DE2127454A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

WESTIIGHOUSE Erlangen, 1.6.71

Werner-von-Siemens-Straße

Mein Zeichen:

VPA 71/8430 Skn/Di

WE 41 360

Gasturbine

Es wird die Priorität der US-Patentanmeldung Serial Nr. 43 533 vom 4.6.1970 in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit gekühlten Schaufeln, Leitapparaten, Düsen und dergleichen. Die Erfindung hat Bedeutung für alle derartigen Düsenanordnungen und leitapparate von Gasturbinen und anderen mit Medien hoher Temperatur betriebenen Strömungsmaschinen, wie z.B. auch Kompressoren. Bei solchen Strömungsmaschinen ist es an sich bereits bekannt, eine Kühlung der Beschaufelung vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders wirksame Kühlung der Beschaufelung zu bewerkstelligen und dabei auch die Möglichkeit zu geben, jede einzelne Schaufel für sich bevorzugt kühlen zu können. Die Erfindung besteht darin, daß sich jeweils im Innern der hohlen Schaufeln ein der Zuführung der Kühlmittelströmung dienender dünnwandiger Einsatz mit Austritts öffnungen für das Kühlmittel befindet, dessen Außenflächen mit den Innenflächen der Schaufelhöhlung enge Spalträume bilden. Die AustrittsÖffnungen im Einsatz können durch eine Vielzahl von Düsen gebildet werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, Abstandshalter oder Distanzstücke zur Einhaltung einer Mindestweite der Spalträume vorzusehen. Hierfür können beispielsweise Vorsprünge, Warzen, Sicken oder dergleichen dienen, die am Einsatz angebracht sind oder aus einem Stück mit dem Einsatz gefertigt sind.

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Die Schaufeln selbst können mit geeigneten Öffnungen zum Austritt des Kühlmittels versehen sein, wobei diese Öffnungen insbesondere im Bereich der Abströmkanten anzuordnen sind. Ähnlich wie die Schaufeln lassen sich auch mehrere Einsätze gruppenweise bogensegmentartig zusammenfassen und beispielsweise an einen gemeinsamen Verteilerkasten für das Kühlmittel anschließen. Auf diese Weise kann man z.B. durch Verändern der Eintrittsöffnung der einzelnen Einsätze die dort hinein gelangende Kühlmittelströmung individuell einstellen. Übrigens kann der Differenzdruck des Kühlmittels innerhalb und außerhalb des Einsatzes dazu herangezogen werden, eine Ausweitung des Einsatzes bis zum Anliegen an die Abstandshalter oder Distanzstücke zu bewerkstelligen.

Als Kühlmittel kann in besonders vorteilhafter Weise Preßluft verwendet werden. Durch die Formgebung des Einsatzes und die Bildung enger Spalträume können selbst kleine Kühlmittelmengen ohne Schwierigkeit über die gesamte Innenfläche der Schaufelhöhlung verteilt werden. Weiterhin kann durch Anordnung und Ausbildung der Austrittsöffnungen auch eine von Ort zu Ort unterschiedliche Kühlwirkung im Bereich der Schaufel vorgenommen werden, sodaß man in der Lage ist, eine thermisch besonders hoch beanspruchte Fläche der Schaufel, z.B. im Bereich der Anströmkante, besonders stark zu kühlen, indem dort eine größere Anzahl von Austrittaöffnungen bzw. Austrittsöffnungen mit größerem Querschnitt angeordnet werden.

Die Distanzstücke oder Abstandshalter, die in geeigneter Anzahl längs der einander gegenüberliegenden Flächen verteilt sind, gewährleisten die Einhaltung außerordentlich enger Spalträume, sodaß dort eine hohe Strömungsgeschwindigkeit zustande kommt und außerdem auch die gesamte-Strömung am Wärmeübergang beteiligt ist. Darüber hinaus können naturgemäß noch besondere Maßnahmen zur Turbulenzerzeugung angewendet werden, wobei insbesondere die Distanzstücke oder Abstandshalter selbst die Turbulenzen verursachen, um auf diese Weise die Kühlwirkung noch weiter zu steigern.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindimg näher erläutert

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werden. Von den Figuren, die sich auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einigen Abwandlungen beziehen, zeigt Figur 1 in perspektivischer Darstellung ein Bogensegmentstück von Leitschaufeln einer Turbine, Figur 2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Einsatz ebenfalls in perspektivischer Darstellung. Figur 3 zeigt in einer radialen Schnittdarstellung einen Einsatz im Innern einer hohlen Schaufel. In Figur 4 ist ein Schnitt senkrecht hierzu längs der Linie IV-IV von Figur veranschaulicht. Die Figuren 5 und 6 zeigen Ausschnitte einer Schnittdarstellung abgewandelter Ausführungsformen der Erfindung, wobei Figur 6 insbesondere noch die Ausbildung von Austrittsdüsen veranschaulicht, die mit dem Einsatz aus einem einzigen Stück bestehen. Schließlich zeigt Figur 7 einen (

Querschnitt ähnlich Figur 4, jedoch mit einem abgewandelten Einsatz. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in den einzelnen Figuren axt gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Bogensegmentstück axt einer Gruppe von Leitschaufeln 10 veranschaulicht, wobei jede Schaufel am einen Ende mit einem inneren Bogensegment 11 und am anderen Ende mit einem äußeren Fuß-Bogensegment 12 verbunden ist. Das äußere Fußsegment 12 ist im wesentlichen als kastenartig gestalteter Körper ausgebildet mit dem Bodenstück 13, den Längsseitenwänden 14 und den Schmalseitenwänden 15. Die Wände 14 und 15 weisen im Innern je eine Stufe 16 auf und tragen nach außen hin zungen- " förmxg vorspringende Leisten 17, mit denen sie in geeigneten Nuten im nicht näher dargestellten Statorkörper der Turbine verankert sind, um so das Bogensegment in bekannter Weise zu halten.

Um die Schaufeln 10 in der später beschriebenen Weise zu kühlen, befindet sich jeweils ein Einsatz 21 in jeder Schaufe"¹ iO. Das obere Ende eines jeden Einsatzes 21 ist offen Uu trägt einen sich nach außen hin erstreckenden Flansch 22, mit dem es zwischen einer Halteplatte 24 am Boden 13 und einer Ι;*:/platte 25 eingespannt werden kann, wobei Schrauben 26

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zum Befestigen der Platte 24 dienen. In die vorderste Schaufel der Darstellung ist der Einsatz schon eingeschoben und die Deckplatte 25 bereits aufgeschraubt. Bei der nächstfolgenden Schaufel ist der Einsatz 21 fast ganz herausgezogen, während die beiden letzten Schaufeln noch nicht mit Einsätzen versehen sind. Ein geeignetes Kühlmittel, wie beispielsweise Luft, kann in die Innenseite jedes Einsatzes 21 hineingebracht werden, wobei die Deckplatte 25 mit einer geeigneten öffnung 27 eines Rohrstutzens versehen ist, der mittels eines Schraubgewindes in den im wesentlichen rechteckig gestalteten Teil 29 auf der Deckplatte 25 eingesetzt ist. Die Kühlluft kann von einem Kompressor oder einer anderen geeigneten Quelle entnommen werden.

Wie deutlicher in den Figuren 2 und 4 gezeigt ist, weist der Einsatz 21 im wesentlichen die gleiche Querschnittsform auf, wie die Höhlung der Schaufel 10. Der Einsatz besitzt einen geschlossenen Boden und ein offenes oberes Ende mit einem sich nach außen hin erstreckenden Flansch 22. Die Seitenfläche 23 des Einsatzes ist im wesentlichen von trapezförmiger Gestalt. Der Einsatz besitzt eine den Anström- und Abströmkanten der Schaufel entsprechende Form, wobei die radial verteilten Öffnungen 32 sich im wesentlichen im Bereich der Anströmseite befinden. Diese Seite ist im allgemeinen breiter als die Abströmseite und beide Kanten sind im Querschnitt abgerundet. Im großen ganzen entspricht die Form des Einsatzes der Innenfläche der hohlen Schaufel.

Wie deutlicher in Figur 2 gezeigt ist, sind Vorsprünge oder N_ocken 31 an den Außenflächen der dünnen Wände 23 des aus Blech bestehenden Einsatzes 21 angebracht. Eine Anzahl von radial verteilten Düsenöffnungen 32 ist längs einer Kante des hohlen Einsatzes 21 verteilt. Ein Vorsprung 33 befindet sich am Boden des Einsatzes und verschließt hier den Luftspalt.

Der Einsatz 21 kann aus verhältnismäßig dünnem Blech geformt werden, wobei man bekannte Verarbeitungsmethoden

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anwenden kann, wie dies beispielsweise aus Figur 7 ersichtlich ist. Hier sind die Seitenflächen des Einsatzes aus einem einzigen Blechstück gebogen und gefaltet, dessen Teile sich im Bereich 34 überlappen. In dieser Überlappungszone befinden sich die Öffnungen 32 für den Kühlmittelaustritt. Die Nocken 31 können mit dem Einsatz zusammen aus einem einzigen Stück gebildet sein, gegebenenfalls im gleichen Arbeitsgang, wenn das Blech in die gewünschte Form gebracht wird. Diese Ausbildung ist in Figur 7 mit 21 A bezeichnet.

Vorzugsweise kann der Einsatz 21 durch einen sogenannten Elektro-Form-Prozeß hergestellt werden. Figur 2 veranschaulicht einen Einsatz aus Rein-Nickel, wie er durch einen sol- I chen Elektro-Form-Prozeß unter starkem Auftragen von Metall auf einem Dorn hergestellt werden kann und mit einer ausreichenden Menge von Nocken 31 versehen ist, um die Einhaltung des Spaltes zwischen der Innenwandung der hohlen Schaufel und der Außenwandung des Einsatzes zu gewährleisten. Dieser Einsatz ist beispielsweise 12,5 mils dick. Naturgemäß kann man aber auch die Wandstärke im ganzen oder lokal verändern, wenn man einen Elektro-Form-Prozeß anwendet und damit jede gewünschte Dicke an jeder Stelle erhalten. Es ist weiterhin auch möglich, aus dem gleichen Blech unmittelbar Düsen 35, wie dies in Figur 6 dargestellt ist, zu bilden, die sich im Bereich der Einströmseite oder irgendwo sonst befinden, wo | sich dies für eine gute Kühlwirkung der Kühlströmung als wünschenswert erweist.

Der Elektro-Form-Prozeß erlaubt eine wirtschaftliche Fertigung von hoher technischer Qualität mit geringen Werkzeugkosten. Das Verfahren ermöglicht darüber hinaus die Wahl beliebiger Anordnungen von Nocken in ihrer räumlichen Verteilung und ihrer Anzahl, sowie der Düsen-Geometrie bei einem Minimum an Kosten.

Wie deutlicher in Figur 3 dargestellt ist, erstreckt sich der Einsatz 21 im wesentlichen über die volle Tiefe der hohlen Schaufel 10. Die Kühlluft gelangt in die Innenseite des

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Einsatzes durch die Öffnung 27 in der Rohr-Schraubverbindung 28. Wenn der Wunsch besteht, die Kühlluft individuell jeder Schaufel unterschiedlich zuführen zu können, läßt sich eine geeignete Verbindung mit den Rohranschlüssen 28 schaffen, indem man ein geeignetes Rohrstück 36 an die Schraubverbindung 28 anschließt. Ein mit Innengewinde versehener Ring 37 dient zusammen mit einer Dichtung 38 zum dichten Abschluß, wobei die Deckplatte 39 an einer Tragplatte 40 mit Hilfe von Schrauben 41 befestigt ist. Me Tragplatte 40 kann ihrerseits wieder an der durchgehenden Stufe 16 befestigt werden, beispielsweise durch eins Schweißverbindung. Auf diese Weise kann eine individuelle Steuerung der zugeführten Luft für jede Schaufel erreicht werden und zusätzlich Kühlluft zu einer Schaufel geleitet werden, die beim Laufen heißer wird als die anderen Schaufeln einer Schaufelgruppe.

Wenn eine individuelle Steuerung der Kühlströmung nicht gewünscht wird, kann die Deckplatte 39 zusammen mit den benachbarten Teilen dazu dienen, eine Sammelkammer 42 zu bilden. Die Sammelkammer 42 stellt für alle Schaufeln einer gemeinsamen Segmentgruppe 12 einen gemeinsamen Verteiler dar. Die der Sammelkammer 42 zugeführte Luft kann von einer nicht dargestellten Verteilerkammer hergeleitet werden, die sich zwischen dem Beschaufelungsring oder dem Innengehäuse der Turbine einerseits und dem Außengehäuse der Turbine andererseits befindet, wie dies in ähnlicher Weise z.B. in der US-Patentschrift 3 427 000 beschrieben und dargestellt ist.

Wie weiterhin noch deutlicher in Figur 4 dargestellt ist, kann die Schaufel 10 hier ein Tragflächenprofil aufweisen mit einem Bereich 44 an der Anströmkante und einem Bereich an der Abströmkante sowie einem Zwischenbereich 46. Bekanntlich ist der Kühlvorgang stets günstiger, wenn eine hohe Strömungsgeschwindigkeit herrscht und ein ausreichender G-rad von Turbulenz vorhanden ist. Im vorliegenden Fall läßt sich dies besonders gut verwirklichen durch enge Strömungsspalträume 47 im Innern der Schaufel.

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Die in die Innenseite des Blecheinsatzes 21 gelenkte Kühlluft soll aus dem Einsatz insbesondere in den besonders kritischen Zonen der Schaufel entweichen, in erster Linie im Bereich der Anströmkante 44 und der Abströmkante 45. Der Einsatz mit dem dargestellten Profil gestattet die Verteilung von Gruppen von Düsenöffnungen 32 in der Weise, daß diese gegen die Innenfläche der Schaufel an der Anströmkante gerichtet sind und, wie durch die Pfeile versinnbildlicht ist, auf diese Weise eine intensive Kühlung in diesem Bereich hervorgerufen wird. Die Luft wird dann durch die engen Spalträume 47, deren Spaltweite durch die· Nocken 31 bestimmt ist, hindurchgeleitet. Eine intensive Kühlung wird durch die hier herrschende hohe Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet, %

zumal außerdem noch durch die Nocken starke Turbulenzen hervorgerufen werden.

Durch Veränderung der Anzahl und der Örtlichen Verteilung der Nocken längs der Innenflächen im Bereich der Druckseite 48 und der Saugseite 49 der Schaufel kann die Strömungsverteilung beeinflußt werden. An der Stelle 50 der Druck- und Saugseiten-Durchgänge vereinigen sich die Kühlströmungen beider Seiten und werden jetzt durch die öffnungen im Bereich der Abströmkante 45 der Schaufel herausgeführt. Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Austrittsöffnungen durch einen durchgehenden Schlitz 51 j

gebildet. Auf diese Weise kann man eine außerordentlich ^ wirksame Kühlung erzielen, da man den größten Druckunterschied auszunutzen vermag. Im übrigen trägt der axiale Strömungsaustritt auch zur Verbesserung der Leistung der Turbine bei.

Eine abgewandelte Form für den Austritt aus der Schaufel im Bereich der Abströmseite zeigt Figur 5· Bei dieser Anordnung gelangt die Kühlluft durch geeignete öffnungen 52 im Bereich der Druckseite der Abströmkante aus der Schaufel Eine Konvektionskühlung kommt in der Umgebung

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der öffnungen 52 hinter dem Strömungsaustritt zustande, da hier noch ein dünner Kühlmitteifiim längs der Restzone 53 der Druckseite wirksam ist.

Die Erfindung· bietet den Vorteil, daß an die Maßhaltigkeit der Schaufelhöhlungen nur geringe Anforderungen gestellt zu werden brauchen. Allein die Höhe der Nocken 31 bestimmt die Weite des Spaltes 54 (Fig. 4), denn durch den Druckunterschied der Kühlluft wird der Einsatz 21 stets nach außen gepreßt.

Figur 6 zeigt eine besonders günstige Möglichkeit der Einengung des Schaufelhohlraumes im Bereich 56 mit Hilfe rohrförmig aus dem Einsatz 21 herausragender Düsen 35. Diese Ausbildung erlaubt hier hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Verbindung mit engen Spaltkanälen.

Zusätzlich ermöglicht die Erfindung die lokale Ausbildung heißer Stellen zu verhindern, die leicht im Bereich der Schaufelwandung auftreten können. Falls es sich als erforderlich erweisen sollte, können jederzeit geeignete öffnungen oder Düsen 57 vorgesehen werden, durch die die Kühlluft in Pfeilrichtung (Fig. 4) hindurchströmt. Auch Anzahl, Größe und Form der Austrittsöffnungen 58 können ebenfalls zum Kühlvorgang wesentlich beitragen. So kann man Stauungen der Kühlluft, die sich bei unzureichender Abströmmöglichkeit schnell allzu sehr erwärmen würden und dann nicht mehr wirksam zu kühlen imstande wäre, vermeiden.

8 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims (8)

Patentansprüche - 9 - VPA 7,1/8430

1. Gasturbine mit gekühlten Schaufeln, Leitapparaten, Düsen und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeweils im Innern der Schaufeln (10) ein der Zuführung der Kühlströmung dienender dünnwandiger Einsatz (21) mit Austrittsöffnungen für das Kühlmittel befindet, dessen Außenflächen mit den Innenflächen der Schaufelhöhlung enge Spalträume bilden.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen im Einsatz (21) durch eine Vielzahl von Düsen (32,57,58) gebildet sind.

3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Abstandshalter oder Distanzstücke zur Einhaltung einer Mindestweite der Spalträume zwischen Außenfläche des Einsatzes und Innenfläche der Schaufelhöhlung.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandshalter durch Vorsprünge, Warzen, Sicken, Nocken (31) oder dergleichen im Einsatz (21) gebildet sind.

5. Gasturbine nach Anspruch 1 bia 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (10), insbesondere im Bereich der Abströmkante, mit öffnungen (51»53) zum Austritt des Kühlmittels versehen sind.

6. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einsätze (21), gruppenweise bogensegmentartig zusammengefaßt, an einen gemeinsamen Verteilerkasten (42) für das Kühlmittel anschließbar sind.

7. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlströmung individuell (36) für jeden Einsatz (21) einstellbar ist.

8. Gasturbine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruck des Kühlmittels innerhalb und außerhalb des Einsatzes (21) so bemessen ist, daß eine Ausweitung des Einsatzes bis zum Anliegen der Abstandshalter erfolgt.

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