DE2158242A1

DE2158242A1 - Zuführung von Kühlflüssigkeit in flüssigkeitsgekühlten Gasturbinen

Info

Publication number: DE2158242A1
Application number: DE19712158242
Authority: DE
Inventors: Paul Harriman Scotia N.Y. Kydd (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-11-27
Filing date: 1971-11-24
Publication date: 1972-05-31
Also published as: FR2115419A1; FR2115419B1; JPS5514241B1; NO134226B; NL169770B; NL7116204A; NO134226C; US3658439A; GB1327317A; IT941373B; NL169770C; DE2158242B2; DE2158242C3

Description

Zuführung von Kühlflüssigkeit in flüssigkeitsgekühlten Gas turbinen

Die Erfindung betrifft Gasturbinen mit einer Turbinenscheibe, die an einer drehbar gelagerten Welle befestigt ist und an ihrem äußeren Rand Turbinenlaufschaufeln und Laufschaufelplattformen sowie Einrichtungen für die Einführung von Kühlflüssigkeit in das Laufschaufelinnere trägt.

In den beiden US-Patenten 3 446 481 und 3 446 482 sind bereits konstruktive Anordnungen für die Flüssigkeitskühlung von Laufschaufeln von Gasturbinen beschrieben und für die Beschreibung solcher Anordnungen wird auf diese Patentschriften Bezug genommen .

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Die dort beschriebenen Vorkehrungen zur Flüssigkeitskühlung in einem offenen Kühlkreislauf sind besonders wichtig im Hinblick auf die durch diese Maßnahmen gegebenen Möglichkeiten zur Erhöhung der Turbineneinlaßtemperatur bis zu einem bestimmten Bereich von etwa 138O ⁰C bis mindestens 1930 ⁰C (2500 ⁰F bis mindestens 3500 ⁰F), wodurch man eine Steigerung der Ausgangsleistung im Bereich von 100 bis 200 % und eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades bis zu 50 % erhält. Solche Turbinenanordnungen mit Flüssigkeitskühlung und offenem Kühlkreislauf werden als Gasturbinen mit "ultra-hohem Temperaturbereich" bezeichnet.

Bei solchen Turbinen ist der Wärmestrom zu den Turbinenlaufschaufeln so hoch, daß es notwendig ist, sehr viele Kühlkanäle in jeder Laufschaufel vorzusehen zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels über die Laufschaufeloberflache. Typischerweise werden die Kanäle für eine kleine Turbine Abmessungen von etwa 0,5 bis 0,52 mm (0,02 Zoll χ 0,025 Zoll) besitzen und Mittenabstände von etwa 1,3 bis 1,8 mm (0,052 bis 0,072 Zoll) über verschiedenen Oberflächenbereiehen der Laufschaufel aufweisen, wobei eine Laufschaufel eine Gesamtzahl von etwa 50 Kühlkanälen besitzt. Bei einem vollständigen Turbinenrotor können bis zu 100 Laufschaufeln vorhanden sein, d.h. es ist eine Gesamtzahl von etwa 5000 Kanälen vorhanden, die jeweils eine genau abgemessene Menge des flüssigen Kühlmittels erhalten müssen. Außerdem ist es bei Gasturbinen für ultra-hohe Temperatur erwünscht, extrem hohe Geschwindigkeiten der Laufschaufelenden zu verwenden (d.h. etwa 450 bis 6IO m/sec) (I5OO bis 2000 Fuß/ Sekunde), um große Energiemengen pro Turbinenstufe zu entnehmen. Diese hohen Geschwindigkeiten komplizieren weiterhin das Problem der abgemessenen oder dosierten Zuführung des Kühlmittels. Da die Zentrifugalkraft unter solchen Bedingungen bis etwa 250 000 g beträgt, ist unter diesen Bedingungen selbst eine geringe Differenz des Wasserstandes von lediglich etwa 0,025 mm (0,001 Zoll) äquivalent einer Wasserstandshöhe (statischer Druck) von etwa 6 m (20 Fuß) bei der normalen Erdbeschleunigung von 1 g. Daher führen selbst geringfügige Ungenauigkeiten in dem Teil

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eines Dosierungssystems (d.h. der Anordnung von Dosierungsbohrungen oder Überläufen), das von einer einzigen Kühlmittelquelle gespeist wird, zu großen Unterschieden in dem Zufluß in diesem bestimmten Teil infolge der Unterschiede im statischen Druck (pressure head).

Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten und Probleme überwunden zur Schaffung eines brauchbaren Kühlsystems durch eine überfallkostruktion, die einen Teil jedes Plattformelementes des Turbinenrotors bildet und genauestens lokalisiert ist relativ zu der Wellenachse der flüssigkeitsgekühlten Gasturbine, und dadurch werden praktisch konstante Strömungsbedingungen an allen Punkten längs aller überfallkonstruktionen geschaffen.

Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Aufgaben, Vorteile und Gesichtspunkte der Erfindung ergibt sich aus der Erörterung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen .

Fig. 1 ist eine drei-dimensionale Darstellung, teilweise im Schnitt, welche die Beziehungen zwischen der Überfallkonstruktion als ein Teil individueller Plattformelemente und der unteren Enden der Kühlkanäle der benachbarten Turbinenlaufschaufeln zeigt.

Fig. 2 zeigt die zusammengefaßte Konstruktion der Laufschaufel und des Randes der Rotorscheibe in Kombination mit einem verbesserten Aufbau der Laufs ch au feienden für das offene Kreislaufsystem zur Kühlung dieser Struktur und zeigt Teile des Gehäuses in ihrer Beziehung zu dem Aufbau der Laufs chaufe lenden.

Fig. 3 ,i^{st ein} Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2.

Fig, 4 ist ein abgesetzter Schnitt längs der Linie M-4 der Fig. 3.

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-H-

Die Turbinenlaufschaufel 10 besteht aus einer Metallblechhaut 11, die beispielsweise durch Hartlöten an einem durch Präzisionsformguß (investment cast) (z.B. Wachsausschmelzverfahren) hergestellten hohlen Kernteil 12 befestigt ist. Der Kern teil 12 enthält darin ausgebildete integrale, in Richtung der Spannweite verlaufende Nuten 13a. Die durch die Haut 11 und die Nuten 13a. definierten rechteckigen Kühlkanäle 13 leiten die Kühlflüssigkeit in einer gleichmäßigen Tiefe unterhalb der Haut 11. An ihren oberen Enden stehen die rechteckigen Kühlkanäle 13 an der Druckseite der Laufschaufel 10 in Strömungsmittelverbindung mit einem Verteilerteil I¹I (manifold), der als Vertiefung in dem Kern 12 enthalten ist und enden an diesem Teil. An der Saugseite der Laufschaufel stehen die Kühlkanäle 13 in Strömungsmittelverbindung mit einem ähnlichen Verteilersystem und enden an diesem (nicht gezeigt), welches vertieft in den Kern eingearbeitet ist. Nahe der Austrittskante der Laufschaufel 10 verbindet eine nicht gezeigte Kreuzleitung das Verteilerteil an der Saugseite mit dem Verteilerteil 14.

Die erforderliche Kühlung im offenen Kreislauf von dem Verteiler 14 und dem Verteiler auf der Saugseite wird gewährleistet durch das Vorhandensein der Öffnung 16, welche, wie gezeigt, das Austreten der erhitzten Kühlflüssigkeit aus dem Verteiler 14 an der Austrittskante der Laufschaufel 10 gestattet. Ein ringförmiger Sammelschlitz 17, der in dem Gehäuse 18 ausgebildet ist, nimmt die durch Zentrifugalkraft gerichtete ausgestoßene Flüssigkeit für einen erneuten Kreislauf oder für das Ablassen auf.

Das Wurzelende des Kerns 11 besteht aus einer Anzahl von fingerähnlichen Vorsprüngen oder Zinken 19 mit unterschiedlicher Länge, Diese Vorsprünge 19 können, wie gezeigt, ein allgeaein rechteckiges Profil besitzen oder können nach ihrem körperfernen Ende zu so verjüngt sein, daß sie ein dreieeiförmiges Profil besitzen. In den Rand 21 der Turbinenscheibe 22 sind Nuten 23 eingearbeitet, welche eine verschiedene Tiefe aufweisen und deren Breiten den verschiedenen Längen und Breiten der Zinken 19 der Lauf-

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schaufel so entsprechen, daß die Zinken 19 sich eng ineinandergreifend in die Nuten 23 einfügen. Dreieckförraig gestaltete Profile der Laufschaufe!zinken 19 ergeben eine verbesserte Belastungsverteilung an den tjbergangsbereichen zwischen den Zinken 19 und den Nuten 23 bezüglich der Schubkräfte und der Spannungskräfte. Zu leichteren Herstellung werden jedoch rechteckige Profile bevorzugt.

Wenn die richtige Einpassung erreicht ist, wird eine geeignete Menge von Hartlotlegierung in jede Nut 23 eingegeben und die Laufschaufeln werden eingesetzt und durch eine Vorrichtung in I

ihrer festgelegten Lage gehalten. Dabei wird durch die Vorrichtung eine solche Vorspannung aufgegeben, daß unabhängig von Wärmeaus dehnung ein enger Sitz zwischen den Zinken 19 und den Nuten 23 aufrechterhalten bleibt. Es können konventionelle Hartlotlegierungen mit Schmelzpunkten im Bereich von 700 bis 1100 ⁰C verwendet werden. Ebenso können auch einzelne Metalle, beispielsweise Kupfer, verwendet werden.

Anschließend wird die Anordnung (d.h. der Rand mit allen richtig angebrachten Laufschaufeln) in einem Ofen hart-verlötet zur Herstellung einer integralen Struktur.

Für die Haut 11 und für den Kern 12 können Stahllegierungen verwendet werden und bevorzugt sind Legierungen, die mindestens 12 Gew.* Chrom zwecks guter Korrosionsbeständigkeit enthalten und zur Erzielung hoher Festigkeit einer Wärmebehandlung unterzogen werden können.

Das Einschneiden der Nuten 2 3 in den Rand 21 ergibt nicht nur die erforderliche Ausgestaltung zur Befestigung der Laufschaufelwurzel und verringert das Gewicht des Randes. Zusätzlich dazu ergeben die Rippen 2k zwischen den Nuten 23 an ihren oberen Oberflächen einen Bereich, an dem Präz_isionsfeinguß-Plattformelemente 26 befestigt werden können, in denen Kühlkanäle 27 und 28 ausgebildet sind. Die Plattformtelernente 26 können

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auch durch andere Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Prägen. Die Kühlkanäle 27 sind gegenüberstehend den Nuten 23 und die Kühlkanäle 28 verbinden die Kühlkanäle 27 untereinander, wie gezeigt. Die Trennwände 29 zwischen den Kühlkanälen 27 sind so bemessen, daß sie mit der Breite der gegenüberstehenden Rippen 24 übereinstimmen.

Der verbesserte Aufbau zur Dosierung des flüssigen Kühlungsmittels wird bei der Vorbereitung der Plattformelemente 26 geschaffen. Dazu wird jede Kantenrippe 31 genau auf den Radius des äußeren Durchmessers der Rippen 24 geschliffen, wodurch man eine zylindrische Oberfläche erzeugt,deren Elemente sich in radialer Richtung erstrecken und welche in ihrem Verlauf den Laufschaufeln 10 an jeder Seite benachbart zu den Kühlkanälen 13 folgen. Wie nachstehend noch im einzelnen erörtert, müssen alle Teile der zylindrischen Oberflächen, die Kühlmittel von einem gemeinsamen Verteilerweg erhalten, genau in gleichem Abstand von der Drehachse lokalisiert sein. Beim Betrieb erfüllen diese Randrippen 31 die Punktion von überfallteilen oder Überläufen, über die sich die Kühlflüssigkeit gleichförmig in die Laufs chaufe lkühlkanäle 13 jeder Laufschaufel verteilen kann. Die Rippen 24 sind jeweils mit Entlastungseinschnitten 24a versehen, um einen freien Zuflußweg für das Kühlmittel zu gewährleisten längs der Länge der Rippen 31 zu den Nuten 13a, welche in die Kanäle 13 führen.

Die Plattformelernente 26 werden an dem Rotorrand durch Elektronenstrahlverschweißung der Trennwände 29 mit den Rippen 24 befestigt, nachdem zuvor die körperferne Fläche jeder Wand 29 auf den gemeinsamen Radius des äußeren Durehmessers der Rippen 24 geschliffen wurde.

Obwohl die hier gezeigte Plattformkonstruktion aus -einzelnen Plattformelementen besteht, die getrennt von den Laufschaufeln und getrennt voneinander vorgerichtet wurden, sind auch-andere Konstruktionen in gleicher Weise brauchbar* Beispielsweise

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können die Plattformkomponenten integral mit jeder Laufschaufel hergestellt werden, oder es kann eine einzige kontinuierliche Plattform mit Bohrungen zur Aufnahme der Laufschaufeln 10 verwendet werden. In jedem Falle werden die überfallflächen zur Verteilung des Kühlmittels zu den Laufschaufeln 10 als Teil der Plattformkonstruktion ausgebildet, welche benachbart zu jeder Seite jeder Laufschaufel 10 liegt.

Da die Eintrittskante der Laufschaufel 10 dem höchsten Wärmestrom ausgesetzt ist, wird sie auf eine direktere Weise (nicht über den Überfall 31) mit flüssigem Kühlmittel versorgt. Die %

Art und Weise, in der dieses flüssige Kühlmittel zugeführt wird, wird nachstehend im einzelnen erörtert.

Wie in den vorerwähnten Patentschriften beschrieben, wird die Kühlflüssigkeit (gewöhnlicherweise Wasser) unter niedrigem Druck in einer allgemein radial nach außen weisenden Richtung aus Düsen ausgesprüht und trifft auf die Scheibe 22 auf. Die Düsen sind nicht gezeigt, sie sind jedoch vorzugsweise zu beiden Seiten der Scheibe 22 angeordnet. Das Kühlmittel bewegt sich daraufhin in Laufrinnen 32, 32a, die teilweise durch nach unten sich erstreckende LippenteiDe 33, 33a definiert sind. Die Kühlflüssigkeit sammelt sich in den Laufrinnen 32, 32a an (sie kühlt g dabei die Randteile, mit denen sie in Berührung kommt) und wird dort so lange gehalten, bis diese Flüssigkeit auf die gerade bestehende Geschwindigkeit des Scheibenrandes beschleunigt ist.

Nachdem die Flüssigkeit in den Laufrinnen 32, 32a auf diese Weise beschleunigt ist» fließt sie kontinuierlich von den Laufrinnen 32, 32a ab und geht radial nach außen durch die Bohrungen 34, 34a, wobei die Bohrungen 34 in Strömungsmittelverbindung mit den bei den äußeren Nuten 23 (Fig. 2 und 4) in dem Bereich zwischen den Laufschaufeln 10 stehen. Wie in Fig. 4 gezeigt, stehen bestimmte Bohrungen 34a unmittelbar in Verbindung mit dem Kühlkanal, welcher sich an der Eintrittskante jeder Laufschaufel 10 befindet. Daher geht ein Teil des flüssi-

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gen KühlungsmitteIs an den Überfällen 31 vorbei und wird unmittelbar an die Eintrittskanten der Laufschaufeln 10 abgegeben, während das übrige Kühlmittel in die äußeren Nuten 23 eingebracht wird, von denen aus es über die Kühlkanäle 2 8 zu den Kühlkanälen 27 verteilt wird. Während das Kühlmittel über all diese Oberflächen der Plattformelemente 26 hinweggeht, werden diese Elemente kühl gehalten. Danach läuft das Kühlmittel über die körperfernen Oberflächen der Kantenrippen 31 in dünnen Schichten (sheets) in das radiale innere Ende der Kühlkanäle für die Nuten 13a in benachbarten Laufschaufeln 10 und von dort in und durch die Turbinenlaufschaufeln.

Es ist ein kritischer Gesichtspunkt, daß die Teile der Laufrinnen 32, 32a, die die Bohrungen 34, 3¹Ia als Auslaß haben, mit sehr engen Toleranzen bearbeitet werden, um zu gewährleisten, daß sie gleichen Abstand von dem Drehpunkt besitzen. Dadurch wird die Kühlmittelverteilung zu den Bohrungen 34, 34a im wesentlichen gleich sein. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, liefert ein Satz von sechs Bohrungen 34 das Kühlmittel für die Kühlkanäle in der Saugseite einer Laufschaufel und in der angrenzenden Druckseite der nächsten Laufschaufel. Daher muß das Paar von Kantenrippen 31» das Kühlmittel aus einer solchen gemeinsamen Quelle von Bohrungen erhält (unabhängig davon, ob diese, wie hier gezeigt, im gleichen Plattformelement ausgebildet sind oder nicht), solche überfallflächen aufweisen, die an allen Punkten der Länge gleichen Abstand vom Drehmittelpunkt haben, um eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels zu gewährleisten.

Mit der Bewegung der Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle 13 irgendeiner bestimmten Laufschaufel 10 wird ein großer Teil (oder praktisch die gesamte Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von der Zuflußgeschwindigkeit) in den gasförmigen oder dampfförmigen Zustand umgewandelt, wenn sie Wärme von der Haut 11 und dem Kern 12 der Laufschaufel 10 aufnimmt. An den äußeren Enden der Kühlkanäle 13 gehen der Dampf oder das Gas undjirgendwelches verbleibendes flüssiges Kühlmittel in das Verteilersystem 14 und

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das Verteilersystem an der Saugfläche. Danach wird die Strömung von dem Saugverteilersystem vereinigt mit der Strömung in dem Verteilersystem 14, tritt über die öffnung 16 aus in die Sammelnut 17 zur Vervollständigung des offenen Kreislaufs des Kühlweges.

In der dargestellten und beschriebenen Konstruktion sind die Überfälle (genau lokalisierte zylindrische Oberflächen), von denen einer in dem bestimmten Verteilungsweg für das flüssige Kühlmittel angeordnet ist, der zu jeder Seite jeder Turbinenlaufschaufel führt, auf den Radius des äußeren Durchmessers ™

der Rippen 24 geschliffen. Es kann jedoch gewünschtenfalls auch ein Radius verwendet werden, welcher verschieden ist von dem Radius des äußeren Durchmessers der Rippen 24, solange dabei nur alle Teile der zylindrischen Oberfläche, welche das Kühlmittel von einem gemeinsamen stromaufwärts gelegenen Verteilerpfad erhalten, in gleichem Abstand von der Drehachse angeordnet sind.

Wenn solche Überfälle verwendet werden, die gerade über die Unterseite der Plattformkonstruktion verlaufen, muß jeder Kühlkanal zu einem Ort verlaufen, der dem geraden Überfall benachbart ist, so daß das flüssige Kühlmittel, welches über den ge- f nau geschliffenen zylindrischen Oberflächen des Überfalls hinweggeht, welcher erfLndungsgemäß angeordnet ist, unmittelbar den Kühlkanälen oder ihren Verlängerungen zugeführt wird.

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Claims

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Ansprüche

!.^Gasturbine mit einer Turbinenscheibe, die an einer mit einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle befestigt ist und an deren äußerem Rand Turbinenlaufschaufeln und Plattformeinrichtungen befestigt sind und ein offenes Kühlkreislaufsystem mit Kühlmittelkanälen von der Unterseite der Plattformen zu Kanälen im Innern der Laufschaufeln vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Vielzahl von getrennten zylindrischen Oberflächen aufweist, deren Elemente sich parallel zur Wellenachse erstrecken und jede dieser Oberflächen an der radial inneren Seite der Plattformen (26) ausgebildet ist, wobei eine dieser zylindrischen Oberflächen jeweils in dem bestimmten Verteilungsweg für das flüssige Kühlungsmittel , der zu jeder Seite jeder Turbinenlaufschaufel (10) führt und benachbart zu dem inneren Ende der entsprechenden Kühlkanäle angeordnet ist, und alle Teile der zylindrischen Oberflächen, die Kühlmittel von einem gemeinsamen stromabwärts gelegenen Verteilungsweg erhalten, in einem gleichen Abstand von der Wellenachse angeordnet sind.
2. Gasturbine mit einer Turbinenscheibe, die an einer Welle befestigt ist, welche drehbar in einem Gehäuse gehaltert ist, wobei die Turbinenscheibe sich im wesentlichen senkrecht zur Achse der Welle erstreckt und an ihrem äußeren Rand befestigte Turbinenlaufschaufeln und Platt forme in richtungen besitzt, die Laufschaufeln eine Antriebskraft von einem heißen Antriebsmedium erhalten, das sich in einer allgemein parallel zur Achse der Welle verlaufenden Richtung bewegt und die Antriebskraft auf die Welle über die Turbinenscheibe übertragen wird, Einrichtungen, die radial innen von der Plattform benachbart zu der Turbinenscheibe angebracht sind zur Einführung von flüssigem Kühlmittel im Innern der Turbine in einer radial nach außen verlaufenden Richtung in Strömungsmitte lwege eines offenen Systems, durch welche das Kühl-

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mittel über den Oberflächenbereich des Randes und der Plattformeinrichtungen hinweggeht, in Kühlkanäle in die Laufschaufeln eintritt und von diesen Kanälen in radialer Richtung nach außen tritt, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt: eine Vielzahl von getrennten zylindrischen Oberflächen, deren Elemente parallel zur Wellenachse verlaufen, wobei jede dieser Oberflächen auf der radial innen gelegenen Seite der Plattformeinrichtung (26) ausgebildet ist und eine der zylindrischen Oberflächen in dem bestimmten Verteilungsweg des flüssigen Kühlmittels, der zu jeder Seite jeder Turbinenlaufschaufel (10) ^ führt und benachbart zu dem inneren Ende ihrer Kühlkanäle angeordnet ist und alle Teile dieser zylindrischen Oberflächen, welche Kühlmittel von einem gemeinsam stromabwärts gelegenen Verteilungsweg erhalten, in einem gleichen Abstand von der Wellenachse angeordnet sind.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Paar freiliegender zylindrischer Oberflächen auf einem einzelnen Plattformelement (26) ausgebildet ist, das zwischen einem Paar von Turbinenlaufschaufeln angebracht ist.
4. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zylindrischen Oberflächen in ihrer Lage der Form des Tragflügelprofils der Wurzel der Turbinenlaufschaufel (10) folgen.
5. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Plattformeinrichtung an ihrer Unterseite eine Vielzahl von Nuten zur Förderung der Verteilung des flüssigen Kühlmittels besitzt.

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