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'tVerfahren zur Verhütung von Korrosionsschäden a.n Scha.ufeln von
Gasturbinen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens" (Die Priorität der
USA-Stamma.nmeldung Seria.l No. 126,059.vom 19.3.1971 wird beansprucht) Bei Gasturbinen
werden im allgemeinen die Brennstoffe zunächst mit Luft gemiecht und in mehreren
Brennkammern, die auf einem zur Turbine konzentrischen Kranz angeordnet sind, verbrannt.
Die heißen Gase strömen dann direkt aus den Brennka.mmern-Ausla.ßöffnungen in die
Turbine und beaufschlagen hier die Turbinenschaufeln.
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Diese Brennstoffe enthalten jedoch meist einen geringen Anteil an
feinkörnigen Verunreinigungen, die während der Verbrennung des Brennstoffes schmelzen
und üblicherweise eine elektrostatische Ladung tragen. Wenn diese geschmolzenen
Partikel nicht auf irgendeine Weise beseitigt werden, schlagen sie gegen die Turbinenschaufeln
und verursachen hier Korrosionserscheinungen. Dabei ist gerade der geschmolzene
Zustand dieser Pa.rtikel gefährlich, da. sie dann a.uf den Turbinenschaufeln festhaften
und im Laufe der Zeit zu Korrosionsschäden führen können. Im festen Zustand verursa.chen
diese Pa.rtikel dagegen nur sehr geringe Schäden, da. sie im a.llgemeinen mit dem
expandierenden Gas weiterfliegen und nicht an den Schaufeln haften bleiben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Einrichtung zu schaffen, die derartige Korrosionsschäden an den Turbinenschaufeln
verhütet.
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Das Verfahren nach der rfinun besteht dabei darin, daß im Bereich
hier AuslaBöffnungen der Brennkammern mindestens eine der charakteristischen Kenngrößen
(Temperatur, Geschwindigkeit,
Strömungsrichtung) der geschmolzenen
Pa.rtikel derart verändert wird, daß geschmolzene Partikel nicht auf die Turbinenschaufeln
treffen. Dabei können die geschmolzenen Partikel mindestens bis auf Erstarrungstemperatur
abgekühlt werden.
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Es ist aber auch möglich, daß diese geschmolzenen Partikel durch Anlegen
eines Magnetfeldes abgelenkt und zur Brennkammerwandung geführt werden.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht erfindungsgemäß
darin, daß in der Nähe der Auslaßöffnungen der Brennkammern die Wandung der Auslaßöffnungen
zumindest teilweise umgebende Kühlvorrichtungen angeordnet sind. Diese Kühlvorrichtung
kann dabei aus einem ringförmigen,innerhalb der auf einem konzentrischen Kreis angeordneten
Brennkammern verlaufenden und an die bogenförmigen Auslaßöffnungen anliegenden Kühlkörper
mit mäanderförmigen, innerhalb der Auslaßöffnungen endenden Kühlkanälen für Kühlluft
bestehen. Es ist aber auch möglich, daß die Kühlvorrichtung aus einem wasserdurchflossenen,
im Abstand von der radial innenliegenden Seite der Auslaßöffnungen verlaufenden
Kühlring besteht und im Ringspalt zwischen Kühlring und der Wandung der Auslaßöffnungen
über Schlitze in die Aualaßöffnungen eintretende Kühlluft geführt ist.
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Zur Erzeugung eines Magnetfeldes dient erfindungsgemäß eine Einrichtung,
bei der in Umfangsrichtung auf beiden Seiten der Auslaßöffnungen Ma.gnete angeordnet
sind. Diese Magnete können aus gleichsinnig durchflossenen Elektromagneten bestehen.
Es können aber auch Permanentma.gnete mit je eine Nordpol auf der einen und einem
Südpol auf der anderen Seite der Auslaßöffnungen vorgesehen sein. Dabei ist es zweckmäßig,
wenn die Magnete so zwischen den Einlaßöffnungen der auf einem Kreis angeordneten
Brennkammern angeordnet sind, daß sich ein geschlossenes, ringförmiges Magnetfeld
durch alle Einlaßöffnungen ergibt.
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Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkunsweise
von
Ausführungsbelsp ielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1
einen Teillängsschnitt durch den oberen Teil einer Gasturbine mit einer Brennkammer
in Seitenansicht; Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch ein Brennkammerende mit einer
im Prinzip da.rgestellten Kühlvorrichtung; Fig. 3 einen entsprechenden Längsschnitt
durch das Brennkammerende mit einer luftgekühlten Kühlvorrichtung; Fig. 4 einen
Teillängsschnitt durch das Brennkammerende mit einer wassergekühlten Kühlvorrichtung;
Fig. 5 einen Teillängsschnitt durch eine Brennkammer mit der Anordnung von Elektroma.gneten
zur Ablenkung der statisch auf geladenen geschmolzenen Partikel; Fig. 6 einen Querschnitt
durch die Einlaßöffnungen entsprechend der Schnittlinie VI-VI nach Fig. 5; Fig.
7 einen Querschnitt in Umfangsrichtung durch die Austrittsöffnungen entsprechend
der Schnittlinie VII-VII nach Fig. 6; Fig. 8 einen Teillängsschnitt durch ein Brennkammerende
mit Permanentmagneten; Fig. 9 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie IX-IX
nach Fig. 8; Fig. 10 eine Aufsicht auf mehrere nebeneinanderliegende Brennkammeraustrittsöffnungen
mit entsprechenden Permanentmagnetpolen und Fig. 11 eine Frontansicht auf die Austrlttsöffnungen
mit dazwischenliegenden Hufeisenmagneten.
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Die Gasturbine besteht, wie aus dem Teillängsschnitt nach Fig. 1 ersichtlich,
in herkömmlicher Weise aus einem Kompressor 12 und der eigentlichen Turbine 14,
wobei der Rotor 15 des Kompressors 12 und Rotor 26 der Turbine 14 über ein Wellenstück
27 miteinander verbunden sind. Konzentrisch zur Welle sind auf einem Kreis mehrere
im Winkel zur Wellenachse geneigte Brennkammern 30 angeordnet, die von dem Kompressor
12 über einen Diffusor 17 mit der Verbrennungsluft und über die Brennstoffeinspritzung
35 mit Brennstoff versorgt werden.
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Eine elektrische Zündeinrichtung 47 ist oberhalb derjeweiligen Brennstoffzuführung
angeordnet. Die Verbrennungsluft strömt dabei aus der Druckkammer 18 über Öffnungen
34 und 49 in den Primärteil 31 und den Sekundärteil 51 der Brennkammern ein. Nach
Verbrennung der Brennstoffe strömen die heißen Gase über ein konisch zulaufendes
Verbindungsrohrstück 52 und die Austrittsöffnungen 53 der Brennkammern direkt zu
den Leitschaufeln 24 und den La.ufscha.ufeln 25 der Turbine und treiben somit die
Turbine an.
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In dem der Brennkammer 30 zugeführten Brennstoff befinden sich üblicherweise
geringe Mengen von feinkörnigen Verunreinigungen, wie insbesondere Salze, die einen
niedrigen Schmelzpunkt haben und daher bei der Verbrennung der Brennstoffe selbst
schmelzen. Um nun zu verhindern, daß diese ge£chmolzenen Partikel auf die Turbinenechaufeln
auftreffen und sich dort festsetzen und zu Korrosionen führen, sollen erfindungsgemäß
diese geschmolzenen Partikel entweder abgekühlt oder durch ein elektrisches Feld
abgelenkt werden, so daß sie zumindest nicht im geschmolzenen Zustand auf die Turbinen-Schaufeln
treffen. Schematisch ist eine derartige Einrichtung 56 zur Kühlung oder AbSenkung
der Partikel in der Nähe der Austrittsöffnungen 53 am Ende der Brennkammern schematisch
eingezeichnet.
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Wie aus Fig. 2 im Prinzip zu ersehen ist, können rund um die Auslaßöffnungen
53 wärmeabsorbierende Körper, vorzugsweise
in Form von Metallblöcken
58, 60, 62 und 64 vorgesehen sein.
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Wie in Fig. 3 und 4 noch näher erläutert wird, können diese Blöcke
mit Luft oder mit Wasser gekühlt werden.
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Nach Fig. 3 besteht der wärmeabsorbierende Körper aus einem Ring 68,
dessen äußerer Umfang dicht an der Innenseite der uberga.ngsrohrstEcke 52 bzw. der
Auslaßöffnungen 53 der Brennkammern 30 anliegt. Dieser Kühlkörper 68 weist im Innern
praktisch einen mäanderförmigen Kühlkanal 76 auf. Dieser Kühlkanal kann dadurch
gebildet werden, daß der Kühlkörper 68 zunächst aus einem U-förmigen Teil 70 gefertigt
ist, das an der inneren Gehäusewand 22 befestigt ist. Ferner ist ein in die Schenkel
des Teils 70 eingreifendes L-förmiges Element 72 vorgesehen, das an der Wandung
des Uberga.ngsrohrstückes 52 befestigt ist. Jedes Einströmrohrstück 53 weist dabei
noch zusätzlich eine Öffnung 74 auf seiner Unterseite auf, durch die die Kühlluft
in das Brennkammerende eintreten kann. Die Kühlluft wird dabei mit vom Kompressor
12 geliefert und strömt aus dem Austrittsdiffusor 17 direkt zum Eintritt des Kühlkanals
76. Von hier aus strömt das ga.sförmige Kühlmittel in das Innere der Auslaßöffnungen
53, wo die Luft als ein Film auf dem Boden dieses Auslasses mit den heißen Brenngasen
zu den Schaufeln 24, 25 der Turbine strömt. Die Kühlluft hält dabei den Kühlkörper
68 auf einer erheblich niedrigeren lemperatur als derder geschmolzenen Partikel,
so daß diese Partikel ihre Wärme an den von dem Kühlkörper umgebenen Wa.ndungsbereich
der Austrittsöffnungen abstrahlen können.
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In Fig. 4 ist eine ähnliche Anordnung mit einem hohlen Kühlkörper
78 gezeigt, dessen Außenumfang jedoch in einem geringen Abstand von der radial innenliegenden
Wandung der Austrittsöffnungen 53 der Brennkammern verläuft. Auch hier sind wieder
Eintrittsschlitze 74 auf der Unterseite der Austrittsöffnungen 53 vorgesehen, so
daß auch hier Kühlluft vom Diffusor 17 durch den Spalt 80 zwischen Kühlkörper 78
und Außenwandung 52 des Brennkammerendes in die Auslaßöffnungen
53
selbst strömen kann. Zur gleichen Zeit wird der Kühlkörper 78 innerhalb seines Kühlkanals
82 von Kühlwasser durchflossen, so daß die benachbarten Wandungsteile der Austrittsöffnungen
53 sicher gekühlt werden.
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Die geschmolzenen Partikel, die im allgemeinen einen Durchmesser von
10 r aufweisen, haben gegenüber dem Gas eine relativ geringe Geschwindigkeit. Dadurch
ist der konvektive Wärmeübergang vom Gas auf die Partikel nur gering. Darüber hinaus
ist die von den Partikeln abzuführende Wärme, um diese geschmolzenen Partikel zu
verfestigen, nur sehr gering, da der Grad der Verunreinigung im allgemeinen nur
klein ist. Dabei müssen die Kühlvorrichtungen so ausgeführt werden, daß der Wärmeübergang
vom Gasstrom selbst auf die wärmeabsorbierenden Körper möglichst klein ist, da eine
Abkühlung des Gases wenig sinnvoll ist. Aus diesem Grunde ist es auch zweckmäßig,
einen Kühlluftiilm durch die Öffnungen 74 in den Bereich der Austrittsöffnungen
53 der Brennkammern einzuführen, wobei dieser Kühlluftfilm mit dazu dient, die Temperatur
der Turbinenschaufeln niedrig zu halten.
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Wenn die Verunreinigungen beispielsweise aus Natrium-Sulfat mit einem
Durchmesser von etwa 10 s bestehen, so kann mathematisch bewiesen werden, daß beispielsweise
bei einer Partikeltemperatur von 9000 a und einer Temperatur der Kühlkörper im an
das Gehäuse 52 angrenzenden Bereich von etwa 2000 C die Länge des Weges, a.uf dem
die Partikel wieder in den festen Zustand übergeführt werden. lediglich etwa 8 cm
beträgt.
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Selbstverständlich wird in den meisten Fällen die Länge der Kühlkörper
etwas länger sein. In allen Fällen, in denen Kühlkörper als wärmeabsorbierende Körper
vorgesehen werden sollen, sollten diese eine Charakteristik haben, die der eines
sogenannten schwarzen Körpers angenähert ist. Das kann durch Aufrauhen der Oberfläche
der Kühlkörper zum Gasstrom hin geschehen oder dadurch, daß die Oberfläche mit einer
Oxidschicht versehen wird.
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In den Fig. 5 bis 7 ist nunmehr ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung
dargestellt, bei dem die Fremdstoffpartikel, die normalerweise eine elektrostatische
Ladung tragen, zur Unterseite des bergangsrohrstückes 84 abgelenkt werden.
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Die Brennkammer selbst ist hier in gleicher Weise wie bei den vorstehend
beschriebenen Beispielen ausgebildet.
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Auf jeder Seite der Auslaßöffnungen 86, die m besten in Fig. 7 zu
sehen ist, ist eine Elektromagnetwicklung 88 mit Anschlüssen 90 vorgesehen, die
an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden kann. Selbstverständlich können in
bestimmten Fällen auch pulsierende oder Wechselspannungsquellen verwendet werden.
Wie die Zeichnung zeigt, werden durch die Wicklungen 88 magnetische Flußlinien erzeugt,
die die Wicklungen 88 umschließen. Da die Wicklungen 88 alle in gleicher Richtung
durchflossen sind, ergibt sich ein geschlossener Magnetfluß konzentriadizur Turbinenachse
durch alle Brennkammerauslässe, wie durch die Pfeile 92 in den Fig. 6 und 7 angedeutet
ist. Die Wandungen der Brennkammernendbereiche und der bogenförmigen Austrittsöffnungen
86 bestehen da.bei aus einem diamagnetischem Material, so daß der magnetische Fluß
durch die Wandungen hindurchtreten kann.
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Wenn die Fremdstoffpa.rtikel elektrosta.tisch a.ufgeladen sind, werden
die Partikel zur Wandung des Übergang,qrohrstückes 84 entsprechend der gestrichelten
Linie 94 in Fig. 5 geführt.
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Nach Fig. 5 werden die Partikel zur Nabe der Turbine. geführt.
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Durch Umkehren der Stromrichtung in den Wicklungen 88 ist es aber
auch möglich, die Partikel radial nach außen zu führen. Wenn die Femdstoffpartikel
jedoch nicht elektrostatisch aufgeladen sind oder keine genügende Ladung aufweisen,
kann ein Ladungsträger 96 durch eine isolierende Durchführung 98 im Gehäuse 87 in
den Bereich des ubergangsrohrstückes 84 der Brennkammer eingeführt werden, um die
erforderliche Ladung auf die Partikel aufzubringen. Als Ladungsquelle kann
jedoch
auch ein Teil des Brennkammergehäuses 85 verwendet werden.
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In den Fig. 8 und 9 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, nach der magnetische Pol stücke 100 und 102, die von einer Wicklung
104 umschlossen sind, angeordnet, so daß ein Polstück einen Nordpol und das andere
Polstück einen Südpol bilden. Durch diese Anordnung wird ein magnetisches Feld 106
zwischen den Polstücken 100 und 102 erzeugt und bewirkt die gleiche Ablenkung wie
bei einer Ausführung na.ch Fig. 7. Die Polstücke 100 und 102 sind dabei mit dem
Gehäuse 87 verbunden, um einen geschlossenen Kreis zu erhalten.
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In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung
dargestellt, wobei die Permanentmagnete 108 jeweils zwischen den Auslaßöffnungen
86 der Übergangarohratücke 84 derart angeordnet sind, daß der Nordpol eines Permanentmagnetes
108 auf der einen Seite der Auslaßöffnung 86 liegt, während der Südpol des darauf
folgenden Magnetpoles auf der anderen Seite desselben Auslasses liegt. Auf diese
Weise wird ein kontinuierlicher Magnetflußweg 110 rund um die Turbine erzeugt, wobei
die Flußlinien durch alle heißen Verbrennungsgase im Übergangsrohrstück 84 verlaufen.
Auch hierbei werden die geschmolzenen Fremdstoffpartikel im rechten Winkel zur Richtung
der Flußlinien abgelenkt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in Fig. 11
dargestellt, wobei Hufeisenmagnete 112 in Kombinatior.
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mit Eisenpolstücken 114 verwendet werden, die ebenfalls zwischen benachbarten
Auslaßöffnungen 86 angeordnet sind. Dadurch ergibt ich wiederum ein Flußweg 116
durch die bogenförmigen Auslaßöffnungen 86, um die aufgeladenen Fremdstoffpartikel
abzulenken und um zu verhüten, daß sie auf die Turbinen schaufeln auftreffen.
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In der Zeichnung sind nur einige Möglichkeiten von Ausführungsbeispielen
nach der Erfindung gezeigt. Es ist aber auch möglich, noch weitere Ausführungsformen
vorzusehen, die im Rahmen der Erfindung liegen und eine Kühlung oder Ablenkung der
geschmolzenen Partikel bewirken.
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10 Patentansprüche 11 Fig.
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P a. t e n t a. n S p r ü c h e ½ Verfahren zur Verhütung von Korrosionsschäden
an Schaufeln von Gasturbinen durch geschmolzene Fremdstoffpartikel in den der Brennkammer
entströmenden heißen Treibgasen, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Auslaßöffnungen
der Brennkammern mindestens eine der charakteristischen Kenngrößen (Temperatur,
Geschwindigkeit, Strömungerichtung) der geschmolzenen Partikel derart verändert
wird, daß geschmolzene Partikel nicht auf die Turbinen schaufeln treffen.
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2. Verfahren na.ch Anspruch 1, da.durch gekennzeichnet, da.ß die geschmolzenen
Partikel mindestens bis auf Erstarrungstemperatur abgekühlt werden.
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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzenen
Partikel durch Anlegen eines Magnetfeldes a.bgelenkt und zur Brennka.mmerwandung
geführt werden.
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4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Auslaßöffnungen (53) der Brennkammern
(30) die Wandung der Ausla.ßöffnungen (53) zumindest teilweise umgebende Kühlvorrichtungen
a.ngeordnet sind.
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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung
aus einem ringförmigen, innerhalb der auf einem konzentrischen Kreise angeordneten
Brennkammern (30) verla.ufenden und a.n die bogenförmigen Auslaßöffnungen (53) anliegenden
Kühlkörper (68) mit mäanderförmigen, innerhalb der Auslaßöffnungen (53) endenden
Kühlkanäle (76) für Kühlluft besteht.
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6. Einrichtung na.ch Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung
aus einem wasserdurchflossenen, im Ab-