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Düsenvorraum mit Düse bildender Bauteil für Verpuffungskammern, vorzugsweise
von Brennkraftturbinen Ausbildung und Anordnung des Düsenvorraumes machen bereits
erhebliche Schwierigkeiten, wenn jeder Verpuffungskammer, wie sie vorzugsweise zum
Betriebe von Drennkraftturbinen Anwendung finden, je eine eigene Einzel- oder Mehrfachdüse
zugeordnet ist; unter dem Düsenvorraum wird dabei wie üblich der Raum verstanden,
der zwischen dem Düsenventil und der oder den Düsen liegt. Denn einerseits müssen
die Wandungen des Düsenvorraumes dem erheblichen, stoßweise auftretenden Gasdruck
von innen und dem Kühlmitteldruck von außen gewachsen sein, während sie andererseits
großen Temperaturbeanspruchungen unterworfen sind, wobei der Kühlmitteldruck in
den meisten Fällen sehr hoch gewählt wird, um eine wirtschaftliche Ausnutzung der
Kühlwärme zu ermöglichen; außerdem besteht die weitere Forderung einer möglichsten
Verringerung der Größe des Düsenvorraumes, um unwirtschaftliche Wärmeübergänge auf
ein Kleinstmaß zu beschränken. Diese Schwierigkeiten erhöhen sich jedoch noch, wenn
nach neueren Vorschlägen mehrere Verpuffungskammern auf eine gemeinsame Einzel-
oder Mehrfachdüse arbeiten. Denn es vergrößert sich nicht nur notwendigerweise der
Düsenvorraum, wobei man einen gewissen, hierdurch gesteigerten Wandungswärmeverlust
infolge der erreichten baulichen Vereinfachung in Kauf nehmen kann, sondern es erhöht
sich vor allem der Wärmeübergang, weil sich bei gleicher Kammergröße und Kammerspielzahl
die auf den Düsenvorraum je Zeiteinheit entladenen Gasmengen entsprechend der Anzahl
an den gemeinsamen Düsenvorraum angeschlossener Verpuffungskammern vervielfältigen.
Den hieraus sich ergebenden- Temperaturbeanspruchungen sind aber- die bisher bekanntgewordenen
Ausbildungen des Düsenvorräumes, insbesondere bei der bisher angewandten Wandstärke,
nicht mehr gewachsen. Sollen die Beanspruchungen durch Verringerung der Wandstärken
auf das zulässige Maß herabgezogen werden, wobei -die Größe der Wandstärken bei
den heutigen Verhältnissen auf höchstens 8 mm veranschlagt werden kann, so müssen
die bisher üblichen Anordnungen und, Ausbildungen des Düsenvorraumes grundsätzlich
verlassen werden, um bei den verringerten Wandstärken noch dem erheblichen Gasdruck
auf der einen, dem Kühlmitteldruck auf der anderen Seite gewachsen zu sein. Eine
den erhöhten Forderungen völlig gerecht werdende Bauart desden Düsenvorraum mit
Düse bildenden Bauteiles für Verpuffungskammern, vorzugsweise von Brennkraftturbinen,
bei denen mehrere Verpuffungskammern auf eine gemeinsame Einzel- oder Mehrfächdüse
arbeiten, kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß
der Körper,
der den zwischen Düsenventil und Düse gelegenen Düsenvorraum bildet, als langgestrecktes,
dünnwandiges und vom Kühlraum umgebenes Rohr ausgebildet ist. Ein derartiges Rohr
ist in sich druckfest; außerdem kann sich der äußere Kühlmitteldruck gleichmäßig
auswirken, so daß man eine genügende mechanische Festigkeit gegen Einbeulen dieses
Rohrkörpers bereits bei Wandstärken erreicht, bei denen trotz des mehrfach gesteigerten
Wärmedurchganges keine unzulässigen Temperaturbeanspruchungen auftreten.
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Zweckmäßig nehmen die tulpenartig aufgeweiteten Enden des den Düsenvorraum
bildenden Rohres die Düsenventile auf, während die Düse oder die Düsen selbst von
dem zwischen den tulpenförmigen Erweiterungen liegenden Rohrkörper ausgeht bzw.
ausgehen. Diese Bauart eignet sich also besonders für Anlagen, bei denen zwei Verpuffungskammern
auf einen gemeinsamen Düsenvorraum arbeiten, ohne daß es, beispielsweise durch Gabelung
des Rohrkörpers, ausgeschlossen ist, daß an den gleichen Düsenvorraum weitere Verpuffungskammern
angeschlossen sind. Die vorzugsweise fertig bearbeiteten Düsen können in weiterer
Durchführung des Erfindungsgedankens an Stutzen angesetzt -zweckmäßig angeschweißt
- sein, die der zwischen den tulpenförmigen Erweiterungen liegende Rohrkörper in
Längsrichtung hintereinander aufweist.
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Derartige Stutzen stellen die Festigkeit des als langgestrecktes,
dünnwandiges Rohr ausgebildeten Düsenvorraumkörpers wieder her, welche sonst durch
die für den Anschluß der Düsen erforderliche einseitige Aufschlitzung verlorengehen
würde. Weiterhin tritt bei dieser Anordnung eine besonders günstige Gestaltung der
Kühlräume für die ebenfalls durch die Gastemperaturen hochbeanspruchten Düsen auf;
durch die es beispielsweise möglich ist, die stark aufgeheizten Düsenenden an den
äußersten Spitzen zu kühlen, trotzdem die Düsen im Hinblick auf günstige Gasströmungsverhältnisse
so nahe aneinandergerückt werden müssen, daß zwischen ihren Wandungen am Austrittsende
keine erheblichen Räume zur Durchführung der Kühlung verbleiben. Diese Spitzenkühlung
wird jedoch bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteil ohne weiteres durchführbar,
wenn an den Kühlseiten der Düsenaustrittsenden schlitzförmige Ausnehmungen angeordnet
sind, die mit den schlitzförmigen Ausnehmungen des benachbarten Austrittsendes die
erforderlichen Kühlräume bilden, ohne daß es der Anordnung kühlmitteldurchflossener
Einsatzkörpgr bedarf, für welche kein Platz vorhanden wäre. Die Formgebung des den
Düsenvorraum bildenden Rohrkörpers ist dabei so bestimmt, daß die Mündungen der
an ihn angeschlossenen Düsen einerseits auf einem zur Radachse konzentrischen Zylindermantel
liegen, während andererseits die tulpenförmigen Erweiterungen aus einer Parallelebene
zur Turbinenradebene herausverlegt sind, so daß sie außerhalb des Radgehäuses liegen.
Auf diese Weise macht der Anschluß der Düsenventile und der zugeordneten Verpuff
ungskammern keine Schwierigkeiten, während andererseits allen Erfordernissen günstiger
Strömungsverhältnisse für die Verbrennungsgase genügt ist.
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Eine besondere Ausbildung hat weiter der Mantelkörper zu erfahren,
der den den Düsenvorraum einschließenden Rohrkörper unter Bildung des Kühlraumes
ummantelt. Auch dieser Mantelkörper unterliegt hohen mechanischen Beanspruchungen,
da der Kühlmitteldruck, um hohe Kühlmitteltemperaturen zwecks wirtschaftlicher Ausnutzung
der Kühlwärme zulassen zu können, verhältnismäßig hoch gewählt werden muß. Außerdem
ist dieser Mantelkörper so auszubilden, daß sich der den Düsenvorraum bildende,
im Verhältnis zum Mantelkörper weit höheren Temperaturen unterliegende Rohrkörper
zum Mantelkörper ohne Überbeanspruchungen des Werkstoffes frei ausdehnen kann: Zur
Erfüllung dieser Bedingungen ist der vorzugsweise zweiteilige Mantelkörper in Anpassung
an die Formgebung des inneren Rohrkörpers ebenfalls größtenteils rohrförmig ausgebildet.
Eine Abweichung von der kreiszylindrischen Rohrform tritt nur in dem Teil auf, der
zur Bildung des Düsenkastens erforderlich ist; jedoch kann an dieser Stelle der
Mantelkörper in einfachster Weise durch zweckmäßig zwischen den Düsenansatzstutzen
vorgesehene Stehbolzen versteift sein. Ist der innere Rohrkörper mit dem Mantelkörper
über elastische Ringe vorzugsweise U-förmigen Querschnittes verbunden, so kann sich
der innere Rohrkörper vollkommen frei im Verhältnis zum Mantelkörper ausdehnen,
insbesondere dann, wenn die Verbindungsstelle am Sitz der Düsenventile liegt. Gleichzeitig
ist der Mantelkörper mit den Austrittsenden der Düse über dünne, vorteilhaft durch
Auswölbungen hochelastische Wandungen verbunden, um auch an dieser Stelle die Wärmebewegungen
der inneren Teile des Bauelementes zur freien Auswirkung gelangen zu lassen.
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Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens,
und zwar stellt Abb. z einen Längsschnitt durch den Bauteil nach Linie I-I der Abb.
z, in die Zeichenebene abgewickelt, dar.
Abb.2 zeigt einen teilweisen
Längsschnitt durch den Bauteil nach Linie II-11 der Abb. i.
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Abb. 3 entspricht einem Querschnitt durch den Bauteil nach Linie III-III
der Abb. i, Abb.4 einem Querschnitt durch den Bauteil nach Linie IV-IV der Abb.
i.
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Abb. 5 zeigt eine Ansicht auf den inneren Rohrkörper,. in Richtung
des Pfeiles a der Abb. i gesehen.
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Abb.6 stellt in etwas vergrößerter Darstellung einen Teil der Abb.
3 dar, während Abb.7 ebenfalls in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch eine
Düsenspitze wiedergibt.
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Abb.8 zeigt schließlich in vergrößertem Maßstab die Ausbildung der
elastischen Ringverbindung zwischen innerem Rohrkörper und äußerem Mantelkörper.
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Aus Abb. 3 ist zunächst das Laufrad i der Brennkraftturbine ersichtlich,
in der ein erfindungsgemäß ausgebildeter Bauteil angeordnet ist. Die Schaufelkränze
sind mit 2 und 3 bezeichnet, während das Gehäuse die Bezeichnung 4 trägt. Es bezeichnet
weiter in Abb. i 5 eines der Düsenventile, welche in den tulpenförmigen Erweiterungen
7 eines Rohrkörpers 6 angeordnet sind. Dieser Rohrkörper 6 bildet erfindungsgemäß
den gemeinsamen Düsenvorraum für die beiden Verpuffungskammern, deren Düsenventile
in den tulpenförmigen Erweiterungen 7 aufgenommen werden. Wie die Abb. i und 2 erkennen
lassen, ist dabei die Formgebung des Rohrkörpers 6 so bestimmt, daß einerseits die
Mündungen der an ihn angeschlossenen Düsen auf dem zur Radachse konzentrischen Zylindermantel
liegen (vgl. Abb. 2), während andererseits die tulpenförmigen Erweiterungen 7 aus
einer Parallelebene zur Turbinenrade#ene herausverlegt sind, so daß sie außerhalb
des Radgehäuses 4 liegen.
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Der Rohrteil 6 trägt in dem zwischen den beiden tulpenförmigen Erweiterungen
7 liegenden Längsteil hintereinander Stutzen 8, deren Enden in einer zur Radebene
io, io parallelen Ebene 9, 9 liegen. Diese Stutzen erhalten die Knickfestigkeit
des Rohrteiles 6 trotz der für den Gasaustritt vorzunehmenden Aufschlitzung. An
die Stutzen 8 sind die Eintrittskrümmer der Düsen 12, beispielsweise durch Schweißung,
an den Stellen 9, angesetzt. Die Düsen i2 können mit ihren Eintrittskrümmern
i i aus einem Stück bestehen oder in bekannter Weise aus mehreren Teilen, beispielsweise
durch Schweißung, zusammengesetzt sein. In jedem Falle sind die Düsen vor dem Anschweißen
an die Stutzen 8 vollständig bearbeitet und insbesondere innen vollkommen geglättet
worden. Wie Abb. 7 zeigt, sind am Austrittsende jeder der Düsen schlitzförmige Ausnehmungen
13 vorgesehen, welche nach dem Zusammenbau aller Düsen mit dem Rohrkrümmer 6 und
nach der Herstellung der Schweißnähte 14 Kanäle für das Kühlmittel bilden, so daß
dieses im Betriebe bis an die Spitzen der Düsenaustrittsenden vordringt und diese
kühlt.
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Infolge der gewählten rohrförmigen Formgebung können die Wandungen
der Teile 6, ; und 8 sehr dünn gehalten werden, ohne ihre Festigkeit gegen inneren
und äußeren Überdruck zu verlieren. Die geringe Wandstärke gewährleistet dabei einen
geringen Temperaturabfall zwischen Innen- und Außenwand, so daß die Temperaturbeanspruchungen
innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben.
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Der den Rohrkörper 6 unter Bildung eines Kühlraumes ummantelnde zweiteilige
Körper besteht aus einem äußeren Teil 15 und einem inneren Teil 16; beide Teile
werden in einer Ebene 17, 17, die zur Radebene io, io parallel verläuft,
beispielsweise durch Schweißnähte r8, nach Einbringen und Festlegen der Teile 6,
7, 8, 11, 12 miteinander vereinigt. Die Festlegung der Teile 6, 7, 8, ii und 12
im Teil 15 des Mantelkörpers erfolgt dabei mittels der elastischen Ringe i9, die
an den Flanschen 2o des Kühlmantelteiles 15 einerseits, am Rande der tulpenförmigen
Erweiterungen 7 andererseits, beispielsweise durch Schweißung, so befestigt werden,
wie es Abb. i und 8 erkennen lassen. Die vereinigten Kühlmantelteile 15 und
16 bilden, wie die Abb.3 und 4. deutlich erkennen lassen, ebenfalls einen rohrförmigen
Körper, so daß dieser ohne weiteres in der Lage ist, den durch den Kühlmitteldruck
hervorgerufenen mechanischen Beanspruchungen Genüge zu leisten. Die Rohrform wird
nur durch die den Kühlmantelteil 16 durchdringenden Stutzen 8 bzw. durch die Düseneintrittskrümmer
i i unterbrochen. An dieser Stelle kann die Festigkeit des Kühlmantels gegen den
inneren Überdruck jedoch dadurch vergrößert werden, daß Stehbolzen 2i angeordnet
sind, deren Gewindeteile 22 in den Warzen 23 des Teiles 16 des Mantelkörpers aufgenommen
sind. Mit den Düsenaustrittsenden ist der Teil 16 des Mantelkörpers mittels einer
dünnen elastischen Wand 24 verbunden, die nach außen ausgewölbt ist, um ihre Elastizität
zu vergrößern. Diese Wand 24 ist mit den Düsenenden seitlich und mit den zwei Enddüsen
auch radial, beispielsweise durch Schweißnähte 25, verbunden, wie die Abb. i, 3
und 4 und vor allem Abb. 6 erkennen lassen. Der aus dem Rohrkörper 6, den tulpenförmigen
Erweiterungen 7, den Stutzen 8, den Düseneintrittskrümmern i i und den Düsen 12
bestehende Innenkörper wird also in dem Außenkörper 15, 16 einerseits
durch
die elastischen Ringe i9, andererseits durch die elastischen Wände 24 gehalten.
Infolge dieser elastischen Aufhängung kann sich der gesamte Innenkörper frei gegen
den Außenkörper ausdehnen, da er im Betriebe weit höhere Temperaturen als der Außenkörper
annimmt. Flansche 26 halten den Mantelkörper i5, 16 am Turbinengehäuse 4 fest. Ebenso
nehmen die Flansche 2o des Mantelkörpers 15 ,die Gehäuse der Düsenventile 5 auf.
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Führungsbleche im Inneren des Kühlraumes können so angebracht werden,
. daß das Kühlmittel zwangsläufig alle Teile, die im Betriebe hohe Temperaturen
annehmen und unter allen Umständen gekühlt werden müssen, erreicht. Diese Führungsbleche
sind jedoch ebenso wie die Anschlüsse für die Kühlmittelzu- und -abfuhr als unwesentlich
nicht gezeichnet worden.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, daß mannigfache Abänderungen getroffen
werden können, ohne daß das Wesen des Erfindungsgedankens verlassen wird.