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Publication number: DE346599C
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Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN
AM 5. JANUAR 1922

REICH S PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 46 f GRUPPE

Verfahren und Einrichtung zur Kühlung von Gasturbinen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 3. August 1920 ab.

Für die Gasturbine ist eine gute, genügende 'Kühlung neben anderen Faktoren Grundbedingung. Besondere Schwierigkeiten bieten sich diesbezüglich für die eigentliche Schaufelung, den Läufer (für den jetzigen Stand der Technik und auf. absehbare Zeit • kommen nur ein-, zwei- oder inehrkräozige Räder, d. h. Aktionstypen, in Betracht) und Leitkörper. Eine Lösung der schwierigen

to Aufgabe, besonders den Läufer genügend zu kühlen, fördert auch die Lösung des äußerst wichtigen Gasturbinenproblems mit Berücksichtigung der in den letzten Jahren gemachten Fortschritte. Die Hauptzahl der (bis jetzt vorgeschlagenen Verfahren für Gasturbinenkühlung arbeitet unmittelbar mit Wasserzusata oder verdampft durch die Verlustwärme Wasser und zieht den Dampf parallel mit

■ den Betriebsgasen zur Beaufschlagung und damit Kühlung des Läufers heran. Diese Verfahren fallen, wie auch die Erfahrung gezeigt bat, als nicht lebensfähig weg, da sie bei den praktisch immer vorkommende« Mengen von schwefliger Säure (SO₂) usw.

in den Betniebsgasen zu Säurebildung führen und damit die Schaufelung zerstören. Andere vermeiden diesen Übelstand dadurch, daß sie in Rad und Schaufelung Bohrungen vorsehen, durch die das Wasser entweder durchgepreßt oder durch Eigenfliehkraft bewegt wird. Die relativ engen Bohrungen machen bei den hohen Temperaturen ein Verstopfen durch Verunreinigungen oder besonders auch durch Kesselsteinbildung leicht möglich und verursachen damit Störungen. Bei An!- Wesenheit von Wasser ist auch hier die Gefahr der Säure bildung wieder vorhanden. •Eine dritte Art der Kühlung besteht darin·, daß nur Luft (Gase) zur Kühlung verwendet wird, und zwar so, daß iz. B. bei Explosionsturbinen die Kühlluft nach einem Explosionsvorgang zuerst die Verpuffungskammern und dann die Schaufelung durchströmt, oder andererseits bei Gleichdruckturbinen so, daß eine besondere, mit Kühlluft (vorkompriimiert) beaufschlagte Düse neben den; Arbeitsdüsen vorhanden ist. Diese Kühlung hat den Nachteil, daß die Kühlluft schon stark vorgewärmt auf die Schaufelung trifft, welche als empfindlichster Teil doch, am gründlichsten gekühlt werden sollte, und daß wenn nicht die Vorkompression ttnwirt-' schaftlich hochgetrieben wird, diese Kühlluft bei weitem nicht die Geschwindigkeit der Arbeitsgase hat, daher in der Schaufelung 55 ' starke Verluste verursacht; Zudem ist . bei einer solchen Kühlungsart insbesondere die Kühlung des Läufers eine ungenügende. .. Zweck der vorliegenden Erfindung ist, eine _: Verbesserung der Kühlung insbesondere von Läufer und Leitkörper ebenfalls mit gasförimigen Kühlmitteln unter Vermeidung' der _Vr>

vorerwähnten Nachteile zu erreichen. Es wird hiernach das durch die Fliehkraft beschleunigte gasförmige Kühlmittel nicht nur ■■ zur Kühlung des Läufers, isondern auch des Leitkörpers, insbesondere dessen gefährlichsten Teil, der Leitschaufelung, herangezogen. , Dies wird dadurch erreicht, daß die durch die Fliehkraft erzeugte Drucksteigerumg (statischer oder dynamischer Druck) im

ίο weiteren dazu benutzt wird, das Kühlmittel durch' zweckmäßig angebrachte Kühlkanäle des Leitkörpers zu treiben.

Um eine !möglichst große Kühlwirkung zu' erreichen, wird die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmittels wesentlich dadurch erhöht, daß die zur Kühlung notwendige Luftmemge dem Vorratsbehälter der für die Gasturbine verdichteten !Verbrennungsluft entnommen und dann .auf eine möglichst tiefe Temperatür, die durch das Kühlwasser gegeben ist, rückgekühlt wird. Durch arbeitleisteride Expansion auf den Druck im Läufradkasten (auch Drosselung) tritt eine stänke Tempe-

. raturerniedriigung dieser Kühlluft ein (bei Drosselung ·· durch den Joule-Thomson-■ Effekt), so daß man ein Kühlmittel mit großer Wärmeaufnahmefähigkeit erhält.

Dieses vorgekühlte Mittel dient als Arbeitsmittel in dem durch die Erfindung gegebenen Kühlungsvorgang, derart, daß es, wie z.B. in einer. Ausführungsiweise schematisch in einer ßchnittzeichnung in Abb. 1 angegeben ist, durch die .Schleuderwirkung von an sich bekannten hohlen Laufschaufeln a zu beiden Seiten des, Radkörpers b radial •nach außen gezogen wird.

Gemäß der Erfindung wird nun die von . den Laufschaufeln α . erfaßte oder ihr zugeführte Luft nach außen in den hohlen, als Vorratsbehälter ausgebildeten Leitkranz c geschleudert und. von dort durch die ruhig stehenden Leitschaufeln d radial nach innen gedrückt, um auch diese zu kühlen. Aus den Leitschaufeln d entweicht die Kühlluft entweder längs ihrer ganzen radialen Ausdehnung, derart, daß möglichst kleine Stoßverluste entstehen (Abb. 2), welche Schaufelquerschnitte in vergrößertem Maßstab zeigt, oder nur an ihrem inneren Ende. Vorteilhaft

. 5o_s wird der Behälterkranz c der Leitschaufe-, lung als geschlossener Ring ausgeführt, der außerhalb des Beaufschlagungssektors der .Feuergase Spülschaiufeln s sowohl des ersten, wie- , auch . des zweiten Laufkranzes speist (Abb, 3 und.4). Es ist damit erreicht,

. [ daß 'die Schaufeln von innen wie auch von außen _; gekühlt werden können. Da die Schleuderwirkung in der Hauptsache nur Volüimen^äber nicht'großen Druck verschafft, so ist der .Unidichtigikeitsverlust in G und H der Abb. 3 klein. Die Laufschaufein tragen einen Deckel, der nur die Schaufelöffnungen frei läßt und im übrigen zur besseren Abdichtung, ganz ähnlich' wie bei Labyrinthdichtungen, mit Dichtungsringen e versehen werden kann (Abb. 5). Die Luft, die in ■> diesen Spalten entweicht, bildet ein kaltes Kissen, welches den heißen Fexierstrahl vom Metall weghält. Es kann gemäß Abb. 1 diese Kissenwirkung noch vergrößert werden, indem die Saugwirkung des Feuer strahl es dazu herangezogen wird, auch im kleineren Radius eine Luftschicht / zwischen Betriebsgas lind Radmaterial zu legen. Es ist zwar bekannt, daß der aus dem zweiten Luftkranz austretende Feuerstrahl zur Absaugung des Kühlmittels herangezogen wird, indem 'der Auspuffkanal gegen den Feuerstrahl, wie bei g angedeutet, etwas zurücktritt und als Diffusor ausgebildet ist. Vorliegende Erfindung erreicht dagegen durch besondere Ausbildung auf der Seite des Eintritts des Feiier strahl es in den ersten Laufradkranz auch dort eine Saugwirkung. Es λνΐιχΐ somit der gesamte Feuerstrahl systematisch zur Kühlwirkung mit herangezogen.

Die Saugwirkung der einfachen Hohlschaufeln α kann auf mehrfache Art unterstützt werden, beispielsweise, wie in Abb. 6 angegeben, durch schräg gebohrte Zuführungskanäle h. Es können aber auch einfach die Schaufeln entsprechend nach innen verlängert werden. Besonders leistungsfähige Kühlung läßt sich erreichen, wenn, wie in Abb. 7 dargestellt; die kalte Luft durch Gebläseschaufelung i, die direkt am Laufrad angebracht ist, über den. Radkörper b hin zu den Schaufeln gebracht wird. Es ist zwar bekannt, Gebläseschaufeln direkt an das Turbinenlaufrad anzubringen, doch nicht zum Zweck der Kühlung, sondern zu dessen Verwendung als eigentlicher (gewöhnlich zweistufiger) Verdichter für die Verbrennungsluft.Es herrschen also in diesem bekannten Fall auf den beiden Radseiten nicht nur verschiedene Temperaturen der Luft, so daß ein Verziehen 'des Rades möglich ist, sondern es kommt noch der zweite Übelstand des ungleichen Druckes hinzu. Im Gegensatz zu diesen Gebläsen ist hier bewußt sowohl der Druck als auch die Temperatur des Kühlmittels (nicht .Arbeitsmittels) beidseitig des Rades gleich (belassen, ein Verbiegen des letzteren also vermieden. Neuerdings ist auch die Verwendung dieser Gelbläseräder für Kühlung der Laufscheiben bekannt geworden, doch wird die geförderte Kühlluft nicht wie bei vorliegender Erfindung ohne Störung des Feuerstrahles durch die hohle Schaufelung nach außen geführt, sondern bläst in den Feuerstrahl und die Schaufelung hinein, so daß unvermeidlich

Claims

Verluste entstehen. Eine stärkere Kühlung des iRadkörpers kann übrigens gemäß Abb. S auch dadurch erreicht werden, daß die durch die Schleuderwirkung der Schaufel angesaugte kalte Luft durch Rippen R am Gehäuse gezwungen wird, entgegengesetzt der Drehriahtung des Rades b über dessen Körper hinzustreichen, so daß die relative Geschwindigkeit, d. ;h. der Wärmeübergang·, groß ίο wird. Die reichlich angelieferte Kühlluft kann durch Öffnungen und Kühlleitungen, ■wie sie beispielsweise in Abb. 7 angegeben sind, 'zur Kühlung der Schattfelung und zum Einhüllen des Gasstrahles benutzt werden. Ρλ τ ic nt-Ansi· κ ü c 11 ic :

1.. Verfahren zur Kühlung von Gasturbinen durch Schleuderwirkung des Kühlmittels, dadurch .gekennzeichnet, daß die durch die Flichl.cr.aft erzeugte Drucksteigerung eines 'gasförmigen Kühlmittels dazu benutzt wird, das Kühlmittel sowohl durch die hohlen Laufradschaufeln als auch durch Kühlkanäle des Leitkörpers zu treiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Erhöhung· der Kühlwirkung als Kühlmittel vorverdichtete und möglichst tief rückgekühlte Verbrennungsluft tier Gasturbine genommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, . daß als Kühlmittel vorverdichtete Verbrennungsluft dem Vorratsbehälter für die Gasturbine entnommen wird, 'durch Kühler geschickt und in der Temperatur durch 'arbeitleistende Expansion bzw. Drosselung weiter erniedrigt und darauf durch hohle Laufschaufeln hindurch in den hohlen Kranz des Leitschaufelträgers und von dort durch die hohlen Leitschaufeln getrieben wird.

4. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Kühlmittel durch die Lauf schau fein in einen hohlen, als Aufnehmer dienenden Kranz ■des Leitsehaufelträgers und von dort durch hohl .ausgebildete Leitschaufeln getrieben wird.

5. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Feuerstrahl zugewendeten Wände von Leitkörper und Läufer sowohl am Eintritt in die Beschaufelung als auch am Austritt einen Zwischenraum ,zwischen ersterem und sich lassen und wie ibei Strahlapparaten so ausgebildet sind, daß der gesamte Feuerstrahl systematisch :zur Saugwirkung für das Kühlmittel herangezogen wird.

6. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte besondere Gebläseschaufelung am Läufrad in Verbindung mit an sich bekannten hohlen Turbinenlaufradschaiufeln, derart, ' daß das Kühlmittel ohne Störung des Feuerstrables nach Bestreichen der Laufradseiten durch die hohlen Laufradschaufel strömt.

7. Einrichtung" zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch besondere Spülschaufein (S), die vom Kranz der hohlen Leitschaufeln aus gespeist werden, zur Au ßenfoe spülung der Laufradschaufeln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.