DE3616712A1 - Umlaufendes maschinenteil mit elektrodynamisch betriebenem, geschlossenem kuehlkreislauf - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein umlaufendes Maschinenteil nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Es ist bekannt, auch umlaufende Maschinenteile, die einer hohen Dauertemperaturbelastung ausgesetzt sind zu kühlen, um sicherzustellen daß die Festigkeits­ eigenschaften der Werkstoffe sich nicht zu stark ver­ schlechtern. Meistens wird dabei ein Kühlfluid mittels einer Pumpe oder eines Gebläses in einem Kreislauf umgewälzt, der Kanäle im zu kühlenden Maschinenteil selbst, eine externe Wärmesenke und beide miteinander verbindende Leitungen enthält, darunter auch Kupplungs­ stellen für den Übergang vom festen zum umlaufenden Teil der Maschine. Diese Kupplungsstellen stellen ein konstruktiv schwieriges Bauteil dar, das kaum ohne gewisse, wenn auch kleine Leckagen betrieben werden kann. Um eine Schwächung des umlaufenden Maschinenteils zu vermeiden, können die Kühlkanäle bestimmte Abmessungen nicht überschreiten; wird in diesen Kanälen, wie bislang üblich, Wasser oder ein Gas umgewälzt, ist die Wärme­ transportkapazität nur gering, sodaß der Wärmebelastung des Maschinenteils verhältnismäßig enge Grenzen gezogen sind. Zwar sind die guten Wärmeübertragungseigenschaften von flüssigen Metallen bekannt, insbesondere des Alkali­ metalls Natrium, das nur ein verhältnismäßig geringes spezifisches Gewicht aufweist, doch sind diese sehr reaktionsfreudig und dürfen daher nur in völlig geschlossenen Kreisläufen verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Ver­ besserung der Kühlung eines beliebigen, umlaufenden und einer hohen Wärmebelastung ausgesetzten Maschinen­ teils mittels eines Flüssigmetall-, insbesondere eines Natriumkühlkreislaufes bei sicherem Einschluß des letzteren; gleichzeitig soll der Aufbau eines solchen Kühlkreislaufes unter Verzicht auf den Einsatz weiterer bewegter Teile vereinfacht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch im kennzeich­ nenden Teil des ersten Anspruchs angegebenen Mittel. Wenn der Kühlkreislauf innerhalb des Maschinenteils geschlossen ist, fallen die Probleme und die möglichen Leckstellen am Übergang zwischen feststehenden und umlaufendem Maschinenteil weg. Wird als Kühlmittel ein elektrisch leitendes Fluid verwendet, kann dieses auf elektromagnetischem, berührungslosem Wege umgewälzt werden; hierzu kann eine sogenannte Schraubenkanal­ pumpe verwendet werden, wie sie in ihrer Grundform aus der FR-A- 13 44 696 bekannt ist, hier aller­ dings nur für einen ortsfesten, nicht notwendiger­ weise geschlossenen Kreislauf eines elektrisch leitenden Fluids. Die geforderten, um einen Abschnitt des Maschinen­ teils herum gruppierten Induktionsspulen wirken, wenn sie mit einem Wechselstrom erregt werden, wie der Stator eines Elektromotors, dessen Rotor aus dem wendel­ förmigen Abschnitt der Kühlkanäle bzw. dem darin befind­ lichen Fluid besteht. Letzteres wird dann je nach der Schaltung der Spulen in der einen oder anderen Richtung fortbewegt. Diese Art von Pumpen ist robust, verschleiß­ frei und für den Einsatz bis zu Temperaturen von einigen hundert °C geeignet.

Das zu kühlende Maschinenteil wird üblicherweise nur in einem Abschnitt desselben einer erhöhten Tempera­ turbelastung ausgesetzt sein. Der vorgeschlagene Kühl­ kreislauf dient dann dem Zweck, Wärme aus diesem Ab­ schnitt in einen anderen Abschnitt zu transportieren, der sich auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindet. Im 2. Anspruch wird vorgeschlagen, die Wärmeabgabe an die Umgebung in diesem Abschnitt gezielt zu verstärken, wozu der Fachmann z. B. Kühlrippen am Maschinenteil vorsehen wird.

Im 3. Anspruch wird ein bevorzugter Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung definiert. Eine Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen ließe sich erreichen, wenn die Brennkammertemperaturen erhöht werden könnten. Dies wäre mit Hilfe der hier vorgeschlagenen, verbesserten Kühlung möglich. Im 4. und 5. Anspruch werden die bevor­ zugt zu verwendenden Kühlfluide angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt, und zwar zeigt diese schematisch im Längsaxialschnitt einen Teil einer Gasturbine.

In einer Brennkammer 1 werden Turbinenschaufeln 2 mit den durch die Verbrennung erzeugten heißen Gasen be­ aufschlagt. Die Turbinenschaufeln 2 sind in bekannter Weise auf einer Welle 3 montiert, die in Lagern 4 läuft. Um eine thermische Überbeanspruchung der Turbinenschau­ feln 2 zu vermeiden, sind in diesen Kühlkanäle 5 ange­ legt, die sich in der Welle 3 fortsetzen und die mit einem elektrisch leitenden Fluid, vorzugsweise mit flüssigem Natrium oder einem Natrium-Kalium-Eutektikum gefüllt sind. In einem außerhalb der Brennkammer 1 gelegenen Abschnitt der Welle 3 sind die in ihr verlaufenden Kühlkanäle wendelförmig 51 ausgeführt. Konzentrisch hierzu und fest am Turbinengehäuse 6 sind Spulen 7 angeordnet, die mit Hilfe einer hier nur angedeuteten Wechselstromquelle 8 erregt werden können. Durch die dann auf das elektrisch leitende Fluid in den Kühlkanälen 5 einwirkenden elektro­ magnetischen Kräfte wird dieses umgewälzt; dies geschieht nicht nur bei Stillstand der Welle 3, sondern auch wenn diese sich dreht. Die Kühlkanäle 5 setzen sich in einem zweiten, wendelförmigen (oder auf andere Weise in seiner Oberfläche vergrößerten) Abschnitt 52 fort, der sich auf einem möglichst niedrigen Temperaturniveau befindet (z. B. der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist). Hier wird das Kühlfluid wieder abgekühlt, was dadurch unterstützt werden kann, daß die Welle 3 in diesem Bereich mit Kühlrippen 9 versehen ist.

Wird Natrium oder eine Natriumlegierung als Kühlfluid verwendet, so ist der Kühlmitteldruck nur gering, und dessen Temperatur kann angehoben werden, wodurch in den gekühlten Strukturen geringere Spannungen induziert werden. Die größere Aufwärmspanne gleicht die geringere spezifische Wärme des Flüssigmetalls aus. Wegen der niedrigen Dichte von Natrium ist die durch die Fliehkraft zusätzlich auf die Schaufeln wirkende Belastung gering.

Claims (5)

1. Umlaufendes Maschinenteil (2, 3), das teilweise durch ein umgewälztes Kühlfluid kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Kühlkreislauf (5) innerhalb des Maschinenteils (2, 3) geschlossen ist,
• b) als Kühlmittel ein elektrisch leitendes Fluid verwendet wird,
• c) der Kühlkreislauf (5) einen wendelförmigen Abschnitt (51) aufweist, wobei konzentrisch zu diesem feststehen­ de Induktionsspulen (7) angeordnet sind.

2. Maschinenteil (2, 3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen weiteren Abschnitt (52) mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften zur Umgebung aufweist.

3. Maschinenteil (2, 3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um den Rotor (3) einer Gasturbine mit kühlbaren (5) Schaufeln (2) handelt.

4. Maschinenteil (2, 3) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitendes Fluid ein Flüssigmetall verwendet wird.

5. Maschinenteil (2, 3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigmetall Natrium oder eine Natriumlegierung verwendet wird.