DE571997C - Verfahren zur Kuehlung der Schaufeln von Brennkraftturbinen - Google Patents

Description

Verfahren zur Kühlung der Schaufeln von Brennkraftturbinen durch Wärmeabfuhr aus dem Schaufelfuß sind bereits vorgeschlagen worden. Man ordnete dabei die Schaufeln so an, daß die Schaufelfüße einem kühlmitteldurchflossenen Hohlraum im Laufradkranz benachbart waren oder sogar seine in Umfangsrichtung des Laufradkranzes verlaufende Wandung bildeten. Die Anordnung derartiger Hohlräume im Laufradkranz macht jedoch infolge der erforderlichen Zu- und Abführung des Kühlmittels und infolge der notwendigen Abdichtung der Schaufeln gegen den Hohlraum erhebliche Schwierigkeiten. In

1$ besonders einfacher Weise hat man daher diese Kühlung durch Anstrahlung des Laufradkranzes mit Kühlmitteln herbeizuführen gesucht. Ein derartiges Kühlverfahren hat jedoch den Nachteil, daß die abzuführende Kühlwärme aus dem Schaufelfuß über den Laufradkranz mittelbar abgeführt werden muß, so daß zur Vermeidung eines Temperatursprunges eine feste, allseitige Anlage der Schaufelfußflanken an den entsprechenden Wandungen der Schaufelrinne im Laufradkranz erforderlich wird. Da Schaufelfuß und Laufradkranz durchweg zahnartig verklammert werden, müssen also mindestens die oberen und unteren Zahnflanken der Schaufelfuße an den entsprechenden Wandungen der Ringnuten im Laufradkranz fest anliegen. Die Ausbildung der Festigkeitsverbindung zwischen Radkranz und Schaufelfuß auch als Wärmeleitvorrichtung bedingt damit die Anordnung einer Reihe von Füllstellen auf dem Umfang des Laufradkranzes, weil sich beim Hindurchtreiben einer genau passenden-Schaufel von einer einzigen Füllstelle aus um den größten Teil des Radumfanges die Zahnflanken bis zum Schaufelplatz so stark abnutzen, daß die vorher eingestellte Passung aufgehoben wird. Entsprechend der Mehrzahl von Füllstellen sind auch eine Mehrzahl von Schlußschaufeln erforderlich, so daß sich eine verhältnismäßig verwickelte und kostspielige Kühleinrichtung ergibt. Wird dagegen bei einer derartigen Einrichtung die wärmeleitende Verbindung zwischen Schaufelfuß und Schaufelkranz nicht erzielt, so nimmt die Schaufel sehr bald Temperaturen an, bei welchen die Beanspruchung der Schaufeln in der Nähe oder sogar jenseits der Kriechgrenze des Schaufelbaustoffes liegt, wodurch die Betriebssicherheit der Turbine gefährdet wird. Es sind weiter Hohlschaufeln bekanntgeworden, bei denen durch den Schaufelhohlraum Kühlmittel geleitet und auf diese Weise die gesamte Schaufel durchgekühlt wurde; schließlich hat man im Schaufelkern Bohrungen vorgesehen und durch die Bohrungen

Kühlmittel geleitet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch diese Einrichtungen die Kühlung über das MajS ge zur Erhaltung der Festigkeit erforderlich ist, während^. anderersej|s_._die WärrHeabführ. Werte Iannimmt₁.,-welciie,.,di^e Wirtschaftlichkeit des Turbinenbetriebes .j>e^_ einträchtigen. Außerdem gewähren die bekanntgewordenen Kühleinrichtungen nicht die Einfachheit und Sicherheit der Turbinenbauart und des Betriebsverfahrens, die erfinsdungsgemäß erstrebt werden.

Die Erfindung geht nun von derjieuartigen Erkenntnis aus, daß durch Kühlung des Schaufelfußes aus dem aktiven Teil der Schaufel gerade so viel Wärme.abgeführt wer- _

den kann, daß die Festigkeit-des Schaufelbaustoffes gewahrt bleibt;. ss_ bleiben also die Wärmeverluste auf ein die Wirtschaftlichkeit des Turbihenbetriebes ^uYkeiner Weise beeinträchtigendes Maß beschränkt."""Zur Vermeidung der Nachteile, die den bekanntgewordenen Verfahren und Vorrichtungen zur Abführung der Wärme aus dem Schaufelfuß anhaften, wird dabei erfindungsgemäß die Übertragung der Kühlwärme auf ein mit dem Schaufelfuß wärmeleitend verbundenes, kühlmitteldurchflossenes Einsetzorgan des Schaufelträgers vorgeschlagen.

Die Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens können nun in der verschiedensten Weise ausgebildet sein. Eine besonders vorteilhafte Anordnung besteht in der Verlegung eines mit seinen Wandungen an den Schaufelfüßen anliegenden, kühlmitteldurchflossenen Organes in eine Schaufelfußausnehmung, die zweckmäßig durch Gabelung der Schaufelfüße gebildet wird. Um dabei eine wärmeleitende Verbindung zwischen Kühlorgan und Baustoff des Schaufelfußes herzustellen, kann das kühlmitteldurchflossene Organ einen von der Kreisform abweichenden, z. B. länglichen Querschnitt erhalten, so daß es sich unter dem Kühlmitteldruck, dem kreisförmigen Querschnitt zustrebend, an die Schaufelfußzinken anlegt. Es können ^aber auch die kühlmitteldurchflossenen Organe mit dem Schaufelfuß jiujrcJi^Verlöturig^ Verschweißung oder durch ähnliche^Schmejivprgänge metallisch verbunden sein. Werden die kühlmitteldurchflossenen Organe für sämtliche Schaufeln oder wenigstens für einzelne segmentförmige zusammengefaßte Gruppen derselben zu einem zweckmäßig flachgedrückten Kühlmittelrohr, vorzugsweise aus Kupfer, vereinigt, so ergeben sich besonders einfache Verhältnisse hinsichtlich der Kühlmittelzu- und -abfuhr, weil für die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels nur eine einzige Zu- und Ableitung erforderlich wird. In diesem Falle liegt Zu- und Abfuhr des Kühlmittels zweckmäßig in zwei unmittelbar benachbarten Schaufeln. Mindestens aber kann eine Aufteilung der Schaufeln in einzelne Kühlgruppen erfolgen, so daß nur einzelne, diesen Kühlmittelgruppen entsprechende Kühlmittelzu- und -abführungen, über den ■Laufradkörper verteilt, vorgesehen werden müssen; hierbei kann für sämtliche Kühlmittelgruppen ein gemeinsames Kühlrohr oder für jede Kühlmittelgruppe ein von den anderen unabhängiges Kühlrohrsegment angeordnet sein. Im ersten Falle wird das gemeinsame Kühlrohr von mehreren Kühlmittelströmen durchflossen.

Die Befestigung der Schaufeln erfolgt mittels der an sich bekannten Verzahnung zwisehen Schaufelfuß und Flanke der Schaufelrinne im Laufrad, wobei zwischen jeder der beiden Schaufelfußzinken und dem Grunde der Laufnut Keile angeordnet sind. Die Keile können außer dem Anzug in der Eintreiberichtung eine Neigung von der Schaufelmitte nach außen zu aufweisen, die ein Ausweichen der Schaufelzinken gegen die Schaufelmitte verhindert. Auf diese Weise ist es ausgeschlossen, daß beim Einbau der Schaufeln das Kühlrohr verdrückt oder beschädigt wird. Die Keile tragen dann aus demselben Grunde zweckmäßig an ihrer Unterseite Schultern, _go welche sich gegen eine entsprechende Fläche des Radkranzes legen.

Werden dagegen auf größeren Raddurchmessern angeordnete Schaufelfüße auf die vorgeschlagene Art z. B. mit Wasser gekühlt, so wird weniger die Gefahr der Verdrückung der Kühlorgane bzw. des Kühlrohres maßgebend sein als das Bestreben, die Radkranzflanken von den Biegungsbeanspruchungen zu ' entlasten, welche in diesem durch Übertragung des sich unter der Fliehkraft einstellenden hohen Kühlmitteldruckes, der Werte bis zu 20 atü annehmen kann, über die Schaufelfußzinken auf die Radkranzflanken entstehen. Denn die durch den Kühlmitteldruck erzeugten Druckkräfte in axialer Richtung ergeben infolge des großen Hebelarmes, mit dem sie : an den Radflanken infolge der Übertragung durch die Schaufelzinken 4 und 5 angreifen, große Biegungsmomente und damit große Be- n₀ anspruchungen. In solchen Fällen wird den Keilen außer dem Anzug in der Eintreiberichtung zweckmäßig eine Neigung von den Kranzflanken zur Schaufelmitte zu gegeben. Die Schaufelzinken werden dann zwar durch das Eintreiben der Keile nach innen gedrückt und unter Umständen das Kühlrohr ein wenig zusammendrücken. Der mit der Fliehkraft auf tretende, hohe Kühlmitteldruck preßt jedoch das Kühlrohr kräftig von innen gegen die Schaufelzinken, so daß diese wieder nach außen gedrückt werden und nun die auftre-

tenden Druckkräfte nicht mehr unmittelbar, sondern über die Keile auf die Radflanken übertragen. Da die Keile auf dem Boden der die Schaufeln aufnehmenden Umfangsnut des Radkranzes angeordnet sind, greifen die Druckkräfte, welche über die Keile auf die Flanken des Radkranzes übertragen werden sollen, mit sehr kleinem Hebelarm an diesen unter dem Einfluß des Kühlmittel druckes an;

ίο hierdurch wird nahezu eine völlige Entlastung der Radflanken von den Biegungsspannungen erzielt.

Eine besondere Ausbildung haben die Schaufeln zu erfahren, über die der Kühlmittelzu- bzw. -abfluß bewirkt wird. Dieser Kühlmittelzu- und -abfluß erfolgt erfindungsgemäß durch hahnkükenartig ausgebildete, in Querbohrungen des Laufradkörpers aufgenommene Kegelbolzen, deren Bohrung einerseits mit im Laufradkörper vorgesehenen, das Kühlmittel zu- bzw. ableitenden Radialbohrungen, andererseits mit den kühlmitteldurchflossenen, in den Schaufelfuß verlegten Organen in Verbindung steht. Zweckmäßig werden die Kegelbolzen in warzenartigen Ausbuchtungen der in den Schaufelfuß verlegten kühlmitteldurchfiossenen Organe unter Befestigung derselben im Laufradkörper schließend aufgenommen, wobei Hohlschrauben die Warzen dichtend an den Radkörper pressen und in den Hohlschrauben aufgenommene Stopfen die Kegelbolzen sichern.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise Ausführungen des Erfindungsgedankens, und zwar gibt

Abb. ι einen Schnitt durch den Schaufelkranz senkrecht zur Radachse gemäß Linie I-I der Abb. 3 wieder. In einem besonderen Teil der Abb. 1 wird ein Schnitt gemäß Linie I-I der Abb. 2 veranschaulicht.

Abb. 2 zeigt einen durch die Laufradachse gehenden Radialschnitt nach Linie H-II der Abb. i,

Abb. 3 einen durch die Laufradachse gehenden Radialschnitt nach Linie III-III der Abb. i,

Abb. 4 weiter einen senkrecht zur Laufradachse verlaufenden Querschnitt durch den Laufradkranz nach Linie IV-IV der Abb. 3.

Abb. 5 gibt schließlich den gleichen Schnitt wie Abb. 2 wieder mit dem Unterschied, daß die Keile in axialer Richtung eine umgekehrt verlaufende Neigung aufweisen.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlung der Turbinenschaufelfüße wird auf folgende Weise durchgeführt: Wie Abb. 2 zeigt, weisen die Schaufeln I bzw. 2 Schaufelfüße 3 auf. Die Schaufelfüße sind gegabelt, so daß Schaufelfußzinken 4 und 5 entstehen. In den Zwischenraum zwischen den Schaufelfußzinken 4 und 5 ist das kühlmitteldurchflossene Kühlrohr 6 eingebettet. In an sich bekannter Weise weisen die Schaufelfußzinken 4 und 5 Schaufelzähne:jr auf, die in entsprechenden Ringnuten des Laufradkranzes 8 aufgenommen werden. Da durch Anordnung des Kühlrohres 6 eine unmittelbare Kühlung der Schaufelfüße und damit der Schaufeln erfindungsgemäß erzielt wird, wird lediglich eine Festigkeitsverbindung zwischen Schaufeln und Laufrad über die Schaufelzähne 7 und die entsprechenden Ringnuten im Laufrad erforderlich. Infolgedessen genügt eine feste Anlage der oberen Schaufelzahnflanken an den unteren Radnutenflanken. Diese feste Anlage wird durch Keile 9 hergestellt, die zwischen den Schaufelfußzinken 4, 5 und dem Boden 10 der Schaufelfußrinne angeordnet sind. Die Keile 9 weisen außer dem Anzug in der Eintreiberichtung (vgl. Abb. 1) eine Neigung derart auf, daß sie sich von der Schaufelmitte nach außen verjüngen (vgl. Abb. 2 und 3), die ein Ausweichen der Schaufelzinken 4 und 5 gegen die Kranzmitte und damit eine Verdrückung oder Beschädigung des Kühlrohres 6 verhindern. Zweckmäßig tragen die Keile 9 aus demselben Grunde an ihrer Unterseite Schultern 23, die sich gegen eine entsprechende Fläche des Radkranzes 8 legen.

Unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft treten im Kühlrohr 6 während des Turbinenbetriebes z. B. bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel Drücke bis zu etwa 200 at auf.

In solchen Fällen kann eine Ausführung der Keile 9 nach Abb. 5 zweckmäßiger sein. Hier weisen die Keile außer dem Anzug in der Eintreiberichtung (vgl. Abb. 1) eine Neigung derart auf, daß sie sich von außen nach der Schaufelmitte zu verjüngen (vgl. Abb. S). In diesem Falle erfolgt die Übertragung der von dem Kühlrohr 6 auf die Schaufelfußzinken 4 und 5 ausgeübten großen Druckkräfte nicht mehr unmittelbar über die Schaufelfußzinken 4 und 5 auf die Radkranzflanken, sondern auf dem Umweg über die Keile 9. Der Kraftangriff auf die Radflanken 8 geschieht also unter einem bedeutend verkleinerten Hebelarm, so daß eine erhebliche Entlastung der Radflanken 8 von Biegungsspannungen erzielt wird.

Unter dem Einfluß des hohen Kühlmitteldruckes spreizt" sich das flache Kühlrohr, dessen Wandungen aus verhältnismäßig weichem Baustoff, wie'z.B. Kupfer, bestehen, auf und legt sich fest gegen die Schaufelfußzinken 4 und 5 an. Auf diese Weise ist eine gute Kühlung des Schaufelfußes 3 und damit der Schaufeln selbst gewährleistet. Es kann aber auch zur Erzielung eines vollkommen ungestörten Wärmeflusses eine metallische

Verbindung zwischen Schaufelfuß 3 bzw. Schaufelfußzinken 4 und S und dem Kühlrohr 6 durch Einfüllung von Lot in den Zwischenraum zwischen diesen Teilen hergestellt werden. Dadurch, daß erfindungsgemäß die Kühlung des Schaufelfußes durch das Kühlrohr 6 erfolgt, fällt die bei der Anstrahlung des Laufradkranzes durch Kühlmittel bisher erforderliche Passung der oberen und unteren Schaufelzahnflanken an die entsprechenden Ringnutennanken in der Schaufelrinne fort, so daß man ohne Schädigung dieser Passung mit einer einzigen Füllstelle und einer einzigen Schlußschaufel auskommen kann. Hierdurch vereinfachen sich Aufbau und Betriebssicherheit der neuen Kühleinrichtung wesentlich.

Im Ausführungsbeispiel ist für jede Laufradschaufelreihe ι bzw. 2 ein einziges Kühlrohr 6 vorgesehen. Im Wesen der Erfindung liegt es jedoch, daß die je Schaufel vorgesehenen kühlmitteldurchflossenen Kühlorgane 6 lediglich für einzelne Schaufelgruppen zu einem Kühlrohr bzw. Kühlrohrsegment zusammengefaßt werden können, wobei diese Segmente hinsichtlich der Kühlmittelzu- bzw. -abfuhr parallel, hintereinander- oder teilweise parallel und hintereinandergeschaltet werden können. Ebenso kann bei einem für sämtliche Schaufeln gemeinsamen, durchgehenden Kühlrohr eine einzelne Zu,- und Abführung des Kühlmittels vorgesehen werden; es können aber auch mehrere Kühlmittelzu- und -abflüsse angeordnet werden, wobei das gemeinsame Kühlrohr von mehreren Kühlmittelkreisströmen durchflossen wird.

Die Zeichnung zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedankens, bei der das für alle Schaufeln gemeinsame Kühlrohr eine einzige Kühlmittelzu- und -abführung besitzt. Der Kühlmittelzu- bzw. -abfluß erfolgt dabei über hahnkükenartig ausgebildete, in Querbohrungen 11 des Laufradkörpers 8 (vgl. Abb. 3) aufgenommene Kegelbolzen 12, deren Bohrung 13 einerseits mit den im Laufradkörper 8 vorgesehenen, das Kühlmittel zu- bzw. abführenden Radialbohrungen 14 und 15, andererseits mit den kühlmitteldurchflossenen, in den Schaufelfuß verlegten, zu einem Kühlrohr 6 vereinigten Kühlorganen in Verbindung steht. Die Kegelbolzen 12 sind dabei in warzenartigen Ausbuchtungen 16 der Endstücke 17 und 18 des Kühlrohres 6 aufgenommen, wobei Hohlschrauben 19 die Warzen 16 dichtend an den Radkörper pressen und in den Hohlschrauben 19 aufgenommene Stopfen 20 die Kegelbolzen 12 sichern. Zur Aufnahme der Warzen 16 dienen dabei entsprechende Nischen 21 im Laufradkörper. Die Radialbohrungen 15, 16 sind durch Stopfen 22 abgeschlossen.

' Die mannigfachsten Abänderungen dieser Ausführungsform des Erfindungsgedankens sind möglich, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kühlung der Schaufeln von Brennkraftturbinen durch Wärmeabfuhr aus dem Schaufelfuß, gekennzeichnet durch Übertragung der Kühlwärme auf ein mit dem Schaufelfuß wärmeleitend verbundenes, kühlmitteldurchflossenes Einsatzorgan des Schaufelträgers.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, gekennzeich-" net durch Anordnung eines mit seinen Wandungen an den Schaufelfüßen anliegenden, kühlmitteldurchflossenen Organes, das zweckmäßig in den durch Gabelung der Schaufelfüße entstehenden Zwischenraum verlegt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Querschnittes des kühlmitteldurchflossenen Organes in einer von der Kreisform abweichenden, z. B. länglichen Form, so daß sich das Organ, unter dem Kühlmitteldruck dem kreisförmigen Querschnitt zustrebend, an die Schaufelfußzinken anlegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kühlmitteldurchflossenen Organe mit dem Schaufelfuß durch Schmelzvorgänge, wie z. B. Verlötung oder Verschweißung, metallisch verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Vereinigung kühlmitteldurchflossener Organe zu einem zweckmäßig flachgedrückten Kühlmittelrohr, vorzugsweise aus Kupfer, für sämtliche Schaufeln eines Laufrades oder Gruppen derselben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder der beiden Schaufelfußzinken und dem Grunde der Laufnut Keile angeordnet sind. .

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile außer dem Anzug in der Eintreiberichtung eine Neigung in axialer Richtung aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelzu- bzw. -abfluß über hahnkükenartig ausgebildete, in Querbohrungen des Laufradkörpers aufgenommene Kegelbolzen erfolgt, deren Bohrung einerseits mit im Laufradkörper vorge-

sehenen, das Kühlmittel zu- bzw. ableitenden Radialbohrungen, andererseits mit den. kühlmittel durchflossenen,' in den Schaufelfuß verlegten Organen bzw. dem Kühlrohr in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelbolzen in warzenartigen Ausbuchtungen der in den Schaufelfuß verlegten kühlmitteldurchflossenen Organe unter Befestigung to derselben- im LaSfradkörper schließend aufgenommen werden, wobei Hohlschrauben die Warzen dichtend an den Radkörper pressen und in den Hohlschrauben aufgenommene Stopfen die Kegelbolzen sichern.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen