DE2336952C2 - Flüssigkeitsgekühlte Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Gasturbine ist in der DE-OS 58 242 beschrieben.

Die Zufuhr von flüssigem Kühlmittel wird durch die verwendeten extrem hohen Geschwindigkeiten der Laufschaufelspitzen kompliziert, die zu Zentrifugalkraftfeldern in der Größenordnung von 250 000 g führen. Idealerweise würde die Flüssigkeitsströmung in jeden Kühlkanal zu der Wärmemenge in Beziehung gesetzt, die auf den gegebenen Kanal übertragen werden soll. Da die Kühlflüssigkeit in den Kühlkanälen durch Überlaufwände verteilt wird, würden Verbesserungen höchst erstrebenswert sein, die die Überlaufströmung wenigstens angenähert als eine Funktion des gasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten vorhersagbar und gesteuert verteilen könnten. Überdies ist bei der bekannten Gasturbine nachteilig, daß neue Kühlflüssigkeit gegen den Spiegel der unterhalb der Plattformen angesammelten Kühlflüssigkeit gespritzt wird, wodurch die Kontinuität der Kühlflüssigkeitsströmung nachteilig beeinflußt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Gasturbine der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine möglichst gleichförmige KOhiflüssigkeitsströmung erhalten wird, deren Kühlvermögen an die unterschiedlichen abzuführenden Wärmemengen angepaßt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile-bestehen insbesondere darin, daß durch die adaptive Kühlflüssigkeitsströmung insgesamt weniger Kühlflüssigkeit erforderlich ist, ohne daß Hitzesteilen auftr?ten, eine Dampfströmung in der zur Kühlflüssigkeitsströmung entgegengesetzten Richtung wird vermieden, es wird eine größere Selektivität der Laufschaufel-Betriebstemperaturen gestattet und es wird ein größerer Ausgleich der Kühlflüssigkeits-Pumpverluste durch Schubverstärkung ermöglicht

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine zusammengefaßte Laufschaufel/Rotorscheibenrandkonstruktion, die die erfindungsgemäßen Mittel enthält, um Flüssigkeit zur Becken/Überlaufstruktur und zu den Leistungsverstärkungsmitteln des allgemeinen Typs zu leiten.

Fig.2 zeigt die gegenseitige Relation zwischen dem Behälter, der Überlaufkonstruktion und den Leitungsmitteln für das flüssige Kühlmittel gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Turbinen-Laufschaufel JO besteht aus einer Metallhaut 11, die mit einem hohlen Kern 12 verbunden ist, der in Schaufelrichtung verlaufende Aussparungen 13a aufweist, die in den Oberflächen des Kernes ausgebildet sind. Die rechtwinkligen Kühlkanäle 13, die durch die Haut 11 und die Aussparungen 13a ausgebildet werden, leiten Kühlflüssigkeit unterhalb der Haut 11 hindurch.-An ihren oberen Enden stehen die rechtwinkligen Kühlkanäle. 13 ar? der Druckseite der Laufschaufel 10 strömungsmäßig mit einem Verteiler 14, der in den Kern 12 eingearbeitet ist, in Verbindung. Auf der Ansaugseite der Laufschaufel 10 stehen die rechtwinkligen Kühlkanäle 13 strömungsmäßig mit einem ähnlichen, nicht gezeigten Verteiler, der in den Kern 12 eingearbeitet ist, in Verbindung und enden an diesem; nahe der Hinterkante der Laufschaufel 10 verbindet eine Überbrückungsleitung den Verteiler auf der Ansaugseite mit dem Verteiler 14 über eine Öffnung 15. Der Kühlmittela:istritt aus dem Verteiler 14 erfolgt durch eine konvergente-divergente Düse 16.

Das Fuß- bzw. Wurzelende des Kernes 11 besteht aus einer Anzahl fingerähnlicher Vorsprünge oder Zinken 19 unterschiedlicher Länge. Diese Vorsprünge 19 können ein im allgemeinen rechtwinkliges Profil darstellen, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, oder jede Zinke kann in Richtung auf ihr entferntes Ende abgeschrägt sein, um ein im allgemeinen dreieckiges Profil darzustellen. Der Rand 21 der Turbinenscheibe 22 weist herausgearbeitete Vertiefungen 23 auf, die sich bis zu verschiedenen Tiefen erstrecken und durch Rippen 24 getrennt sind, wobei die Tiefen und Breiten der Aussparungen 23 den unterschiedlichen Längen und Breiten der Laufschaufelzinken 19 angepaßt sind, so daß diese Zinken 19 fest hinein passen und eine ineinandergreifende Verriegelung bilden.

Das Einschneiden der Vertiefungen 23 in den Rand 21 sorgt nicht nur für die entsprechende Formgebung zur Befestigung der Laufschaufelfüße und verkleinert das

Gewicht des Randes, sondern zusatzlich bilden die Rippen 24 zwischen den Vertiefungen 23 Bereiche auf den oberen Rächen zur Anbringung der mit verlorener Gußform gegossenen Plattformelemente 26, die Mulden

27 zur Aufnahme von flüssigem Kühlmittel bilden. Halterungssegmente 28 · sind so dimensioniert und angeordnet, daß deren Breiten mit den Breiten der Rippen 24 übereinstimmen, wenn sie in Gegenüberstellung angeordnet sind.

Oberlaufgewinde 29 zur Bemessung des flüssigen Kühlmittels sind auf einen gewissen vorgewählten Radius genau geschliffen, beispielsweise auf den Radius des Anfangsradius der Rippen 24, wodurch eine zylindrische Oberfläche (deren Elemente in axialer Richtung verlaufen) gebildet wird, die der Bahn der Laufschaufel 10 auf jeder Sehe neben den Kühlkanälen 13 folgt

Wenn der Radius derjenigen Abschnitte der Rippen 24, die unter den Plattformelementen 26 angeordnet sind, aber nicht tatsächlich an den Halterungssegmenten

28 befestigt sind, unverändert bleiben, können sie die freie Bewegung des flüssigen Kühlmittels in den Flüssigkeitsmulden 27 stören. Um somit eine Störung der Muldenflächen zu vermeiden, sind die Rippen 24 zurückgeschnitten, wie es in Fig.2 gezeigt ist, im Vergleich zum Bogen 30 (der anfänglichen Außenfläche der Ränder 24) und zum Bogen 30a (die zurückgeschnittenen Abschnitte der Ränder 24),

Obwohl der hier beschriebene Plattformaufbau aus einzelnen Plattformelementen besteht, sind andere Konstruktionen in gleicher Weise möglich. Beispielsweise können die Plattformkomponenten einstückig mit jeder Laufschaufel ausgebildet sein. In jedem Fall sind die Oberlaufflächen, die Kühlmittel auf die Laufschaufeln 10 verteilen, als Teil der Plattformkonstruktion ausgebildet, der neben jeder Seite von jeder Laufschaufel 10 angeordnet ist.

Im Betrieb wird eine Kühlflüssigkeit (gewöhnlich Wasser) aus Düsen (die nicht gezeigt sind, aber vorzugsweiser^:jf jeder Seite der Scheibe 22 angeordnet sind) unter niedrigem Druck im allgemeinen radial nach außen gesprüht und trifft auf die Turbinenscheibe 22 auf. Das Kühlmittel bewegt sich auf dieser in Rinnen 32,32a, ' die zum Teil durch die nach unten verlaufenden Lippenabschnitte 33,33a gebildet werden. Die Kühlflüssigkeit wird Jn den Rinnen festgehalten, bis sie auf die jeweilige Scheibenrandgeschwindigkeit beschleunigt worden ist.

Nachdem die Kühlflüssigkeit in den Rinnen 32,32a so beschleunigt worden ist, £H,eßt sie fortlaufend aus den v> Rinnen 32,32a ab und strömt durch Muldeneinlaßkanäle 34 radial nach außen, wobei jede Flüssigkeitsmulde 27 (eine für jedes Plattformelement 26) flüssiges Kühlmittel von wenigstens zwei Kanälen 34 erhält.

Eine alternative Anordnung (nicht gezeigt) zur Leitung von flüssigem Kühlmittel von den Rinnen 32, 32a zu den Flüssigkeitsmulden 27 würde darin bestehen, aaß interne Durchlaßkanäle, die in praktisch radialer Richtung verlaufen, durch die Außenwände des Randes 21 und der Plattformkasten 26a gebildet werden, wobei jeder Durchlaßkanal strömlingsmäßig mit einer Rinne und einer Flüssigkeitsmulde in Verbindung steht. Der Eintritt in die Flüssigkeitsmulde würde radial außen von den Überlaufflächen 29 hergestellt werden.

Da das Kühlmittel in jeder Flüssigkeitsmulde 27 über die Oberflächen der Plattformelemente 26 strömt, werden diese Elemente Mit gehalten. Anschließend fließt das Kühlmittel über die Überlaufwände 29 und dann in das radial innen gelegene Ende der Kühlkanäle 13 (über die Aussparungen 13a^ in benachbarten Laufschaufeln 10.

Wenn die Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle 13 von irgendeiner gegebenen Laufschaufel 10 radial nach außen fließt, wird in Abhängigkeit von

(a) der Geschwindigkeit, mit der Kühlmittel zugeführt wird,

(b) der gewünschten Betriebstemperatur der Laufschaufel,

(c) der Fläche des Halses der Düse 16 und

(d) dem Ausmaß der Reibungserhitzung des Kühlmittels innerhalb des Verteilungskreises

ein gewisser Teil des flüssigen Kühlmittels in den gasförmigen oder Dampfzustand umgewandelt, wenn es Wärme von der Haut 11 und dem Kem 12 der Laufschaufel absorbiert. An den äußeren Enden der Kühlkanäle 13 strömt der Dampf od<*>- das Gas und irgendwelches restliches flüssiges Kühlmittel in den Verteiler 14 und den Verteiler an der Saugfläche.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Charakteristiken der Strömung in den Flüssigkeitsmulden 27 und der Zustand der Oberfläche der darin befindlichen Flüssigkeit stark die Genauigkeit beeinflussen, mit der die Zumessung der Kühlmittelströmung zu den Aussparungen 13a herbeigeführt werden kann. Die Strömungscharakteristiken in den Flüssigkeitsmulden und der Oberflächenzustand der Kühlflüssigkeit sind selbstverständlich stark beeinflußt durch die Eintrittsgeschwindigkeit des flüssigen Kühlmittels in die Flüssigkeitsmulde, die Richtung und Geschwindigkeit der eintretenden Flüssigkeit und die Art des Eintrittes derselben.

Somit sollte die in die Flüssigkeitsmulde 27 eintretende Flüssigkeit sich selbst darin mit gleichförmiger konstanter niedriger Geschwindigkeit verteilen, um auf diese Weise nicht die Oberfläche 36 der Flüssigkeit in der Mulde 27 zu stören. Es wurde gefunden, daß die Leistungsfähigkeit der Bemessungsfunktion dadurch stark verbessert werden kann, daß das flüssige Kühlmittel unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche 36 eingeführt wird. Dieser Eintritt wird dadurch.herbeigeführt, daß die Austrittsöffnung 37 von jedem Versorgungskanal 34 radial außen von der Oberfläche 36 angeordnet wird, wobei die Öffnung 37 im Abstand von der Unterseite des Plattformelementes 26 mittels einer Spitze 38 angeordnet wird, beispielsweise einem vorstehenden Teil der Wand des radialen Kanals 34. Da der Abstand von der Unterseite der Plattform 26 zur Oberfläche 36 um einen endlichen Betrag (beispielsweise etwa 0,02 mm) größer sein muß als der Abstand von der Unterseite der Plattform 26 zur Überlaufwand 29, damit Flüssigkeit über die Überlaufwand 29 fließt, kann die öffnung 37 in radialer Richtung an der gleichen Höhe wie die Oberfläche der Überlaufwand 2S oder an einer gewissen optimalen Stellung radial außen davon angeordnet sein.

Indem nun flüssiges Kühlmittel über den Zufuhrkanal 34 eingeführt wird, der in der gezeigten Weise angeordnet ist, spritzt diese eintretende Flüssigkeit nicht in die Mulde 27, sondern tritt ruhig und sachte ein, ohne die Oberfläche 36 zu stören. Jede Tendenz der die Rinnen 32, 32a verlassenden Flüssigkeit. Wellen zu bilden oder auf ihrem Weg zur Flüssigkeitsmulde 27 zu spritzen, ist auf die Innenseite der Einlaßkanäle 34 begrenzt. In der Tat ist es von Vorteil, für Unregelmäßigkeiten über der Innenfläche von jedem Kanal 34

(beispielsweise eine mit einem Gewinde versehene Oberfläche) zu sorgen, um die Wirkungen der radialen Beschleunigung auszugleichen, die die Tendenz haben, das Flüssige Kühlmittel über der Hinterkante des liinlaßkanals 34 anzuordnen, wenn es zur Mulde 27 =, strömt.

Eine gleichmäßige ruhige Strömung in der Flüssigkeit, die sich seitlich von der Austrittsöffnung 37 in Richtung auf den Mittelbereich der Mulde 27 bewegt, wird dadurch erreicht, daß sowohl die eintretende Flüssigkeit richtig gelenkt als auch jede Versperrung für diese seitliche Strömung möglichst klein gemacht wird. Diese verbesserten Zustände werden durch richtige Auswahl der Größe und Form der Einlaßkanalspitzen 38, durch Anordnen jeder Spitze 38 um die Mittelachse des π Kanals 34 in einer optimalen Stellung und durch Verwenden der minimalen Anzahl von Unterstützungsrippen 28 erreicht, wobei jede Rippe 28 eine minimale Länge aufweist. Diese uniersiüizuiigsrippen sorgen für eine Verbindung zwischen jedem Plattformelement 26 :o und den damit fluchtenden Rippen 24.

Anstatt getrennte Halterungsvorsprünge 28 zu verwenden, die mit gewissen Rippen 24 ausgerichtet sein sollen, kann jedes Plattformelement mit einem einzelnen Unterstützungsvorsprung versehen sein, der r, auf der Unterseite ausgebildet ist und im allgemeinen quer zu den Rippen 24 verläuft, um an diesen befestigt zu werden. Durch richtige Auswahl der Form dieses Vorsprunges kann eine optimale Muldengeometrie für eine Verteilung der Überlaufströmung erreicht werden, jo

Die Anordnung der Spitzen um die Mittelachsen der Einlaßkanäle 34 herum, mit denen sie verbunden sind, erfolgt so, daß die eintretende Flüssigkeit in der Weise gerichtet wird, daß eine bevorzugte Strömung in einer gesteuerten Art herbeigeführt wird, d. h. an gewissen Überlaufstellen. Somit wird in der gezeigten Anordnung die seitliche Strömung der mit einer niedrigen Geschwindigkeit eintretenden Flüssigkeit angeregt, für das gewünschte Tiefenprofil über der Ausdehnung der Mulde 27 zu sorgen. Bei dem gezeigten Zusammenspiel w wird die Strömung an spezifischen Überlaufstellen, beispielsweise neben der druckseitigen Vorderkante oder neben der druckseitigen Hinterkante der Laufschaufel 10, erhöht, um größere Kühlkapazität zu kompensieren, die über diesen spezifischen Oberflä- 4; chenbereichen der Turbinen-Laufschaufel erforderlich ist

Vorzugsweise sind die Einlaßkanäle 34 derart angeordnet, daß ihre Achsen in radialer Richtung verlaufen, so daß die Anfangsgeschwindigkeit der eintretenden KCiilmittelströmung senkrecht zum Boden der Flüssigkeitsmulde verläuft. Wenn jedoch ein zusätzlicher Richtungseffekt erforderlich ist, kann dieser durch Einführung einer leichten (etwa 20°) Neigung der Achsen der Kanäle 34 zur Radialrichtung erhalten werden. Die Spitzenhalterung braucht nicht aus einem einzigen Stück zu sein, wie es hier gezeigt ist, sondern kann auf Wunsch die Form zahlreicher beabstandeter Spitzenverlängerungen haben.

Die erforderliche Leistung, um das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreis zu pumpen, kann teilweise dadurch reduziert werden, daß die Strömungsmenge des verwendeten flüssigen Kühlmittels verkleinert wird.

Dies wiederum führt zur Verdampfung von einem Teil oder der gesamten Kühlflüssigkeit. Im allgemeinen ist das Volumen des so erzeugten Dampfes um Größenordnungen größer als das Volumen der Flüssigkeit, die sich tatsächlich in den Kühlkaniilen befindet, und die Dampfgeschwindigkeiten in den Kühlkanälen sind sehr hoch. Unglücklicherweise können diese Dampfströmungen die Kiihlflüssigkeitsströmungen nachteilig beeinflussen. Insbesondere verlangsamt jede Dampfströmung in einer Richtung, die zur Verteilungsrichtung der Flüssigkeitsströmung entgegengesetzt ist, die erforderliche Übertragung des flüssigen Kühlmittels. Falls dies auftritt, wird die Dicke des Flüssigkeitsfilms in den Kühlkanälen vergrößert, und der hohe konvektive Wärmeübertragungskoeffizient auf die Laufschaufeln wird verkleinert. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung dagegen wird durch die Anordnung von jedem Einlaßkanalende 37 unterhalb der r'üssigke-iisober'iäche 35 in der Mulde 27 eine Dampfströmung in stromaufwärtiger Richtung im Kühlkreis verhindert, während die stromabwärtige Kühlflüssigkeitsströmung beibehalten ist.

Die vorstehend erläuterte Verdampfung des Kühlmittels erhöht den Druck in den Kühlmittelkanälen 13, und dieses wiederum erhöht den Siedepunkt des flüssigen Kühlmittels. Der Druck in den Kühlmittelkanälen 13 steigt auf diese Weise an, bis ein Gleichgewicht zwiscj.jn der Erzeugung von Kühlmitteldampf und dem Austritt von Kühlmitteldampf hergestellt ist. Da ein stromaufwärtiger Austritt des KUhlmitteldampfes durch die Abdichtung der Enden 37 der Einlaßkanäle 34 verhindert ist, wird der Druckairstieg in den Kühlmittelkanälen 13 durch einen Anstieg im Flüssigkeitsspiegel in den Einlaßkanälen 34 ausgeglichen, wie es durch die Strecke Win Fi g. 2 angegeben ist.

Indem ein gewünschtes Gleichgewicht getroffen wird zwischen der Geschwindigkeit, mit der flüssiges Kühlmittel aus der. Flüssigkeitsquelle in die Rinnen 32, 32a eingeführt wird, dem Übergang von Wärme auf die Laufschaufeln 10 und der Fläche des Halses von jeder Düse 16, wird ein Zustand der Selbstregulierung herbeigeführt, durch die die Strecke //beibehalten wird. Das restliche Volumen von jedem Einlaßkanal 34 (radial innen von dem Flüssigkeitsspiegel) besteht im wesentlichen aus Luft, heißem Gas und/oder Dampf. In die Einlaßkanäle 34 in dem rotierenden System eintretendes flüssiges Kühlmittel verteilt sich selbst über die Rückwand der Kanäle 34, wenn es das Volumen 39 durchquert, abgesehen von Teilen der Strömung, die die Tendenz haben können, von den Wänden innerhalb der Umgrenzungen der Kanäle 34 wegzuspritzen, insoesondere wenn deren Innenfläche aufgerauht ist, bis die Kühlflüssigkeit den Flüssigkeitsspiegel erreicht.

Die Druckerhöhung im Kühlmittelkreis stromaufwärts von der Düse 16 kann genügend hoch gemacht werden, so daß der Austritt von Dampf durch die Düse 16 hindurch bei Überschallgeschwindigkeit erfolgt, wodurch ein sehr wesentlicher Kraftvektor in einer Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der Schaufeln 10 gebildet wird, der · die Wirkung hat, wenigstens teilweise die Kühlmittel-Pumpverluste wieder zurückzubringen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. FIDssigkeitsgekühlte . Gasturbine mit einer Turbhienscheibe, die auf einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle befestigt ist und an deren äußerem Rand Turbinenlaufschaufeln und Plattformen befestigt sind, und mit einem offenen Flüssigkeitskühlsystem, das radial innen" von den Plattformen in der Turbinenscheibe ausgebildete, nach radial innen offene Rinnen aufweist, die über radiale Kanäle mit auf der Unterseite der Plattformen ausgebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlflüssigkeitskanälen in Verbindung stehen, die zu Kühlkanälen im Innern der Laufschaufeln führen, wobei benachbart zu den radial inneren Eintrittsenden der Laufschaufel-KühlkanäJe die in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlflüssigkeitskanäle durch in- axialer Richtung verlaufende Verteilerkanäle miteinander verbunden sind, die mit .radial nach innen ragenden Oberlaufwänden versehen sind, dadurcfi gekennzeichnet, daßdieAustritisöffnung (37) der radialen Kanäle (34) wenigstens in dem gleichen radialen Abstand radial außen von der Turbinenscheibenachse angeordnet ist wie die radial innere Oberfläche der Überlaufwände (29) und daß die Größe und Lage der Austrittsöffnung (37) an die Kühlungserfordernisse der verschiedenen Plattform- und Laufschaufelabschnitte angepaßt sind.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Kanäle (34) in ihrer Spitze x> (38) gegen '5& Unterseite der Plattformelemente (26) derart abgestützt sind, daß die Austrittsöffnung (37) von jedem radialen Kanal (34) radial außen von der Oberfläche (36) der fei Flüssigkeitsmulden (27) befindlichen Kühlflüssigkeit angeordnet ist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche von jedem radialen Kanal (34) Unregelmäßigkeiten aufweist zum Ausgleich der Einflüsse der radialen Beschleunigung der Kühlflüssigkeit.