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Schaufelanordnung mit Xühlvorrichtung Die Erfindung betrifft Gasturbinen
und insbesondere eine verbesserte Kehlung fUr eine Hohlschaufelanordnung.
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Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad einer Gasturbine von der Arbeitstemperatur
der Turbine abhängt und daß theoretisch der Wirkungsgrad durch Erhöhung der Arbeitstemperatur
erhöht werden kann. In praktischer Hinsicht wird jedoch im allgemeinen die maximale
Arbeitstemperatur der Turbine durch die Hochtemperatureigenschaften der verschiedenen
Turbineneleinente begrenzt und die stärkste Begrenzung erfolgt dabei gewöhnlich
durch die Turbinenschaufeln.
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Um die obere Arbeitstemperatur der Turbine zu erhöhen und damit einen
Teil der theoretisch möglichen Erhöhung des Wirkungsgrades zu erzielen, sind verschiedenste
Konstruktionen entwickelt worden, die auf hohle Schaufeln gerichtet sind, welche
so eingerichtet sind, daß sie im Innern relativ kUhle Luft aufnehmen können, die
aus dem Kompressor ausgestoßen oder abgezogen wird. Bei solchen Anordnungen jedoch
ist es wichtig, daß die Schaufel solche Wärmeübergangseigenschaften besitzt, daß
die Menge des erforderlichen Kühlmittels auf ein Mindestmaß reduziert wird, da die
Verwendung von Kompressorluft an sich schon den Wirkungsgrad der Turbine verringert.
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Ein-Ziel der Erfindung ist eine Schaufelanordnung, die verbesserte
Wärmeübergangs- und Temperaturregelungseigenschaften besitzt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Temperaturregelungsanordnung
fUr eine Turbine, die so beschaffen ist, daß sie zur Aufrechterhaltung niedriger
Betriebstemperaturen in verschiedenen Turbinenelementen ein Kühlmittel wirksam ausnutzen
kann.
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Diese und andere Aufgaben, welche sich aus der untenstehenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform ergeben, werden durch die erfindungsgemäße Schaufel
verwirklicht, welche so beschaffen ist, daß sie in eine ringförmige Reihe solcher
Schaufeln eingefügt werden kann. Sie besitzt einen hohlen Teil mit Tragflügelprofil,
der sich im allgemeinen in radialer Richtung in einen Heißgasstrom zwischen im Abstand
voneinander angebrachten Plattformteilen erstreckt.
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Es sind Vorrichtungen vorhanden, welche das Kühlmittel gegen die Plattformteile
jeder Schaufel richten, um hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeiten zwischen diesen
zu erhalten. Sie können entweder von der Schaufel oder von der zugehörigen Tragstruktur
der Turbine aufgenommen werden. Zur zusätzlichen Kühlung der Plattformteile der
Schaufel und auch zur Kühlung der strmungsabwärts gelegenen Turbinenelemente durch
einen Kühlfilm sind Durchlaßkanäle durch die Plattformteile vorhanden, um das Kühlmittel
auf die strömungsabwärts gelegene Kante der Plattform und in den
Heißgasstrom
zu richten.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die folgende Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.
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Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung, teilweise im Schnitt,
die eine Ausführungsform der verbesserten Schaufel zeigt.
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Figur 2 ist ein Teilschnitt einer Gasturbine, welche die Schaufel
nach Figur 1 mit Temperaturregelungsanordnung verwendet.
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Figur 3 ist ein Teilschnitt einer Gasturbine und zeigt eine weitere
Ausführungsform der Schaufel und Temperaturregelungsanordnung.
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Figur 1 zeigt eine hohle luftgekühlte Schaufel, die für die Einfügung
in eine ringförmige Reihe solcher Schaufeln eingerichtet ist, wie es bei 10 gezeigt
ist. Sie enthält einen inneren bzw. äußeren Plattformteil 12 bzw. 14, welche durch
mindestens einen sich in allgemein radialer Richtung erstrekkenden Profilteil 16
miteinander verbunden sind. Der Profilteil 16 enthält im Abstand längs der Profilsehne
angeordnete Teile 18 bzw. 20 für die Eintrit z ante bzw. die Austrittskante und
verbindende konkave und konvexe Seitenwände 22 und 24.
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Zwischen den Seitenwänden 22 und 24 erstreckt sich ein Brücken-oder
Wandteil 25 im Innern des Profilteils 16 und definiert abgegrenzte Kammern 26 bzw.
28 für die Eintrittskante bzw. Austrittskante. Die hohlen rohrförmigen Einsatzstücke
30 und 32 haben Seitenwände 34, die allgemein an die Form der Seitenwände 22 und
24 des Profils angepaßt sind.
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Sie sind in geeigneter Weise in den Kammern 26 und 28 für die Eintrittskante
und die Austrittskante befestigt, so daß ihre Wände 34 sich in einem engen Abstand
von den Seitenwänden 22, 24 des Profilteils 16 befinden. Jedes Einsatzstück 39,
32 ist
mit einer Vielzahl von Öffnungen 36 versehen, die so eingerichtet
sind, daß sie ein Kühlmittel, beispielsweise aus dem Kompressor der Gasturbine erhaltenes
oder abgezogenes Gas, gegen den Eintrittskantenteil 18 und die Seitenwände 22 und
24 des Profils in Form einer Vielzahl von Zahlen mit relativ hoher Geschwindigkeit
richten, so daß zu diesen eine hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeit erzeugt wird.
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Um eine wirksame Kühlung für die inneren und äußeren Plattformteile
12 und 14 zu erhalten, sind entsprechende Mittel vorgesehen.
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Diese besitzen die Form von inneren und äußeren Prallblechen 40 und
42 zur Richtung des Kühlmittels gegen den inneren und äußeren Plattformteil 12 und
14 in Form einer Vielzahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit zwecks Erzeugung einer
hohen Wärmeübergangsgeschwindigkeit-zu diesen.
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Wie am besten aus Figur 1 und 2 ersichtlich, sind Kanäle 37 durch
die innere Plattform 12 und das innere Prallblech 40 vorgesehen, um das Kühlmittel
dem Einsatzstück 30 für die Eintrittskante zuzuführen. Durch die äußere Plattform
14 und das äußere Prallblech 42 sind Kanäle 38 vorhanden zur Zufuhr des Kühlmittels
zu dem Einsatzstück 30 für die Eintrittskante und zu dem Einsatzstück 32 für die
Austrittskante.
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Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, verläuft das innere Prallblech
40 zwischen den sich in radialer Richtung nach innen erstreckenden Plattformflanschen
44 und 46 und ist an diesen durch Anschweißen, Hartlöten oder auf andere geeignete
Weise befestigt. Ebenso erstreckt sich das Prallblech 42 zwischen radial nach außen
ragenden Flanschen 48 und 50, die einen integralen Teil des äußeren Plattformteils
14 bilden, und ist an diesen in geeigneter Weise befestigt.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen, daß der strömungsabwärts gelegene Flansch
50 der äußeren Plattform 14 mit einer Vielzahl von Durchlaßöffnungen 52 ausgestattet
ist, um das Kühlmittel, das auf die äußere Plattform 14 aufgeprallt ist, zu der
strömungsabwärts gelegenen
Kante der Plattform zu richten.Dies
ist durch die Strömungspfeile der Figur 2 angedeutet. In ähnlicher Weise ist die
innere Plattform 12 mit einer Vielzahl von Durchlaßöffnungen 54 ausgebildet, die
das Kühlmedium, welches auf die innere Plattform 12 aufgeprallt ist, zu seiner strömungsabwärts
gelegenen Kante richten. Es ist zu beachten, daß beim Betrieb die Schaufeln 10 einen
Strom des Antriebsmediums oder eines Heißgases 56 von einer Quelle, beispielsweise
einer Brennkammer 57, auf eine Reihe von Turbinenschaufeln 66 richten und diesem
einen vorgegebenen Drallwinkel C (gemessen von einer axialen Ebene einschließlich
der Linien 57 der Figur 1) vermitteln. Um Verluste in dem Heißgasstrom 56 bei der
Mischung und Impulsverluste, die den Wirkungsgrad der Turbine beeinträchtigen, auf
ein Minimum zu verringern, verlaufen die Durchlaßöffnungen 52 vorzugsweise in einem
Winkel zu der axialen Ebene. Auf diese Weise tritt das von den Durchlaßöffnungen
52 austretende Kühlmittel in den Heißgasstrom 56 unter einem vorgegebenen Winkel
A ein, welcher an den Heißgasdrallwinkel C angenähert ist. In gleicher Weise sind
die Durchlaßöffnungen 54 so ausgebildet, daß sie das Kühlmittel in den Heißgasstrom
56 unter einem vorgegebenen Winkel B austreten lassen, der an den Drallwinkel C
für das Heißgas angenähert ist.
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Obwohl die Austrittswinkel A und B für das Kühlmittel aus den Durchlaßwegen
54 und 52 vorzugsweise gleich dem Drallwinkel C gemacht werden, können sie kleiner
sein als dieser. Beispielsweise wurde gefunden, daß bei einem Drallwinkel C von
etwa 73 ein Ausflußwinkel B von etwa 650 und ein Ausflußwinkel A von etwa 550 zufriedenstellende
Ergebnisse liefern im Hinblick auf die Wirksamkeit der Kühlung beim Durchgang des
Kühlmittels durch die Durchlaßweges die Möglichkeit der Herstellung und die anschließende
Verwendung des ausströmenden Kühlmittels als Kühlfilm, wie es nachstehend erörtert
wird.
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Figur 2 zeigt einen Teil einer Gasturbine, in der die Schaufelanordnung
10 in einer ringförmigen Reihe solcher Schaufeln verwendet wird, die strömungsaufwärts
von einem Ring von Turbinenschaufeln 66 liegt. Jede der Turbinenschaufeln 66 erstreckt
sich
in allgemein radialer Richtung von einem Turbinenrotor 68 nahezu
bis zur Hülle 70. Es ist zu beachten, daß der Weg des Heißgasstroms 56 durch die
Türbine nach Figur 2' im allgemeinen ringförmig verläuft und teilweise durch eine
innere Oberfläche 72 des äußeren Plattformteils 14 der Schaufel, eine innere Oberfläche
74 der Hülle 70, eine innere Oberfläche 76 der inneren Plattform 12 der Schaufel
und einen Schaufelplattformteil 78 gebildet wird.
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Im Betrieb wird ein geeignetes Kühlmittel, beispielsweise aus dem
Kompressor der Gasturbine abgezogenes oder erhaltenes Gas, durch geeignete Durchlaßkanäle,
beispielsweise in den Figuren 2 und 5 mit 77 und 79 bezeichnetg zu den Prallblechen
40 und 42 geleitet.
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Ein Teil des Kühlmittels aus dem Durchlaßweg 79 strömt durch die Öffnungen
80 im Prallblech 42 prallt gegen die äußere Oberfläche des äußeren Plattformteils
14 und strömt von dort durch die Kanäle 52 in den Heißgasstrom 56. Ein weiterer
Teil des Kühlmittels wird in die Einsatzstücke 30 und 32 durch die Kanäle 38 geleitet.
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Hochtemperaturgase aus dem Strom 56 werden daran gehindert, in den
Raum 82 zwischen dem äußeren Plattformteil 14.und dem angrenzenden Hüllenteil 70
einzutreten. Weiterhin wird ein KUhlmittelfilm längs der inneren Oberfläche 74 der
Hülle 70 zur Temperaturregelung dieses Bauelementes erzeugt. Dies geschieht beides
dadurch, daß ein Teil des Kühlmittels durch die Kanäle 52 in den Heißgasstrom 56
abgeleitet wird, wie es allgemein durch die Strömungspfeile in Figur 2 gezeigt ist.
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In ähnlicher Weise strömt ein Teil des Kühlmittels vom Kanal 77 durch
die Öffnungen 80, prallt gegen den inneren Plattformteil 12 und strömt dann durch
die Kanäle 54 zu dem Heißgasstrom 56. Da durch ergibt sich eine weitere Kühlung
des strömungsabwärts gelegenen Teils der Plattform 12 und längs der Schaufelplattform
78 wird ein schützender Kühlmittelfilm erhalten. Gleichzeitig wird ein weiterer
Teil des Kühlmittels vom Kanal 77 durch die Kanäle 37 zu dem Einsatzstück 30 geleitet.
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Wie am besten aus Figur 2 ersichtlich, prallt das Kühlmittel in dem
Einsatzstück 30 für die Eintrittskante gegen den Eintrittskantenteil
18
und die Seitenwände 22 und 24 des Profilteils 16 und liefert eine gleichmäßige und
wirksame Temperaturregelung dieser Oberflächen. Eine zusätzliche Temperaturregelung
erhält man dadurch, daß das Kühlmittel durch die Kanäle 64 ausströmt, welche so
eingerichtet sind, daß sie einen Kühlmittelfilm längs der äußeren-OberRläche des
Profils erzeugen. In gleicher Weise prallt das Kühlmittel im Innern der strömungsabwärts
gelegenen Einsatzstücke 32 gegen die Seitenwände 22 und 24, um eine hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeit
zu erzielen. Das aufgeprallte Kühlmittel fließt dann in axialer Richtung nach hinten
durch die sich in Spantenrichtung erstreckenden Kammern die zwischen den Stützrippen
58 definiert sind, um die Finnen 62 herum und wird von dort durch die Kanäle 66
in dem Austrittskantenteil 20 in den Heißgasstrom 56 ausgestoßen.
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Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaufel mit Tragflächenprofil
und der Temperaturregelung gemäß der Erfindung.
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Dort sind die Prallbleche 40 bzw. 42 außerhalb ihrer Plattformteile
12 bzw. 14 in einem Abstand angeordnet und sind in geeigneter Weise, wie bei 86
bzw. 88 gezeigt, an der Tragstruktur der Turbine befestigt. Weiterhin ist zu beachten,
daß in der Ausführungsform nach Figur 3 das Einsatzstück , für die Eintrittskante
über geeignete Kanäle, wie bei 37 in Figur 2 gezeigt, ausschließlich mit dem durch
das Prallblech 40 durchtretenden Kühlmittel in Verbindung steht. Andererseits steht
das strömungsabwärts gelegene Einsatzstück 32 ausschließlich mit dem Kühlmittel
in Verbindung, das durch das äußere Prallblech 42 geht.
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ln der Ausführungsform nach Figur 3 ist außerhalb des Prallbleches
42 ein Gitter 90 vorgesehen, um Teilchen auszufiltern, welche die Öffnungen 36 oder
die Kanäle 64 verstopfen könnten; hierdurch wird die Zuverlässigkeit und Wirksamkeit
der Kühlanordnung insgesamt vergrößert. Beim Betrieb strömt das Kühlmittel vom Kanal
79 durch das Gitter 90, durch die Öffnungen 80 des Prallbleches 42 und prallt gegen
die äußere Oberfläche des äußeren Plattformteils 14.
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Wie durch die Strömungspfeile in Figur 3 gezeigt, wird ein Teil de
aufgeprallten Kühlmittels dann in das strömungsabwärts gelegene
Einsatzstück
32 geleitet, und ein Teil wird durch die Kanäle 52 in den Helßgasstrom 56 geleitet,
wie zuvor im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Figur 1 beschrieben. In ähnlicher
Weise wird Kühlmittel vom Kanal 77 durch das Prallblech 40 gegen die innere Oberfläche
des inneren Plattformteils 12 gerichtet und ein Teil des aufprallenden Kühlmittels
wird dann in das Austrittskanteneinsatzstück 32 gerichtet. Der-übrige Teil geht
durch die Kanäle 54 zu der strömungsabwärts gelegenen Kante des inneren Plattformteils
12, wie zuvor im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Figur 1 beschrieben.
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Es wurden zur Erläuterung vorstehend verschiedene Ausführungsder formen
der Schaufel mit Temperaturregelung gemäßfErfindung abgebildet und beschrieben.
Für den Fachmann ist es jedoch ersichtlich, daß die verschiedensten Variationen
und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne die technische Lehre der Erfindung
zu verlassen.