DE2745892A1

DE2745892A1 - Kuehlung von turbinenbeschaufelungen mittels eines geschlossenen kuehlfluid- fluessigkeitskreislaufes

Info

Publication number: DE2745892A1
Application number: DE19772745892
Authority: DE
Inventors: Hans G Prof Dr Ing Muenzberg
Original assignee: Muenzberg hans G profdr-Ing
Current assignee: Muenzberg hans G profdr-Ing
Priority date: 1977-10-12
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1979-04-19

Description

KÜHLUNG VON TURBINENBESCHAUFELUNGEN MITTELS EINES
GESCHLOSSENEN KÜHLFLUID-FLÜSSIGKEITSKREISLAUFES Beschreibung Diese Erfindung gehört in das Gebiet der Kühlung von Turbinenbeschaufelungen, die heute zum Beispiel in Gasturbinenanlagen in Einführung ist.
Die Weiterentwicklung der Gasturbine,mit dem Schwerpunkt einer Erhöhung der Heißgastemperatur über das heutige Niveau hinaus, würde zu einer beträchtlichen Steigerung der volumenspezifischen Leistungsdichte bzw. des Leistungsgewichts führen sowie den spezifischen Verbrauch erheblich verbessern. Vergleichsrechnungen haben gezeigt, daß bei einer Heißgastemperatur von 2000 K diese volumenspezifische Leistungsdichte gegenüber dem Fall mit der bereits sehr hohen Temperatur von 1600 K um weitere 250 d erhöht werden könnte. Dies bedingt allerdings den übergang zu einem fortschrittlicheren Kühlverfahren, das durch folgende zwei Punkte charakterisiert werden kann: 1. Derim Heißgas liegende Schaufel teil wird mittels eines geschl ossenen Kühifluid-Flüssigkeitskreislaufes gekühlt, der mit Stoffen hoher Verdampfungstemperatur (verschiedene flüssige Metalle bzw. deren Mischungen, z.B. Natrium-Kalium-Gemisch) betrieben wird.
Zur Vermeidung von Unwuchten und Schwingungen aller Art sollen keine auch nur örtlichen Verdampfungen im geschlossenen Kreislauf auftreten, die bei der Verwendung von Wasser in Verbindung mit dem angestrebten Temperaturniveau der Metallschaufel vermutlich unvermeidbar wären.
2. Der zweite Wärmeaustauscher zur Rückkühlung des Primärkühlfluids wird platzsparend in der Scheibe untergebracht und so betrieben, daß die übertragene Wärme dem Gasturbinenprozeß wieder zugeführt wird. Dies geschieht mit Luft, Wasser bzw.
Mischungen der beiden, wobei die Luft oder der entstandene Wasserdampf durch entsprechende Cffnungen in den Heißgasstrom gelangt.
Das genaue Funktionsprinzip dieser Erfindung wird im folgenden erklärt: Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch die Turbinen-Rotorsektion. Das Schaufel blatt ist innen, wie aus Figur 2 bzw.
Figur 3 ersichtlich, mit Kanälen (½ versehen, durch die das Primärkuhlmittel zirkulieren kann. Das Kühlmittel strömt in zwei getrennten Kreisläufen durch die wärmemäßig am wenigsten belastete Schaufelmitte in seinem rückgekühlten Zustand von der Nabe nach außen, nimmt dabei entsprechend Wärme auf und fließt dann im Bereich der Eintritts- bzw. Austrittskante wieder nach innen, wobei es sich weiter bis nahe an die Verdampfungstemperatur erhitzt (Strömungsrichtungspfeile in Figur 2). Alle Kanäle münden in entsprechende Ringnuten, die in die Scheibe zu eingearbeitet sind; zwei Ringnuten zu für den Rücklauf, Ringnut zu für den Vorlauf des Primärkühlmittels. Zugehörige Kanäle 5 und zuin der Scheibe verbinden diese Ringnuten mit dem zweiten Wärmetauscher, der in die Turbinenscheibe integriert ist. Das heiße Primärkühlmittel strömt durch den Kreisringspalt zu, der durch eine Deckscheibe und und ein Ringblech zu gebildet wird nach innen. Die Scheibe 10 wird von außen durch die Düse (1 mit Wasser besprüht, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen dem Primärkühlmittel und dem Wasser zustande kommt. Wie in Figur 4 gezeigt, kann zur Erhöhung des inneren Wärmeübergangs die Scheibenfläche g mit radialen Rippen versehen werden.
Wegen der großen Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe und der fast radialen Strömung des Wassers findet der Wärmeaustausch annähernd dem Kreuzstromprinzip entsprechend statt.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Außenseite könnten daher, wie Figur 5 zeigt, spiralförmige Umfangsrippen angebracht werden. Das nach außen strömende Wasser nimmt laufend Wärme auf und tritt als Wasserdampf durch den Spalt in den Heißgaskanal. Auf der Innenseite der Scheibe 10 hat sich dadurch das Primärkühlmittel, das im Kanal zunach innen strömt, weiter abgekühlt und gelangt durch die Kanäle 7 und in in die Ringnut (4) , wodurch der Kreislauf des Primärkühlmittels geschlossen ist. Der ganze Wärmeaustauschraum wird bei 14 durch eine solide Dichtung vom Inneren der Maschine getrennt. Der Zirkulationsvorgang des Primärkühlmittels beruht auf dem Dichteunterschied des Fluids zwischen dem "kalten" Kanal zu und dem "heißen" Kanal zu sowie dem sehr großen Zentrifugalkraftfeld durch die Drehung der Turbinenscheibe. Das geschlossene Kreislaufsystem des Primärkühlmittels kann durch entsprechende Modifizierung der Kanäle in den Schaufeln ebenso mit umgekehrter Strömungsrichtung des Kühlfluids betrieben werden.
Für den Wärmetausch im Bereich der Turbinenscheibe kann, wie oben erwähnt, nicht nur Wasser allein, sondern auch Luft bzw.
Mischungen von Luft und Wasser verwendet werden.
Die Zuführung der kleinen Kühlwassermenge kann über flexible Leitungen geringen Querschnitts erfolgen. Für einen besseren Wärmeübergang könnte das Wasser entgegen der Umfangsrichtung der Scheibe zu , also mit einem gewissen Vordrall eingespritzt werden.

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zur Kühlung von Schaufeln in Turbomaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Innenkanäle der Schaufel zusammen mit zwei Ringspaltkanälen, die in der Turbinenscheibe untergebracht sind, ein in sich geschlossenes Kreislaufsystem bilden, das eine Flüssigkeit sehr nonen verdampfungslelnperatur enthält und das ferner eine Wärmeübertragungsfläche in der Scheibe enthält, gekennzeichnet durch die Beaufschlagung mit einem sekundären Kühlmedium (z.B. Luft, Wasser oder ein Gemisch dieser Stoffe), das nach Aufheizung oder (und) Verdampfung (z.B. durch einen Ringspalt) in den Heißgaskanal gelangt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspaltkanäle und die Wärmeübertragungsfläche beiderseits der Turbinenscheibe angeordnet sind (wie in Figur 1).
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflächen zu mit Rippen ausgebildet werden.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit des Primärkreislaufes mit sehr hoher Verdampfungstemperatur ein Flüssigmetall oder eine Mischung dieser Metalle ist.
5. Bei Gasturbinenanlagen Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das sekundäre Kühlmedium Luft von der Verdichtersektion ist, in die gegebenenfalls Wasser zur Abkühlung eingesprüht wird.