DE558014C - Gekuehltes Duesensegment fuer Brennkraftturbinen - Google Patents

Description

Gekühlte Düsensegmente für Brennkraftturbinen, die aus !einzelnen, nach der Herstellung auf Maßhaltigkeit, Dichtheit, Festigkeit und Oberfläcfoenbescnaffenheit zum fertigen Düsensegment zusammensetzbaren Teilen bestehen, sind bereits vorgeschlagen worden. Man erreicht hierdurch, gegenüber hohlgegossenen oder durch Zusammenschweißen einzelner Teile vereinigten Düsenanordnungen, gleichgültig, ob es sich um Ein- oder Mehrfachdüsen handelt, den Vorteil, daß die durch das Herstellungsverfahren zu !erreichende Glätte der feuergasberührteri Oberflächen auch nach dem Zusammenbau aus einzelnen Teilen erhalten bleibt, so daß die Reibungsverluste der mit hoher Geschwindigkeit vorbeistromenden Feuergase wesentlich vermindert werden. Bei aus einem Stück gegossenen Düsensegmenten ist nämlich die Be-

ao arbeitung der inneren "Wandungsflächen auf größtmögliche Glätte sehr 'erschwert oder gar unmöglich. Bei Düsensegmentenj die aus einzelnen Teilen zusammengeschweißt sind, kann vor dem Zusammenschweißen zwar die f euergasberührte Oberfläche geglättet werden, jedoch leiden diese Teile durch das nachträgliche Zusammenschweißen erheblich, während 'eine nachträgliche, abermalige Glätrung ebenso schwierig, wenn nicht gar unmöglicht ist wie bei aus einem Stück gegossenen Düsen. Schwierig ist außerdem die Dichtung von Lunketstellen, Poren oder- Rissen, wie' sie' bei verwickelten Gußstücken stets auftreten; auch hier gewähren die aus einzelnen Teilen fertig zusammensetzbaren Düsensegmente die größten Vorteile.

"Während sich, die Lösung der Aufgabe beim Gegenstand des bekannten Vorschlages verhältnismäßig einfach gestaltete, weil nur die Düsenblätter Kühlräume aufwiesen, die die Düsenblätter dagegen zwischen sich aufnehmenden Seitenstücke gänzlich uhgekühlt blieben, geht vorliegende Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Kühlung dieser Seitenstücke unentbehrlich, ist. Vorliegende Erfindung kennzeichnet sich demgemäß dadurch;, daß bei !einem gekühlten Düsensegment, das aus einzelnen, nach der Herstellung auf Maßhaltigkeit, Dichtheit, Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit zum fertigen Düsensegment zusammensetzbaren Teilen Gesteht, die die gekühlten Düsenblätter zwischen sich aufnehmenden Seitenstücke ebenfalls gekühlt sind, wobei die Kühlräume der Düsenblätter und Seitenstücke zweckmäßig über die die beiden Teile miteinander befestigenden Bolzen in Verbindung stehen.

In weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens wird das Düsensegment durch gekühlte Endstücke abgeschlossen, wobei die Kühlräume der End- und Seitenstücke wiederum zweckmäßig über die die beiden Teile miteinander befestigenden Bolzen" in Verbindung stehen.

Während bisher die Kühlung der Düsenblattspitze die größten Schwierigkeiten bereitete, weil es nicht gelang, mit den Kühl mittelbohrungen genügend weit zur Spitze vorzudringen, erfolgt ierfindungsgemäß auch eine in bezug· auf die Düsenblattspitzenküh lung äußerst vorteilhafte Kühlung der Düsen blätter dadurch, daß die Düsenblätter der Länge nach edngesdhlitzt sind und die Kühl ίο schlitze über eine vorteilhaft in der Düsenblattspitze liegende Querausnehmung in Ver· bindung stehen, wobei jeder der Schlitze über ringförmige Ausnehmungen im Düsenblatt mit dem Kühlmittelzu- und -abfluß in den Befestigungsbolzen verbunden ist. Die Düsenblattschlitze können nach der Herstellung durch Lot- oder Schweißnähte verschlossen werden.

"Während die Befestigungsbolzen der Düsenao blätter wegen der Kühlmittelzu- und -abführung zur bzw. aus dem Düsenblatt beiderseitig durchbohrt sind, weisen die Befestigungsbolzen der Endstücke nur eine einseitige Durchbohrung auf, so daß durch Versetzung der Bohrungen eine Bespülung der gesamten Kühlflächen der Endstücke in demselben Maße eintritt, wie diese Bespülung bei den Düsenblattflächen durch die gerichtete Bewegung des Kühlmittels erreicht wird. Werden die Kühlräume der Seitenstücke ein- oder mehrfach unterteilt, so kann die ;.-. Parallelführung des Kühlmittels durch, die Düsenblätter in 'eine teilweise Hintereinanderschaltung der Kühlmittelströme abgewandelt werden, so daß sich die Möglichkeit ergibt, besonders starke Temperaturdifferenzen durch Verwendung hintereinandergeschalteter Kühlströme teilweise auszugleichen.

Zwischen den Seitenstücken und den Stirnflächen der Düsenblätter sind zweckmäßig Schultern und ihnen entsprechende Ausneh- ·_■.;. mungen oder ähnlich wirkende Mittel vorgesehen, die in Verbindung mit den Befestigungsbolzen den auf die - Düsenblätter ausgeübten statischen und dynamischen Feuergasdruck aufnehmen.

■: Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgegenstandes.

Abb. ι gibt einen in die Zeichnungsebene abgewickelten Schnitt durch das Düsensegment nach Linie I-I der Abb. 2 wieder.

Abb. 2 zeigt einen senkrechten .Schnitt durch

das Düsensegment nach Linie H-II der Abb. 1.

Abb. 3 gibt einen senkrechten Querschnitt durch das Düsensegment nach Linie III-III der Abb. 2 wieder, während

Abb. 4 einen Schnitt durch die Düsenblätter nach Linie IV-IV der Abb. 1 darstellt.

Abb. 5- zeigt einen senkrechten Querschnitt durch das Düsensegment nach Linie V-V der Abb. 1. . .. . .

Abb. 6 entspricht einem senkrechten Längsschnitt nach Linie VI-VI der Abb. 1 durch die Düsenblätter.

Abb. 7 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch ein Endstück nach Linie VII-VII der Abb. 2.

Abb. 8 schließlich stellt einen Schnitt nach Linie VIII-VIII der Abb. 2 durch ein Endstück dar.

Die als Hohlkörper ausgebildeten Seitenstücke ι und 2 sind auf den teilweise feuergasberührten Innenflächen der Wandungen 4 sauber geglättet. Ein Flansch 5 dient zur Befestigung der Seitenstücke am Turbinenrahmen, insbesondere am Düsenventilkranz einerVerpuffungsbrennkraftturbine. DieHohlräume 6 der beiden Seitenstücke 1 und 2 werden von Kühlmittel durchströmt.

Auch die als Hohlkörper ausgebildeten Endstücke 7 und 8 sind auf den f euergasberührten Flächen 9 sauber geglättet. Ihre Hohlräume 10 werden von Kühlmittel durchströmt.

Schließlich sind die Düsenblätter 11 auf den feuergasberührten Oberflächen 12 sauber geglättet. An ihren Längsseiten sind Schlitze 13 eingearbeitet, die durch einen in der Düsenblattspitze liegenden Querschlitz 16 miteinander verbunden sind. Bohrungen 14 in den Düsenblättern nehmen die durchbohrten Befestigungsbolzen 20 auf, Ringnuten 15 dienen der Zu- und Abführung des Kühlmittels zu' und. von den Längsschlitzen 13. Die Längsschlitze 13 und die Querschlitze 16 sind durch Lot- oder Schweißnähte 17 und 18 verschlossen. Da die Tiefe der eingefrästen Schlitze 13 praktisch nicht begrenzt ist*, so kann das Düsenblatt ii jede gewünschte Breite einnehmen, ohne daß ihre Kühlung beeinträchtigt wird. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlung eignet sich daher besonders vorteilhaft für hohe Düsen, also Turbinen großer Leistung. Die Querausnehmung 16 der Düsenblattspitze· führt das Kühlmittel bis in die äußerste Spitze der Düsenblätter, d. n. bis zu einer Stelle, die erfahrungsgemäß bei bekannten Ausführungen nur mangelhaft gekühlt wird.

An den Stirnflächen der Düsenblätter, welche an den Seitenstücken 1 und 2 anliegen, besitzen sie in der Nähe der Spitze Ausnehmungen, welche entsprechende Schultern 19 der Seitenteile 1 und 2 aufnehmen (vgl. Abb. 4 und 8). Diese Mittel halten die Düsenblätter in ihren Lagen fest und nehmen zusammen mit den" Biefestigungs,bolzen den statischen und dynamischen Peuergas druck auf. Die Bolzen 20 mit ihren Muttern 21 halten die Seiten- und Endteile bzw. die -Seitenteile und die Düsenblätter im zusanimengebauten Zustande fest. Die auch zur Einführung der

Bolzen 20 bzw. zum Aufsetzen "der Mutter 21 dienenden, in den Wandungen 3 sitzenden Kernlöcher 29 und 30 werden durch eingesetzte Gewindestopfen nach dem Zusammenbau dicht verschlossen.

Axiale Bohrungen 22 und 23 der Bolzen 20 dienen zur Zu- und Abführung des Kühlmittels zu und von. den:"- Düsenblättern 11. Dem gleichen Zwecke dienen die Querbohrangen 24 und 25.

Das Kühlmittel durchströmt also die Teile des Düsensegmentes in der Reihenfolge: Zutritt bei 31 zum Hohlraum 6 des Seitenstükkes i, Durchströmung der halben Anzaihl der Bolzen und Düsenblätter, die mit dem Hohlraum 6 in Verbindung stehen, nämlich durch die Bohrungen 22 und 24 der Bolzen 20, durch die Ringkanäle 15 über die Längsschlitze 13 der auf Seitenstück 1 liegenden Düsenblattseite, über Querschlitze 16, Längsschlitz 13 und Ringkanäl 15 der auf Seiten-Stücke liegenden Düsenblattseite, Bohrungen 25 und 23 der Bolzen 20 in den Hohlraum 6' des Seitenstückes 2. In sinngemäßer Umkehrung strömt das Kühlmittel dann durch die andere halbe Anzahl der Bolzen 20 und der Düsenblätter 11 zum Hohlraum 6" des Seitenteiles zurück in den Abfluß 32.

Ein paralleler Kühlmittelstrom fließt durch die Endstücke 7. Die die Endstücke und Seitenstücke zusammenhaltenden Bolzen 20 haben jedoch hier nicht die gleiche Anzahl Bohrungen wie die Bolzen, welche Seitenstücke und Düsenblätter zusammenhalten. Die den Düsen am nächsten zu liegenden Bolzen 20 der Endstücke haben nur die Bohrungen 22 und 24; die am Ende des Segmentes liegenden Bolzen 20 besitzen dagegen nur die Bohrungen 23 und 25. Der KüMmittelstrom fließt also vom Hohlraum 6 des Seitenstückes 1 durch die Bohrungen 22 und 24 durch den Düsen zu am nächsten liegenden Bolzen 20, durchfließt das Endstück 8, tritt durch die Bohrungen 25 und 23 des am Segmentende liegenden BoI-zens 20 in den Hohlraum 6' des Seitenstükkes 2, strömt durch die Bohrungen 25 und 23 des am anderen Endstück 7 liegenden Bolzens 20, in dessen Hohlraum 10 und von hier aus durch die Bohrungen 24 und 22 des den Düsen am nächsten zu liegenden Bolzens 20 in den Hohlraum 6" des Seitenstückes 1, von dem aus er mit dem parallelen Kühlmittelstrom aus den Düsenblättern durch den Ablauf 32 abströmt.

In Abb. 1 bis 8 sind als Verbindungsbolzen 20 Kegelbolzen gewählt, welche in entsprechend ausgeriebenen Bohrungen der Seitenstücke ι und 2, der Endstücke 7 und 8 sowie der Düsenblätter 11 derartig dichtend sitzen, daß sie nicht nur die Teile, in denen sie sitzen, zu einem Ganzen fest verbinden, sondern auch, !einen Austritt des Kühlmittels nach außen verhindern. Statt der Mutter 21 können die Bolzen auch, einen Nietkopf tragen; in diesem Fall wäre natürlich ein nachträglicher Ausbau der Bolzen ohne teilweise ' Beschädigung derselben nicht möglich.

Es ist bereits erwähnt worden, daß die Schlitze 13 bzw. die Querausnehmungen der Düsenblätter 11 durch Lot- oder Schweißnähte verschlossen werden müssen. Die Lötnaht wird erforderlich, wenn die Düsenblätter und Bolzen aus Werkzeugstählen mit hoher Streckgrenze gefertigt werden, weil sich dieser Werkstoff nicht schweißen läßt. In diesem FaUe wird also der Schlitz entweder durch Hartlötung oder durch Kupferschweißung in einer Wasserstoffatmosphäre geschlossen. Die Herstellung des Düsenblattes und der Bolzen aus einem Werkstoff mit hoher Streckgrenze hat den Vorteil, daß den Bolzen gegenüber dem Düsenblatt eine hohe Vorspannung gegeben werden kann, die selbst bei wesentlicher Verschiedenheit der Wärmeausdehnung zwischen Blatt und Bolzen nicht auf den Wert Null herabsinkt. Auf diese Weise wird das Undichtwerden des Bolzens gegenüber dem Blatt, für den Fall, daß das Blatt eine andere Wärmeausdehnung hat wie der Bolzen, beseitigt.

Für die Herstellung der Düsenblätter 11 gilt folgendes. Ein roh vorgeschmiedeter ringförmiger Block von einer Länge, daß sich aus ihm sämtliche Düsenblätter eines Segmentes, in vorliegendem Falle also vier, herstellen lassen, wird zuerst auf Innen- und Außendurichmesser und auf Höhe vorgedreht. Die am Ende der Düsenblätter befindliche Haltenut wird gleichzeitig hergestellt. Nachdem nun auf die beiden Flanken des Blockes die Düsenblattformen angezeichnet worden sind, werden die Löcher zur Aufnahme der Befestigungsbolzen vorgebohrt; hierauf werden die KühlsicMitze ausgefräst und die Verbindung dieser durch die Querbahrungen hergestellt. Hiernach werden die Kühlschlitze oben und unten durch Verschweißung oder Lötung verschloissen und der Block in die einzelnen Blätter zersägt. Die einzelnen Blockteile werden dann für sich zu je einem Düsenblatt fertiggefräst.

Die Einzelteile der Düsensegmente können aber auch aus Hohlguß bestehen oder aus einzelnen Stücken zusammengeschweißt sein. Sie haben so einfache Formen, daß die Herstellung und die Behandlung der Oberflächen, insbesondere der feuergasberührten, sowie die Prüfung auf Maßhaltigkeit, Dichtheit und Festigkeit keine Schwierigkeiten bereiten. Aus diesem Grunde eignen sich derartige Düsen auch für besonders hohe Kühlmitteldrucke.

Claims (7)

1. Patentansprüche;

   ι. Gekühltes Düsensegment für Brennkraftturbinen, das aus einzelnen, nach, der Herstellung auf Maßhaltigkeit, Dichtheit, Festigkeit und OberfLächenbeschaffenheit zum fertigen Düsensegment zusammensetzbaren Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die die gekühlten Düsenblätter zwischen sich aufnehmenden Seitenstücke ebenfalls gekühlt sind, wobei die Kühlräume der Düsenblätter und Seitenstücke zweckmäßig über die die beiden Teile verbindenden Befestigungsbolzen in Verbindung stehen.
2. 2. Düsensegment nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsensegment durch gekühlte Endstücke abgeschlossen wird, wobei die Kühlräume der

   ao End- und Seitenstücke ebenfalls zweckmäßig über die die Teile miteinander befestigenden Bolzen in Verbindung stehen.
3. 3.. Düsensegment nach einem der Ansprüche ι und 2, dadurch gekennzeichnet,

   s5 "daß die Düsenblätter der Länge nach eingeschlitzt sind und die Kühlschlitze über eine vorteilhaft in der Düsenblattspitze liegende . Querausnehmung in Verbindung stehen, wobei jeder der Schlitze übier ringförmige Ausnehmungen deä Düsenblattes mit dem Kühhnittelzu- und -abfluß im Befestigungsbolzen verbunden ist.
4. 4. Düsensegment nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenblattschlitze nach der Herstellung durch Lötoder 'Schweißnähte verschlossen sind.
5. 5. Düsensegment nach einem der Ansprüche ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsbolzen der Endstücke nur auf einer Seite durchbohrt sind, so daß durch Versetzung der Bohrungen eine Bespülung der gesamten Kühlfläche der Endstücke mit Kühlmittel eintritt.
6. 6. 'Düsensegment nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 'die Kühlräume der Seitenstücke ein- oder mehrfach unterteilt süid.
7. 7. Düsensegment nach einem der Ansprüche ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Seitenstücken und den Stirnflächen der Düsenblätter' Schultern (19) und ihnen entsprechende Ausnehmungen vorgesehen sind, die in Verbindung mit den Befestigungsbolzen den auf die Düsenblätter ausgeübten statischen und dynamischen Feuergasdruck aufnehmen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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