DE2345038A1

DE2345038A1 - Vorrichtung zur kuehlung eines rotierenden teils

Info

Publication number: DE2345038A1
Application number: DE19732345038
Authority: DE
Inventors: Albert Jubb
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-09-06
Filing date: 1973-09-06
Publication date: 1974-05-09
Also published as: FR2198538A5; JPS4992416A

Description

PatenianwöJ;» .

Dipl. Ing. C WafInch ⁶· September 1973

DIpI. Ing. G. Koch H 393 -

Dr. T. Halbach
8 München 2

Rolls-Royoe (1971) Limited London / England

Vorrichtung zur ICUhlung eines rotierenden Teils

Die Erfindung bezieht sich auf die Kühlung rotierender TeIIe₄ wie beispielsweise die Turbinenschaufeln und -scheiben eines Gasturbinentriebwerks.

Viele bekannte Systeme zur Kühlung von Turbinenschaufeln schließen die Entnahme von relativ kühler, unter hohem Druck stehender Luft von dem Kompressor des Triebwerks und das Ausströmenlassen dieser Luft durch Kanäle in den Schaufeln in den Triebwerkshauptstrom ein. Das Ausnaß, in dem die Wärme abgeleitet werden kann, ist eine Funktion des Massenflusses der Kühlluft und dieses Ausmaß kann nur durch Vergrößerung der Geschwindigkeit oder der Masse der Luft vergrößert werden. Die Geschwindigkeit ist durch die Größe und Gestalt der Kanäle in den Schaufeln begrenzt und die äußerste Grenze der Masse ist durch den Druck, mit dem die Kühlluft den Schaufeln zugeführt wird, begrenzt.

Erfindungsgemäß sollen diese Einschränkungen durch die Verwendung eines unter hohem Druck stehenden Gases als Kühlmittel beseitigt werden, das sich in einem geschlossenen Kreis durch jede Schaufel oder alle oideren rotierenden Teile bewegt, die zu kühlen sind·

•ζ.

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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Kühlung eines rotierenden Fertigungstells geschaffen, die einen ersten geschlossenen Strömungsweg, der ein unter Druck stehendes Qas enthält und einen zweiten Strömungsweg umfaßt, wobei der erste Strömungsweg das zu kühlende Fertigungsteil und Wärmetauschereinrichtungen einschließt und wobei der zweite Strömungsweg eine KühlmittelVersorgung für den Wärmetauscher einschließt.

Der oder die zu kühlenden Teile, die die Turbinenschaufeln und -scheiben eines Gasturbinentriebwerks sein können, können nahe der Oberfläche dieses Teils ein Netzwerk von Kanälen aufweisen und die Kanäle können mit einem Einlaß- und einem Auslaßrohr verbunden sein.

Das Qas kann ein Gas aus der Gruppe von Gasen sein, die Luft Stickstoff, Sauerstoff, Neon und Helium umfaßt, und das Qas kann auf einen Druck von ungefähr 352kp/cm verdichtet werden, damit sich Oasdichten von 112 kg/ nr ergeben.

Der zweite Strömungsweg kann eine KUhlluftversorgung von dem Kompressorauslaß des Gasturbinentriebwerks und eine Einrlohtung zum Rückführen der verbrauchten Kühlluft zum Kompressor und zum Aus3trömenlassen der verbrauchten Luft durch die Hinterkanten der Kompressorsohaufeln in den Triebwerkshauptstrom ein schließen.

Alternativ kann der zweite Strömungsweg eine Druckluftversorgunf von dem Kompressorauslaß und eine Einrichtung zum Aufladen der / verbrauchten Kühlluft und zum Rückführen der verbrauchten Kühl luft zu dem KompresBorauslaß einschließen.

Bei einer weiteren Anordnung kann der zweite Strömungsweg eine KUhlluftversorgung, die von einer Stufe des Kompressors abge-

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zweigt wird, einschließen, wobei die verbrauchte Kühlluft in die Atmosphäre ausgestoßen wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Uhteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in ler Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Zeichnung neigen:

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform der Kühlvorrichtung Fig. 2 eine schematische Darstellung einer AuBführungsform bei Anv/endung auf die Kühlung einer Gasturbinentriebwerksschaufelj

Pig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 einen schematischen Aufriß einer Ausführungsform einer Gasturbinentriebwerksschaufel, auf die die Erfindung angewandt werden kann;

Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform der Schaufel nach Fig. 4;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren abgeänderten Ausführungsform der Sohaufeln nach den Figg. 4 und 5;

Fig. 7 eine Einzelheit der in Fig. 3 gezeigten Schaufel;

Fig. 8 eine abgeänderte Ausführungsform der Konstruktion der Schaufel nach Fig. 3.

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In Flg. 1 1st ein zu kühlendes Teil 10 gezeigt, das eine Turbinenschaufel oder Scheibe eines Gasturbinentriebwerks sein kann« die mit einem Netzwerk von Kanälen 12 versehen ist, die so nahe wie möglich an der Oberfläche des Teils angeordnet sind.

Die Kanäle 12 sind mit einem Elnlafl- bzw. Auslaßverteilerrohr 14 und 16 verbunden und die Verteilerrohre sind mit einem in geschlossener Schleife geführten Kanal 18, der Druckluft enthält, verbunden. Die Luft kann auf ungefähr 352 kp/cm verdichtet werden, um eina Dichte von 112 kg/iir zu erhalten, und anstelle von Luft kann Stickstoff, Sauerstoff, Neon oder Helium verwendet werden.

Der Kanal 1& ist weiterhin mit einem Wärmetauscher 20 verbunden, der so angeordnet ist, daß er eine KühlmittelVersorgung entlang eines Strömungswegs 22 empfängt. Wenn das zu kühlende Teil eine Turbinenschaufel oder -scheibe ist, ist es am zweckmäßigsten, den Wärmetauscher 16 an der Achse der Turbinenscheibe anzuordnen.

Ist das zu kühlende Teil Teil eines Gasturbinentriebwerks, so 1st das Kühlmittel für den Wärmetauscher zweckmäßigerweise eine Versorgung vor. relativ kühler, unter hohem Druck stehender Luft, die vom Kompressor des Triebwerks entnommen wird und diese Luft kann beispielsweise auf eine von drei Arten zugeführt werden:

(a) Die Kühlluft kann am Kompressorauslaß abgeleitet werden, den Wärmetauscher durchlaufen, zum Kompressor zurückgeführt werden und in den Triebwerkhauptstrom durch die Hinterkante der Kompressorschaufeln zum Ausströmen gebracht werden.

(b) Die Kühlluft kann am Kompressorauslaß abgenommen werden, leicht aufgeladen werden, den Wärmetauscher durchlaufen und zum Kompressorauslaß zurückgeführt werden.

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(c) Die KXIKLlUft kann von einer vorderen Stufe des Kompressors abgeleitet werden, den Wärmetauscher durchlaufen und in die Atmosphäre ausströmen.

In den Pigg· 2 und 3 besteht das zu kühlende Bauteil aus einer Gasturbinentriebworksschaufel 30, die wie gezeigt, an einer Turbinenschaufel 32 befestigt ist. Die Schaufel 30 (siehe Fig. 3) besteht aus einem mittleren Kern 34 und einer dünnen Beplankung 36, in denen eine Anzahl von Kühlkanälen 38, die sich in Spannweitenrichtung erstrecken, ausgebildet sind. Der Kern 34 ergibt die Festigkeit der Schaufel und kann aus irgendeinem geeigneten Hochdruckturbinenrchaufelmaterial hergestellt sein, das nur auf Grund seiner Festigkeit ohne Berücksichtigung der Korrosionsbeständigkeit gewählt werden kann. Die Beplankung 36 besteht aus einem korrosionsbeständigen und sehr gut wärmeleitenden Material mit geringer Festigkeit, die beispielsweise Nimonlc (eingetragenes Warenzeichen) 80 oder 90, das in einfacher Welse in die richtige Stromlinienform ausgeformt werden kann. Hit Thorerde dlspersiertes Nickel kann ebenfalls für die Beplankung verwendet werden. Der Kern 34 ist mit einer Anzahl von Zuführungskanälen 40 für dan Rücklauf und/oder die Zufuhr des Kühlströmungsmlttels für die Schaufel versehen.

In Fig. 2 verläßt das KUhlströmungsmittel einen Kühler 42, der mit einer Scheibe 32 rotiert und wandert entlang eines kalten Zweiges eines Thermosyphons in die Kühlkanäle 38. Das durch die Berührung mit der warmen Oberfläche der Schaufel erwärmte Kühlströmungemittel fließt durch die Rücklaufkanale 4o und in den heißen Zweig ^o des Thermosyphons.

Bei diesem Beispi»;l ist der Wärmeabfuhrkreislauf für den Kühler 42 nicht mit dem Kompressor des Triebwerks verbunden, sondern

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weist selbst die Form eines geschlossenen Kreislaufs auf. Das System besteht aus einer Pumpe 50, die unter hohem Druck stehende Luft durch einen Kreis 52 pumpt, der einen Kühler 42 und Auslaßleitschaufeln 44 einschlieiSt, die in der Nebeinstromkanal eines Gebläse-Ne'oenstromgasturbinentriebwerks angeordnet sind« Die Nebenstromluft kühlt die Leitschaufeln 44 und da dem Nebenstrom Wärme zugeführt wird, vergrößert sich der Triebwerksschub.

Uta den Teraperatu?gradienten entlang der Schaufel auf einem annehmbaren Wert zu halten, können Anordnungen für den Kühlluftstrom in der Schaufel erforderlich sein, wie sie in den Pigg.4 und 5 gezeigt sind.

In Fig. 4, die eine relativ kurze Schaufel darstellt, erstrecken sich alle Kanäle J& fast bis zur Spitze der Schaufel und der Rücklauf führt durch den Kanal 40. Diese Anordnung ist für eine kurze Schaufel geeignet, bei der der Fluß des KUhI strömungsmittel ausreicht, um den Temperaturanstieg entlang der Schaufel auf einem annehmbaren Wert zu halten.

Für eine längere ί chaufel können, wie sie in Fig* 5 gezeigt ist, getrennte Kühlströniungen für verschiedene sich in Spannweltenrichtung erstreckende Teile der Schaufel erforderlich sein. Der innere Teil der Sohaufel kann durch das KUhlströmungsmittel, das durch die Kanäle 38 fließt und durch die Kanäle 40 zurückläuft, gekühlt werden. Der äußere Teil der Schaufel wird durch das Strömungsmittel, das durch die Kanäle 40a in die Kühlkanäle 36a und zurück zum Kühler durch dis Kanäle 40b file"; gekühlt. In Abhängigkeit von der Länge der Schaufel und dem erforderlichen Temperaturgradienten, kann irgendeine Anzahl von Abschnitten der Schaufel mit getrennten Kühlkanälen und getrennten Zufuhr- i:nd Rücklauf kanälen 40 für das Xühlströmungsmittel vorgesehen werden.

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In der Pig· 6 ist die Schaufel in einen Vorderkantenabsohnitt 50, einen Hinterkantenabschnitt 52 und einem Mittelteil 54 unterteilt, der hohl ist und durch übliche Maßnahmen wie beispielsweise duroh die Zufuhr von unter hohem Druck stehender Luft gekühlt wirr. Die Abschnitte 50 und 52 sind in der gleichen Weise aufgetaut wie die in FIg₀ 3 gezeigte Sohaufel. Die Abschnitte 50 bzw. 52 weisen Kernteile 50a bzw. 52a und Beplankungsteile 50b bzw. 52b auf und Jeder Beplankungsteil hat Kühlkanäle 50c bzw. 52c. Jeder Kühlkanal 50c bzw. 52c ist durch Zufuhr- und Rücklaufkanäle mit einem in der Wand dee Mittelteils 54 ausgebildeten Kanal verbunden, Diese Wand bildet die Wärtneübergangsoberflache zur Abführung der Wärme aus dem Kühlstrc'mungnnittel, das Kühlkanäle 50c bzw» 52c durchlaufen hat * Auf c.iese Weise bildet jeder Kühlkanal mit seinen zugehörige.! Verscrgungs- und Rücklaufkanälen um den Kanal in der Wand des Mittelteils einen Thermosyphon der in Fig. 2 gezeigten Art.

In Fig. 7 sind in vergrößertem Maßstab die in der Beplankung 36 ausgebildeten Kühlkanäle 58 dargestellt.

In Fig. 8 ist eine alternative Konstruktion der Schaufel dargestellt, die einen Kern 34 und eine Anzahl von dünnen, an der Oberfläche der Schaufel befestigten Rohre umfaßt, wobei die Spalte zwischen den Rohren durch das Flammspritzen eines korrosionsbeständigen Materials in diese Spalte ausgefüllt werden, um eine glatte Oberfläche zu erzielen. Die Rohre sind mit der Kühlmittelversorgung verbunden und das Kühlströraungsmittel läuft duroh Rücklaufkanäle 40 über (nicht gezeigte) Bohrungen in der Schaufel zurück.

In einem berechneten Beispiel der Erfindung würde, wenn der mittlere Radius der gekühlten Oberfläche eine Iftnfangsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 566 m/s (1200 ft/s) haben würde und wem der Wärmetauscher für dieses Kühlmittel in der

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BAD ORIGINAL

Nähe der Achse der Turbinenscheibe angeordnet wäre« ein Zentrifugaldruok in der Größenordnung von 70,3 kp/om (lOOOlbs/Bq. in.) in den Hochdruckluft-Verbindungsrohren bei 900°K erzeugt werden.

Wenn das Kühlmittel, das die Schaufel verläßt, eine Temperatur-Überhöhung von 100° gegenüber seiner Eingangstemperatur haben würde, so würde sich ein Druckgefälle in der Größenordnung von 7,03 kp/cm (100 .Lbs/sq.in.) zwischen den Einlaß- und Auslaßrohren ergeben, wodurch dieses unter sehr hohem Druck stehende Gas durch den Kühlmittelkreislauf gedrückt würde· Es wird angenommen, daß ungefähr 2/5 dieses Gefälles zur Verfügung stehen, um das Kühlmittel durch die zu kühlende Oberfläche beispielsweise einer Turbinenschaufel zu bewegen, wobei 1/5 für die Wärmeabfuhrausrüstungen in der Nähe der Nabe der Scheibe verwendet werden. Die Summen zeigen dann an, daß ein ausreichender Druckabfall entlang des Netzwerkes der Kühllöcher zw. der Turbinenschaufeln zur Verfügung steht, um sehr hohe Werte der Wärmeabfuhr von innen der Kühllöcher zu erzielen, und durch die Schaufeln wirksam im Vergleich zu der üblichen Luftkühlung zu kühlen.

Die Vorteile dieses beschriebenen Systems liegen darin, daß hohe Werte des Kuhlmittelmassenflusses durch dieses Verfahren erzielt werden können, wobei eine sehr wirksame Wärmeabfuhr von direkt innerhalb der Oberfläche einer Turbinenschaufel ohne große Änderungen der Kühlmitteltemperatur erreicht wird, während es die Schaufel durchläuft und deshalb keine großen Wärmespannungen in der Schaufel auftreten.

Es sei bemerkt, daß die Leistung, die zur Bewegung des Kühlmittels durch den Kreislauf benötigt wird, im Kreis selbst erzeugt wird, da das System eine verkappte Wärrae^Jeraftnasohine ist und daher ergibt sich kein Beweeunsawideraband hierdurch.

Patentansprüche: A09819/0653

Claims

Patentansprüche :

( 1J Vorrichtung zum Kühlen eines rotierenden Teils, g β - ^—'^ kennzeichnet durch einen ersten ein unter Druck stehendes Gas enthaltenden geschlossenen Strömungsweg (18) und einen zweiten Strömungsweg (22), wobei der erste Strömungsweg (18) das zu kühlende Teil (10) und Wärmetauschereinrichtungen (20) einschließt und wobei der zweite Strömungsweg (22) eine KUhlmittelversorgung für die Wärmetauschereinrichtungen (20) einschließt.

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß das Qas aus der Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Neon und Helium umfassenden Gruppe ausgewMhlt 1st.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Teil (10) eine Vielzahl von relativ kleinen Kühlkanälen (12) aufweist, die nahe an der Oberfläche des Teils (10) angeordnet sind, wobei die Kühlkanäle (12) so angeschaltet sind, daß sie eine KUhlströmungsmi ttel Versorgung von den Wärme tausohereinrichtungen (20) empfangen und dieses Kühlstrübungsmittel zu den WKrmetauschereiiirichtungen (20) zurückführen·

4. Vorrichtung nach Anspruoh 1, dadurch gekennzel ch net, daß das zu kühlende Teil einen rotierenden Teil eines Gasturbinentriebwerkes umfaßt.

5. Vorrichtung na3ii Anspruch 4, dadurch ge kennzeich net, öaß dec zweite Strömungsweg eine KühlluftVersorgung

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von dem Triebwerkskompressorauslaß und Einrichtungen zur Rückführung der verbrauchten Kühlluft zum Kompressor und zum Ausströmenlassen der verbrauchten Kühlluft durch die Hinterkanten der Kompressorschaufeln in den Haupt-TriebwerkBstrom einschließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungsweg eine Versorgung von komprimierter Luft von dem Triebwerks-Komprβssorauslafl und Einrichtungen zur Aufladung der gebrauchten Kühlluft und zur Rückführung der verbrauchten Kühlluft an den Kompressorauslaß einschließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungsweg die Zufuhr von Kühlluft einschließt, die von einer Stufe des Triebwerkskompressors abgezapft ist, wobei die verbrauchte Kühlluft in die Atmosphäre ausströmt.

8. Vorrichtuiig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungsw3g ein geschlossener Strömungsweg 1st, der eine Pumpe einschließt, die eine Zuführung von unter hohem Druck stehender Luft durch die Wärmetauachereinrichtuigen und duroh die Auslaß-Leitschaufeln im Nebenstromkanal eines Nebenstrom-Oebläse-Gasturbinentriebwerks ergil

9« Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, d*ß das zu kühlende Teil =ine Turbinenschaufel umfaßt.

10, Vorrichurig nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel aus einem Kernteil (34) und einem Beplankun?steil (36) besteht, daß eine Violzahl von KUhI-

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kanälen (38) zwischen dem Kernteil (3*0 und dem Beplankungsteil (36) angeordnet ist und daß die Kühlkanale (38) so an» geordnet sind., daß sie über in dem Kernteil (34) ausgebildete Kanäle Kühlströmungsmittel von den Wärmetauschereinrichtungen empfangen und an diese zurückführen.

11· Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle in mehrere Kühlkanalsätze unterteilt sind, daß die Kühlkanäle eines Satzes sich teilweise nur entlang der Spannweite der Schaufel erstrecken, während sich die Kühlkanäle in einem anderen Satz lediglich entlang eines weiteren Teils der Spannweite der Schaufel erstrecken und daß die Zufuhr des Kühlströmungsmittels an den anderen Satz von Kühlkanälen über getrennte Zufuhr- und Rücklaufleitungen in dem Kernteil der Schaufel an die Zufuhr- und RUcklaufleitungen erfolgt, die mit dem einen Satz von Kühl- kanälen in Verbindung stehen.

12. Vorrichtung n&ch Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich alle KUhlkanäle im wesentlichen über die gleiche Länge über die Spannweite der Schaufel erstrecken.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, da3 die SohwifM einen mittleren hohlen Teil (54) zum Bnpfang von Kühlluft und Vorder- und Hinterkantenteile (50 bzw· 52 aufweist, daß zumindest einer der Vorder- und Hinterkantenteile (50, bzw. 52) einen Kemteil (50a bzw. 52a) und Beplankungsteile (50b bzw. 52b) au:?weist, wobei Kühlkanäle (50c bzw, 52c) zwischen den Kern- und Beplankungsteilen angeordnet sind, daß Jeder Kühlkanal ein Teil eines geschlossenen Themosyphon-Weges 1st, der Kühlströmungsmittel enthält und einen Zufuhr- und RücklaufkanaiL sowie eine Leitung in der Wand des mittleren Teils (5²O einschließt, und daß die Wand di© WHrmeübergangsoberflache für das Kühlströmungsinittel bildet.

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Vorrichtung nach Anspruch 10« dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle die Form von feinen Bohren aufweisen« die an der Oberfläche des Kernteils befestigt sind.

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