DE2158242C3 - Flüssigkeitsgekühlte Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die US-Patentschriften 34 46 481 und 34 46 482 beschreiben bereits eine Flüssigkeitskühlung mit einem offenen Kühlkreislauf, die insbesondere für eine Erhöhung der Turbineneinlaßtemperatur bis zu einem bestimmten Bereich von etwa 1380°C bis mindestens 1930⁰C wichtig ist. wodurch man eine Steigerung der Ausgangsleistung im Bereich von 100 bis 200% und eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades bis zu ^c0% erhält. Solche Turbinenanordnungen m.i Flüssigkeitskühlung und offenem Kühlkreislauf werden als Gastur binen mit »ultra-hohem Temperaturbereich« bezeichnet.

Bei solchen Turbinen ist der Wärmestrom zu den Laufschaufeln so hoch, daß sehr viele Kühlkanäle in jeder Laufschaufel vorgesehen sein müssen, um eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die Laufschaufeloberfläche zu erreichen. Die Kanäle für eine kleine Turbine besitzen üblicherweise Abmessungen von etwa 0,5 bis 0,52 mm und Mittenabstände von etwa 1,3 bis 1.8 mm über verschiedenen Oberflächenbereichen der Laufschaufel, wobei eine Laufschaufel insgesamt etwa 50 Kühlkanäle aufweist Ein vollständiger Turbinenrotor kann bis zu 100 Laufschaufeln aufweisen, d, h. es ist eine Gesamtzahl von etwa 5000 Kanälen vorhanden, die jeweils eine genau abgemessene Kühlflüssigkeitsmenge erhalten müssen. Außerdem ist es bei Gasturbinen für ultra-hohe Temperatur erwünscht, extrem hohe Geschwindigkeiten üer Laufschaufelspitzen zu verwenden (beispielsweise etwa 450 bis 610 m/sec), um große Energiemengen pro Turbinenstufe zu entnehmen. Diese hohen Geschwindigkeiten komplizieren weiterhin das Problem der bemessenen oder dosierten Zuführung des Kühlmittels. Die Zentrifugalkraft beträgt dabei bis etwa 250 000 g. Unter diesen is Bedingungen entspricht selbst eine geringe Differenz des Wasserstandes von lediglich etwa 0,025 mm einer Wassersäule (statischer Druck) von etwa 6 ei bei der normalen Erdbeschleunigung von 1 g. Daher führen selbst geringfügige Ungenauigkeiten in einem bestimmten Teil eines Dosierungssystems, das von einer einzigen Kühlmittelquelle gespeist wird, zu großen Unterschieden in dem Zufluß in diesem Teil. Deshalb ist es bei bekannten Gasturbinen nachteilig, daß zwar in Umfangsrichtung für eine gleichmäßige Verteilung gesorgt wird, aber in axialer Richtung Ungleichmäßigkeiten entstehen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer flüssigkeitsgekühlten Gasturbine durch einfache Mittel sicherzustellen, daß auf der radialen Innenseite der Plattformen die von axial gegenüberliegenden Seiten zugeführte Kühlflüssigkeit auch in axialer Richtung gleichmäßig über die Plattformen und somit gleichmäßig auf die Laufschaufel-Kühlkanäle verteilt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbarci Vorteile bestehen

insbesondere darin, daß die Überlaufwände bezüglich der Rotationsachse genau bemessen werden können, so daß ihre stauende Wirkung überall gleich ist. Auf diese Weise wird die Kühlluftflüssigkeit auch in axialer Richtung gleichmäßig verteilt. Durch die verbesserte Gleichförmigkeit der Kühlung wird die Lebensdauer der gesamten Turbinenscheibe verlängert.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine dreidimensionale, teilweise geschnittene Darstellung und zeigt die Beziehungen zwischen den Überlaufwänden als Teil einzelner Plattformelemente und den unteren Enden der Kühlkanäle der benachbarten Turbinenlaufschaufel.

Fig. 2 ist eine axiale Schnittansicht der Laufschaufel und des Randes der Rotorscheibe.
F i g. 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 2.

F i g. 4 ist ein abgesetzter Schnitt längs der Linie 4-4 der F ι g. 3.

Die Laufschaufel 10 besteht aus einer Metallblechhaut 11. die beispielsweise durch Hartlöten an einem durch Präzisionsformguß (ζ. B, Wachsaüsschmelzverfahren) hergestellten hohlen Kern 12 befestigt ist Der Kern 12 enthält darin ausgebildete integrale, in Richtung der Spannweite verlaufenden Nuten 13a. Die durch die Haut 11 und die Nuten 13a definierten 6!> rechteckigen Kühlkanäle 13 leiten die Kühlflüssigkeit in einer gleichmäßigen Tiefe unterhalb diif Haut 11. An ihren oberen Enden enden die rechteckigen Kühlkanäle 13 an der Druckseite der Laufschaufel 10 in einem

Verteiler 14, der als Vertiefung in dem Kern 12 ausgebildet ist An der Saugseite der Laufschaufel enden die Kühlkanäle 13 in einem ähnlichen Verteiler (nicht gezeigt). Nach der Hinterkante der Laufschaufel 10 verbindet eine nicht gezeigte Kreuzleitung die Verteiler an der Saug- bzw. Druckseite.

Die erforderliche Kühlung im offenen Kreislauf von dem Verteile^ 14 auf der Druckseite und dem Verteiler auf der Saugseite wird durch eine öffnung 16 gewährleistet, wo die erhitzte Kühlflüssigkeit aus dem Verteiler 14 an der Hinterkante der Laufschaufel 10 austritt Ein ringförmiger Sammelschlitz 17, der in dem Gehäuse 18 ausgebildet ist nimmt die durch Zentrifugalkraft ausgestoßene Flüssigkeit für einen erneuten Kreislauf oder für eine endgültige Abfuhr auf.

Der Fuß des Kerns 11 besteht aus einer Anzahl von fingerähnlichen Vorsprüngen 19 mit unterschiedlicher Länge. Diese Vorsprünge 19 können, wie gezeigt, ein allgemein rechteckiges Profil besitzen oder können ihrem Ende zu v£Pün^CTt sein, so daß sie ein dreieckförmiges Profil besitzen. In den Pond 21 der Turbinenscheibe 22 sind Nuten 23 eingearbeitet, weiche eine verschiedene Tiefe aufweisen und deren Breiten den verschiedenen Längen und Breiten der Vorsprünge 19 der Laufschaufel so entsprechen, daß die Vorsprünge 19 eng in die Nuten 23 passen. Dreieckförmige Laufschaufelvorsprünge 19 ergeben eine verbesserte Belastungsverteilung an d..i Obergangsbereichen zwischen den Vorsprangen 19 und den Nuten 23 bezüglich der Scher- und Spannungskräfte. Zur leichteren Herstellung werden jedoch rechteckige Profile bevoi zugt

Wenn die richtige Einpassung erreicht ist, wird Hartlotlegierung in jede Nut 23 eingegeben und die Laufschaufeln werden eingesetzt und durch eine Vorrichtung in ihrer Lage gehalten. Dabei wird durch die Vorrichtung eine solche Vorspannung aufgegeben, daß unabhängig von Wärmeausdehnung ein enger Sitz zwischen Jen Vorsprüngen 19 und den Nuten 23 aufrechterhalten bleibt Es können konventionelle Hartlotlegierungen mit Schmelzpunkten im Bereich von 700 bis 1100°C 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 23 in den Rand 21 ergibt nicht nur die erforderliche Formgebung zur Befestigung der Laufschaufelfüße und verringert das Gewicht des Randes, sondern zusätzlich ergeben die Rippen 24 zwischen den Nuten 23 an ihren oberen Oberflächen einen Bereich, an dem Präzisionsfeinguß-Plattformelemente 26 befestigt werden können, in denen Kühlflüssigkeitskanäle 27 und Verteilerkanäle 28 ausgebildet sind. Die Plattformelemente 26 können auch durch andere Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Prägen. Die Kühlkanäle 27 sind neben den Nuten 23 angeordnet und die Verteilerkanäle 28 verbinden die Kühlkanäle 27 untereinander, wie es in der Zeichnung gezeigt ist. Die Trennwände 29 zwischen den Kühlkanälen 27 sind so bemtissen, daß sie mit der Breite der gegenüberstehenden Rippen 24 übereinstimmen.

Die verbesserte Anordnung zur dosierten Zufuhr des flüssigen Kühlmittels wird bei der Vorbereitung der Plattformelemente 26 geschaffen. Zu diesem Zweck wird jede rippenförmige Überlaufwand 31 genau auf den Radius des äußeren Durchmessers der Rippen 24 geschliffen, wodurch eine zylindrische Oberfläche erzeugt wird, deren Elemente sich in axialer Richtung erstrecken und weiche in ihrem Verlauf den Laufschaufeln 10 an jeder Seite benachbart zu den Kühlkanäien 13 folgen. Wie nachstehend noch im einzelnen erörtert, müssen alle Teile der zylindrischen Oberflächen, die Kühlmittel von einem gemeinsamen Verteilerweg erhalten, genau im gleichen Abstand von der Drehachse angeordnet sein. Im Betrieb verteilen die Überlaufwände 31 die Kühlflüssigkeit gleichförmig auf die Laufschaufelkühlkanäle 13 jeder Laufschaufel. Die Rippen 24 sind jeweils mit Entlastungseinschnitten 24a versehen, um einen freien Zuflußweg für '' is Kühlmittel längs der Länge der Überlaufwände 31 zv den Nuten 13a zu gewährleisten, weiche in die Kühlkanäle 13 führen.

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

Obwohl die hier gezeigte Plattformkonstruktion aus einzelnen Plattformelementen besteht, die getrennt von den Laufschaufeln und getrennt voneinander hergestellt wurden, sind auch andere Konstruktionen in gleicher Weise brauchbar. Beispielsweise können die Plattformkomponenten integral mit jeder Laufschaufel hergestellt werden, oder es kann eine einzige einheitliche Plattform mit Bohrungen zur Aufnahme der Laufschaufel 10 verwendet werden. In jedem Falle werden die Überlaufwände zur Verteilung des Kühlmittels auf die Laufschaufeln 10 als Teil der Plaitformkonstruktion ausgebildet, welche benachbart zu jeder Seite jeder Laufschaufel 10 liegt.

Da die Vorderkante der Laufschaufel 10 dem höchsten Wärmestrom ausgesetzt ist, wird sie auf eine direktere Weise (nicht über die Überlaufwand 31) mit flüssigem Kühlmittel versorgt, wie es nachfolgend näher erläutert wird.

Bekanntlich wird die Kühlflüssigkeit (gewöhnlich Wasser) unter niedrigem Druck in einer allgemein radial nach außen weisender. Richtung aus Düsen angesprüht und prallt auf die Scheibe 22. Die Düsen sind nicht gezeigt, sie sind jedoch vorzugsweise auf beiden Seiten der Scheibe 22 angeordnet. Die Kühlflüssigkeit fließt daraufhin in Laufrinnen 32, 32a, die teilweise durch sich nacn unten erstreckende Lippenteile 33, 33a gebildet sind. Die Kühlflüssigkeit sammelt sich in d?n Laufrinnen 32,32a an (sie kühlt dabei die Randteile, mit denen sie in Berührung kommt) und wird dort so lange gehalten, bis diese Flüssigkeit auf die gerade bestehende Geschwin digkeit des Schei'-enrandes 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 strömt radial nach außen durch die Bohrungen 34, 34a, wobei die Bohrungen 34 mit den beiden äußeren Nuten 23 (F i g. 2 und 4) in dem Bereich zwischen Jen Laufschaufeln 10 in Verbindung stehen. Wie in Fig.4 gezeigt ist, stehen bestimmte Bohrungen 34a unmittelbar in Verbindung mit dem Kühlkanal, v/elcher sich an der Eintrittskante jeder Laufschaufel 10 befindet. Daher geht ein Teil der

Kühlflüssigkeit an den Überlaufwänden 31 vorbei und wird unmittelbar an die Eintrittskanten der Laufschaufeln 10 abgegeben, während das übrige Kühlmittel in die äußeren Nuten 23 eintritt, von denen aus es über die Verteilerkaiiäle 28 auf die Kühlkanäle 27 verteilt wird. Während die Kühlflüssigkeit über all diese Oberflächen der Plattfoirmelemente 26 strömt, werden diese Elemente kühl gehalten. Danach fließt die Kühlflüssigkeit über die entfernten Oberflächen der Übeftaufwände 31 in dünriieii Schichten in das radiale innere Ende der Kühlkanäle 13 für die Nuten 13a in benachbarten Laufschaufeln 10 und von dort in und durch die Turbinenlaufschaufeln.

Es ist wichtig, daß die Teile der Laufrinnen 32,32a, die die Bohrungen 34,34a als Auslaß haben, mit sehr engen Toleranzen bearbeitet werden, um zu gewährleisten, daß sie gleichen Abstand von dem Drehpunkt besitzen. Dadurch ναΐά die Kühlrnittelvsrlsüuri" zu den Bohrungen 34,34a inn wesentlichen gleich sein.

Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, sind sechs Bohrungen 34 für die Kühlflüssigkeitszufuhr für die Kühlkanäle an der Saugseite einer Laufschaufel und der benachbarten Druckseite der nächsten Laufschaufel vorgesehen. Daher muß das Paar von Überlaufwänden 31, die Kühlflüssigkeit aus einer gemeinsamen Quelle von Bohrungen erhalten (unabhängig davon, ob diese, wie hier gezeigt, im gleichen Plattformelement ausgebildet sind oder nidht), Überlaufflächen aufweisen, die an allen Punkten auf der Länge gleichen Abstand vom Drehmittelpunkt haben, um eine gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit 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 strömen der Dampf oder das Gas und irgendwelches verbleibendes flüssiges Kühlmittel in die Verteiler 14 an den Saug-und Druckseifen. Danach wird die Strömung von dem Verteiler der Saugseite vereinigt mit der Strömung in

ίο dem Verteiler 14 der Druckseite, und die vereinigte

Strömung tritt über die Öffnung 16 aus in den Sammelschlitz 17, um den offenen Kreislauf des Kühlweges zu vervollständigen.

In der beschriebenen Anordnung sind die Überlaufwände (genau lokalisierte zylindrische Oberflächen), von denen eine in dem gegebenen Verteilungsweg für die Kühlflüssigkeit angeordnet ist, der zu jeder Seite ιοΗαγ TurHmAnlaiifc^hoiifeI füKft auf /lan OnAttto Aexo

äußeren Durchmessers der Rippen 24 geschliffen. Auf Wunsch kann jedoch auch ein Radius verwendet werden, der sich von dem Radius des äußeren Durchmessers der Rippen 24 unterscheidet, solange dabei alle Teile der zylindrischen Oberfläche, welche die Kühlflüssigkeit von einem gemeinsamen stromaufwärts gelegenen Verteiler erhalten, im gleichen Abstand von der Drehachse angeordnet sind.

Wenn Überlaufwände verwendet werden, die sich gerade über die Unterseite der Plattformkonstruktion erstrecken, muß jeder Kühlkanal bis zu einer Stelle neben der Überlaufwand verlaufen, so daß Kühlflüssigkeit, die über dje genau geschaffenen zylindrischen Oberflächen der Überlaufwand hinwegströmt, unmittelbar den Kühlkanälen oder ihren Verlängerungen zugeführt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. FlOssigkeitsgekühlte Gasturbine mit einer Turbinenscheibe, die auf einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle befestigt ist und an deren äußerem Rand Laufschaufeln und Plattformen befestigt sind und mit einem offenen Flüssigkeitskühlsystem mit auf der Unterseite der Plattformen ausgebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlflüssigkeitskanälen, die zu Kühlkanälen im Innern der Laufschaufeln führen, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu den radial inneren Eintrittsenden der Laufschaufel-Kühlkanäle (13) die in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlflüssigkeitskanäle (27) durch in axialer Richtung verlaufende Verteilerkanäle (28) miteinander verbunden sind, die mit radial nach innen ragenden Oberlaufwänden (31) versehen sind, deren iadial innere OLarflächen im gleichen Abstand zur Weüenachse angeordnet sind.

2. Gasturbine nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß auf einem einzelnen Plattformelement (26), das zwischen zwei Laufschaufeln (10) angebracht ist, zwei Verteilerkanäle (28) mit Überlaufwänden (31) ausgebildet sind.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkanäle (28) mit den Überlaufwänden (31) in ihrem axialen Verlauf der Form des Fußabschnittes des Tragflügelprofils der Laufschaufe¹ (!0) angepaßt sind.

4. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d&ß die Kühirtüssigkditskanäle (27) und die axialen Verteilerkanäle (28) durch in die radial innere Seite der Plattformen (26) eingearbeitete Ni 'en ausgebildet sind.

5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (24), welche die in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlflüssigkeitskanäle (27) voneinander trennen, benachbart zu den Überlaufwänden (31) mit Ausschnitten (24a) versehen sind.