DE627988C

DE627988C - Device for protecting machine parts, in particular turbine blades, against high temperatures

Info

Publication number: DE627988C
Application number: DEA75105D
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1934-01-29
Filing date: 1935-01-20
Publication date: 1936-03-26
Also published as: GB435906A; NL38642C; BE407456A

Description

Das Haupthindernis der Weiterentwicklung der Gasturbine liegt darin, daß die Widerstandsfähigkeit der Baustoffe und die zur Erzielung eines genügenden thermischen Wirkungsgrades bedingten hohen Temperaturen miteinander unvereinbar sind. Die gleiche Schwierigkeit tritt in kleinerem Maße bei Dampfturbinen ein, wenn die Überhitzung auf übernormale Werte getrieben wird.The main obstacle to the further development of the gas turbine is that the resistance the building materials and those to achieve a sufficient thermal efficiency conditional high temperatures are incompatible with each other. The same difficulty occurs to a lesser extent Steam turbines on when the overheating is driven to above normal values.

Das bei den Kolbenmaschinen verwendete Verfahren, nach welchem die Wände mittels einer kühlenden Flüssigkeit abgekühlt werden, kann kaum für die Abkühlung von Turbinenschaufeln in Betracht kommen, und zwar wegen der hohen Wärmeaustauschwerte und den unzulässig hohen Wärmeverlusten, die von der außerordentlichen hohen Geschwindigkeit der Gase herrühren.The method used in the piston machines, according to which the walls by means of a cooling liquid can hardly be used for cooling turbine blades come into consideration, because of the high heat exchange values and the inadmissibly high heat losses caused by the extraordinarily high velocity of the gases.

Zur Herabsetzung des Wärmeaustauschwertes wurde zwar vorgeschlagen, zwischen der zu schützenden Schaufelfläche und dem heißen Strom eine Schicht aus einem kalten Gas, ζ. B. Luft, zu bilden, das aus einem Längsschlitz auf der Einlaufseite der Schaufeifläche ausströmt. Der Nachteil der bisherigen Anordnungen, bei denen die Kühlgaskanäle entweder in die Schaufeloberfläche, z. B. die Schaufelhohlseite, oder in die Nähe der scharfen Einlaufkante einmünden, ist der verhältnismäßig hohe Bedarf an erforderlichem Kühlgas. Dies rührt daher, daß sich der Heizstrom und der Kühlstrom, die sich mit wesentlich verschiedenen Geschwindigkeiten treffen, mischen.To reduce the heat exchange value it was proposed between the blade surface to be protected and the hot stream create a layer of a cold one Gas, ζ. B. air to form, from a longitudinal slot on the inlet side of the display surface emanates. The disadvantage of the previous arrangements in which the cooling gas channels are either in the blade surface, z. B. the blade hollow side, or open near the sharp inlet edge, is the relatively high demand for the required cooling gas. This is due to the fact that the heating current and the cooling current, which move at significantly different speeds meet, mix.

Das Wesen der Erfindung liegt in der Erkenntnis, daß der Kühlgasbedarf wesentlich vermindert werden kann, wenn die Austrittsöffnung oder Austrittsöffnungen für das Kühlgas in unmittelbarer Nähe der Staulinie des Heißstromes an abgerundeter Einlaufkante angeordnet ist oder sind.The essence of the invention lies in the recognition that the cooling gas requirement is essential can be reduced if the outlet opening or openings for the Cooling gas in the immediate vicinity of the stagnation line of the hot flow at the rounded inlet edge is or are arranged.

Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise drei verschiedene Schaufelformen mit Kühlung gemäß der Erfindung. Fig. 1 zeigt, wie ein Längsschlitz α in der stark abgerundeten Einlaufkante einer Laufschaufel in unmittelbarer Nähe der Staulinie, längs welcher sich der Heißstrom in die Schaufel umschließende Teilströme teilt, angeordnet ist. Die Stromgeschwindigkeit der heißen Gase ist an dieser Stelle nahezu Null. Es findet eine geordnete Einreihung der Kühlströmung an den Heißstrom statt. Der Kühlstrom bildet eine Schutzschicht c auf beiden Seiten der Schaufel, die von dem angrenzenden Heißstrom mitgenommen wird. Die Teilungslinie der Heißgasteilströme, längs welcher die Geschwindigkeit nahezu Null ist, kann längs der abgerundeten Einlaufkante entsprechend der Anströmrichtung der Heißgase wandern, ohne daß die Berührung der Kühlschicht auf beiden Seiten der Schaufel aufhört. Außerdem ist die Grenzschicht an der unmittelbaren Schaufeloberfiäche, in welcher die ViskositätThe drawing illustrates, for example, three different blade shapes with cooling according to the invention. 1 shows how a longitudinal slot α is arranged in the strongly rounded inlet edge of a rotor blade in the immediate vicinity of the stagnation line along which the hot flow divides into partial flows surrounding the blade. The flow velocity of the hot gases is almost zero at this point. There is an orderly alignment of the cooling flow with the hot flow. The cooling flow forms a protective layer c on both sides of the blade, which is carried along by the adjacent hot flow. The dividing line of the hot gas partial flows, along which the speed is almost zero, can move along the rounded inlet edge according to the direction of flow of the hot gases without the contact of the cooling layer on both sides of the blade ceasing. In addition, the boundary layer is on the immediate blade surface in which the viscosity

fühlbar ist und die alle durch Reibung verlangsamte Kühlgasstromlinien enthält, um so dicker und thermisch isolierend, als die von der StauUnie aus gerechnete Beschleunigung des Kühlgases kleiner ist, d. h. als der Krümmungsradius diese? Kante groß ist. Würde dagegen die Einlaufkante der Schaufel scharf und der Austrittsschlitz des Kühlgases wie bei den bekannten Anordnungen in einer der ίο Schaufelfläche angeordnet, so besteht die Gefahr, daß einer der zwei Kühlgasteilströme nur unter Wirbelbildung und Verlassen der Schaufelfläche die Schaufeleinlauf kante umströmen kann. Der Querschnitt einer Schaufel mit Kühlung nach dem Verfahren wird also einen Kühlgaskanal b und nicht mehr als eine einzige scharfe Kante, nämlich Ausströmkante d, aufweisen. Es ist leicht zu ersehen, daß, wenn die Kühlschicht c dick genug ist, ao die ganze Grenzschicht der Reibung (die einzige Zone, in welcher die Stromlinien verwirbelt werden) darin enthalten ist, so daß der völlig von der Berührung mit den Heißgasen geschützte Schaufelbaustoff nur einer für die Sicherheit zulässigen Temperatur ausgesetzt ist.can be felt and which contains all cooling gas flow lines slowed down by friction, all the thicker and thermally insulating as the acceleration of the cooling gas calculated from the traffic jam is smaller, ie than the radius of curvature this? Edge is great. If, on the other hand, the inlet edge of the blade were sharp and the outlet slot of the cooling gas, as in the known arrangements, would be arranged in one of the blade surfaces, there is a risk that one of the two partial cooling gas flows could only flow around the blade inlet edge with the formation of eddies and leaving the blade surface. The cross section of a blade with cooling according to the method will therefore have a cooling gas channel b and not more than a single sharp edge, namely outflow edge d . It is easy to see that if the cooling layer c is thick enough, ao the entire boundary layer of friction (the only zone in which the streamlines are swirled) is contained in it, so that the blade material completely protected from contact with the hot gases is only exposed to a temperature that is permissible for safety.

Damit der eingeblasene Kühlstrom den Heißgasdruck überwinden kann, muß die Summe seiner statischen und dynamischen Drücke an der Aüsströmstelle mindestens gleiqh dem Druck des Heißgasstromes sein. Ist diese Bedingung erfüllt und wird von dem Unterschied der Dichte der Heiß- und Kühlgase abgesehen, so wird der Kühlstrom sich dem Heißstrom anschmiegen und einen Zusatzteil desselben bilden.So that the blown cooling flow can overcome the hot gas pressure, the At least the sum of its static and dynamic pressures at the outlet point be equal to the pressure of the hot gas flow. If this condition is met and the Apart from the difference in the density of the hot and cooling gases, the cooling flow is different cling to the hot current and form an additional part of the same.

Damit bei jeder Belastung und unabhängig von dem Wert des Heißgasanströmwinkels die Teilung des Kühlstroms auf beiden Seiten der Schaufel erfolgt, kann der Kühlstrom aus mehreren Schlitzen ausströmen, die längs der Einlaufkante" der Schaufel verteilt sind. In Fig. 2 ist eine Schaufel mit drei Austrittsschlitzen α, α', α" für das Kühlgas dargestellt, bei welcher die öffnungen von einem einzigen Kanal gespeist werden, während in Fig. 3 die Öffnungen a, a', a" von verschiedenen, durch Trennwände g getrennten Kanälen gespeist werden, in welchen verschiedene Drücke herrschen können. Letztere Anordnung käme hauptsächlich in solchen Fallen in .Betracht, bei welchen der Anströmwinkel der Heißgase mit der Belastung der Turbine stark veränderlich ist. Bei veränderlichem An-Strömwinkel· verschiebt sich nämlich die Staulinie längs der Anlaufkante- Die abgerundete Kante sichert auch dann eine günstige Verteilung des Kühlgases auf beiden Schaufelflächen. Durch Versuche ist z, B. festgestellt worden, daß mit drei Schlitzen in einer mit verhältnismäßig großem Krümmungsradius abgerundeten Einlauf kante die Schutzschicht auf beiden Seitenflächen der Schaufel noch bei Veränderung der Anströmwinkel der Heißgase um 90 ° aufrechterhalten wird.So that the cooling flow is divided on both sides of the blade at every load and regardless of the value of the hot gas inflow angle, the cooling flow can flow out of several slots which are distributed along the inlet edge of the blade α, α ', α "for the refrigerant gas shown in which the openings are fed by a single channel, while in Fig. 3, the openings a, a', a 'are fed from different by partitions g separate channels, in which Different pressures can prevail. The latter arrangement would mainly come into consideration in those cases in which the angle of incidence of the hot gases varies greatly with the load on the turbine even then a favorable distribution of the cooling gas on both blade surfaces has been established through tests, for example, that with three slots in a rounded inlet edge with a relatively large radius of curvature, the protective layer on both side surfaces of the blade is maintained even when the angle of attack of the hot gases changes by 90 °.

Die vorliegenden Betrachtungen gelten sowohl für die Lauf- als für die Leitschaufeln einer Turbine, sei es einer Gas- oder einer Dampfturbine. Im letzteren Fall wird man für den Kühlstrom vorzugsweise gesättigten Dampf verwenden, der entweder von dem Dampfkessel vor dem Überhitzer oder von irgendeinem Teil der Anlage abgezapft wird.The present considerations apply to both the rotor blades and the guide vanes a turbine, be it a gas or a steam turbine. In the latter case, one will preferably use saturated steam for the cooling flow, either from the Steam boiler is tapped before the superheater or from any part of the system.

Die beschriebene Vorrichtung kann sinngemäß auch zum Schutz anderer Teile als Schaufeln zur Verwendung kommen, z. B. für Dampfdüsen oder für andere Teile von Turbinen, umlaufenden Maschinen und thermischen Anlagen. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Kühlluft begrenzt, sondem betrifft auch die Verwendung irgendwelchen Kühlgases, wie z.B. mäßig erwärmter Luft, Abgase, Dämpfe usw.The device described can also be used to protect parts other than Shovels come into use, e.g. B. for steam nozzles or for other parts of turbines, rotating machines and thermal systems. The invention is not limited to the use of cooling air, but rather also applies to the use of any cooling gas, such as moderately heated air, exhaust gases, vapors, etc.

Claims

Patent claims:

i. Device for the protection of certain machine parts, in particular Shovels of rotating machines, "which are in a hot stream, against high temperatures by means of a cooling stream low temperature that flows out of the machine part, characterized in that, that the outlet opening "or outlet openings for the cooling flow in the immediate vicinity of the congestion line of the hot flow, rounded Inlet edge is or are arranged.

2: Device according to claim 1 with several outlet openings for the cooling flow ,, characterized in that all openings are fed by a single channel,

3. Device according to claim 1 with several outlet openings for the Cooling flow, characterized in that the outlet openings through several Channels are fed in which the same or different pressures prevail.

4. Device for protecting steam turbine blades ^ according to claim 1, characterized in that the cooling flow consists of steam, preferably saturated steam, which is present at one point in the system, e.g. B- from the boiler before the Superheater being drawn off.

1 sheet of drawings: