DE2414397A1

DE2414397A1 - Kuehlkanalaufbau fuer fluessigkeitsgekuehlte turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE2414397A1
Application number: DE2414397A
Authority: DE
Inventors: Clayton Merrill Grondahl
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-03-28
Filing date: 1974-03-26
Publication date: 1974-10-17
Also published as: FR2223549A1; FR2223549B1; JPS5025914A; GB1470322A; US3849025A; NL7404171A; IT1005870B; CA994245A

Description

Dr. Horst Schüler ²⁵' ^{Mrz 1974 Schu}

Patentanwalt 2679-rd-6oo5

6 Frankfurt/Main 1 2414397

Niddastr. 52

General Electric Company 1 River Road, Schenectady, New York/U.S.A,

Kühlkanalaufbau für flüssigkeitsgekühlte Turbinenschaufeln

Die Erfindung betrifft einen serpentinenförmigen Kühlkanalaufbau für in offenem Kreis flüssigkeitsgekühlte Schaufeln, ,insbesondere einer Gasturbine.

In den US-Patenten 3.446.481 und 3„446-482 sind Strukturanordnungen für eine Flüssigkeitskühlung von Gasturbinenschaufeln in offenem Kreis dargestellt. Die Schaufelkühlung wird mittels einer grossen Anzahl von sich von der Schaufelwurzel bzw. dem Schaufelfuß gegen die Spitze radial erstreckenden Kühlkanälen bewerkstelligt» Anordnungen zum Zumessen des flüssigen Kühlmittels zu jedem dieser Kühlkanäle sind im US-Patent 3.658.439 sowie in der deutschen Patentanmeldung P 23 36 952.0 beschrieben und in beiden Fällen wird zum Zumessen ein sich axial erstreckender überlaufaufbau verwendet.

Die Leistungsfähigkeit einer Flüssigkeitskühlung in offenem Kreis ist besonders wichtig, da hierdurch leicht eine Vergrößerung der Turbineneinlaßtemperatur auf einen Betriebsbereich von ca. 137o°C (25oo°F) bis zumindest etwa 193o°C (35oo°F) möglich ist. Dadurch sind eine Vergrößerung des Leistungsausgangs im Bereich von etwa loo % bis 2oo % und eine Vergrößerung des thermischen Wirkungsgrades bis zu 5o % erzielbar. Derartige im offenen Kreis flüssigkeitsgekühlte Turbinen werden als 'Ultrahochtemperatur'-Gasturbinen bezeichnet.

Ein Zumessen des Flüssigkeitskühlmittels wird durch die esctrem großen verwendeten Schaufelspitzengeschwindigkeiten erschwert, die zu Zentrifugalfeldern in der Größenordnung von 25o.ooo G führen ο Unter derart harten Arbeitsbedingungen können bereits kleine

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Fehler bei der Herstellung des überlaufaufbaues dazu führen, daß sich der Überlauf bzw. der Damm leicht zur Drehachse schrägstellt und eine ungleichförmige Kühlmittelverteilung zu den Kühlkanälen begründet. Auch jede bei großer Geschwindigkeit eingeleitete Verformung der Turbinenscheibe oder des Scheibenkranzes kann zu einem ähnlichen Effekt führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Kühlkanalaufbaus, der unter Vermeidung der genannten Nachteile die Anzahl der Kühlkanäle verringert und einen zweckmäßigeren Betrieb gewährleistet.

Bei einem Kühlkanalaufbau für eine Schaufel zum Befestigen in einem Drehelement einer Maschine, wobei die Flügeloberflächen der Schaufel einer Berührung mit heißem Gas ausgesetzt sind und die Schaufel zumindest einen unter der Oberfläche liegenden Kanal mit offenen Enden für ein Durchleiten eines Kühlmittels aufweist, indem der Kanal den Kühlmittelstrom am radial inneren Ende empfängt und vom radial äußeren Ende in eine sich in Längsrichtung erstreckende Leitung abläßt, die ihrerseits den Kühlmittelstrom aus der Schaufel ausfließen läßt, wird die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch erzielt, daß zumindest ein Kanal einen gewundenen Aufbau aufweist und daß sich der größte Teil einer jeden aufeinanderfolgenden Windung in allgemeiner Längsrichtung erstreckt.

Nach der vorliegenden Erfindung wird somit die Anzahl der Kühlkanäle in einem offenen Flüssigkeitskühlkreis von Schaufeln, insbesondere von Turbinenschaufeln, verringert. Die aufeinanderfolgenden Windungen des zumindest einen Kühlkanals erstrecken sich von der Wurzel bzw. vom Fuß der Schaufel bis zu deren Spitze. Jeder gewundene Kühlkanal steht in unmittelbarer Strömungverbindung über einen Kühlmittelversorgungskanal mit einer am Umfang im Rotorkranz angeordneten Rinne, wodurch Flüssigkeitskühlmittel direkt zu jedem der gewundenen Kühlkanäle gelangt. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlkanal mit serpentinen- oder sinusförmigem Aufbau vorgesehen, der sich über zumindest einen Teil der Schaufelplatte bzw. -plattform erstreckt und in

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Reihe zwischen den Kühlmittelversorgungskanal und einen serpentinenförmigen Kühlkanal im Flügelteil der Schaufel geschaltet ist. Eine gleichförmige Zuführung des Flüssigkeitskühlmittels zum Einlaß eines jeden Kühlmittelversorgungskanals wird sichergestellt, indem die Verteilung der öffnungen (am Rinnenende) dieser Kühlmittelversorgungskanäle gleiche Intervalle am Umfang der Rinne aufweist.

Die Erfindung sowie ihre Ziele und Vorteile werden nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine perspektivische und teilweise aufgeschnittene Ansicht zur Darstellung einer typischen Gesamtanordnung für zumindest einen von Kühlmittelpfaden einer Turbinenschaufel nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - einen Schnitt durch eine Rotorscheibe mit einer Darstellung der Druckseite der Schaufel aus Figur 1 und von Kühlmittelversorgungskanälen für zwei Kühlmittelpfade auf jeder Seite der Schaufel,

Figur 3 - eine Ansicht einer Schaufel ähnlich derjenigen aus Figur 1, jedoch in Anwendung mit einer schwalbenschwanzförmigen Schaufelbefestigung,

Figur 4 - eine Schnittansicht durch eine Rotorscheibe mit einer Ansicht der Druckseite der Schaufel aus Figur 3 zur Darstellung der Kühlmittelversorgungskanäle für zwei Kühlmittelpfade auf jeder Seite der Schaufel,

Figur 5 - eine perspektivische und teilweise aufgeschnittene Ansicht zur Darstellung eines spiralförmigen Aufbaus eines Kühlkanals für eine Turbinenschaufel nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 6 - eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht der in Figur 5 dargestellten Schaufel, wonach jeder Kühlkanal in einer Platte bzw. Plattform in Reihe zwischen einem spiralförmigen Schaufelkühlkanal und dem hierfür bestimmten Kühlmittelversorgungskanal liegt, und

Figur 7 - einen Schnitt durch irgendeinen der Schaufelkühlkanäle, woraus sich ergibt, daß der Kühlmittelpfad unter der

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Schaufelaußenhaut trotz der Krümmung dennoch durchweg ein offenes Hochgeschwindigkeitsströmungssystem darstellt.

Eine Metallhaut 11 sorgt für den Stromlinienaufbau einer Schaufel lo, auf deren Druckseite die Metallhaut 11 abgeschnitten ist. Die Haut 11 ist mit einer Strebe bzw. einem Kern 12 verbunden, in dessen Oberflächen eine Anzahl von serpentinenförmigen Nuten, wie die Nuten 13 und 14, eingearbeitet ist. Diese Nuten winden sich allgemein in Längsrichtung über die Oberflächen, und das gesamte Schaufelkühlmuster erstreckt sich von der Wurzel zur Spitze des Kerns 12. Wie festgestellt werden kann, bilden die sich in Längsrichtung erstreckenden Teile der Nuten 13, 14 bei weitem den größten Anteil der Gesamtlänge dieser Nuten. Die Kühlkanäle oder -durchgänge für die Oberflächen der vervollständigten Schaufel Io werden von der Haut 11 und den Nuten, wie den Nuten 13, 14, begrenzt. Eine ähnliche Anordnung von ein oder mehreren nicht dargestellten Nutenmustern erstreckt sich nach Art einer Serpentine an der Saugseite des Kerns 12. An den radial äußeren Enden stehen die serpentinenförmigen Kühlkanäle (vorzugsweise gemäß Figur 7 rechteckigen Querschnitts) in Strömungsverbindung mit einem im Kern 12 ausgesparten Verteilorl6, wo die Kühlkanäle enden. Eine ähnliche, nicht dargestellte Leitung befindet sich auf der Saugseite. Nahe an der Hinterkante der Schaufeln Io verbindet ein nicht dargestellter Querkanal die Leitung auf der Saugseite mit der Leitung 16 über eine öffnung 16a.

Im US-Patent 3.533.712 sind im Inneren angeordnete, sich radial erstreckende Serpentinenkanäle für das Strömen eines Kühlmittels (Luft) durch eine Turbinenschaufel offenbart. Dort ,wird erkannt, daß sich der Wärmestrom in Längsrichtung der Schaufel stark ändert, während er längs einer Radiallinie im wesentlichen konstant ist. Aus diesem Grunde wurden in einem serpentinenförmigen Aufbau zahlreiche sich radial erstreckende Kanäle miteinander verbunden, deren jeweils konstante Querschnittsfläche sich von der Querschnittsfläche der anderen Kanäle unterscheidet. Eine solche Anordnung ist nicht für eine Flüssigkeitskühlung geeignet. Bei Verwendung derartiger, radial ausgerichteter Serpentinenkanäle für eine Flüssig-

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keitskühlung würden alle Zweige der Serpentinenserien in mit Flüssigkeit gefülltem Zustand verbleiben (mit Ausnahme von Dampfteilen, die entstehen und durch die Flüssigkeit gedrückt werden können). Die Flüssigkeit bewegt sich mit vergleichsweise geringer Geschwindigkeit, mit Ausnahme des letzten Schenkels oder Zweiges des Serpentinenkanals, in dem sich der Kühlmittelstrom radial nach außen bewegt. Die Einschränkung, daß der größte Längenanteil des Serpentinenkanals mit einer Flüssigkeiqsströmung geringer Geschwindigkeit ausgefüllt ist, würde zu einem instabilen Kühlsystem, ferner immer bei Auftreten großer Dampfteile zu einer Isolation zwischen dem flüssigen Kühlmittel und Teilen des Kühlkanals mit dem Ergebnis einer örtlichen Überhitzung und schließlich zu einem Absetzen irgendwelcher Einschlüsse im Kühlmittel führen. Auch die Verwendung eines sehr reinen Kühlmittels stellt nur eine Teillösung dieses Problems dar. Daher ist die genannte Anordnung ungeeignet für eine Flüssigkeitskühlung, obwohl sie eine wirksame Lösung bei einer Luftkühlung darstellt.

Die Verwendung von serpentinenförmigen Kanälen, die unmittelbar (also ohne zwischengeschaltete Zumeß- bzw. Dosiereinrichtung) mit dem der Turbinenscheibe zugeführten Flüssigkeitskühlmittel in Verbindung stehen, stellt deshalb eine undurchführbare Lösung des vorliegenden Problems dar (besonders die Ausschaltung des Zumeßüberlaufs), solange nicht die langen und gewundenen bzw. gekrümmten Kühlmittelpfade als 'offene¹ Kühlmittelpfade betrieben werden können, wenn auf den Kühlmittelstrom eine Zentrifugalkraft sachgemäß einwirkt. Gerade ein solcher Zustand kann aber festgestellt werden, wenn die Windungen des gekrümmten Kühlmittelpfades so angeordnet sind', daß sie sich vorwiegend in der allgemeinen Längsrichtung erstrecken. Diese Erscheinung wird im einzelnen in Verbindung mit der Erörterung von Figur 7 an späterer Stelle erläutert.

Vorzugsweise wird der Kühlmittelablaß des offenen Kreises von der Leitung 16 (und dadurch von der Leitung auf der Saugseite) über eine konvergente-divergente Düse 17 erzielt, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 23 43 639 ο 7 beschrieben ist,

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Der Wurzel- bzw. Fußteil 18 paßt in einen zugehörigen Schlitz im Kranz 19 der Turbinenscheibe und ist damit durch Hartlötung verbunden. Nachdem die Schaufeln Io in den Kranz 19 eingelötet sind, v;erden die Rinnen 21, 22 in den Kranz eingearbeitet.

Für die Haut und den Kern können Stahllegierungen verwendet werden, beispielsweise solche, die zumindest 12 Gewichtsprozent Chrom

bestandig
aufweisen oder korrosions' sind und die zur Erzielung einer großen Festigkeit mit Wärme behandelt werden können. Herkömmliche Lötlegierungen mit Schme
können verwendet werden.

Lötlegierungen mit Schmelzpunkten im Bereich von 7oo bis 12oo C

Wie es bereits für die Serpentinennut 13 dargestellt ist, weist jedes in der Oberfläche des Kerns 12 ausgebildete Serpentinen-Kühlkanalmuster an seinem Wurzelende eine Verbindung (Strömungsverbindung) mit einer Serpentinennut (Nuten 23, 24) auf, die in der Plattenoberfläche des Wurzelteils 18 ausgebildet ist. Diese Kühlkanäle in der Serpentinenplattform bzw. -platte werden von Nuten in Verbindung mit einer Plattenhaut 26 begrenzt, und jeder Kanal dient zur Kühlung eines Teils der Plattenoberfläche.

Das Kühlen der Platte oder Plattform kann durch Verwendung eines einzigen Beckens (oder einer Reihe von miteinander verbundenen Bekken) bewerkstelligt werden, solange ein vorgegebener Beckenraum geeignet gedrosselt ist und in Strömungsverbindung mit einer der Rinnen 21, 22 und mit einem der gekrümmten Kühlkanäle unter der Oberfläche des Flügelteils der Schaufel Io steht. Bei der Ausbildung muß natürlich darauf geachtet werden, daß eine Belastungsübertragung zwischen dem Flügel bzw. der Schaufel und der Wurzel möglich ist.

Das Abschlußende eines jeden Plattformserpentinensegments (wie die Serpentinennuten 23, 24) steht in Strömungsverbindung mit der einen oder anderen Rinne 21, 22 über Kühlmittelversorgüngskanäle, wie die Kanäle 27, 28, 29 und 31. Aus Gründen einer klareren Darstellung wurde kein Versuch unternommen, die Verbindung zwischen den Kanälen 29, 31 (in Figur 2 dargestellt) und die dadurch gespeisten Serpentinenkühlkanäle in der Platte darzustellen, da das

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Prinzip vollständig mit den Kanälen 27 und 28 aufgezeigt ist. Die Ausbildung des Turbinenkranzes, des Schaufelfußes bzw. der Schaufelwurzel und der Rinnen kann selbstverständlich verändert werden, und demzufolge kann sich ein Längenteil der Kanäle 27, 28, 29, 31 durch den Kranzaufbau erstrecken, um zu den Rinnen zu führen. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in Figur 4 dargestellt«

So wird .die Kühlflüssigkeit (gewöhnlich Wasser)_s wie es in den zuvor erwähnten US-Patenten 3 446 481 und 3 446 482 erwähnt ist, bei niedrigem Druck aus nicht dargestellten Düsen radial nach außen gesprüht, wobei die Düsen vorzugsweise auf jeder Seite der Scheibe angeordnet sind. Das Kühlmittel trifft auf die Scheibe 19 auf und bewegt sich in die Rinnen 21, 22 _s die teilweise durch sich nach unten erstreckende und im Rotorkranz 19 gebildete Lippenteile begrenzt werden. Die Kühlflüssigkeit wird in den Rinnen zurückgehalten a bis die Flüssigkeit auf die vorherrschende Scheibenkranzgeschwindigkeit beschleunigt ist.

Nach einer entsprechenden Beschleunigung der Kühlflüssigkeit in den Rinnen 21, 22 fließt die Flüssigkeit aus diesen in einen oder mehrere Strömungspfade in allgemein radialer Richtung nach außen, und zwar über;

a) die Kühlmittelkanäle bzw. -leitungen 27, 28, 29, 31,

b) serpentinenförmige Plattform-Kühlkanäle, beispielsweise die Kühlkanäle, die durch die Nuten bzw. Schlitze 23 und 24 und die Haut 26 gebildet sind,

c) die serpentinenförmigen Kühlkanäle unter den Flügeloberflächen der Schaufel 10, beispielsweise die durch die Schlitze 13, 14 und die Haut 11 gebildeten Kühlkanäle,

d) die sich in Längsrichtung erstreckenden Verteiler, wie die Verteiler 16, und

e) die Düse 17, aus der das erwärmte Kühlmittel (Flüssigkeit und Gas, oder Dampf, Mischung) ausströmt bzw. freigegeben wird.

Eine gleichförmige Kühlmittelversorgung für jeden Kühlmittelversorgungskanal wird sichergestellt, indem die öffnungen von den Rinnen zu den Kühlmittelversorgungskanälen unter gleichen Abständen am Umfang der Rinnen angeordnet werden.

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Die beschriebenen Turbinenschaufeln werden gemäß dem US-Patent 3.678.987 aus Präzisionsformguß hergestellt. Die Schaufelkerne können massiv sein. Jegliche durch den Schaufelfuß verlaufende oder in der Plattenoberfläche des Fußes bzw. der Wurzel ausgeformte und sich unter der Basis des Kernflügelteils erstreckende Kanäle werden durch Einschluß geeignet geformter, laugungsfähiger Keramikkörper (Quarzrohre) in den Wachsgegenbildern gebildet, von denen die keramischen Hohlformen hergestellt werden. Nachdem die Güsse (Schaufelkerne und Wurzeln) mit den in der Oberfläche ausgeformten Kühlnutenmustern hergestellt sind, werden die keramischen Hohlformen entfernt. Danach werden die laugungsfähigen Keramikteile in einem geschmolzenen Salzbad entfernt.

Die Figuren 3 und 4 zeigen die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Schwalbenschwanz-Schaufel 4o, die aus einer Metallhaut 41, einer Strebe bzw. einem Kern 42, einem schwalbenschwanzförmigen Fuß- bzw. Wurzelteil 43 und einer Plattenhaut 44 besteht. Es ist zumindest ein Teil von drei gewundenen Kühlkanalmustern und der größte Teil eines Kühlpfades von der Rinne zur Auslaßdüse dargestellt. Die Schaufeln werden im Kranz 46 durch nicht dargestellte Halteringe oder Haltestifte gehalten.

In Figur 3 sind wie in Figur 1 die lediglich dargestellten Kühlmittelversorgungskanäle (Kanäle 47, 48) diejenigen, die Verbindungen mit den Serpentinen-Nutenmustern der Platte bzw. Plattform herstellen. Natürlich müssen weitere derartige Kühlmittelversorgungskanäle für ein Leiten von flüssigem Kühlmittel zum Serpentinenmuster 49, 51 und zu anderen Mustern (nicht dargestellt) auf der Saugseite des Kerns 42 vorgesehen sein. Wie es in Figur 4 dargestellt ist, müssen die Kühlmittelversorgungskanäle mit Verbindungskanälen im Kranz 46 in Verbindung stehen, um die Rinnen 52, 53 zu erreichen. So arbeiten die Kanäle oder Leitungen 47 und 48 mit den Kanälen 47a und 48a zusammen, um als Kühlmittelversorgungskanäle zu wirken. Ein Paar ähnlicher Versorgungskanäle ist mit der Rinne 53 verbunden, doch sind aus Gründen einer klareren Darstellung die Verbindungen von diesen Versorgungskanälen zu den Plattenkühlmustern nicht dargestellt. Die die Rinnen mit den Kanälen in den Schaufelwurzeln verbindenden Rinnenöffnungen sind für alle

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Schaufeln einer vorgegebenen Rinne unter gleichem Abstand angeordnet, um eine gleichmäßige Zuführung von Kühlmittel sicherzustellen»

Ein weiterer Aufbau für ein gewundenes Kühlmuster nach der vor-

den"

liegenden Erfindung ist inVFiguren 5 und 6 dargestellt. Das Kühlmuster für den Flügelteil der Schaufel 6o stellt in diesem Fall ein Paar spiralförmiger Kanäle 61, 62 dar, die auf dem Niveau der Platte bzw. Plattform mit separaten, serpentinenförmigen Plattformkühlmustern 63, 64 verbunden sind» Die Kanäle SI, 62 führen ihre Kühlmittelf lüs se in einen Verteiler δ 6 für einen Auslaß über eine Düse 67» Die Kühlmuster 63, 64 wurden bei dem dargestellten Aufbau mit separaten Rinnen (nicht dargestellt) über Versorgungsleitungen 68, 69 verbunden» Obwohl ein doppelt spiraliges Kühlmuster dargestellt ist, können auch entx^eder einfach oder mehrfach spiralige Muster verwendet werden»

Die Anzahl der gewundenen Kühlkanalmuster unter den Flügeloberflächen der Schaufeln und die Spanne des Metalls zwischen aufeinanderfolgenden, sich in Längsrichtung erstreckenden Teilen dieser Kanäle an einer gegebenen Schaufelseite können entsprechend einer Anpassung an den Wert der erforderlichen lokalen Wärmeübertragung entworfen werden« So kann ein einziges gewundenes Kühlmittelmuster benutzt werden, um die gesamte Saugseite zu kühlen, während ein ähnliches Kühlkanalmuster zur Kühlung der ganzen Druckseite verwendet wird» Auch kann irgendeine Anzahl von Zonenkühlmustern entworfen werden, wobei zwei, drei oder sogar mehr separate Serpentinenmuster unter einer oder beiden Flügeloberflächen der Schaufel angeordnet sind-

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Kühlkanalmusters und durch die angrenzenden Haut- und Schaufelkernbereiche. Der durch den Buchstaben P zwischen entsprechenden Punkten auf den sich in Längsrichtung erstreckenden Segmenten desselben gewundenen Kühlkanals allgemein angegebene Radialabstand sowie die Dimensionen der Kühlkanäle sind eine Funktion vons

1. dem örtlichen Wärmestrom am Äußeren der Turbinenschaufel Io (der wiederum eine Funktion von der örtlichen Temperatur des

= Io 403L4 2/Ü338

-Io -

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Arbeitsmediums, vom Druck und vom Strömungsfeld ist),

2. der Dicke der Haut,

3. den thermischen Leitfähigkeiten der Haut und der Kernmaterialien,

4. der zulässigen Hautoberflächentemperatur (die ihrerseits von der Dauerfestigkeit des Hautmaterials unter der thermischen Beanspruchung bei Betriebsbedingungen abhängt) und

5. dem Kühlmittel-Wärmeübertragungskoeffizienten, der von den Kühlmittelströmungszuständen und dem thermodynamisehen Zustand (Temperatur, Druck und Enthalpie) des Kühlmittels bestimmt wird.

Ein sehr wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung der gewundenen Muster für die Kühlkanäle, in denen trotz ihrer Krümmungsnatur die Kühlmittelflüssigkeit stets eine freie Oberfläche aufweist (d.h. die Kanäle laufen nicht voll, sie müssen es auch nicht). Der KühlmiLcelpfad ist offen, so daß sich Flüssigkeit' und Dampf frei ohne gegenseitige Störung bewegen können. Die auf das System ausgeübte extrem große Zentrifugalkraft drängt das flüssige Kühlmittel leicht durch die am meisten gekrümmten Querschnittsbereiche der erforderlichen Kanalmuster. In dem in Figur 7 dargestellten Fall an der Saugseite der Schaufel verteilt sich das flüssige Kühlmittel über Oberftächen der Kanäle 71, die am weitesten radial außen und am nächsten an der Druckseite der Schaufel liegen. Daher weist das flüssige Kühlmittel

^die_ Kont lnuijfeilfc/ eine freie Oberfläche auf, und wenn Dampf erzeugt wird, wirdyder Flüssigkeitsstrom nicht unterbrochen. Während zwar die Geschwindigkeit der dünnen Schicht an Kühlmittel gegenüber den Geschwindigkeiten reduziert wird, die bei einer Flüssigkeitsleitung durch radiale Kühlkanäle auftreten würden, so beträgt die Geschwindigkeit jedoch noch ungefähr das 25-fache der Geschwindigkeit desselben flüssigen Kühlmittels, wenn es in Verbindung mit den radial gerichteten Serpentinenkanälen nach dem US-Patent 3.533.712 benutzt wird.

Eine Bestimmung des maximalen Kühlkanalabstandes als Funktion des Wärmestroms ist in der nachfolgenden Tabelle I wiedergegeben. Dabei werden eine Reihe von Bedingungen angenommen/ um die Verwen-

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dung verschiedener Materialien für den Aufbau der Schaufelkerne und Häute zu ermöglichen. Dies.e Annahmen sinds Die thermischen Leitfähigkeiten der Haut und des Kerns betragen etwa 45 BTU ft / hr ft^{2 0}F bzw. etwa 67 kcal m/h m^{2 0}C, Niedrigere Werte der thermischen Leitfähigkeit führen zu einer Abnahme des maximal zulässigen Abstandes. ο Die maximal zulässige Hautoberflächentemperatur der Schaufel muß I4oo F bzw. etwa 76o C betragen, während eine niedrigere Temperaturgrenze zu einer Abnahme des maximal zulässigen Abstandes führt.

3. Die Temperatur des flüssigen Kühlmittels.beträgt loo F bzw.

3 8 C, und eine Vergrößerung dieser Grenze führt zu einer Abnahme des maximal zulässigen Abstandes.

4. Die Hautdicke muß ο,254 mm betragen, und eine Vergrößerung der Dicke der Haut führt zu einer Abnahme des maximal zulässigen Abstandes.

5. Die Kühlkanalabmessungen müssen o,762 mm χ ο,762 mm betragen, und eine Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche führt zu einer Abnahme des Abstandes an den Stellen der Schaufel, an denen' das Kühlproblem besonders groß ist (Kühlmittelfilm nicht in Kontakt mit der Haut).

6. Das flüssige Kühlmittel befindet sich im Kontakt mit der Hautinnenseite des Kühlkanals, Natürlich treten an den meisten Stellen der Schaufel weniger günstige Zustände auf, und das Kühlmittel strömt längs einer Seite des Kühlkanals (Figur 7), möglicherweise sogar am Boden. Wegen dieser Bereiche wird der maximal zulässige Kühlkanalabstand kleiner.»

Tabelle Γ

Wärmestrom	(BTU/ft	²/hr)	Maximalabstand
(kcal/m² h)	1	• lo⁶	(mm)
2,713 ·	1,5	. lo⁶	15,24
4,o7o ·	2	• lo⁶	lo,16
5,426 <		' 8,38
• lo⁶
..lo⁶
■ lo⁶

Indem das Kühlmittel direkt von der Rinne zu den verschiedenen Kühlmittelversorgungskanälen geführt wird, entfallen die Beschränkungen bei einer Kühlmittelzumessung durch Verwendung von axial

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ausgerichteten Dämmen oder Überläufen. Außerdem wird hierdurch ein stark vereinfachter Turbinenrotor erzeugt. Es ergibt sich eine positivere Steuerung der Kühlmittelströmung durch jeden Kühlmittelkreis. Auch verringert sich der Effekt der inneren Kühlmittelerosion bzw. -abtragung bei der gesteuerten Verteilung des Kühlmittels durch das System infolge der Verminderung der Kühlmittelgeschwindigkeiten in den Kühlkanälen. Die Erfindung ist gleichermaßen anwendbar bei der Herstellung großer und kleiner Turbinenschaufeln.

Der Querschnittsbereich der gewundenen Kühlkanäle kann als Funktion des Wärmestroms verändert werden, der in Längsrichtung der Schaufel stark variiert. Jedoch können die Abmessungen irgendeines gegebenen Kühlkanals (des Kühlkanalmusters 13) auch weitgehend konstant gehalten werden.

Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einer flüssigkeitsgekühlten Gasturbine erläutert, doch ist auch eine Anwendung bei jedem flüssigkeitsgekuhlten Rotorsystem möglich. Das gilt beispielsweise für einen Kompressor, dessen allgemeiner Aufbau im wesentlichen dem beschriebenen entspricht und der umgekehrt betrieben wird, um auf ein Gas einzuwirken, statt daß ein gasförmiges Arbeitsmedium über die Schaufeln eine Kraft auf eine Rotorscheibe ausübt. Der Ausdruck 'Schaufel' bzw. 'Flügel' soll Stromlinienkörper bzw. -elemente umfassen, die bei Hochtemperatur-Turbomaschinen und in Verdichterrotoren verwendet werden, in denen eine Kühlung erforderlich ist. Der Ausdruck 'Abstand' als Entfernung P aus Figur 7 bezieht sich auf den Abstand zwischen entsprechenden Punkten von aufeinanderfolgenden, sich in Längsrichtung erstrekkenden Segmenten desselben gewundenen Kühlkanals. Diese Abmessung ist gewöhnlich weitgehend gleichförmig.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Kühlkanalaufbau für eine Schaufel zum Befestigen in einem Drehelement einer Maschine, wobei die Flügeloberflächen der Schaufel einer Berührung mit heißem Gas ausgesetzt sind und die • Schaufel zumindest einen unter der Oberfläche liegenden Kanal mit offenen Enden für ein Durchleiten eines Kühlmittels aufweist „ indem der Kanal den Kühlmittelstrom am radial inneren Ende empfängt und vom radial äußeren Ende in einen sich in Längsrichtung erstreckenden Verteiler abläßtfder seinerseits den Kühlmittelstrom aus der Schaufel ausfließen läßt? dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Kanal (13) einen gewundenen Aufbau aufweist und daß sich der größte Teil einer jeden aufeinander·= folgenden Windung in allgemeiner Längsrichtung erstreckt»

2ο Kühlkanalaufbau nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, daß der unter der Oberfläche liegende Kanal (13) mit gex-jundenem Aufbau in einem serpentinenformigen Muster an einer Seite der Schaufel (lo) angeordnet ist»

3. Kühlkanalaufbau nach Anspruch 2_e dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite der Schaufel (lo) mit einer fzahl von separaten serpentinenformigen Kühlkanalmustern (13, 14) versehen ist.

4ο Kühlkanalaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unter der Oberfläche liegende Kanal (61) mit gewundenem Aufbau in einem sich vollständig um die Schaufel (6o) erstrek= kenäen Spiralmuster angeordnet ist=

5ο Kühlkanalaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet? daß

• der Kanal (61) einer von einer Ansahl separater spiraliger Kühlkanäle (61, 62) ist,

β ο Kühlkanalaufbau nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der maximale Abstand für den gewundenen Aufbau ©twa 15,24 raa

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7. Kühlkanalaufbau nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche für eine Gasturbine mit einer Turbinenscheibe, die auf einer in einem Gehäuse drehbar gestützten Welle befestigt ist, wobei sich die Turbinenscheibe weitgehend rechtwinklig zur Achse der Welle erstreckt und an ihrem Außenkranz mit Turbinenschaufeln verbunden ist, wobei ferner die Schaufeln von einem heißen Antriebsmedium, das sich in einer allgemein parallelen Richtung zur Achse der Welle bewegt, eine Antriebskraft erhalten, die über die Turbinenscheibe auf die Welle übertragen wird, während radial einwärts von den Schaufeln eine Einrichtung zum Einführen von flüssigem Kühlmittel innerhalb der Turbine in radialer Auswärtsrichtung dient, so daß das Kühlmittel in einen Kühlmittelverteilungskreis mit offenen Enden eintritt, wobei im Flügelteil einer jeden Schaufel zumindest ein unter der Oberfläche liegender Kühlkanal an seinem radial inneren Ende ein flüssiges Kühlmittel aufnimmt und wobei am radial äußeren Endbereich des Flügelteils ein^Verteilunes und Ablaßteil vorgesehen ist, der in Strömungsverbindung mit dem radial äußeren Ende des zumindest einen Kühlkanals steht, gekennzeichnet durch zumindest einen ringförmigen Rinnenbereich (21) als Teil des Kranzes (19) der Turbinenscheibe und durch einen gewundenen Aufbau des zumindest einen Kühlkanals (13), wobei der größte Teil einer jeden aufeinanderfolgenden Windung sich in allgemeiner Längsrichtung erstreckt und wobei das radial innere Ende des gewundenen Aufbaus in Strömungsverbindung mit dem Rinnenbereich (21) steht.

8. Kühlkanaiaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende des gewundenen Kanalaufbaus (13) mit dem Rinnenbereich (21) über einen geschlossenen Kanal (28) verbunden ist, der mit einem Teil seiner Länge einen unter der Oberfläche liegenden, gewundenen Kühlkanal (23) im Platten- bzw. Plattform aufbau an der Basis des Flügelteils bildet.

9. Kühlkanalaufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daft das Flügelteil der gegebenen Schaufel eine Anzahl von unter der Oberfläche liegenden Kühlkanälen (13, 14) mit gewunde nem Aufbau aufweist, wobei jeder der Xanäle (13, 14) mit einem

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separaten geschlossenen Kanal (28, 29) verbunden ist, der in Strömungsverbindung mit einem Rinnenbereich (19, 22) steht und der mit einem Teil seiner Länge einen unter der Oberfläche liegenden, serpentinenförmigen Kühlkanal (23, 24) im Plattenbzw <. Plattformaufbau bildet.

lo. Kühlkanalaufbau nach Anspruch Ί , dadurch gekennzeichnet, daß der gewundene Kanal (13) unter der Oberfläche in einem serpentinenförmigen Muster an einer Seite des Flügelteils einer gegebenen Schaufei angeordnet ist»

Ι!» Kühlkanalaufbau nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des Flügelteils mit einer Anzahl von separaten serpentinenförmigen Kühlkanalmustern (13, 14) unter der Oberfläche versehen ist»

12ο Kühlkanalaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gewundene Kanal in einem spiraligen Kanalmuster (61) angeordnet ist, das sich vollständig um den Flügelteil der gegebenen Schaufel erstreckt.

13ο Kühlkanalaufbau nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der gewundene Kanal einer einer Anzahl von separaten, spiraligen Kühlkanälen (61, 62) ist.

14. Kühlkanalaufbau nach Anspruch 7/ dadurch gekennzeichnet, daß jeder gewundene Kühlkanal (13, 14) mit einem separaten geschlossenen Kanal (27, 28, 29, 31) verbunden ist, der in Strömungsverbindung mit einem ringförmigen Rinnenbereich (21, 22) steht, wobei die öffnung von jedem geschlossenen Kanal (27, • und 29, 31) in demselben Rinnenbereich (21 und 22) gleich weit von den öffnungen der hieran angrenzenden Kanäle auf jeder Seite entfernt ist.

15ο Kühlkanalaufbau nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelteil mit einer Anzahl von unter der Oberfläche liegenden Kühlkanälen (13, 14) versehen ist.

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16. Kühlkanalaufbau nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder geschlossene Kanal (27, 28) mit einem Teil seiner Länge einen unter der Oberfläche liegenden, gewundenen Kühlkanal (24, 23) im Platten- bzw. Plattformaufbau an der Basis des Flügelteils bildet.

17. Kühlkanalaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Abstand für den gewundenen Kanalaufbau etwa 15,24 mm beträgt.

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