DE2735362A1 - Turbine fuer gasturbinenstrahltriebwerke - Google Patents

Turbine fuer gasturbinenstrahltriebwerke

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DE2735362A1 DE19772735362 DE2735362A DE2735362A1 DE 2735362 A1 DE2735362 A1 DE 2735362A1 DE 19772735362 DE19772735362 DE 19772735362 DE 2735362 A DE2735362 A DE 2735362A DE 2735362 A1 DE2735362 A1 DE 2735362A1
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    • F01D5/181—Blades having a closed internal cavity containing a cooling medium, e.g. sodium
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    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D -8000 München 2 Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 - Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 5. AugUSt 1977
Unser Zeichen: 15 986-G - K/Ne
Rolls-Royce Limited
London, England
Turbine für Gasturbinenstrahltriebwerke
V S-Vertraulich
809885/0587
■ c π
Pater, ta.ivyälte Dipl.-Ing. Curt Wallach
Dipl.-Ing. Günther Koch
2-735362 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 5· AugUSt 1977
f. Unter Zeichen: I5 986 - Κ/üe
VS-Vertraulich
cr!c:irng geheimgehalten
Rolls-Royce Limited
London, England
Turbine für Gasturbinenstrahltriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenstrahltriebwerke und insbesondere auf die Turbinen solcher Triebwerke.
Im Zuge der Entwicklung von Gasturbinentriebwerken mit einem verbesserten spezifischen Brennstoffverbrauch wurden höhere Nebenstromverhältnisse benutzt, die wiederum zu einer erhöhten Leistung des Gasgenerators führten. Diese erhöhte Gasgeneratorleistung hat jedoch zu höheren Turbineneintrittstemperaturen geführt. Diese erhöhten Temperaturen sind erwünscht vom Standpunkt einer Wirkungsgradverbesserung des Triebwerks, es hat sich Jedoch als immer schwieriger erwiesen, die Turbinenbauteile so auszubilden, daß sie derartigen Temperaturen über längere Zeiten widerstehen ohne Schaden zu nehmen. Insbesondere haben sich schwerwiegende Probleme in bezug auf Turbinenbauteile ergeben, die im Betrieb hohen lokalen thermischen Gradienten unterworfen sind. Dies führt zu einer thermischen Beanspruchung jener Bauteile, was wiederum zu einer Verzerrung oder zu einer Rissebildung dieser Bauteile führen kann.
cuf amtliche V::c C · rg geheimgehalter.
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oi'f am'iiclx? Väcc*'^ r*rng cjeheimgehalten Die thermischen Gradienten stellen insbesondere ein Problem bei den TurbinendUsenleitschaufeln und den Schaufelringen dar. Infolge einer ungleichförmigen Durchsetzung der Brennkammer und infolge der Turbulenz sind die Düsenleitschaufeln Temperatüränderungen über ihre stromlinienförmigen Oberflächen ausgesetzt, die bis zu 2000C betragen können. Dies führt zu thermischen Beanspruchungen der Leitschaufeln, die wiederum zu einer Rissebildung der stromlinienförmigen Abschnitte führen kann. Die Temperatur der Schaufelringe kann sich in axialer Richtung sogar bis zu 3000C ändern. Dies führt häufig zu einer Verzerrung des Schaufelrings, worausjsich wiederum Dichtungsprobleme in Verbindung mit den sich drehenden TurbinenschäufeIn ergeben, mit denen die Leitschaufeln zusammenwirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine stromlinienförmige Turbinenstatorschaufel zu schaffen, bei der die Temperatüränderungen verringert sind.
Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Schaafelrings für ein Gasturbinentriebwerk, bei dem derartige Temperaturänderungen ebenfalls vermindert sind.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Turbinenstatorschaufel mit wenigstens einem Abschnitt versehen, der die Form eines Wärmerohres hat, wobei dieser eine Abschnitt vollständig innerhalb der stromlinienförmigen Schaufel derart angeordnet ist, daß dann, wenn die stromlinienförmige Schaufel innerhalb der Turbine eines Gasturbinentriebwerks liegt, im wesentlichen das gesamte Wärmerohr dem einzigen Heißgasstrom ausgesetzt wird, der im Betrieb die Turbine durchströmt.
Dieser eine Abschnitt kann der stromlinienförmige Abschnitt der Statorschaufel sein.
amtü<*«r vorc^cr-urg geheimgehalten
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.,, Γ,6 -. f. f 273b362
auf arnjjjjibe-^-rc :::.: ■ ;i ■ π o^einngehaltG η In dieser Beschreibung soll der Ausdruck "Wärmerohr" einen Wärmetauscher, bestehend aus einem abgedichteten Behälter umfassen, der sowohl einen kondensierbaren Dampf als auch eine Kapillarvorrichtung enthält, welch letztere in der Lage ist, den kondensierten Dampf von einer kühleren Stelle des Behälters nach einer heißeren Stelle zu übertragen, wobei der kondensierbere Dampf von der heißeren Stelle nach der kühleren Stelle durch den Dampfdruckgradienten zwischen d=n beiden Stellen transportiert wird und wobei der Dampf an der kühleren Stelle kondensiert wird.
Die Veränderung von Dampfdruck in Abhängigkeit von der Temperatur ist bei Substanzen, wie Wasser, Ammoniak, Quecksilber, Cäsium, Kalium, Natrium, Lithium und Blei derart, daß eine Änderung in der Temperatur von nur 1 oder 2°C eine sehr große Änderung ihrer Dampfdrücke ergibt. Infolgedessen sind die Temperaturdifferenzen, die über der Länge des Wärmerohres auftreten, das eine dieser Substanzen als kondensierbaren Dampf enthält, so klein, daß das Wärmerohr als im wesentlichen isotherm angesehen werden kann. In der Praxis kann die wirksame thermische Leitfähigkeit eines Wärmerohres bis zu 500 mal größer sein, als die einer massiven Kupferstange, welche die gleiche Masse besitzt. Die Prinzipien derartiger Wärmerohre sind im einzelnen diskutiert in dem Artikel "Structures of Very High Thermal Conductance" von Grover, Cotter und Erickson im Journal of Applied Physics, Vol. 35, 1990 (Juni 1964) .
Der kondensierbare Dampf, der innerhalb der Turbinenstatorschaufel angeordnet ist, ist vorzugsweise Natrium.
Der Grund dafür besteht darin, weil Natrium folgende Eigenschaften besitzt:
a) Eine hohe Oberflächenspannung, um eine zufriedenstellende Kapillarpumpwirkung zu erzeugen;
auf arnil!ckc^Vj»*«rf.rc£3ung geheimgehalten
""809665/0587
b) eine gute Benet^t^cTiärakteris^i^'iiti'mYi'iii'ick auf die Kapillaren wiederum als Ergebnis der hohen Oberflächenspannung;
c) eine niedrige Viskosität, was das Pumpen des flüssigen Natriums längs der Kapillaren erleichtert;
d) eine hohe latente Verdampfungswärme,was die V/ärmeübertragung unterstützt;
e) eine hohe thermische Leitfähigkeit, was die Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Natrium, der stationären Elementenwand und der Kapillare erleichtert;
f) Erstarrungspunkt und Verdampfungspunkt sind kompatibel mit den Temperaturbereichen, die voraussichtlich in der Turbine eines Gasturbinentriebwerks auftreten;
g) eine hohe Dampfdichte, wodurch der Strömungswiderstand vermindert wird;
h) das Natrium ist kompatibel mit Metallen, die gewöhnlich bei der Herstellung stationärer Turbinenelemente benutzt werden;
i) es besitzt eine chemische Stabilität.
Die Kapillarvorrichtung innerhalb des stromlinienförmigen Schaufelteils wird vorzugsweise aus einem Gewebe aus rostfreiem Stahl gebildet.
Dieses Stahlgewebe kann aus zwei Schichten bestehen: Eine erste Schicht benachbart zu den Innenwänden des stromlinienförmigen Schaufelteils und eine zweite Schicht benachbart zur ersten Schicht, wobei die erste Schicht eine gröbere Maschenweite besitzt als die zweite Schicht.
auf amtliche Voian'aiJung gehelmgchalt
809885/0587
Der stromlinienförmige Schaufelteil kann eine DUsenleitschaufel sein.
Eine solche DUsenleitschaufel kann eine von einer ringförmigen Anordnung gleicher Düsenleitschaufeln sein.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Schaufelring für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, der hohl ausgebildet ist und eine abgedichtete Ringkammer bildet, wobei diese Kammer einen kondensierbaren Dampf enthält und mit Kapillarmitteln an den inneren Oberflächen ausgestattet ist, derart, daß der Schaufelring die Gestalt eines Wärmerohrs besitzt.
Nachstehend wird ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Gasturbinenstrahltriebwerks;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der Turbine des Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig.
Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 weist einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12 und eine Turbine 15 auf. Das Gasturbinenstrahltriebwerk 10 arbeitet in der herkömmlichen Weise, d.h. vom Kompressor 11 verdichtete Luft wird mit Brennstoff vermischt und in der Verbrennungseinrichtung 12 verbrannt. Die hieraus resultierenden heißen Gase dehnen sich in der Turbine \J> aus und gelangen in die Atmosphäre, wodurch die Turbine 13 angetrieben wird, die ihrerseits den Kompressor 11 antreibt.
OUi anrieh: V-;:.v;!,,ig .^heimgehe
Die Verbrennungseinrichtung 12 besteht aus einer ringförmigen Brennkammer 14, von der ein Teil des stromabwärtigen Endes in Fig. 2 ersichtlich ist. Die heißen Gase aus der Brennkammer 14 werden nach dem Hochdruckabschnitt 15 der Turbine 13 über eine stationäre Reihe von Düsenleitschaufeln geleitet, von denen eine dargestellt und mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist. In diesem speziellen Fall weist die Hoehdruckturbine 15 eine einzige Stufe drehbar gelagerter Turbinenschaufeln auf, von denen eine bei 17 dargestellt ist. Die Hochdruckturbine 15 ist antriebsmäßig über eine geeignete, nicht dargestellte Welle mit dem Hochdruckteil des Kompressors 11 verbunden.
Die heißen aus der Hochdruckturbine I5 austretenden Gase werden dann einer Niederdruckturbine l8 über eine zweite Reihe stationärer Düsenleitschaufeln zugeführt, von denen eine bei 19 dargestellt ist. Wie bei der Hochdruckturbine I5 besteht auch die Niederdruckturbine 18 aus einer einzigen stufe dreht> ar gelagerter Turbinenschaufeln,von denen eine bei 20 dargestellt ist. Die Niederdruckturbine 18 ist antriebsmäßig über eine weitere geeignete nicht dargestellte Welle mit dem Niederdruckteil des Kompressors 11 verbunden. Die heißen von der Niederdruckturbine 18 abströmenden Gase gelangen dann über einen Schaufelkranz von Auslaßleitschaufeln (nicht dargestellt) bevor sie in die Atmosphäre abgegeben werden.
Die NiederdruckdÜsenleitschaufel 19, die aus einer Nickellegierung hergestellt wird, ist hohl, wie aus Flg. j5 ersichtlich. Die Innenwand 20 des stromlinienförmigen Abschnitts der DüsenleJ-tschaufel I9 weist ein Gewebe 21 aus rostfreiem Stahl auf, das an der Schaufel verschweißt ist. Das Gewebe 21 aus rostfreiem 5tahl hat eine Maschenweite von 60, d.h. Maschendrahtdurchmesser von 0,006 Zoll. Dieses Gewebe 21 aus rostfreiem Stahl trägt seinerseits ein zweites Gewebe 22 aus rostfreiem Stahl, welches daran verschweißt ist. Das zweite Gewebe 22 aus rostfreiem Stahl besitzt eine Maschenweite
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auf aratW<Tfe Veranlassung geheimgehalter
5^ 8 O 9 8 θ 5 / ß 6 β 7
von 100, d.h. der Drahtdurchmesser beträgt 0,004 Zoll. Auf diese Weise wird die Innenwand 20 des stromlinienförmigen Abschnitts der Düsenleitschaufel 19 mit zwei Schichten aus rostfreiem Stahlgewebe bedeckt, wobei die Schicht 21 benachbart zur Innenwand 20 eine gröbere Maschenweite besitzt als die andere Schicht 22.
Ein Streifen 2j5 aus einem Gewebe aus rostfreiem Stahl mit der Maschenweite 100 und mit U-förmigem Querschnitt verbindet die gegenüberliegenden Abschnitte der zweiten Stahlgewebe.22 über den Mittelabschnitt der Düsenleltschaufel 19.
Das hohle Innere 24 des stromlinienförmigen Abschnitts der Düsenleitschaufel I9 steht unter Vakuum und enthält eine geringe Menge Natrium. Infolgedessen besitzt die Düsenleitschaufel I9 die Form eines Wärmerohres, wie dies vorstehend definiert wurde.
Im Betrieb treffen die heißen von der Hochdruckturbine I7 austretenden Gase auf die Niederdruckdüsenleitschaufel I9 derart auf, daß jede Leitschaufel I9 Bereiche auf der stromliiienförmlgen Oberfläche besitzt, die auf sich änderenden Temperaturen stehen. Die Erhitzung der Düsenleitschaufein führt zu einem Schmelzen und zu einer nachfolgenden Verdampfung des innerhalb der Schaufeln eingeschlossenen Natriums Das in den heißeren Bereichen der Düsenleltschaufein 19 verdampfte Natrium wird durch die Dampfdruckunterschiede nach den kühleren Bereichen transportiert, wo der Dampf kondensiert. Aufwiese Welse wird Wärme, die zur Verdampfung des Natriums erforderlich 1st, aus jenen heißen Bereichen abgezogen und zur Erwärmung der kühleren Bereiche benutzt, indem in diesen kühleren Bereichen der Natriumdampf kondensiert. Nach der Kondensation wird das flüssige Natrium durch Kapillarwirkung durch die Gewebe 21 und 22 aus rostfreiem Stahl nach den heißeren Bereichen gepumpt, von wo aus sich der Zyklus wiederholt. So wird durch die ständige Verdampfung und Kon-
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"bbf amtlicKe->**foran!ö£ n:ng gehei-mgehaltü 1
VS-Vemaulich
Ct'i .a-mtiiche V ^ ,·;; '·■;.- - τ ···■, -.
·-'-'·£. J :'ic.'mg e ha I ter> densation des Natriums jede der Düsenleitschaufelnl9 auf eine im wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung gebracht, d.h. jede Schaufel wird im wesentlichen isotherm. Der Streifen 23 aus rostfreiem Stahlgewebe bildet eine Arterie für flüssiges Natrium, welches zwischen den Hochdruckabschnitten und den Niederdruckabschnitten des stromlinienförmigen Abschnitts der Düsenleitschaufe]nl9 geleitet wird.
Es hat sich gezeigt, daß durch Benutzung von zwei Lagen rostfreien Stahlgewebes ein wirksamer Transport des flüssigen Natriums auftritt. So führt das gröbere Maschengeflecht 21 benachbart zur Innenwand 20 zu einem reduzierten Strömungswiderstand . der Flüssigkeit, während.die feinen Maschen <3er Lager 22 eine große Kapillarpumpkraft gewährleisten.
Eine der Schaufel I9 ähnliche Düsenleitschaufel wurde asymmetrisch durch eine Induktionsspule so erhitzt, daß die Temperaturbedingungen einer Düsenleitschaufel simuliert wurden, die wahrscheinlich im Betrieb auftreten. Messungen mit einem optischen Pyrometer haben gezeigt, daß die Durchschnittstemperatur der Druckoberfläche der Düsenleitschaufel bei 65O0C lag, während auf der Saugseite 6700C gemessen wurden. Im Vergleich mit Temperaturdifferenzen von durchschnittlich 60°C und Spitzenwerten von 200°C gegenüber herkömmlichen luft- ; gekühlten Niederdruckdüsenleitschaufeln stellt dies einen wesentlichen Fortschritt dar.
Um zu gewährleisten, daß ein möglichst großer Anteil der von den Hochdruckdüsenleitschaufeln l6 auf die Hachdruckturbinenschaufeln 17 geleiteten Heißgase über die stromlinienförmigen Abschnitte der Turbinenschaufeln abfließen, sind die Schaufelspitzen 25 der Turbinenschaufeln I7 so ausgebildet, daß sie so dicht als möglich an einem ringförmigen Schaufelring 26 (Fig. 2) vorbeistreichen.
Der die Turbinenstufe umgebende Schaufelring 26 ist hohl und bildet eine abgedichtete Ringkammer 28 und diese ist mit einer
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c ι-; .7 ^xxir*^" . .·.... >■ .-..-ι· i--V1^ fl(_
Doppelschicht aus einem Gewebe 27 aus rostfreiem Stahl ausjpkleidet, das auf den Innenoberflächen in gleicher Weise wie unter Bezugnahme auf die Niederdruckdüsenleitschaufel I9 beschrieben, aufgebracht ist. Die Kammer 28 ist evakuiert und enthält einen geringen Anteil von Natrium. Der Schaufelring 26 bildet demgemäß ein Wärmerohr, welches in der gleichen Weise wie oben beschrieben arbeitet.
Da der Schaufelring 26 ein Wärmerohr ist, bleibt er im Betrieb im wesentlichen isotherm. Infolgedessen wird, obgleich ein thermischer Gradient über der Oberfläche des Schaufelrings 26 benachbart zum Schaufelring 25 auftritt, weil die Arbeit aus den durch die Hochdruckturbine 15 strömenden Verbrennungsgase ungleich entnommen wird, durch die isothermen Eigenschaften des Schaufelringes 26 dieser Gradient vermindert. Bisher bedeutete die Benutzung massiver Schaufelringe, daß der Zwischenraum zwischen den Turbinenschaufeln 17 beträchtlich größer gemacht werden mußte, um die Schaufelringverzerrung zu berücksichtigen, die infolge des thermischen Gradienten über dem Schaufelring auftritt. Durch Benutzung eines Schaufelrings 26 in Form eines Wärmerohres wird diese Verzerrung beträchtlich vermindert und zwar infolge der dem Rohr eigenen isothermen Eigenschaften. Infolgedessen kann ein kleineres Spitzenspiel zugelassen werden, wodurch der Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert wird.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf eine Düsenleitschaufel beschrieben, deren stromlinienförmiger Abschnitt die Gestalt eines Wärmerohres besitzt. Es können natürlich auch andere Abschnitte in solcher Form gestaltet werden. So kann beispielsweise der innere oder äußere Schaufelring der Düsenleitschaufel die Gestalt von Wärmerohren besitzen,
Die Erfindung wurde im folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf Wärmerohre mit Kapillaren in Gestalt rostfreier
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mtllch-c1^*ran!ci:inr' -choimoeha! ten
VS-
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Stahlgewebe, jedoch können auch andere Materialien benutzt werden. So könntendie Kapillare beispielsweise aus porösem Glas, Metall oder Keramikmaterial hergestellt werden.
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8 0 9885/0587
Q aehciir.gehalten

Claims (10)

  1. Pate ntansprüche:
    f 1 Λ Turbinenstatorschaufel für Gasturbinentriebwerke, die wenigstens teilweise die Form eines Wärmerohres hat, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil völlig innerhalb des stromlinienförmigen Schaufelabschnitts (19) derart liegt, daß dann wenn der stromlinienförmige Abschnitt der Schaufel (I9) in der Turbine (13) des Gasturbinentriebwerks (10) eingesetzt ist, im wesentlichen das gesamte Wärmerohr dem einzigen Heißgasstrom ausgesetzt ist, der durch die Turbine (Ij5) im Betrieb abströmt.
  2. 2. Turbinenstatorschaufel nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der eine Abschnitt der stromlinienförmige Abschnitt der stromlinienförmigen Schaufel (I9) ist.
  3. 3. Turbinenstatorschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kondensierbare Dampf, der in der stromlinienförmigen Schaufel (I9) eingeschlossen ist, Natrium ist.
  4. 4. Turbinenstatorschaufel nach den Ansprüchen 1 bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren (21, 22), die von dem stromlinienförmigen Abschnitt der Schaufel (19) umfaßt sind, aus einem Gewebe aus rostfreiem Stahl bestehen.
    VS-VerjjQulich
    OUf amtlichQ■ Veranlassung geheimgehalten
    809885/0587
    ORIGINAL INSPECTED
    cif au-i\:'.'.. ^.νβr.·."."::.. . ι ;-:l.cimyehalten
    ' T 3736 36
  5. 5- Turbinenstatorschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren (21, 22) aus zwei Schichten bestehen, nämlich einer ersten Schicht (21) benachbart zu den Innenwänden (20) der stromlinienförmigen Schaufel (I9) und einer zweiten Schicht (22) benachbart zur ersten Schicht (21), wobei die erste Schicht (21) eine gröbere Naschenweite besitzt als die zweite Schicht (22) .
  6. 6. Turbinenstatorschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine Düsenleitschaufel ist.
  7. 7. Schaufelring für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennze lehnet, daß der Schaufelring (26) hohl ausgebildet ist und eine abgedichtete Ringkammer (28) bildet, die einen kondensierbaren Dampf enthält und mit Kapillaren (27) an ihren äußeren Oberflächen derart versehen 1st, daß der Schaufelring (26) die Form eines Wärmerohres besitzt.
  8. 8. Schaufelring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kondensierbare Dampf innerhalb der Karrrner Natrium ist.
  9. 9. Schaufelring nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren (27) in der Kammer von einem Gewebe aus rostfreiem Stahl gebildet wird.
  10. 10. Schaufelring nach Anspruch 9» dadurch gekennze ich net, daß die Kapillaren (27) aus zwei Schichten bestehen, nämlich einer ersten Schicht benachbart zur inneren Oberfläche der Kammer (28) und einer zweiten Schicht benachbart zur ersten Schicht, wobei die erste Schicht eine gröbere Maschenweite besitzt als die zweite Schicht.
    VS-
    oi'f airHi^a-^r*rarila£-urg geheimgehalten
    809885/0587
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