DE565045C

DE565045C - Device for cooling turbines for high temperatures and high rotational speeds

Info

Publication number: DE565045C
Application number: DEM102477D
Authority: DE
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1926-12-17
Filing date: 1927-12-11
Publication date: 1932-11-25

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum Kühlen von Turbinen für hohe Temperaturen und hohe Drehgeschwindigkeiten, durch die es ermöglicht werden soll, die Turbinen mit einem Treibmittel von wesentlich höherer Temperatur zu betreiben, als es bisher praktisch allgemein möglich war. Die Fliehkraftbeanspruchungen in der mittleren Zone rasch umlaufender Turbinenläufer erreichen eine solche Größe, daß Treibmittel höherer Temperaturen nur angewendet werden können, wenn man insbesondere diesen mittleren Teil gegen starke Erhitzung durch das Treibmittel schützen kann.The invention relates to devices for cooling turbines for high temperatures and high rotational speeds, through which it should be possible to operate the turbines with one To operate propellants at a much higher temperature than has been practically general up to now was possible. The centrifugal forces in the middle zone of rapidly rotating turbine rotors reach such a size that blowing agents higher temperatures are only applied can be if you especially this middle part against strong heating can protect by the propellant.

Gemäß der Erfindung werden zu diesem Zwecke in dem einteiligen Läuferkörper, der die Schaufelung trägt und auf den deren Fliehkräfte übertragen werden, Dampfkanäle in einer ringförmigen Kühlzone angeordnet, durch welche ein Strom verhältnismäßig kühlen TreibmittelsAccording to the invention are for this purpose in the one-piece rotor body that the Carrying blades and to which their centrifugal forces are transmitted, steam channels in one annular cooling zone arranged through which a stream of relatively cool propellant

ao in der Nähe des Umfanges des Läufers fließt, während mit Ausnahme der üblichen kleinen Mittelbohrung der mittlere Läuferbereich von Kanälen frei ist.ao flows near the circumference of the runner, while except for the usual small Central bore the central rotor area is free of channels.

Es ist bei Dampfturbinen bereits vorgeschlagen worden, im Läuferkörper Kanäle anzuordnen, die von Leckdampf durchflossen werden, der die Labyrinthdichtung am Umfang von Ausgleichkolben durchströmt hat. Wesentlich ist demgegenüber bei der Erfindung, daß Arbeitsdampf nach seiner Arbeitsleistung durch nahe der Läuferoberfläche und ringzonenartig angeordnete Kanäle geschickt wird.It has already been proposed in steam turbines to arrange ducts in the rotor body, which are traversed by leakage steam that has flowed through the labyrinth seal on the circumference of the equalizing piston. Essential on the other hand, in the case of the invention, working steam is close to its work performance the rotor surface and channels arranged like a ring zone.

Die Erfindung ist durch die Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen wiedergegeben, und zwar zeigenThe invention is represented by the drawing in several exemplary embodiments, namely show

Abb. ι und 2 in mehr oder weniger schematischer Weise einen Längsschnitt von Turbinen gemäß der Erfindung.Fig. Ι and 2 in a more or less schematic manner a longitudinal section of turbines according to the invention.

Abb. 3 veranschaulicht einen Querschnitt des Läuferkörpers der Turbine nach Abb. 1,Fig. 3 illustrates a cross section of the rotor body of the turbine according to Fig. 1,

Abb. 4 zeigt eine Einzelheit in vergrößertem Maßstabe,Fig. 4 shows a detail on an enlarged scale,

Abb. 5 zeigt im Querschnitt einen Teil einer Mehrschichtenschaufelung, die bei einer Ausführungsform der Erfindung Anwendung findet.Fig. 5 shows, in cross section, a portion of a multilayer blade used in one embodiment the invention finds application.

Abb. 6 veranschaulicht einen Einzelquerschnitt durch eine Form eines Läuferkühlkanals,Fig. 6 illustrates a single cross-section through a shape of a rotor cooling channel,

Abb. 7 und 8 sind Aufriß und Grundriß einer bei Ausführung der Erfindung angewendeten Turbinenschaufel,Figures 7 and 8 are elevation and plan of one used in practicing the invention Turbine blade,

Abb. 9 ist eine Ansicht in Richtung der Läuferachse und zeigt einen Teil eines Läufers und der Schaufelung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, undFig. 9 is a view in the direction of the rotor axis and shows part of a rotor and the blade according to an embodiment of the invention, and

Abb. 10 ist ein Querschnitt nach LinieXI-XI in Abb. 9.Fig. 10 is a cross section along line XI-XI in Fig. 9.

Bei der Ausführung nach Abb. 1 ist die Läufertrommel ι durch eine Mehrzahl von Längska-In the version according to Fig. 1, the rotor drum is ι by a plurality of longitudinal channels

nälen 2 durchbrochen, die durch ihre Anordnung eine ringförmige Kühlzone innerhalb der Läufertrommel bilden, wie in Abb. 4 angedeutet ist Der treibende Dampf von Hochtemperatur und Hochdruck tritt in den Zylinder 3 durch den Einlaß4einundleistetbeimDurchströmendes Schaufelungsteiles 5 in üblicher Weise Arbeit. Nachdem der Dampf die Schaufelung 5 verlassen und dann einen erheblichen Druck und Temperaturabfall erlitten hat, wird seine Richtung durch die Endwandung 6 des Zylinders 3 umgekehrt, und das Mittel strömt durch die Kanäle 2 im Läufer zurück. Leitschaufeln 7 dienen zur Milderung von Stoß und Energieverlusten bei Umkehr der Bewegungsrichtung des Treibmittels, und zu einem ähnlichen Zweck sind die Schaufehl 8 am anderen Ende des Läufers angebracht, wo das Kühlmittel die Kanäle 2 verläßt und in den Auspuffraum 9 eintritt. Eine Labyrinthdichtung 10 trennt Einlaß- und Auslaßkammern der Turbine.nälen 2 pierced, which by their arrangement an annular cooling zone within the rotor drum The driving steam of high temperature and high pressure enters the cylinder 3 through the inlet 4 and acts as it flows through Blade part 5 work in the usual way. After the steam leave the blades 5 and then has suffered a significant drop in pressure and temperature, its direction is through the end wall 6 of the cylinder 3 reversed, and the medium flows through the channels 2 in the Runner back. Guide vanes 7 serve to mitigate shock and energy losses Reversing the direction of movement of the propellant, and for a similar purpose are the Blade 8 attached to the other end of the rotor, where the coolant leaves the channels 2 and enters the exhaust chamber 9. A labyrinth seal 10 separates inlet and outlet chambers the turbine.

Beim Durchströmen der Kanäle 2 nimmt das verhältnismäßig kühle Treibmittel Wärme auf, die den Schaufeln durch das heiße Treibmittel im Schaufelungsteil und den anliegenden Läuferteilen mitgeteilt und durch Leitung auf den Läuferkörper übertragen ist, insbesondere, in der Nähe der Hochdruckteile der Turbine. Der mittlere Teil des Läufers in der Nähe der Achse, der im Betriebe hohen Beanspruchungen unterliegt, wird auf diese Weise auf Temperaturen gehalten, die nicht viel höher liegen als die Temperatur des Treibmittels, das den Schaufelungsteil 5 verläßt.When flowing through the channels 2, the relatively cool propellant absorbs heat, the blades through the hot propellant in the blade part and the adjacent rotor parts communicated and transferred by line to the rotor body, in particular, in the Proximity of the high pressure parts of the turbine. The middle part of the runner near the axis, which is subject to high stresses in the company, is exposed to temperatures in this way held, which are not much higher than the temperature of the propellant that the blade part 5 leaves.

Die Wärme, die von dem Treibmittel aufgenommen wird, kann in beliebiger, bei der besonderen Anlage zweckmäßiger Weise nutzbar gemacht werden. Ein Beispiel, nach dem diese Wärme zweckmäßigerweise in der gleichen Turbine in Arbeit verwandelt werden kann, ist in Abb. 2 wiedergegeben. In diesem Beispiel weist der Turbinenläufer einen Teil 11 von Zylinderoder Trommelform auf, der durch ein gasförmiges Treibmittel getrieben wird, sowie zwei dampf betriebene Teile 12 und 13 von Scheibenbauart. Es wird Gas von hoher Temperatur und hohem Druck durch den Gaseinlaß 14 eingelassen, und - es gibt beim Durchströmen der Schaufelung des Läuferteiles 11 Energie ab. Es verläßt den Läufer bei wesentlich niedererer Temperatur und Druck durch den Auslaßkanal 15. Der Einlaßkammer 16 des dampfbetriebenen Teiles 12 wird Hochdruckdampf zugeleitet, und nachdem er unter Arbeitsleistung einen Teil seiner Energie abgegeben hat, strömt er durch Leitungen 17 im Läuferteil 11, wo er als Kühlmittel im Verhältnis zu dem Hochtemperaturtreibgas dient; sodann wird er dem dampfbetriebenen Teil 13 zugeleitet. Auf diese Weise wird der Teil 11 des Läufers gekühlt, und die vom Dampf aufgenommene Wärmeenergie wird zum Leisten von Arbeit im dampfbetriebenen Teil 13 nutzbar gemacht, bevor der Dampf endgültig durch den Auslaßkanal 18 abströmt.The heat that is absorbed by the propellant can be in any, with the particular System can be made usable in an expedient manner. An example after which this heat is expediently in the same turbine can be turned into work is shown in Fig. 2. In this example, the turbine runner has a part 11 in the form of a cylinder or drum, which is driven by a gaseous Propellant is driven, as well as two steam-operated parts 12 and 13 of disc type. Gas of high temperature and high pressure is admitted through the gas inlet 14, and - It emits energy as it flows through the blades of the rotor part 11. It leaves that Runner at a much lower temperature and pressure through the outlet channel 15. The inlet chamber 16 of the steam-operated part 12 is fed high-pressure steam, and after he has given up part of his energy while doing work, it flows through lines 17 in the Runner part 11, where it is used as a coolant in proportion serves to the high-temperature propellant gas; then it is fed to the steam-operated part 13. In this way the part 11 of the rotor is cooled, and that which is absorbed by the steam Thermal energy can be used to perform work in the steam-operated part 13 made before the steam finally flows out through the outlet channel 18.

Der Wärmeinhalt in dem auspuffenden gasförmigen Treibmittel kann noch nutzbar gemacht werden, beispielsweise, wie schematisch angedeutet, zum Überhitzen des Dampfes, der der Turbine durch eine Zuführungsleitung 19 zuströmt, zum Erhitzen des Dampfes zwischen zwei Arbeitsstufen des Teiles 13 durch eine Zwischenerhitzerleitung 20 und zum Vorwärmen des Wassers, aus dem Dampf erzeugt wird durch Anwendung eines weiteren Heizkreises, der bei 21 angedeutet ist.The heat content in the exhausting gaseous propellant can still be made usable are, for example, as indicated schematically, for superheating the steam, the the turbine flows through a feed line 19, for heating the steam between two working stages of the part 13 through an intermediate heater line 20 and for preheating of the water, from which steam is generated through the use of another heating circuit, which at 21 is indicated.

Es können auch Treibmittel aus zwei verschiedenen Quellen in einer Turbine angewendet werden, so daß das Treibmittel der einen Quelle als Kühlmittel gegenüber dem Treibmittel der anderen Quelle dient, während es gleichzeitig Arbeit auf die Turbinenschaufeln überträgt. Ein Beispiel dieser Ausführung ist durch Abb. 5 wiedergegeben, die einen Teil einer Doppellagenoder Doppelschichtschaufelung zeigt, deren äußerer Schicht 42 Hochtemperaturtreibmittel zufließt, während der inneren Schicht 43 ein Treibmittel zufließt, das eine wesentlich niederere Temperatur aufweist. Die Drücke der Treibmittel von Hoch- und Niedertemperatur können annähernd die gleichen sein, aber vorzugsweise ist der Druck des Treibmittels niederer Temperatur größer, so daß keine Möglichkeit besteht, daß das heißere Treibmittel in Richtung auf die Läuferachse strömt. Ein etwaiges Bestreben der beiden Treibmittel, sich zu mengen, kann gegebenenfalls durch Anbringung von Labyrinthdichtungen 44 vermindert werden, die an Trennwänden 45 zwischen den Schaufelschichten angebracht sind. Bei Turbinen dieser Bauart kann es bisweilen zweckmäßig sein, den beiden Treib- ioo mitteln zu gestatten, sich in den Schaufelungsteilen in Richtung auf das Niederdruckende der Turbine zu mischen,, wo die Temperatur des Treibmittels in der äußeren Schicht nicht mehr übermäßig hoch ist, in dem also die Doppelschichtschaufelung zum oben beschriebenen Zwecke im wesentlichen am Hochdruckende der Turbine angewendet wird. Natürlich kann aber auch die mehrschichtige Bauart der Schaufelung bis zum Auspuffende der Turbine durchgeführt werden.Propellants from two different sources can also be used in one turbine be, so that the propellant of a source as a coolant compared to the propellant of the serves another source while at the same time transferring work to the turbine blades. A An example of this embodiment is shown by Fig. 5, which shows part of a double layer or Double layer blade shows the outer layer 42 of which is high temperature propellant flows in, while the inner layer 43 flows in a propellant which is a substantially lower one Temperature. The pressures of the propellants of high and low temperature can approximately the same, but preferably the pressure of the propellant is a lower temperature larger so that there is no possibility that the hotter propellant towards the Rotor axis flows. Any attempt by the two propellants to mix can possibly can be reduced by attaching labyrinth seals 44, which on partition walls 45 are attached between the blade layers. Turbines of this type can it can sometimes be expedient to allow the two propellants to move into the blade parts towards the low pressure end of the turbine to mix, where the temperature of the Propellant in the outer layer is no longer excessively high, i.e. in which the double-layer blades is applied essentially at the high pressure end of the turbine for the purposes described above. Of course it can the multi-layer construction of the blades up to the exhaust end of the turbine was also carried out will.

Dieses Bauverfahren, wonach eine ringförmige Kühlzone geschaffen wird, die den inneren Bereich des Läufers gegen Einwirkung des Hochtemperaturtreibmittels schützt, kann auch mit Schaufelungen ausgeführt werden, die mehr als ;wei Schaufelschichten besitzen. Beispielsweise kann eine Dreischichtenschaufelung in Anwendung kommen, bei der das Hochtemperaturtreibmittel der mittleren Schicht zufließt und das kühlere Treibmittel den inneren und äußeren chichten, wodurch also ein gewisser Schutz so-This construction method, after which an annular cooling zone is created, which is the inner area of the runner protects against the effects of the high-temperature propellant, can also be used with Blades are carried out that have more than; white blade layers. For example three-layer blades can be used, in which the high-temperature propellant the middle layer flows in and the cooler propellant flows into the inner and outer layers layers, thus providing a certain level of protection

wohl für das Gehäuse wie für den Läufer erzielt wird.probably achieved for the housing as well as for the runner.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung können verschiedene weitere bauliche Einzelheiten Anwendung finden, um die Leitung der Hitze von den Schaufeln und in unmittelbarer Berührung mit dem Hochtemperaturmittel befindlichen Maschinenteilen zu erschweren und die Auslieferung der Hitze auf das KühlmittelIn the practice of the invention, various other structural details Apply to the conduction of heat from the blades and in the immediate vicinity To make contact with the high temperature medium located machine parts difficult and delivering the heat to the coolant

ίο zu erleichtern. So können beispielsweise Kühlleitungen oder -kanäle im Läufer mit inneren Rippen 45, Abb. 6, an rohrförmigen Teilen vorzugsweise eines Metalles hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein, die in Längsbohrungen des Läufers so eingeführt sind, daß sie in guter wärmeleitender Berührung mit den Bohrungswandungen stehen. Auch können die Rippen aus einem Stück mit dem Läufer hergestellt sein. Weiter kann bei Schaufelanordnungen, bei denenίο to facilitate. For example, cooling lines or channels in the runner with internal ribs 45, Fig. 6, preferably on tubular parts a metal of high thermal conductivity can be provided in the longitudinal bores of the Runner are introduced so that they are in good thermal contact with the bore walls. Also can the ribs be made in one piece with the runner. It can also be used in the case of blade arrangements in which

ao die Wurzelteile der Schaufehl verstärkt sind und dadurch beträchtliche Berührungsflächen mit dem Hochtemperaturtreibmittel aufweisen, ein Schlitz 47 im Wurzelteil 48 der Schaufel vorgesehen sein, wie Abb. 7 und 8 zeigen, so daß die Wärmeleitung durch den Wurzelteil unterbrochen und dadurch die Abströmung der Wärme nach der Achse des Läufers vermindert wird. Zu gleichen Zwecken können bei den obenerwähnten Mehrschichtenschaufelungsbauarten die Trennwände zwischen den Schichten geschlitzt werden. Weiter kann offenbar auch vor Wärme schützender Baustoff zwischen die verschiedenen Maschinenteile eingefügt werden.ao the root parts of the Schaufehl are reinforced and thus considerable contact surfaces with containing the high temperature propellant, a slot 47 is provided in the root portion 48 of the blade as Fig. 7 and 8 show, so that the conduction of heat through the root part is interrupted and thereby the flow of heat to the axis of the rotor is reduced. For the same purposes, in the above-mentioned multilayer blade types, the Partitions can be slotted between the layers. Next can apparently also from heat protective building material can be inserted between the various machine parts.

Eine verbesserte Ausführung von Läufer und Schaufelung, die vorteilhaft bei der Ausführung der Erfindung Verwendung findet, ist in Abb. 9 und 10 wiedergegeben. Die Kühlleitungen im Läufer werden durch Längsschlitze 49 in der Nähe des Läuferumfanges gebildet. Die äußeren Teile dieser Schlitze sind schwalbenschwanzförmig gestaltet, zum Zwecke, Schaufelkranzstücke 50 zu halten, die mit schwalbenschwanzförmigen Vorsprüngen 51 in die Enden der Schlitze 49 eingesetzt und in der Längsrichtung bis in die gewünschte Stellung auf dem Läufer verschoben werden. Die Schaufelkranzstücke dienen auf diese Weise dazu, die Schlitze an der Außenseite abzudecken und dadurch die geschlossenen Läuferkühlkanäle zu bilden. Die Schaufelkranzstücke können mit Schlitzen 52 zur Unterbrechung der Wärmeleitung in Richtung auf die Läufermitte ausgestattet werden. Ein Stück kann eine beliebige Zahl von Schaufeln tragen und kann sich über mehr als einen Schaufelring und über eine beliebige Zahl von Schlitzen erstrecken. Auch können Abstandsringe zwischen den Schaufelringen angebracht werden, um diese zu trennen und die Schlitze im Läufer abzudecken. Die aneinanderstoßenden Enden der Stücke sind vorzugsweise mit Nut und Zunge ausgestaltet oder halb überlappt, so daß in Umfangsrichtung eine freie Ausdehnung möglich und doch Dampfdurchtritt zwischen den Stücken in axialer Richtung unmöglich ist.An improved design of rotor and blades, which is advantageous in the execution the invention is used is shown in Figs. The cooling lines in the Runner are formed by longitudinal slots 49 in the vicinity of the runner circumference. The outer Parts of these slots are dovetail-shaped for the purpose of blade ring pieces 50 to keep the dovetail-shaped projections 51 in the ends of the Slots 49 inserted and in the longitudinal direction to the desired position on the runner be moved. The blade ring pieces serve in this way to the slots on the Cover the outside and thereby form the closed rotor cooling channels. the Blade ring pieces can have slots 52 to interrupt the heat conduction in the direction be fitted to the middle of the runner. A piece can have any number of blades wear and can extend over more than one scoop ring and over any number of Slots extend. Spacer rings can also be attached between the blade rings to separate them and cover the slots in the runner. The contiguous Ends of the pieces are preferably designed with a groove and tongue or half-overlapped, so that there is free expansion in the circumferential direction possible and yet impossible for steam to penetrate between the pieces in the axial direction is.

Nicht nur der Läufer kann in der oben beschriebenen Weise gekühlt werden, sondern außerdem können Ständer oder Zylinder gekühlt werden, indem beispielsweise darin Kanäle gebildet werden, wie oben in bezug auf den Läufer beschrieben wurde. Auch kann das Gehäuse in anderer Weise mit Mänteln versehen werden, durch die ein kühlendes Treibmittel geleitet wird. Es ist auch zu bemerken, daß die Erfindung in Verbindung mit anderen Kühlvorrichtungen benutzt werden kann, d. h. es kann das kühlende Mittel gegebenenfalls Wärme in anderen bekannten Kühlvorrichtungen aufnehmen, bevor oder nachdem es in der oben beschriebenen Weise als Kühlmittel in der Turbine gedient hat. Auch können weitere bekannte Kühlvorrichtungen für eine Turbine außer den beschriebenen Maßnahmen Anwendung finden, beispielsweise in der Weise, daß Kühlluft oder Wasser durch die zentrale Bohrung 53 des Läufers geleitet wird, wie sie in den Abb. 1 und 3 angedeutet ist.Not only the runner can be cooled in the manner described above, but in addition, columns or cylinders can be cooled by, for example, forming channels therein as described above with respect to the runner. The housing can also be in otherwise provided with jackets through which a cooling propellant is passed will. It should also be noted that the invention can be used in conjunction with other cooling devices can be used, d. H. it can heat the cooling agent if necessary in others known cooling devices record before or after it in the above described Way has served as a coolant in the turbine. Other known cooling devices can also be used for a turbine in addition to the measures described apply, for example in such a way that cooling air or water is passed through the central bore 53 of the rotor as indicated in Figs. 1 and 3.

Ersichtlich gestattet die Erfindung, daß ein Treibmittel beträchtlich höherer Temperatur verwendet wird, als es bisher praktisch ausführbar war; solche Teile, die unmittelbar dem Treibmittel bei höchster Temperatur ausgesetzt sind, können aus einem wärmewiderstandsfähigen Sonderstahl oder anderen Metallen oder Legierungen gebildet werden, während die mittleren Teile des Läufers geschützt und ihre Temperaturen in Grenzen gehalten werden, um den sie belastenden Beanspruchungen Rechnung zu tragen. Offenbar gilt dies für den Läufer als Ganzes wie auch für Einzelteile eines Läufers aus einer Anzahl von Läuferstücken, die zusammengesetzt sind.Obviously, the invention allows a blowing agent to be at a considerably higher temperature is used when it was previously practicable; those parts that are directly related to the propellant exposed to the highest temperature can be made of a heat-resistant Special steel or other metals or alloys are formed while the middle Parts of the runner are protected and their temperatures are kept within limits around them to take into account burdensome stresses. Apparently this applies to the runner as Whole as well as for individual parts of a runner from a number of runner pieces that are put together are.

Besonders sei beachtet, daß die mittlere Zone des Läufers, die den höchsten Beanspruchungen ausgesetzt ist, völlig frei von Kanälen ist, abgesehen von der zentralen Bohrung 53 (Abb. 1 und 3), die gewöhnlich vorgesehen wird entweder für den Aufbau von Scheiben auf einer Welle oder zur Untersuchung des Läuferinnern. In Fällen, bei denen die axiale Gesundheit des Läufers außer Frage ist, kann die Mittelbohrung 53 wegfallen.Particular attention should be paid to the fact that the middle zone of the runner, the highest stresses exposed, is completely free of channels, apart from the central bore 53 (Fig. 1 and 3), which is usually provided for either building disks on top of a Wave or to examine the inside of the runner. In cases where the axial health of the Runner is out of the question, the central bore 53 can be omitted.

Claims

Patent claims:

i. Device for cooling turbines for high temperatures and high rotational speeds with channels arranged in the rotor through which steam flows are, characterized in that in the one-piece rotor body, which the blades and to which the centrifugal forces of the blades are transferred, the steam

channels lie in an annular cooling zone, through which a flow is relatively cool propellant flowing near the circumference of the runner while except of the usual small central bore, the central rotor area is free of channels.

2. Device according to claim i, characterized in that the cooling zone through Longitudinal channels (49) is formed, which are mounted in the circumference of the rotor and at the same time serve to attach the blades.

3. Device according to claim 1 for turbines with multilayer blades, characterized characterized in that a propellant through one or more blade layers to create an annular cooling zone is conducted at a temperature that is significantly below that of the propellant, that flows through one or more adjacent blade layers,

4. Device according to claim 1 and 3, characterized in that a seal with an annular space of high pressure steam between a gas space of lower pressure and a vapor space of even lower pressure to prevent gas mixing with the low pressure one Steam is arranged around the rotor circumference.

1 sheet of drawings