DE2104482A1

DE2104482A1 - Flussigkeitsgekuhlte Turbinenlauf schaufel

Info

Publication number: DE2104482A1
Application number: DE19712104482
Authority: DE
Inventors: Paul Harnman Scotia N Y Kydd (V St A)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-02-02
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1971-08-12
Also published as: FR2080425A5; JPS545048B1; NL169627C; US3619076A; NL169627B; DE2104482C3; DE2104482B2; NL7100990A; GB1307338A

Description

Π Γ ! Ν L LiNSER - F A Γ F ?■; ί Λ N W Λ ; T · Pll Υ:ΜΚΕΗ

ι· · ?. ί" H K I Γ ; ' '· ί- H M ^Λ I Ί

17O8-RD-1853

GENERAL ELECTRIC COMPAITT

1 River Road
Schenectady, N.Y. / USA

Flüssigkeitsgekühlte Turbinenlaufschaufel

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekiüilte Turbinenlaufschaufel, die sich insbesondere für Gasturbinen eignet.

Die Entwicklung einer fortschrittlichen Technik für die Kühlung für Gasturbinen mit Hilfe von Flüssigkeiten,

-2-

109833/1395

210A482

wie sie in den deutschen Patentanmeldungen P 19 13 o65 und P 19 12 417 beschrieben ist, läßt daran erinnern, daß Gasturbinen bei Umfangsgeschwindigkeiten von übe .- 46o m/sec und bei TurbineneingangstemparatureE von mehr eis 1.15o Grad Celsius ( 2.1oo Grad Fahrenheit) arbeiten. Ein Betrieb unter deratigen Bedingungen bewirkt notwendiger Weise eine sehr hohe Wärmebelastung der Turbinenlaufschaufeln, so daß die Forderung besteht, Temperaturgradienten über die Flächen der Laufschaufeln zu vermeiden, die von derartigen extrem großen Wärmeflüssen verursacht werden.

Die Probleme, die mit der Kühlung von Turbinenlaufschaufeln bei Hochtemperaturdruckturbinen in Verbindung stehen, und auf die in dem zuvor genannten Patentanmeldungen Bezug genommen wird, sind beträchtlich ernster als jene, die bei gasgekühlten Gasturbinen eine Rolle spielen, so daß aus diesen Gründen solche Konstruktionsmerkmale, die für die Kühlung von Laufschaufeln bei gasgekühlten Turbinen vorgesehen sind, für die Kühlung von Laufschaufeln bei flüssigkeitsgekühlten Gasturbinen nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß jede Laufschaufel gemäß vorliegender Erfindung aus einem zentralen flügeiförmigen Holm besteht, dessen äußere Fläche mit einer Metallfolie bedeckt ist, welche eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, aufweist. Diese Abdeckfolie oder Umhüllung weist Nuten auf, die in der Vorderseite derselben eingekerbt sind, und welche an die äußere Fläche des Holms angrenzend angeordnet ist und mit

109833/1395 -3-

21 04A82

dieser verbunden ist. Diese Nuten bilden Kühlkanale, die über die Fläche der zusammengesetzten Laufschaufel verteilt sind und eng an sie herangeführt sind, wie es durch die Kühlerfordernisse bedingt ist. Diese Kanäle sind an ihren in Radialrichtung innenliegenden Enden strömungsmäßig mit einer Versorgung für ein flüssiges Kühlmittel verbunden, während die radial außenliegenden Enden offen sind, so daß das Kühlmittel ausströmen kann.

Zur näheren Erläuterung wird diese Erfindung anhand eines

in der Zeichnung dargestellten AusführungsbeispieIg g

beschrieben. Hierbei zeigen:

Figur 1 einen Teilquerschnitt durch eine flüssigkeitsgekühlte Gasturbine mit der Läuferscheibe, welche eine Turbinenlaufschaufel aufweist, die gemäß vorliegender Erfindung aufgebaut ist;

Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 nach Figur 1 und

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 nach Figur

In Figur 1 ist ein Teil einer Gasturbine 1o mit einer Läuferwelle 11 dargestellt, die mit einem Turbinenläufer 12 befestigt ist, welcher sich von der Wellenachse aus radial erstreckt. Wie ersichtlich ist_ybesteht der Läufer 12 aus drei Abschnitten, nämlich ais der Nabe 13» dem Randteil 14 und einem konisch verlaufenden Verbindungsteil 16, das sich zwischen der Nabe und den Randteilen befindet. Das Randteil 14· weist eine Reihe transversal verlaufender Aussparungen 17 auf, von denen jede den schwalbenschwanzförmigen Fuß 18 einer Turbinenlaufschaufel 19 aufnimmt.

109833/1395

Die Kühlwirkung wird gemäß der Erfindung dadurch, erzielt, daß ein flüssiges Kühlmittel, im allgemeinen V/asser, unter einem geringen Druck auf die Turbinenscheibe von stationär angeordneten Kühldüsen 21 und 22 gesprüht wird, welche sich auf den stationär angeordneten Ringscheiben 23 "bzw. 24 befinden. In der als Ausführungsbeispiel dargestellten Anordnung trifft das die Düsen 21 und 22 verlassende Wasser geringen Druckes auf die Seiten der Scheibe 12 in der Nahe des Randteils 14 auf und gelangt über die Unterseite der Plattformteile 26 eines jeden Holms 27.

Der flügeiförmige Schaft 28 eines jeden Holms 27 ist mit einem Metallblech, beispielsweise Kupfer, das eine sehr große thermische Leitfähigkeit besitzt, bedeckt (in einer Stärke von etwa o,5 mm bis etwa 1,3 mm). Dieses Blech oder die Umhüllung erstreckt sich auch nach unten über die Oberseite der Plattformteile 26, um nach untenreichende Mantelteile 29 vorzusehen. Die komplizierte Form dieses Umhüllungselements wird vorzugsweise in zwei Teilen 3o und 31 hergestellt. Diese einzelnen Teile können in einem Pressvorgang hergestellt werden, mit dem sowohl die Form der Außenseite als auch die weiter unten beschriebenen Aussparungen erzeugt werden.

Das Hüllmaterial besteht aus einem Metall (oder einer Legierung ) das sich für eine Pressverformung eignet und einen thermischen leitfähigkeitskoefizienten aufweist, der größer als o,1o cal/cm.sec. Grad CeI. ist. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Hüllmaterial einen thermischen Leitfähigkeitskoefizienten von mehr als o,5 cal/cm. see. Grad Gel. besitzt, wie z.B. Kupfer oder Aluminium.

109833/ 1 395

Das Mantelteil 29 bildet zusammen mit der Unterseite der Plattform 26 einen Rinnenbereich 32, der das Kühlwasser von den Düsen 21 und 22 aufsammelt. In dem Rinnenbereich 32 kühlt die angesammelte Flüssigkeit die Teile mit denen es in Kontakt gekommen ist, während es festgehalten wird, bis es auf die vorherrschende Scheibenrandgeschwindigkeit beschleunigt worden ist, Wenn das Kühlwasser in der Rinne 32 so beschleunigt worden ist, fließt es unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft in eine radiale nach außen führende Richtung in den Kühlkanälen 33 um schließlich durch die offenen Enden 34- nach außen abgeschleudert zu werden.

Die Verteilung der Kühlkanäle 33 über den Abschnitt zwischen der Umhüllung 3ο und 31 und dem Holm 27 kann entweder in ungleichförmiger oder gleichförmiger Weise geschehen, was von den Kühlerfordernissen abhängt. Ferner brauchen nicht alle Kühlkanäle 33 die gleiche Querschnittsfläche aufzuweisen, sondern können unterschiedliche Größen besitzen, um die spezifischen Kühlerfordernisse zu erfüllen. Der Durchfluß des Kühlwassers von dem Rinnenbereich 32 zu den Kühlkanälen 33 wird natürlich durch die Öffnungen zu den Kanälen 33 gesteuert, so daß diese Kühlkanäle somit als ihre eigenen Meßöffnungen wirken.

Jeder Leitungskanal 33 besteht aus einer Nut, die in den Folien 3o und 31 unter Mitwirkung der Fläche des Holms 27 mit der die UmhüTlungsfolie 3o und 31 verbunden ist, ausgespart ist.

Einander angrenzende Hüben, die in der inneren Fläche des l?üllelement;er 5o und -51 ausgespart sind, sind durch ßippen 36 voneinander getrennt. Vor dem Zua-ammehbau

1 Ü 9 Β 3 3 7 1 3 U B

werden die äußere Seite der Rippen 36 und die äußere Fläche des Holms 27 in vorteilhafter V/eise mit einem Lötmetall oder einer Lötlegierung "beschichtet. Wenn die zusammengebauten beschichteten Teile in ei „.„er nichtoxydierten Atmosphäre auf Löttemperaturen erhitzt werden, werden die Teile durch ein Bindemittel an jeder Rippe 36 integral miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den Hüllelementen 3c- und 31 und dem Holm 27 kann natürlich auch in anderer Weise vorgenommen werden, z.B. durch Schweißen^ Löten, Verkitten oder durch eine lüffusionsbindung. Wenn z. B. die Umhüllung 3o und 31 aus einer Kupferfolie hergestellt wird, werden die Hüllelemente und die äußeren Seiten der Rippen 36 und die Oberfläche des Holms goldplattiert und dann zusammen verlötet, indem Wärme in einem Wasserstoffofen unter Druck zugeführt wird.

Die meisten Oberflächenbereiche eines jeden Kanals 33 werden vorzugsweise aus einem Material mit einer sehr hohen thermischen Leitfähigkeit hergestellt, so daß die Kühlung der äußeren Seite einer jeden Laufschaufel 19 sehr wirkungsvoll ist, und zwar sogar dann, wenn die Kühlflüssigkeit in eine Seite des Kanals 33 durch die Körperkräfte während der Drehung des Turbinenläufers gezwungen werden.

10 9 8 3 3/1335

Claims

Patentansprüche ^iFlüssigkeitsgekühlte Turbinenlaufschaufel, dadurch " gekennzeichnet, daß : a) ein fester innerer Metallholm (2?) mit einem Verankerungsfußteil (18), einem Schaftteil (28) und einem transversal sich erstreckenden Plattformteil (26) und b) eine Umhüllung (3o, 31) welche den Schaftteil und den Plattformteil bedeckt, welcher sich über die Druckseite des Schaftteils, die Sogseite des Schaftteils M und die obere Seite des Plattformteils erstreckt und als ein Mantel bis unterhalb des Plattformteils reicht, vorhanden sind, wobei

1. die Umhüllung mehrere Nuten (33) aufweist, die an beiden Enden offen und durch Rippen (36) getrennt sind und die Nuten in der inneren Seite der Umhüllung ausgespart sind und sich vom unteren Teil der Plattform zum entfernten Ende des Schaftteils erstrecken, und wobei ₄

2. die Rippen mit den benachbarten Flächen des Holms verbunden sind.

2. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einem Metall besteht, das einen thermischen Leitfähigkeitskoefizienten besitzt, der größer als etwa o,1o cal/cm. see.

Grad CeI. ist.

5. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenlaufschaufel nach Anspruch oder 2, dadurch geken-nzeichnet, daß das Hüllenmaterial eine Dicke in der Größenordnung von
o,5 mm bis 1,3 nun aufweist.

109833/1395

-2-

■*-

4·. llüssigkeitsgekühlte Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllenmaterial aus einem Metall besteht, welches einen thermischen Leitfahxgkeitskoefizxenten besitzt, der etwa größer als o,5 cal/cm. see. Grad CeI. ist.

5. Flüssigkeitsgekühlte Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllmaterial aus Kupfer besteht.

1 (1

:i

Leerseite