-
Diese
Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, wobei die Schaufel an
einer Scheibe der Turbine angebaut ist und durch einen inneren Luftkreislauf gekühlt wird.
-
Eine
axiale Turbinenstufe besteht aus einem Schaufelgitter mit feststehenden
Schaufeln, Leitschaufelapparat genannt, und einem Schaufelgitter mit
bewegbaren Schaufeln, Schaufelrad genannt. Es gibt einstückige Schaufelräder, bei
denen Schaufeln und Scheibe ein einziges Stück bilden. Und es gibt auch
Räder mit
angebauten Schaufeln, bei denen Schaufeln und Scheibe mechanisch
zusammengebaut werden, im Allgemeinen mittels Schaufelfüßen.
-
Wenn
die Räder
bei hoher Temperatur arbeiten, müssen
die Schaufeln gekühlt
werden. Diese Kühlung
kann mittels Luft erfolgen, die beispielsweise am Ausgang des Verdichters
entnommen und durch ihre Befestigung an der Scheibe hindurch ins Innere
der Schaufeln geleitet wird. Die Kühlungsluft tritt durch den
Fuß einer
Schaufel ein und tritt beispielsweise durch das entgegengesetzte
Ende und durch eine ihrer Seitenflächen wieder aus.
-
1A zeigt
eine Teilansicht einer Schaufel 1, die an einer Scheibe 2 sitzt,
wobei die Ansicht in einer Ebene ausgerichtet ist, die senkrecht
zur Turbinenachse verläuft.
Genauer ausgedrückt
zeigt sie den Fuß 3 der
Schaufel 1 an seinem Platz in einer Zelle 4 der
Scheibe 2. Der Fuß ist
im Schnitt entlang der Achse eines Kanals 5 dargestellt,
welcher die Kühlungsluft
vom Boden der Zelle 4 aus bis zu dem inneren Kühlungskreislauf
der Schaufel führt,
der nicht dargestellt ist. Die Kühlungsluft
zirkuliert in der Zelle 4 in einer im rechten Winkel zur
Ebene der Figur verlaufenden Richtung. Bei dem dargestellten Beispiel
wird die Luft an einem Ende der Zelle eingeführt, das einer Seite der Scheibe,
und zwar der sogenannten vorderen Seite, entspricht, und steigt dann
in dem Kanal (oder den Kanälen) 5,
wobei das andere Ende der Zelle, das der anderen Seite der Scheibe
oder hinteren Seite entspricht, verschlossen ist.
-
Die
am Ausgang des Verdichters entnommene Kühlungsluft wird durch einen
Flansch hindurch eingespritzt, der an der vorderen Seite der Scheibe angebracht
ist, um die Dichtigkeit des Luftkreislaufs zu gewährleisten.
Dazu wird der Flansch an der Scheibe häufig durch ein System von Haken,
Klauen genannt, festgehalten.
-
Die
Haken erfüllten
noch eine weitere Funktion. Sie verleihen der zu den Zellen strömenden Kühlungsluft
eine Rotationsgeschwindigkeit, die gleich der des Rotors der Turbine
ist. Die Kühlungsluft
rotiert also, wenn sie vor der Zelle ankommt, mit der gleichen Geschwindigkeit
wie diese und tritt ohne Nebenwirkungen ins Innere der Zelle ein.
-
Diese
Haken haben jedoch den Nachteil, kostenaufwändig zu sein und eine relativ
kurze Lebensdauer zu haben. Es wäre
also von Interesse, auf sie verzichten zu können. Jedoch haben Versuche ergeben,
dass die Kühlung
der Turbinenschaufeln weniger gut gewährleistet ist, wenn man diese
Haken weglässt.
-
In
der Schrift WO-A-99 47792 ist eine Turbinenschaufel beschrieben,
deren Fuß es
ermöglicht, sie
in einer Zelle einer Scheibe dieser Turbine einzubauen. Die Schaufel
besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf
mit Lufteinlassmitteln, die sich an dem Fuß der Schaufel gegenüber der
Zelle befinden, und mit Laufauslassmitteln. Der Fuß der Schaufel
ist mit einer Vorrichtung versehen, die es ermöglicht, die Kühlungsluft
der Schaufel zu kanalisieren. Diese Vorrichtung ermöglicht es
ebenfalls, die Kühlungsluft nach
ihrem Durchgang durch das Innere der Schaufel abzuführen. Die
Vorrichtung gewährleistet
die Trennung der in die Schaufel eintretenden und aus der Schaufel
austretenden Kühlungsluftkreise
voneinander.
-
In
der Schrift GB-A-1 605 282 ist eine Turbinenschaufel beschrieben,
deren Fuß es
ermöglicht, sie
in einer Zelle einer Scheibe der Turbine einzubauen. Die Schaufel
besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf,
der von Kanälen
gebildet wird und Lufteinlassmittel aufweist, die sich an dem Fuß der Schaufel gegenüber der
Zelle befinden, sowie Luftauslassmittel aufweist, die sich am Schaufelende
befinden. Der Fuß der
Schaufel ist mit einem Kühlungsrohr
versehen, durch das die Kühlungsluft
vom Ansaugluftkollektor bis zu den Lufteinlässen geführt werden kann.
-
In
der Schrift US-A-4 348 157 ist eine Turbinenschaufel beschrieben,
die mit einem Fuß an
einer Scheibe angebaut ist. Die Schaufel besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf, der eine Lufteinlassöffnung aufweist.
Die Lufteinlassöffnung
befindet sich nicht an dem Fuß der
Schaufel und gegenüber
der Zelle zur Aufnahme dieses Fußes, sondern in dem Verbindungsteil
zwischen dem Fuß und
der Schaufel, d. h. in dem Schenkel. Es sind Durchlässe vorgesehen,
um die Kühlungsluft
bis zu den Lufteinlässen
der Schaufeln zu führen.
Diese Durchlässe
können
Ablenkeinrichtungen enthalten.
-
In
der Schrift US-A-4 178 129 ist ein Kühlungssystem für Turbinenschaufeln
durch Luftzirkulation beschrieben. Jede Schaufel weist einen Fuß auf, mit
dem sie in einer Zelle einer Scheibe der Turbine angebaut werden
kann. Die Schaufel besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf mit Lufteinlassmitteln, die
sich an dem Fuß der
Schaufel befinden. Die Kühlungsluft
wird entweder in eine Kühlungsluft-Zufuhrkammer, in
die die Kühlungskanäle münden, oder
direkt über
ein Pitot-Rohr in den Vorderkanten-Kanal geschickt.
-
Bei
der oben genannten Schrift WO-A-99 47792 wird die ankommende Kühlungsluft
durch eine rohrförmige
Vorrichtung geführt,
die mit den Öffnungen
der Kühlungskanäle kommuniziert.
Die rohrförmige
Vorrichtung kann Öffnungen
haben, die in der Größe an die Öffnungen
der Kanäle
angepasst sind, oder Öffnungen,
die praktisch der Breite der Zelle entsprechen. In beiden Fällen lässt sich
die Bildung eines Wirbels nicht vermeiden.
-
Bei
der oben genannten Schrift GB-A-1 605 282 ist ein Luftkühlungsrohr
vorgesehen, das an die Breite der Zelle angepasst ist. Es lässt sich
also die Bildung eines Wirbels nicht vermeiden.
-
Bei
der oben genannten Schrift US-A-4 348 157 gelangt die Luft direkt
auf eine mit einem durchgehenden Loch versehene Fläche, was
zu der gleichen Schlussfolgerung führt.
-
Bei
der oben genannten Schrift US-A-4 178 129 gelangt die Luft entweder
direkt in ein Loch (durch ein Pitot-Rohr), oder direkt auf eine
mit Löchern
versehene Fläche,
was zu der gleichen Schlussfolgerung führt.
-
Den
Erfindern dieser Erfindung gelang es, den Grund für den geringeren
Wirkungsgrad einer Kühlung
ohne Haken oder Klauen zu entdecken und für dieses Problem eine Lösung zu
finden.
-
In 1B konnte
das Phänomen
dargestellt werden, das eine Verringerung des Wirkungsgrads der
Kühlung
der Schaufeln verursacht. Diese Figur zeigt die Unterseite des Fußes 3,
die in 1A die Bezugszahl 6 trägt. Der
Kanal (oder die Kanäle) 5 wurde
nicht dargestellt. Der an der Vorderseite der Scheibe angebrachte
Flansch ist mit der Bezugszahl 7 dargestellt. Mit der Bezugszahl 8 wurde
ein Flansch zum Verschließen
der Zelle an der Hinterseite der Scheibe dargestellt.
-
Die
Erfinder sind zu dem Schluss gekommen, dass die Kühlungsluft,
wenn sie nicht mehr bis zu der Zelle geführt wird, mit einer geringeren
Rotationsgeschwindigkeit in die Zelle gelangt, als wenn sie geführt wird.
Dann wird die Luft geschöpft
und wirbelt in der Zelle, wobei sie einen Wirbel bildet, wie in 1B dargestellt.
Das Zentrum dieses Wirbels (oder Spiralwirbel) bildet ein sehr starkes
Tiefdruckloch, das für
die Versorgung der Schaufel mit Kühlungsluft nachteilig ist.
-
Diese
Erfindung ermöglicht
es, dieses Problem zu beseitigen, wann immer es in einer Turbine auftritt.
-
Gegenstand
dieser Erfindung ist eine Turbinenschaufel mit einem Fuß, der es
ermöglicht,
sie in eine Zelle einer Scheibe der Turbine einzubauen, wobei die
Schaufel einen inneren Luft-Kühlungskreislauf
besitzt, der Lufteinlassmittel aufweist, die sich an einer Seite
des Fußes
der Schaufel gegenüber
dieser Zelle befinden, und Laufauslassmittel aufweist, wobei die
Schaufel dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Seite des Schaufelfußes mit
einer Ablenkeinrichtung versehen ist, die mindestens eine Rippe
enthält,
mit der die am Grund der Zelle zirkulierende Kühlungsluft kanalisiert werden
kann, um den Luftstrom zu den Lufteinlassmitteln hin zu regulieren.
-
Mit
einer solchen Ablenkeinrichtung an der Seite des Schaufelfußes, an
der sich die Lufteinlassmittel befinden, kann die Bildung eines
Wirbels vermieden werden.
-
Die
Ablenkeinrichtung kann einen integrierenden Bestandteil der Schaufel
bilden.
-
Die
Ablenkeinrichtung kann ein an den Schaufelfuß angebautes Element sein und
mit Zugangsmitteln zu den Lufteinlassmitteln versehen sein. Die
Lufteinlassmittel können
mindestens ein kalibriertes Loch umfassen.
-
Die
Rippe kann gerade oder zur Hauptachse der Schaufel geneigt ausgeführt sein.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform umfasst
die Ablenkeinrichtung mindestens eine Rippe, mit der die in die
Zelle eintretende Kühlungsluft kanalisiert
werden kann, sowie mindestens eine Rippe, mit der die zum Zentrum
der Zelle strömende
Luft kanalisiert werden kann.
-
Die
Erfindung und weitere Vorteile und Besonderheiten gehen näher aus
der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel
anhand der beigefügten
Zeichnungen gegeben wird, wobei
-
1A wie
bereits beschrieben eine Teilansicht einer an einer Scheibe angebrachten
Turbinenschaufel nach dem Stand der Technik zeigt,
-
1B wie
bereits beschrieben eine Ansicht der Unterseite eines Turbinenschaufelfußes nach dem
Stand der Technik zeigt,
-
2A eine
Ansicht einer an einer Scheibe angebrachten erfindungsgemäßen Turbinenschaufel zeigt,
-
2B eine
Ansicht der Unterseite eines erfindungsgemäßen Turbinenschaufelfußes zeigt,
-
3 eine
Perspektivansicht einer Ablenkeinrichtung zeigt, wie sie bei dieser
Erfindung verwendet wird,
-
4 eine
Teilschnittansicht einer Turbine zeigt, die mit einer erfindungsgemäßen Schaufel ausgerüstet ist,
-
5 und 6 Unteransichten
von Ablenkeinrichtungen zeigen, die bei dieser Erfindung verwendet
werden können,
-
7 bis 10 Querschnittansichten
von unterschiedlichen Ablenkeinrichtungen zeigen, die bei dieser
Erfindung verwendet werden können.
-
Es
folgt eine detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen dieser Erfindung.
-
2A zeigt
eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaufel 11,
die an einer Scheibe 12 angebracht ist, wobei die Ansicht
in einer Ebene dargestellt ist, die im rechten Winkel zur Achse
der Turbine verläuft,
wie in 1A. Der Fuß 13 der Schaufel 11 befindet
sich in seinem Sitz in einer Zelle 14 der Scheibe 12.
Der Fuß wird
im Schnitt gemäß der Achse
eines Kanals 15 gezeigt, welcher die Kühlungsluft vom Boden der Zelle 14 aus
bis zu dem inneren Kühlungskreislauf
der Schaufel führt,
der nicht dargestellt ist. Die Zirkulation der Kühlungsluft in der Zelle erfolgt wie
oben für 1A beschrieben.
-
Im
Unterschied zu der in 1A beschriebenen Schaufel ist
die Schaufel von 2A mit einer Ablenkeinrichtung 20 ausgerüstet, die
fest mit der Unterseite 16 des Schaufelfußes verbunden
ist. Die Ablenkeinrichtung 20 enthält Rippen, mit denen die am
Grund der Zelle 14 zirkulierende Kühlungsluft kanalisiert werden
kann. 2A zeigt, dass die Ablenkeinrichtung
im Anschluss an den Kanal 15 ein Loch 21 aufweist,
das für
die Kühlungsluft
als Zutrittsmittel zu dem Kanal dient. Dieses Loch kann ein kalibriertes Loch
sein, dessen Ausführung
an einem Werkstück wie
beispielsweise einer angebauten Ablenkeinrichtung leicht zu erzielen
ist.
-
2B,
die analog zu 1B des Standes der Technik ist,
zeigt mit Pfeilen, wie die Kühlungsluft am
Grund der Zelle zwischen den Flanschen 17 und 18 der
Scheibe 12 kanalisiert wird. In dieser Figur ist die Ablenkeinrichtung
mit zwei Rippen 22 und 23 ausgerüstet, die
sich beiderseits der Achse befinden, auf der die Löcher 21 ausgerichtet
sind. Die Rippen sind dergestalt ausgeführt, dass sie eine Art Hindernis bilden.
Es ist ferner zu bemerken, dass die dargestellte Ablenkeinrichtung
vier Löcher
für den
Durchlass der Kühlungsluft
aufweist.
-
Mit
einer Ablenkeinrichtung an der Unterseite des Schaufelfußes kann
die Bildung eines Wirbels und die Ausbildung eines Tiefdrucklochs
vermieden werden.
-
Die
Ablenkeinrichtung kann ein Werkstück sein, das durch Schweißen oder
Löten an
dem Schaufelfuß angebracht
wird. In einer Variante kann die Ablenkeinrichtung einen integrierenden
Bestandteil der Schaufel bilden.
-
3 zeigt
eine Perspektivansicht der oben erwähnten Ablenkeinrichtung 20.
In dieser Figur sind die Rippen 22 und 23 sowie
die Löcher 21 besser
zu erkennen.
-
4 zeigt
eine Teilschnittansicht einer Turbine, die mit einer erfindungsgemäßen Schaufel
ausgerüstet
ist. 4 zeigt eine Schaufel 11, die mit einer
Ablenkeinrichtung 20 ausgerüstet ist und in einer Zelle 14 der
Scheibe 12 angebracht ist. In dieser Figur ist auch der
an der Vorderseite der Scheibe 12 angebrachte Flansch 17 sowie
der Flansch 18 zum Verschließen der Zelle zu sehen.
-
Die
Kühlungsluft
wird am Kammerboden entnommen und durch eine Reihe von Einspritzdüsen wie
beispielsweise die Einspritzdüse 31 beschleunigt.
Sodann gelangt diese Luft durch Löcher wie beispielsweise das
Loch 32 hindurch, welche durch den Flansch 17 gebohrt
sind, und strömt
zu den Böden der
Zellen, wie in 4 durch Pfeile angegeben. Mit gestrichelten
Linien wurden die Haken oder Klauen dargestellt, die bei dieser
Erfindung wegfallen können.
-
Die 5 und 6 zeigen
in der Position an der Unterseite eines Schaufelfußes weitere
Formen von Ablenkeinrichtungen, die mit dieser Erfindung verwendet
werden können.
-
In 5 weist
die Ablenkeinrichtung 40 zwei Rippen 41 und 42 auf,
die sich über
die gesamte Länge
der Ablenkeinrichtung erstrecken. Es sind auch Zutrittslöcher 43 zu
den Kanälen
der Schaufeln dargestellt.
-
In 6 weist
die Ablenkeinrichtung 50 eine erste Reihe von Rippen 51 und 53 auf,
die sich auf einer Seite der Ablenkeinrichtung befinden, sowie eine zweite
Reihe von Rippen 52 und 54, die sich auf der anderen
Seite der Ablenkeinrichtung befinden. Die Rippen sind dergestalt
ausgeführt,
dass sie Hindernisse bilden. Ferner sind Zutrittslöcher 55 zu
den Kanälen
der Schaufeln dargestellt.
-
Die
Ablenkeinrichtung kann auch eine oder mehrere Rippen mit gebogener
Form aufweisen, die eine Führung
der Kühlungsluft
auf einer erweiterbaren Bahn ermöglichen.
-
In
den 7 bis 10 sind als Beispiele weitere
Formen von Ablenkeinrichtungen dargestellt, die mit dieser Erfindung
verwendet werden können. Alle
diese Ansichten sind Darstellungen im Querschnitt durch ein Durchlassloch
für die
Kühlungsluft.
-
Die
Ablenkeinrichtung 60 von 7 ist in Schienenform
ausgeführt.
Sie weist Rippen 61 und 62 auf, die im rechten
Winkel zur Anlagefläche 63 der Ablenkeinrichtung
an dem Schaufelfuß angeordnet sind.
Die Rippen 61 und 62 können sich über die gesamte Länge der
Ablenkeinrichtung erstrecken oder unterbrochen sein, um Hindernisse
zu bilden.
-
Das
gleiche gilt für
die Ablenkeinrichtungen 70, 80 und 90,
die in den 8, 9 bzw. 10 dargestellt
sind. Die Ablenkeinrichtung 70 weist Rippen 71 und 72 auf,
die sich in ihrem Verlauf von der Anlagefläche 73 der Ablenkeinrichtung
an dem Schaufelfuß aus
erweitern. Die Ablenkeinrichtung 80 weist Rippen 81 und 82 auf,
die sich in ihrem Verlauf von der Anlagefläche 73 der Ablenkeinrichtung
an dem Schaufelfuß aus
aneinander annähern.
Die Ablenkeinrichtung 90 weist vier parallele Rippen 91, 92, 93 und 94 auf,
die im rechten Winkel zur Anlagefläche 95 der Ablenkeinrichtung
an dem Schaufelfuß angeordnet
sind.
-
Mit
dieser Erfindung kann ein Gewinn an statischem Druck im Zentrum
der Zelle erzielt werden, der das Tiefdruckloch, das ohne die angebaute
Einrichtung bestehen würde,
zu ungefähr
75% beseitigt. Durch diese Verbesserung der Versorgung der Schaufel
mit Kühlungsluft
kann die je nach Betriebsbedingungen durchschnittliche Temperatur
der Schaufel gesenkt werden und damit ihre Lebensdauer erhöht werden.