patentschrift Nr. 2 320 391.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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