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Gasturbine und Verfahren zur Kühlung derselben Es werden im folgenden
einige Anordnungen beschrieben, die sich zur Kühlung der Laufschaufeln, der Laufschaufelgrundplatten,
der Rotorscheibenränder und, falls vorhanden, der Radkränze der Laufschaufeln einer
Gasturbine mit einer Flüssigkeit, die vom Innern der Turbine her nach außen verteilt
wird, eignet. Das Kühlmittel wird dabe-i: a) von mehreren stationär angeordneten
Sprühdüsen, von denen einige durch ein oder mehrere Düsenscheiben gehalten werden,
gegen die Rotorscheibe gesprüht; b) in mindestens einem begrenzten kreisförmig angeordneten
Abflußbereich, der sich unter jeder oder beiden Laufschaufelgrundplatten befindet,
gesammelt, bis die Flüssigkeit auf Rotationsgeschwindigkeit gebracht wird;
c)
unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft in und entlang der Führungskanäle in den
Laufschaufelgrundplatten und in und durch mindestens einen mit einem offenen Ende
versehenen Hohlraum, der sich in radialer Richtung zu einer jeden Turbinenlaufschaufel
erstreckt, verteilt und dann schließlich aus dem offenen am weitesten entfernten
Ende einer jeden Laufschaufel herausgeschleudert.
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Bei solchen Anordnungen, bei denen ein Radkranz die äußeren Enden
einer Kaskade von Laufschaufeln untereinander verbindet, ist eine feststehende ringförmige
Kammer um den Radkranz vorgesehen und die stationären Schaufeln sind in der ringförmigen
Kammer in einer kreisförmigen Stellung angeordnet, um die Flüssigkeit zurückzuschleudern,
die von den äußersten Enden der Laufschaufeln außerhalb des Radkranzes herausgeschleudert
wird, wodurch die Flüssigkeit den Radkranz kühlt.
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Diejenigen Teile einer Gasturbine, die am besten gekühlt werden müssen,
sind der Verdichter, die Turbinendüsen und die Turbinenlaufschaufeln. Das schwierigste
Kühlproblem wird durch die Letzteren aufgeworfen, da sie auf der Turbinenrotorscheibe
befestigt sind und es sich hierbei um ein rotierendes Element handelt. Eine weitere
Schwierigkeit entsteht aus der Tatsache, daß nicht nur die Turbinenlaufschaufeln
dünne hintere Abströmkanten besitzen, sondern daß auch die Strömungseintrittskanten
scharf sind. Da die Wärmebelastungen dieser dünnen Teile sehr groß sind, muß die
Kühlung unbedingt gleichmäßig und wirkungsvoll sein, um hohe Temperaturgradienten
und eine damit verbundene thermische Belastung zu vermeiden. Hinzu kommen noch die
schwierigen Probleme, die mit der Einführung eines flüssigen Kühlmittels und der
Entfernung desselben aus einer Rotorscheibe zusammenhängen, die mit einer hohen
Geschwindigkeit umläuft, ohne daß eine außergewöhnliche Leckage des Kühlmittels
auftritt, da die enormen Zentrifugal- und Coriolis-Kräfte mitwirken.
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Druckluft ist beispielsweise ein Kühlmittel, das jederzeit zur Verfügung
steht und das am leichtesten dem Rotor zugeleitet werden kann. Gewöhnlich wird die
aus dem Kompressor strömende Luft dem Fußteil der Turbinenlaufschaufeln zugeführt
und durch die radial sich erstreckenden Öffnungen in den Laufschaufeln entlang ihrer
gesamten Spannweite wieder freigegeben. Wenn das Kühlmittel in dieser Weise uiEuft,
wird die Kühlung durch Konvektion erreicht, und da die Luft eine ziemlich geringe
Wärmekapazität besitzt und nur unter erhöhten Temperaturen in Hochdruckmaschinen
normalerweise vorhanden ist, ist ihr Wert als Kühlmittel gering, während gerade
die Kosten durch die entstehenden Druckverluste sehr hoch sind. Die maximale Turbineneingangstemperatur,
die bei Gasturbineneinheiten angewendet werden kann, die auf einer Konvektionsluftkühlung
basiert, beträgt etwa 14000 K (20500 F).
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Die Luft kann als ein noch wirkungsvolleres Kühlmittel verwendet werden,
wenn sie im Sinne einer Verdunstungskühlung benutzt wird, wobei die Luft vom Inneren
der Laufschaufeln aus in die Grenzschichten des heißen Gases eingeblasen wird, die
über die Oberflächen der Turbinenschaufeln strömt. Die Zuführung der Luft geschieht
dadurch, daß sie durch viele kleine Öffnungen, die sich im Laufschaufelgehäuse befinden,
hindurchströmt, wodurch zwischen der Oberfläche einer jeden Turbinenlauf schaufel
und den heißen Gasen eine isolierende Luftschicht erzeugt wird. Unglücklicheiweise
ist diese Kühltechnik schwierig, da sie die Bohrung einer großen Zahl kleiner Öffnungen
in den umständlich überlegierten Gußstücken erforderlich macht, wodurch die Kosten
der Turbinenschaufeln beträchtlich ansteigen.
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Durch die Verwendung anderer Gase als Luft, wie z.B. Wasserstoff,
Helium oder Dampf, wird wegen der höheren thermischen Leitfähigkeit dieser Gase
mit der Konvektionskühlung ein besserer Wärmeübergang innerhalb der Turbinenschaufel
erreicht; ein solches System muß jedoch absolut gasdicht sein, wodurch außerordentlich
schwierige Konstruktionsprobleme entsen,
die übertragene Wärme von
dem Gaskühlmittel abzuleilen.
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Die Wärmemenge, die von den Turbinenlaufschaufeln und den benachbarten
Stützelementen abgeführt werden muß, wird sowohl durch den Filmkoeffizienten als
auch durch die Oberflächen, die gekühlt werden, bestimmt. Aus diesen Gründen ist
es vorzuziehen, die Oberflächen, die gekühlt werden sollen, zu verringern und die
Belastung einer jeden Turbinenstufe über den Wert ansteigen zu lassen, mit dem konventionelle
Gasturbinen z.Z. beaufschlagt werden.
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Um eine hohe Stufenbelastung mit einem hohen Wirkungsgrad zu erreichen,
muß die Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenrotors erhöht werden und diese Erhöhung
wiederum läßt die Zentrifugalkräfte, die auf die Turbinenlaufschaufeln wirken, ansteigen.
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Ein solches Ansteigen der Zentrifugalkräfte kann nur durch Reduzierung
der Temperatur der Turbinenlaufschaufeln auf Werte unterhalb der Temperatur, die
bei Gasturbinen normalerweise toleriert werden kann, angepaßt werden, da das Laufschaufelmaterial
bei den niedrigeren Temperaturen wesentlich höhere Festigkeitseigenschaften besitzt.
Nimmt man an, daß diese Temperaturreduzierung erreicht werden kann, so kann die
Wärmebelastung pro Stufe wegen der relativ höheren Geschwindigkeiten und der größeren
angewandten Temperaturdifferenz erhöht werden, während die Gesamtwärmebelastung
durch Reduzierung der Zahl der Turbinenstufen vermindert wird. Eine Kühlung der
Turbinenschaufeln durch Verdunstung,die ausreicht, um den gesamten Turbinenrotor
auf eine Stärke in der Größenordnung von 7,0307 x 10³ kp/cm² (100000 psi) halten
zu können, würde eine so große Menge Kühlluft erforderlich machen, daß sich eine
erhebliche Verringerung des aerodynamischen Wirkungsgrades ergeben würde. Die Konvekt
ionskühlung mit Gasen kann offensichtlich nicht die erforderliche Kühlkapazität
erzeugen. Die Konvektionskühlung kann jedoch erf olgreich angewendet werden, vorausgesetzt,
daß sehr hohe ltTärmeübertragungskoeffizienten erreicht werden können. Derartig
hohe Wärmeübertragungskoeffizienten können durch die Verwendung; flüssiger
Kühlmittel
erhalten werden.
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Die Flüssigkeitskühlung von Gasturbinen ist im weitesten Sinne eine
altbekannte Technik. Wassergekühlte Turbinen wurden sowohl im Zwangs- als auch im
Naturumlauf betrieben. In einem kürzlich unternommenen Versuch wurden hohlförmige
Turbinenrotoren mit Blindöffnungen verwendet, die radial nach außen in die Turbinenlaufschaufeln
gerichtet waren und die bis kurz unterhalb der Schaufelenden führten. Bei einem
anderen Versuch wurde die Verteilung des flüssigen Kühlmittels durch radial gerichtete
Bphrungen in kreisförmig sich erstreckende Kühlkanäle im Rotorscheibenrand mit einer
Strömungsumlenkung über einen zweiten Satz radial gerichteter Bohrungen angewendet.
Ein weiterer Versuch bestand darin, die Verteilung des flüssigen Kühlmittels von
einer Zuleitung aus vorzunehmen, die sich nahe der Rotorachse befand, zu einer am
Rand befindlichen Sammelleitung, die von dort eine erneute Verteilung in die heißen
Gase zur Sogseite einer jeden Laufschaufel vornahm und zwar über Einspritzöffnungen,
die durch den Rand geführt wurden. Durch das Versprühen des herausgeschleuderten
flüssigen Kühlmittels wird die äußere Laufschaufeloberfläche berührt. Unglücklicherweise
wirft jeder der obengenannten Vorschläge ernste Schwierigkeiten hinsichtlich der
Konstruktion und der Wartung auf; Wartungsprobleme ergeben sich insbesondere durch
Verstopfungen der Leitungsrohre, durch Ablagerungen fremder Teilchen, wodurch sich
ein unerwünscht hoher Flüssigkeitsdruck aufbaut.
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Eine primäre Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Konstruktion
und ein Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten, unter einer Verbrennung
in der Nähe des stoichiometrischen Verhältnisses einer in ihren Stufen hoch belasteten
Gasturbine vorzuschlagen, das eine positive Steuerung des Kühlmittelstromes erlaubt
und das die bekannten Nachteile eines mit einer Flüssigkeit betriebenen Kühlsystems
vermeidet.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung vorzuschlagen,
die eine sehr wirksame Kühlung durch die Verwendung von Flüssigkeiten erlaubt, wobei
die Füße der Laufschaufeln
die Laufschaufeln und Radkränze der Gasturbine
mit Umlaufgeschwindigkeiten von mehr als 456 m/Sek. (1500 Fuß/Sek.) und einer Turbineneingangstemperatur
von mehr als 11490 C (21000 F) betrieben werden, bei praktisch keiner Begrenzung
des Kühlflüssigkeitsstromes.
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Die Lösung dieser vorgenannten Aufgaben werden durch eine innere Flüssigkeitssprühkühlvorrichtung
erreicht, wobei das Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, unter einem niedrigen Druck
auf die Seite (Seiten) der Turbinenscheibe durch ein oder mehrere Düsen versprüht
wird, die durch ein oder mehrere Düsenscheiben gehalten werden, und wobei das Kühlmittel
durch mindestens eine kreisförmig angeordnete Abflußeinrichtung, die sich unterhalb
der Turbinenlaufschaufelfüße befindet, aufgefangen wird. Die so aufgefangene Flüssigkeit
wird auf die Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenscheibe gebracht, so daß sie in
der Lage ist, unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft nach außen zu fließen und
zwar durch Öffnungen, die durch die Laufschaufelfüße mit einer oder mehr Öffnungen,
die an beiden Enden offen sind, in Verb in dung stehen und die in einer überwiegend
radialen Richtung durch die Turbinenlaufschaufel führen. Dadurch, daß die am weitesten
befindlichen Enden einer jeden Turbinenlaufschaufel offen sind, kann das Kühlmi-ttel
vom Inneren der Laufschaufel unter dem Einfluß der Zentrifugalkräfte durch neue
Mengen des Kühlmittels frei ersetzt werden. Falls ein Radkranzring verwendet wird,
müssen Vorkehrungen getroffen werden, auch dieses Element zu kühlen; aus diesem
Grunde wird die Flüssigkeit in eine ringförmige Kammer eingespritzt, die durch den
beweglichen Radkranzring und durch das stationäre Gehäuse mit oder ohne dazwischen
befindlichen Labyrinthdichtungen gebildet wird. Ein Großteil der herauskommenden
Flüssigkeit prallt gegen ein oder mehr stationär angeordnete Prallelemente, die
sich in der ringförmigen Kammer ringförmig zugeordnet befinden, so daß die dagegen
prallende versprühte Flüssigkeit umgelenkt wird und zwar gegen den Radkranz, um
eine Kühlwirkung zu erreichen. Diese automatische Radkranzkühlung kann vergrößert
oder durch SprUhdüsen in dem ringförmigen Gehäuse ersetzt werden, die auf den Radkranz
gerichtet sind.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Gasturbine,
die die Rotorscheibe wiedergibt, welche eine Turbinenlaufschaufel trägt und die
das Kühlsystem gemäß der Erfindung enthält; Figur 2 einen Schnitt 2-2 aus Figur
1; Figur 3 einen Schnitt 3-3 aus Figur 2; Figur 4 einen Längsschnitt durch die Turbinenrotorscheibe,
die eine zweite Ausführungsform für die Verteilung einer nach außen gerichteten
Flüssigkeit in eine Laufschaufelgrundplatte wiedergibt, mit einer abgeänderten Ausführungsform
des Abflußbereiches; Figur 5 einen Schnitt 5-5 aus Figur 4; Figur 6 eine Abwälzung
einer Laufschaufelanordnung nach Figur 4, die eine Abwandlung des Verteilungskanalsystems
für eine Kühlflüssigkeit wiedergibt, die zu den oder in die Turbinenlaufschaufeln
fließt; Figur 7 eine Abwälzung einer Laufschaufelanordnung ähnlich der in Figur
4, die eine zweite Abwandlung des Verteilungskanalsystems für eine Kiihlfliissigkeit
wiedergibt, die zu den oder in die Turbinenlaufschaufeln gerichtet ist; Figur 8
einen Schnitt, der eine geschmiedete oder gegossene Turbinenlaufschaufel und eine
Grundplattenkonstruktion wiedergibt, die mit einer integralen Abf lußvorrichtung
versehen ist;
Figur 9 einen Schnitt, die eine langschenklige Blechmetalllaufschaufel
und eine Grundplattenkonstruktion mit einer integralen Abflußeinrichtung wiedergibt;
Figur 10 einen Schnitt, der den inneren Aufbau einer hohlen Turbinenlaufschaufel
wiedergibt, für eine geeignete Verteilung des nach außen geführten Kühlmittels und
Figur 11 einen Schnitt 11-11 aus Figur 10.
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Die Figuren 1,2 und 3 geben als ein Ausführungsbeispiel einen Teil
einer Gasturbinenkonstruktion 10 zu w wieder, die eine Rotorwelle 11 besitzt, welche
durch den Turbinenrotor 12 begrenzt wird, der radial zur Wellenachse gerichtet ist.
Wie ersichtlich, besteht der Rotor 12 aus drei Teilen; aus der Lagerbüchse 13, dem
Randteil 1.4 und einem konisch verlaufenden Verbindungsteil 1G, das sich zwischen
der Lagerbüchse und den Randteilen befindet. Das Randteil 14 besitzt eine Reihe
querlaufender Aussparungen 17, wobei jede dieser Aussparungen den verzinkten Fuß
18 einer Turbinenlaufschaufel oder Schaufel 19 enthält. Der Radkranzring 21 ist
mit den Laufschaufelspitzen befestigt, um die Schwingungen der Laufschaufeln zu
verringern. Die Kanten des Radkranzringes 21 können so hergestellt sein, daß sie
an die Wände 23,24 des Gehäuses 2ç, sehr eng anliegen (0,0127 cm oder weniger) (0,005
inch), um so eine ringförmige Kammer für die sehr wirkungsvolle Kühlung zu bilden,
die durch die vorliegende Erfindung bewirkt wird. Wie im folgenden näher erläutert
wird, wird die Kühlflüssigkeit, die aus dem Inneren der Turbine 1,) durch die offenen
Enden der Laufschaufel 19 nach außen tritt und in die ringförmige Kammer 27 gelangt,
verteilt. Für den Fall, daß es erforderlich ist, irgendeine auftretende Leckage
des Kühlmittels von der ringförmigen Kammer 27 in den heißen Gasstrom zu verringern,
können die Kanten des Radkranzes 21 so aus gebildet werden, daß eine Labyrinthdichtung
an den Gehäusewänden 23 und 24 (nicht dargestellt) entsteht.
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Die Kühlvorrichtung wird unter Verwendung von Wasser als Kühlmittel
beschrieben, obgleich auch irgendwelche anderen geeigneten Flüssigkeiten verwendet
werden können. So kann z.B. in einem Strahltriebwerk ein flüssiger Brennstoff als
Kühlmittel verwendet werden, wobei das versprühte Kühlmittel (nachdem es die Tjärme
in der hier beschriebenen Weise aufgenommen hat) zur Schuberzeugung nach Durchlaufen
der Kühleinrichtung verbrannt wird.
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Die Kühlerfordernisse sind in der Außenhaut 25 der Laufschaufelrrrundplat-te,
in den Laufschaufeln 19 und im Radkranz 21, die dem heißen Gasstrom ausgesetzt sind,
am kritischsten. Die Kühlwirkung wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß
Wasser unter niedrigem Druck in einer hauptsächlich radial nach außen gerichteten
Richtung von den stationär angeordneten Kühldüsen 29 und 31 versprüht wird, die
durch fest angeordnete Ringscheiben 22 und 33 gehalten werden. Es kann durchaus
vorkommen, daß es in einigen Turbinenkonstruktionen nicht möglich sein wird, eine
Niederdruckdüse auf jeder Seite der Rotorscheibe 12 anzuordnen. Es ist jedoch besonders
vorteilhaft, beide Seiten der Rotorscheibe 12 mit Kühlwasser zu beaufschlagen. In
der dargestellten Anordnung verläßt das unter einem niedrigen Druck stehende Wasser
die Düsen 29 und 31 und beaufschlagt die Seiten der Scheibe 12 in der Nähe des Randteiles
14 und die untere Seite der Laufschaufelgrundplatte 28. Die Düsenstützelemente 32
und 33 sind mit einer ausladenden ringförmigen Wulst 34 und 36 versehen. Jede Laufschaufelgrundplatte
28 ist mit einer nach unten gerichteten Lippe 37 bzw. 38 versehen, die in der hier
dargestellten Konstruktion als ein nach unten gebogenes Metallblech in Fortsetzung
der Außenhaut 25 der Laufschaufelgrundplatte ausgebildet ist.
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Die ringförmigen Lippen ,7 und 38 bilden mit der Grundplatte 28 einen
Ahfluß 39,40. Wie aus diesem konstruktiven Beispiel ersich; lich ist, wirken auch
die ringförmigen Wulste 34 und 36 mit den Lippen 37 und 38 bei der Bildung des Abflusses
39 und 40 zusammen, die das Kühlmittel in die Abf lußeinrichtung und vom
Zwischenraum
41,42 wegleiten; diese zusätzlichen konstruktiven Ausführungen sind jedoch keine
kritischen Elemente. Das Kühlwasser, das durch die Düsen 29 und 31 eingeführt wird,
wird radial nach außen geleitet und sammelt sich unter den Uberlappenden Teilen
43 und 44 der Laufschaufelgrundplatten 28 in der Abflußeinrichtung 39 und 40 an.
Während die in den Abflußbereichen 39 und 40 angesammelte Flüssigkeit diejenigen
Teile, mit denen sie in Berührung kommt, kühlt, wird sie solange zurückgehalten,
bis sie auf die vorherrschende Sche ibenrandge schwindigke it beschleunigt worden
ist. Nachdem das Kühlwasser in der Abflußeinrichtung 39 und 40 mitbeschleunigt wurde,
fließt es unter-der Wirkung der Zentrifugalkräfte kontinuierlich aus dem Bereich
39 und 40 in eine radial nach außen gerichtete Richtung, durch die Laufschaufelgrundplatten
28 und von dort in und durch die Turbinenlaufschaufeln 1 9 Bei der in den Figuren
1, 2 und 3 wiedergegebenen Konstruktion wird die Verteilung des Kühlwassers durch
die Einlaßleitungen 46,47,48 und 49 durchgeführt, wobei es durch die untere Seite
der Teile 43 und 44 einer jeden Grundplatte 28 abfließt.
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Von den Einlaßleitungen 46 und 47 wird das Wasser (das noch unter
dem Einfluß der Zentrifugaikräfte steht) der Sammelleitung 51 zugeführt. In ähnlicher
Weise gelangt das Wasser von den Einlässen 48 und 49 in die Sammelleitung 52. Die
Sammelleitungen 5l und 52 sind mit den Kanälen 53 und 54 in entsprechender Weise
strömungsmäßig verbunden, wobei diese Kanäle an beiden Enden offen sind und durch
eine Reihe von Rippen 56 und 57, die einen Teil des Kerntciles 58 der Laufschaufel
19 bilden, begrenzt werden. Die Blechmetallaußenhaut 59, die den Kern 58 überdeckt
und mit den Rippen 56 und- 57 verschweißt ist, vervollstandigt die Festlegung der
Kanäle 53 und 54. Genau wie bei allen anderen Turbinenlaufschaufeln, bei denen die
Erfindung angewendet werden kann, wird das Kühlwasser und der hieraus erzeugte Dampf
aus dem Innern der Laufschaufel durch die offenen Enden der Laufsehatifel frei ausgestoßen,
wodurch der Aufbau hydrostatischer Kräfte verhindert wird, so daß keine konstruktiven
Maßnahmen erforderlich sind, die sich aus solchen Belastungen
auf
die Rotationselemente ergeben würden.
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Wie in den Figuren l und 2 dargestellt ist, fließt ein Teil des Wassers
und Dampfes aus den äußeren offenen Enden der Kanäle 53 und 54, prallt gegen die
Gehäusewandungen und kühlt dieselben, die die ringförmige Kammer 27 bilden, während
der Rest des Strömungsmittels gegen die festangeordneten Schaufeln 61 prallt, die
in der Kammer 27 in Abständen angeordnet sind. Durch diese Hilfsmittel wird ein
beträchtlicher Teil des ausgestoßenen Wassers umgelenkt und gegen die äußere Oberfläche
des Radkranzes 21 zurückgeschleudert, wodurch beide Ränder und die Verstärkungsrippen
62 gekühlt werden, die sicherstellen sollen, daß diese gut gekühlten Versteifungselemente
in der Lage sind, die Randoberfläche entsprechend zu versteif-en.
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Die hier beschriebene Konstruktion ist besonders für flüssige Kühlmittel
geeignet, da ein Verstopfen-der Wassereinlässe 43 bis 49, der Sammelleitungen 51
und 52 und der Kanäle 53 und 54 durch eine kräftige Schrubbwirkung verhindert wird,
die durch das schnell bewegte Wasser unter dem Einfluß der starken Zentrifugalfelder
erreicht wird. Sehr wichtig ist, daß jedes belastete rotierende Element von dem
heißen Gasstrom durch eine flüssigkeitsgekühlte Metallhechhaut getrennt ist, durch
die Temperaturgradienten verringert werden. Diese Maßnahme ist besonders für die
Turbinenlaufschaufeln 19 wichtig. Weiterhin haben irgendwelche Leckagen, die in
der Metallblechhaut 59 vorkommen können, keine besonderen Folgen, da die Kanäle
53 und 54 an beiden Enden offen sind und die Druckdifferenz an allen Punkten im
Kühlsystem-gering ist. Selbst eine teilweise Zerstörung der Metalloberfläche 59
verhindert nicht ein Funktionieren der Turbine, so daß es nicht notwendig erscheint,
die Turbinenschaufel zu entfernen, um an den Oberflächen 59 Reparaturen durchzuführen.
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In solchen Konstruktionen (wie beispielsweise in Figur 1 dargestellt),
bei denen ein Lauf schaufelradkranz verwendet wird, muß eine Kühlung für den Radkranz
vorgesehen sein. Wenn in solchen Fällen die Umlenkschaufeln 61 ungenügend sind,
oder wenn
eine abwechselnd wirkende Kühleinrichtung vorgezogen
wird, kann das Kühlwasser von dem Gehäuse in die Kammern 27 der Anordnung nach innen
gesprüht werden.
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Um die Wasserverluste zwischen der Laufschaufelgrundplatte 28 und
den feststehenden Teilen (zwischen Raum 41 und 42)auf jeder Seite gering zu halten,
ist es vorteilhaft, einen sehr engen Zwischenraum vorzusehen (in der Größenordnung
vom 0,013 cm (0,05 inch) oder noch geringer). Um auch den Druck auf den gegenüberliegenden
Seiten der Rotorscheibe 59 gleich zu halten und um zu verhindern, daß Wasser aus
den Abströmeinlässen 47 und 49 zurückgedrückt wird, sind mehrere Druckablaßöffnungen
63 vorgesehen, die durch die Rotorscheiben 12 führen.
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Die Kühlwasserversorgungsleitungen, wie die Leitung 64, die zu den
Düsen 29 und 31 führt, sind durch feststehende Elemente geleitet, wie die Düsenquerwand
5 und lassen sich leicht durch herkömmliche Verfahren kühlen. Das Kühlwasser wird
beispielsweise durch den Kanal 66 geleitet, der um den Verdichter 67 geführt ist
und gelangt zur Düsenquerwand 65, mit der die feststehende-ringförmige Scheibe2
befestigt ist. Danach wird das Wasser durch die Düsenquerwand o5 geleitet und dann
durch den Kanal 68; wie ersichtlich ist, zurückgeführt.
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Eine nidit dargestellte Konstruktion kann verwendet-werden, um die
Druckentlastungsöffnungen G9-, die in der Figur 1 dargestellt sind, zu ersetzen.
In einer solchen Ausführungsform würden die radial nach innen gerichteten ringförmigen
Lippen 37 eine Seite einer ringförmigen Aussparung bilden, die in der unteren Seite
der Grundplatte 28 vorhanden ist. Ein radial nach außen gerichteter Flansch, der
mit der Scheibe 32 verbunden fest, oder der durch sie gebildet wird, würde in die
obenerwähnte Aussparung hineinreichen, so daß eine ringförmige Fldssigkeitsdichtung
gebildet wird, die sowohl eine Leckage, als auch eine Druckdifferenz über die Scheibe
verhindert.
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Aus den Figuren 4, 5 und 6 geht eine andere Verteilerkanaleinrichtung
für die Strömung des Kühlwassers vom Abflußbereich 81 und 82 in und durch das Innere
der Laufschaufelgrundplatten 83 und durch die Turbinenschaufel 84 hervor. In dieser
dargestellten Konstruktion ist die Grundplatte 83 als ein integraler Bestandteil
der Rotorscheibe 85 ausgebildet und, wie ersichtlich, besitzt sie eine Reihe von
Erhebungen 86 und Täler, die in der Oberfläche derselben gebildet sind. Die Laufschaufeln
84 passen in Schlitze, die in die Erhebungen 86 eingeschnitten sind, und sind mit
der Grundplatte 83 verlötet. Die Grundplattenoberfläche 87 ist mit der Erhebung
86 der Grundplatte 83 befestigt, wie aus den Figuren zu entnehmen ist, wodurch Kanäle
88, 89 und 91 festgelegt werden. Die Eingangsöffnungen 92, 93, 94 und 96 verteilen
das Kühlwasser von den Abflüssen 81 und 82 auf die Durchführungen 88, 89 und 91.
Die Durchführungen 88, 89 und 91 sind ihrerseits strömungsmäßig mit Hohlräumen 97
verbunden und zwar eine mit Jedem Ende über Kühlöffnungen 98 und 99. Falls erforderlich,
können zusätzliche Einlaßöffnungen 101 und 102, wie in Figur 7 dargestellt ist,
vorgesehen sein, die von der unteren Seite der Grundplatte 83 direkt in das Innere
der Eintritts- und Hinterkanten der Laufschaufeln 84 reichen. Das obenerwähnte Verteilernetz
kann weiterhin durch nicht dargestellte Überführungskanäle vereinfacht werden, die
durch die Erhebungen 86 von den Durchführunge 88 und 91 zur Durchführung 89 reichen,
wodurch sich die Einlaßöffnungen 93 und 94 ebenso wie jene Kühlöffnungen98 und 99
erübrigen, die von den Durchführungen 88 und 91 durch das Gehäuse der Laufschaufeln
84 in einen jeden Hohlraum 97 reichen. In ähnlicher Weise sind die Einlaßöffnungen
101 und 102 wahlweise Mit der vereinfachten Konstruktion ist es möglich, Kühlwasser
für die Verteilung nur von einer Seite der Rotorscheibe 103 zuzulassen, wodurch
noch eine wesentliche Kühlung der Grundplatte 83 erreicht werden kann. Das gleiche
Verteilerkanalsystem, das in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt ist, kann fur Turbinenkonstruktionen
Anwendung finden, bei denen einzelne Turbinenschaufeln mit der Rotorscheibe 85 durch
verzinkte Fußkonstruktionen verbunden sind.
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In Fällen, in denen es erforderlich ist, das Gehäuse stromabwärts
zum Turbinenrotor zu kühlen und keine Bedenken gegen die Einführung einer Kühlflüssigkeit
in den Strom heißer Gase bestehen (bewegendes Strömungsmittel), so kann der Aufbau
gemäß Figur 1 verändert werden, um den Radkranz 21 und die ri örmige Kammer 27 fortzulassen,
wodurch das Wasser und der Dampf die aus den offenen Enden der Turbinenlaufschaufeln
ausgestoßen werden, die benachbarten Gehäusewände umspülen, und das Kühlgemisch
weiterströmt und die Oberflächen der Gehäusewandung auch noch in einiger Entfernung
stronabwärts kühlen.
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Indem eine jede Turbinenlaufschaufel mit einem nach unten gerichteten
Rand um den gesamten Umfang der Laufschaufelgrundplatte umgeben wird, kann jede
Turbinenlaufschaufel mit einem integralen Abflußbereich derart, wie in den Figuren
8, 9 und 10 gezeigt wird, versehen sein. Auf diese Weise sind in Figur 8 die geschmiedeten
oder gegossenen Hohllaufschaufeln 106 mit abwärtsgerichteten Randteilen 107 versehen,
die einen Abflußraum 108 bilden, von dem das Kühlmittel aus in die Hohlräume 109
durch die gezeigten Kanäle verteilt wird. Die langschenkligen Metallblechlaufschaufeln,
die in der Figur 9 gezeigt sind, sind wegen der Verringerung der Masse besonders
vorteilhaft. Die Metallblechlaufschaufel 111 ist mit der Rotorscheibe an dem verdickten
Fußteil 112 befestigt. Eine Metallblechlaufschaufelgrundplatte 113 ist mit jeder
Metaliblechlaufschaufel 111 verlötet oder verschweißt. Diese Grundplatten 113 sind
so angeordnet, daß sie gegeneinander stoßen. Ein- integraler Abflußbereich 114 wird
durch die nach unten gerichteten Seiten 116 der Grundplatte 113 gebildet. Das Wasser,
daß durch den Abfluß 1t4 zugeführt und dort gehalten wird, strömt unter dem Einfluß
der Zentrifugalkraft durch die Öffnungen 118 in den Hohlraum 117. Eine ähnliche
Anordnung ist in Figur 10 dargestellt, die dadurch abgeändert ist, daß der Hohlraum
121 der Laufschaufel 122 gewellte Streifen 123 und 124 enthalt, durch die Kanäle
126 und 127 gebildet werden, um sicherzustellen, daß eine bestimmte Menge der Kühlflüssigkeit,
die in den wohlraum 121 eindringt, gehindert wird, von der Scgseite zur Druckseite
der
Laufschaufel 122 zu strömen. Durch die hier aufgezeigten Konstruktionen undAbwandlungen
derselben können die Kühlfähigkeiten einer Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, maximal
ausgenutzt werden. Wenn daher Wasser als Kühlmittel verwendet wird, wird praktisch
das gesamte Wasser in Dampf umgewandelt (auch bei höheren Strömungsraten).
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Als Ergebnis dieser wirkungsvollen Kühlung gemäß der Erfindung wird
es nun möglich, bei Turbineneingangs-temperaturen von angenähert 24000 K (etwa 39000
F) zti arbeiten, und die Turbine bei einer stoichiometrischen Verbrennung zu betreiben,
wodurch die spezifische Ausgangsleistung um den Faktor 4 ansteigt.