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Gekühltes Düsensegment für Brennkraftturbinen Vorliegende Erfindung
bezieht sich auf die eigen- und neuartige Ausbildung eines gekühlten Düsensegmentes
für Brennkraftturbinen, das aus einzelnen, zum fertigen Düsensegment zusannnensetzbaren
Teilen besteht und in dem die die gekühlten Düsenblätter zwischen sich aufnehmenden
Seitenstücke ebenfalls gekühlt sind.
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Bekanntlich erfolgt bei Verpuffungsbrennkraftturbinen die Beaufschlagung
der Turbinenradbeschaufelung in ähnlicher Weise wie bei Dampfturbinen durch Düsengruppen.
Die Düsengruppen bestehen aus im Querschnitt durchweg rechteckig geformten Einzeldüsen,
die durch Zwischenwände voneinander getrennt sind. Bei Verpuffungsbrennkraftturbinen
treten im allgemeinen in diesen Düsen überkritische Geschwindigkeiten auf, so daß
die Düsen mit einer Erweiterung ausgeführt werden müssen. Die Erweiterung bringt
es also mit sich, daß die zwischen den 13inzeldüsen vorhandenen Zwischenwände zum
Gasaustrittsende zu in einer mehr oder weniger scharfen Spitze auslaufen. Diese
Ausbildung der Zwischenwände führt nun deshalb zu besonderen Schwierigkeiten, weil
der «,eitere Umstand hinzutritt, daß diese Zwischenwände auf beiden Seiten von Verbrennungsgasen
hoher Temperatur und durchweg überkritischer Geschwindigkeit bestrichen werden.
Da sich die Wärmeübergangsbeiwerte mit der Erhöhung der Gasgeschwindigkeiten, inbesondere
im überkritischen Gebiet, stark und teilweise sprunghaft steigern, kann eine Zerstörung
der Zwischenwände durch Ausglühen und Verzunderung nur dadurch verhindert werden,
daß die Zwischenwände stark gekiililt werden. Die Zwischenwände müssen also hohl,
als hohle Düsenblätter ausgeführt und von einem Kühlmittel durchströmt werden.
Es
hat sich nun gezeigt, daß die Wärmeübergänge an den Düsenblättern so groß sind,
daß selbst bei Verwendung von Kühlflüssigkeiten eine störungslose Kühlung nicht
ohne weiteres zu erreichen ist. Führt man nämlich, wie dies zunächst geschehen ist,
die gekühlten Düsenblätter in der Weise aus, daß die mit den Seitenwangen aus einem
Stück gegossenen Düsenblätter durch nebeneinanderliegende Bohrungen aufgebohrt und
nach dem spitz zulaufenden Austrittsende zu von diesen Bohrungen aus aufgeschlitzt
sind, so daß die Kühlflüssigkeit senkrecht zur Richtung des Gasstromes im Parallelströmen
durch das gesamte Düsenblatt fließt, so strömt das Kühlmittel vorwiegend durch die
einen großen Querschnitt aufweisenden Bohrungen des Düsenblattrückens, d. h. des
von den Verbrennungsgasen zunächst berührten verbreiterten Teiles des Düsenblattes,
so daß nur eine geringe Menge an Kühlflüssigkeit durch den verhältnismäßig engen
Sägeschnitt in der Blattspitze durchtritt. Gerade hier treten aber infolge der hohen
Gasgeschwindigkeiten große Wärmeübergänge auf. Es strömt daher das Kühlmittel mit
unzureichender Geschwindigkeit und zu geringer Menge durch den Sägeschnitt der Düsenblattspitze,
so daß Verdampfung eintritt. Durch die Verdampfung scheidet sich in dem engen Sägeschlitz
Kesselstein aus und verengt den Strömungsquerschnitt erheblich oder setzt ihn vollständig
zu. Der sich bildende Dampf verdrängt die Kühlflüssigkeit und erhöht auf diese Weise
die ungleichmäßige Verteilung derselben. An den Stellen aber, an denen sich das
Dampfpolster bereits gebildet hat, findet eine ausreichende Wärmeabfuhr nicht mehr
statt. Infolge dieser mangelhaften Kühlung nehmen die Düsenblätter: unzulässig hohe
Temperaturen an. Da durch die Aufbohrungen und durch die Aufschlitzung des Düsenblattes
die Wandungen der nur unter dem geringen Kühlflüssigkeitsdruck stehenden Hohlräume
des Blattes nicht mehr genügend Winderstandskraft besitzen, um dem äußeren G4sdruck
Widerstand zu leisten, werden die Wandungen eingedrückt und undicht,. so daß die
Kühlflüssigkeit austreten kann.
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Diese nachteiligen Erscheinungen führten zu dem weiteren Vorschlag,
am Düsenblattrücken das Düsenblatt von den den Seitenwangen zugekehrten Stirnflächen
aus unter Belassung eines Zwischensteges auszufräsen. Der Zwischensteg wurde nur
an einer Stelle mit einer kleinen Bohrung durchstochen. Weitere, über die gesamte
Düsenblatthehe von Stirnfläche zu Stirnfläche durchgehende Bohrungen: wurden an
der Düsenblattspitze vorgesehen. Durch die so erzielte Drosselung der Strömungsquerschnitte
im Düsenblattrücken sollte das Kühlmittel gezwungen werden, die Bohrungen der Düsenblattspitze
mit Sicherheit zu durchfließen. Es zeigte sich aber, daß auch dieser Vorschlag nicht
zum Erfolg führt, weil die mit der zunehmenden Verjüngung der Düsenblattspitze einen
immer kleiner werdenden Durchmesser annehmenden Bohrungen im Verhältnis zu ihrem
Durchtrittsquerschnitt eine zu große Oberfläche besitzen. Es ist also auch bei Drosselung
der durch die großen Kühlräume des Düsenblattrückens tretenden Parallelströme der
Kühlflüssigkeit nicht möglich, durch die kleinen Bohrungen an der Düsenblattspitze
eine solche Kühlflüssigkeitsmenge durchzutreiben, daß Verdampfungen verhindert werden.
Die Verdampfung führt aber in Verbindung mit der Enge der Bohrungen zu den bereits
erörterten Nachteilen, so daß auch bei der Verwirklichung dieses Vorschlages Beschädigungen
der Düsenblätter festgestellt werden mußten.
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Die sich hieraus ergebende Aufgabe, die Düsenblattkühlung so auszugestalten,
daß die dargelegten nachteiligen Erscheinungen mit Sicherheit vermieden werden,
ist bereits dadurch gelöst worden, daß das Kühlmittel am Düsenblattrücken in das
Düsenblatt eingeführt und in einem sich über nahezu die Hälfte der Düsenblatthöhe
erstreckenden Strom in Richtung der Verbrennungsgase bis in die Düsenblattspitze
geleitet, hierauf innerhalb derselben umgelenkt, entgegen der Richtung der Verbrennungsgase
in einem wieder nahezu die Hälfte der Düsenblatthöhe in Anspruch nehmenden Strom
zum Düsenblattrücken zurückgeführt und hier abgeleitet wird. Es ist also bewußt
auf die früher übliche Strömungsrichtung des Kühlmittels senkrecht zur Strömungsrichtung
der Verbrennungsgase durch die Düsen verzichtet und statt dessen ein U-förmiger
Durchfluß des Kühlmittels durch das Düsenblatt verwirklicht worden, weil dadurch
eine Reihe von Vorteilen eintreten. Zunächst werden die Parallelströme durch einen
einzigen Kühlmittelstrom ersetzt, so daß die Berührung der gesamten Kühlflächen
unabhängig vom Strömungswiderstand gewährleistet ist. Weiter können auch in der
Düsenblattspitze große Strömungsquerschnitte verwirklicht werden, so daß das Verhältnis
von Wärmeübertragungsfläche und Querschnitt einen Wert annimmt, bei dein Dampfbildungen
mit Sicherheit vermieden werden können Damit sind gleichzeitig die Gefahren der
Kesselsteinbildung und der Verringerung der Strömungsquerschnitte beseitigt. Dadurch
also, daß die gesamte Menge des Kühlmittels gezwungen wird, das Innere gerade der
Blattspitze zu kühlen, und dadurch, daß hierfür Durchtrittsquerschnitte in einer
Größe verwirklicht werden können, bei der Verdampfungen
des Kühlmittels
und Verstopfungen der Kühlräume mit Sicherheit vermieden sind, ist es gelungen,
die bisher nicht beherrschbaren Schwierigkeiten zu beseitigen.
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Die zur Durchführung einer derartigen Kühlung vorgesehenen Einrichtungen
waren jedoch außerordentlich verwickelt. Denn die Kühlmittelführang wurde im wesentlichen
mittels kegeliger, mit Axial- und Querbohrungen versehener Bolzen bewirkt, die je
ein Düsenblatt so durchsetzten, daß das aus dem einen Seitenstück aufgenommene Kühlmittel
durch die eine der Axialbohrung und die sich anschließende Querbohrung in das Düsenblatt
einzutreten vermochte, worauf es innerhalb des Düsenblattes längs einer Scheidewand
geleitet, innerhalb der Düsenblattspitze umgelenkt, auf der arideren Seite der Scheidewand
wieder zurückgeleitet wurde, uni dann über die Ouer- und die anschließende Axialbohrung
des Befestigungsbolzens in das andere Seitenstück geleitet zu werden. Damit ergab
sich die Notwendigkeit, jeden Bolzen durch eine besondere Mutter zu befestigen,
zu Zwecken der Einführung jedes Bolzens Verschraubungen an den beiden äußeren Begrenzungswänden
der Seitenstücke anzubringen, die Befestigungsbolzen selbst mit verhältnismäßig
engen Kühlkanälen auszurüsten und entsprechende Kühlkanäle in den Düsenblättern
vorzusehen, womit eine erhebliche Anzahl von Dichtungen erforderlich wird und eine
ebenso große Anzahl von Undichtigkeitsstellen entsteht, die ständiger Überwachung
und Wartung bedürfen. Darüber hinaus zeigten derartig ausgebildete Düsensegmente
die Neigung, an bestimmten Stellen zu reißen, so daß besondere zusätzliche Maßnahmen
erforderlich wurden, um diese Gefahr-zu beseitigen.
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Die sich damit ergebende Aufgabe, unter Beibehaltung der vorteilhaften
Kühlmittelführung das Düsensegment wesentlich zu vereinfachen und als einheitlichen
sowie betriebssicheren Bauteil auszubilden, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Düsenblätter, welche die Düse durch seitliche, mit ihnen aus einem Stück
bestehende Ansätze bilden, über diese Ansätze zu einem einheitlichen Bauteil vereinigt
sind. Das geschieht zweckmäßig dadurch, daß die im Querschnitt H-förmigen Düsenblattkörper
auf ihren beiden Seiten vorteilhaft durch Ausfräsung entstandene lappenförmige Ansätze
aufweisen, über die sie durch längs der Düsenmittellinien verlaufende Nähte miteinander
verbunden, vorzugsweise miteinander verschweißt sind.
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Die Zeichnung zeigt beispielsweise eine Ausführungsform des Erfindungsgedankens,
und zwar gibt Abb. i einen in Umfangsrichtung durch die Düsengruppe einer Verpuffungsbrennkraftturbine
verlaufenden, in die Zeichnungsebene abgewickelten Schnitt wieder.
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Abb. z stellt einen Radialschnitt durch die Düsenanordnung gemäß Linie
II-II der Abb. i dar, wobei die Schnittebene die Turbinenachse enthält.
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Abb. 3 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch die Düsenanordnung
nach den Linien III-III der Abb. i und z, während Abb.4 einen senkrechten Längsschnitt
durch ein Düsenblatt nach Linie IV-IV der Abb. i wiedergibt.
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Es bezeichnet i das Düsenventil einer nichtgezeichneten Verpuffungskammer,
nach dessen Öffnung die in der Veipuffungskammer erzeugten hochgespannten und hocherhitzten
Verbrennungsgase über den Düsenvorraum 2 in die Düsenkanäle 3 eintreten, die mit
Erweiterung ausgebildet sind und in denen die Verbrennungsgase entspannt sowie beschleunigt
werden. Die Düsen 3 sind dabei außer durch die Lappen 4 und 5 der Düsenblätter durch
deren Seitenflächen 6 begrenzt. Die Lappen 4, 5 sind zweckmäßig durch entsprechende
Ausfräsung der Düsenblattrohlinge entstanden. Je zwei benachbarte Lappen 4 und 5
sind durch Schweißnähte 7 miteinander verbunden, wobei die Schweißnähte 7. wie Abb.
i erkennen läßt, etwa mit der Mittellinie der Düsen 3 zusammenfallen.
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Die Düsenblätter selbst sind hohl ausgeführt und werden mit Wasser
gekühlt, das durch eine Leitung 8 in den unterhalb der Düsen vorgesehenen Kühlraum
9 (s. Abb. 2 bis, 4) eintritt, die Kühlräume jedes Düsenblattes durchströmt und
in den oberhalb der Düsen angeordneten Kühlraum io gelangt, um aus diesem über Leitung
i i abgezogen zu werden. Wie Abb. i zeigt, sind die Zu- und Abführungsstellen 8
und i i für das Kühlmittel an den seitlichen Enden des die Düsengruppe enthaltenden
Beaufschlagungsbogens vorgesehen. Die Räume 9 und io sind durch die Zwischenwand
12 (s. Abb. 3) voneinander getrennt, um den Durchfluß des Kühlmittels durch die
Kühlräume der Düsenblätter zu erzwingen.
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Der Kühlraum 13 des Düsenvorraumes wird unabhängig von der Kaltkühlung
der Düsenblätter über Leitung 14 (Abb. i) mit heißem Druckwasser beschickt; die
Ableitung erfolgt bei 15.
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Wie besonders deutlich Abb. 4. erkennen läßt, kennzeichnen sich derartig
ausgebildete Düsenblätter weiter durch Anordnung einer das Innere der Düsenzunge
16 in zwei Längsräume 17 und 18 einteilenden, eine Durchtrittsausnehmung i9: an
der Blattspitze aufweisenden Zwischenwand 2o im Innern jedes Blattes, wobei die
Zwischenwand 2o etwa iii der Mitte der Düsenblatthöhe liegt. Die
Zwischenwand
2o stützt dabei gleichzeitig die Seitenwände des Düsenblattes, wie man insbesondere
aus Abb.3 zu erkennen vermag, gegeneinander ab, so daß_ sie unter dem Einfluß des
Verbrennungsgasdruckes nicht in ihrer Form verändert werden können. Die zweckmäßig
durch Ausfräsung hergestellten Längsräume 17 und 18 jedes Düsenblattes sind nach
oben und unten abgedeckt durch in den Zungenkörper eingeschweißte oder eingelötete
Deckel2z und 22, die bei 23 und 24. Öffnungen zum Ein- oder Austritt des Kühlwassers
aufweisen. In Abb. 3 sind die Deckel 21 und 22 in' Ansicht zu sehen, weil der Schnitt
an der Stelle durchgeführt worden ist, an der die Öffnungen oder Aussparungen 23
und 24 liegen.
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Die Zu- oder Abflußsammelräume 9 und io für das Kühlwasser sind durch
dünne und elastische Wandungen 25 und 26 gebildet; sie sind einerseits bei 27 mit
den Düsenblattspitzen, anderseits bei 28 mit dem Tragkörper 29 für die Düsengruppe
verschweißt. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Düsengruppe bei ihrer Erwärmung
nach jeder Richtung frei ausdehnen kann, so daß Spannungsrisse mit Sicherheit vermieden
sind.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende.
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Das über Leitung 8 zugeführte kalte Kühlwasser erfüllt zunächst den
Zuflußsammelraum 9, um von diesem über die Öffnungen 23 in die Längsräume 18 jedes
Düsenblattes einzutreten. Demgemäß wird das Düsenblatt in Strömungsrichtung der
Verbrennungsgase vom Blattrücken aus bis in die Blattspitze hinein von einem Kühlmittelstrom
durchflossen, der sich auf nahezu die Hälfte der Düsenblatthöhe erstreckt. Bei 19
erfolgt innerhalb der Düsenblattspitze die Umlenkung des Kühlmittzlstromes, worauf
der Längsraum io entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Verbrennungsgase von
der Blattspitze bis zum Blattrücken von einem Kühlstrom durchsetzt wird, der wiederum
nahezu die Hälfte der Düsenblatthöhe in Anspruch nimmt. Die bei z3 austretenden
Iiühlmittelströme vereinigen sich in dem Abflußsammelraum io, um über die Leitung
i i abgeführt zu werden.
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Auf diese Weise wird nicht nur j edes Düsenblatt der gesamten Länge
und Höhe nach wirksam mit Kühlmittel durchströmt, sondern es wird auch das Kühlmittel
gezwungen, seiner gesamten Menge nach an den Innenwandungen der Blattspitze vorbeizuströmen
und diese wirksam zu kühlen. Die Strömungsquerschnitte, die dem Kühlmittel dabei
zur Verfügung stehen, sind verhältnismäßig groß, so daß ausreichende Kühlmittelmengen
durch die Kühlräume geführt werden können, womit nicht nur eine genügende Wärmeabfuhr
ohne jegliche Gefahr von Dampfbildungen gewährleistet, sondern auch die Neigung
zur Verstopfung beseitigt ist.