DE761677C

DE761677C - Cooling device for gas turbines

Info

Publication number: DE761677C
Application number: DES148437D
Authority: DE
Original assignee: Rateau SA
Current assignee: Rateau SA
Priority date: 1941-10-30
Filing date: 1942-01-13
Publication date: 1953-03-16
Also published as: GB609028A; FR973663A; US2529946A

Description

Bei Gasturbinen werden Räume derselben von Gasen unter Druck und von hoher Temperatur durchlaufen, wobei der in Betracht kommende Druck zwischen 6 bis io kg/cm² liegt und die Temperatur ungefähr iooo° C erreicht. Die Hauptschwierigkeit in der Ausführung von Wänden derartiger Räume liegt in ausreichendem Widerstand gegen mechanische und thermische Beanspruchungen. Es ist eine Sonderlösung dieser Aufgabe bekannt, welche darin besteht, jeden Raum mit einem Doppelmantel zu versehen, in welchem ein kaltes Mittel im Druckausgleich mit den heißen Gasen des Behälters umläuft. Hieraus ergibt sich, daß die Innenwand, welche durch die heißen Gase einer hohen Temperatur unterworfen ist, von mechanischen Beanspruchungen frei ist, unter dem Vorbehalt jedoch, daß sie sich frei ausdehnen kann, während die durch das Kühlmittel abgekühlte Außenwand infolge des inneren Überdruckes nur mechanischen Beanspruchungen unter Ausschluß thermischer Beanspruchungen ausgesetzt ist. Um hier eine zufriedenstellende Lösung zu finden, hat man in den zwischen dem Doppelmantel gelegenen Raum kalte Luft durchgeführt, besonders für die unter Druck stehenden Verbrennungskammern, wobei sich die zur Küh-In gas turbines, spaces are traversed by gases under pressure and at high temperature, the pressure in question being between 6 and 10 kg / cm ² and the temperature reaching approximately 100 ° C. The main difficulty in making walls of such rooms is sufficient resistance to mechanical and thermal stresses. A special solution to this problem is known, which consists in providing each room with a double jacket in which a cold medium circulates in pressure equalization with the hot gases of the container. The result is that the inner wall, which is subjected to a high temperature by the hot gases, is free from mechanical stresses, with the proviso, however, that it can expand freely, while the outer wall, cooled by the coolant, is only mechanical due to the internal overpressure Is exposed to stresses excluding thermal stresses. In order to find a satisfactory solution here, cold air was introduced into the space between the double jacket, especially for the pressurized combustion chambers, whereby the

lung der Innenwand verwendete Druckluft erwärmt und schließlich an der Verbrennung teilnimmt. Ähnliche Anordnungen hat man bei Räumen in Vorschlag gebracht, die von den heißen Gasen durchströmt werden, z. B. zwischen der Verbrennungskammer und den Gasturbinen. Da sich jedoch das Kühlmittel auf seinem Durchlauf erwärmt, so ergibt sich daraus eine ungleiche Abkühlung des äußeren ίο Mantels, welche unregelmäßige Ausdehnungen und demzufolge Verformungen desselben herbeiführen kann. Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, den zwischen den Doppelwänden befindlichen Raum mit einem wärmeerzeugenden Mittel aufzufüllen und ihn mittels Durchbohrungen oder durch Röhren mit dem Raum in Druckausgleich zu bringen. Bei dieser Lösung läßt die Innenwand nur einen geringen Wärmestrom durch, da sie aber schwach gekühlt wird, kann sie eine hohe Temperatur annehmen, was für ihre gute Erhaltung nachteilig ist.The pressurized air used in the inner wall is heated and finally sent to the combustion participates. Similar arrangements have been proposed for rooms that are used by the hot gases are flowed through, e.g. B. between the combustion chamber and the gas turbines. However, since the coolant heats up as it passes through, this results in uneven cooling of the outer one ίο coat, which cause irregular expansions and consequently deformations of the same can. Another known solution is the space located between the double walls with a heat-generating Refill funds and connect it to the room by means of perforations or through pipes to bring into pressure equalization. In this solution, the inner wall leaves only a small one Heat flow through it, but since it is weakly cooled, it can have a high temperature accept what is detrimental to their good preservation.

DieErfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, welche diese Übelstände beseitigt. Sie besteht darin, daß in dem Doppelmantel wenigstens ein Zwischengitter im wesentlichen parallel zu den Wänden des Doppelmantels derart angeordnet ist, daß es den Raum zwischen dem letzteren in besondere Teilzwischenräume unterteilt, deren Temperaturen von der inneren Wand nach der äußeren Wand infolge der Verringerung der Wärmeübertragung durch Strahlung oder Wärmemitführung abnehmen und der heißen Innenwand Ausdehnungsfreiheit belassen.The invention relates to a cooling device which overcomes these inconveniences. she consists in that in the double jacket at least one intermediate grid is substantially parallel to the walls of the double jacket is arranged in such a way that there is the space between the the latter divided into special subspaces, the temperatures of which differ from the inner Decrease the wall after the outer wall as a result of the reduction in heat transfer due to radiation or heat transfer and leave the hot inner wall free of expansion.

Sie betrifft ferner eine Verteilung der Kühlluft, wodurch der geregelte Lauf dieser Luft zwischen der kalten und der heißen Wand im umgekehrten Sinn zum Wärmefluß gewährleistet wird.It also relates to a distribution of the cooling air, whereby the regulated flow of this air guaranteed between the cold and the hot wall in the opposite sense to the heat flow will.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, und es istSeveral embodiments of the invention are shown in the drawing, for example, and it is

Fig. ι eine Gesamtansicht einer Gasturbine mit Kühlung der Räume, welche Gas unter Druck und von hoher Temperatur enthalten; Fig. 2 ist eine Teilansicht im Schnitt,Fig. Ι an overall view of a gas turbine with cooling of the spaces, which gas under Contain pressure and high temperature; Fig. 2 is a partial view in section,

welche eine bekannte Ausführungsform eines unter Druck stehenden Frischluftumlaufes im Innern eines Doppelmantels veranschaulicht; Fig. 3, 4 und 5 zeigen Ausführungsformenwhich is a known embodiment of a pressurized fresh air circulation in the Illustrates inside a double jacket; Figs. 3, 4 and 5 show embodiments

nach der Erfindung;according to the invention;

Fig. 6 ist eine Ansicht einer Einzelheit der6 is a view of a detail of FIG

Fig. 5;Fig. 5;

Fig. 7 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, und Fig. 7 shows a modified embodiment, and

Fig. 8 veranschaulicht eine Einzelheit dieser abgeänderten Anordnung.Figure 8 illustrates a detail of this modified arrangement.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung einer Gasturbine umfaßt im wesentlichen einen Verdichter α für die Verbrennungsluft, eine den Verdichter antreibende Hilfsgasturbine b, eine Antriebsturbine c, welche die Xutzkraft liefert, einen Wärmeaustauscher d, der die Druckluft durch den Wärmeinhalt der Auspuffgase erwärmt, und eine mit einem Brenner Ii versehene, unter Druck stehende Verbrennungskammer e. Die Verbrennungskammer, der die Verbrennungskammer mit der Turbine b verbindende Kanal / und die Turbine b selbst bilden Räume, die heiße Gase unter Druck enthalten, und der Widerstand der Wände dieser Räume gegen die Einwirkung von Druck und hoher Temperatur kann durch das bekannte Verfahren gewährleistet werden, das aus der Anwendung eines Doppelmantels mit Frischluftumlauf unter Druck zwischen den beiden Wänden besteht. Zu diesem Zweck besteht die Verbrennungskammer aus einem heißen Innenblech 1 und einem kalten Außenblech 2, welche mit Blechen \^a und 2" verbunden sind und in dem \^rerbindungskanal der Turbine b und im Gehäuse dieser Turbine einen Doppelmantel bilden. Um den Kreislauf der Frischluft zu gewährleisten, die für den zwischen diesen beiden Wänden gelegenen Zwischenraum erforderlich ist, ist am Luftverdichter α eine Ableitung g vorgesehen. Man sieht dabei als Förderdruck für die Kühlluft einen Druck vor, der dem Leistungsverlust des durch den Wärmeaustauscher d gehenden Kreislaufes der Verbrennungsluft annähernd gleich ist. Die Kühlluft erwärmt sich fortschreitend durch Berührung mit den Innenwänden der Turbine, den Verbindungskanälen / und der Verbrennungskammern. Sie vermischt sich darauf mit der Verbrennungsluft, die in den Wärmeaustauscher d geht und an der Verbrennung in der Kammer e teilnimmt, welche durch den Brenner b mit Brennstoff versorgt wird. Es ist einleuchtend, daß die Temperatur der Kühlfrischluft auf ihrem Wege von der Gasturbine bis zur Verbrennungskammer dauernd ansteigt, die äußere Wand wird also nicht gleichmäßig gekühlt, und es ergeben sich daraus Ausdehnungen und unerwünschte Formveränderungen.The arrangement of a gas turbine shown in Fig. 1 essentially comprises a compressor α for the combustion air, an auxiliary gas turbine b driving the compressor, a drive turbine c which supplies the Xutzkraft, a heat exchanger d which heats the compressed air through the heat content of the exhaust gases, and a pressurized combustion chamber e. provided with a burner Ii. The combustion chamber, the duct connecting the combustion chamber to the turbine b and the turbine b itself form spaces containing hot gases under pressure, and the resistance of the walls of these spaces to the action of pressure and high temperature can be ensured by the known method , which consists of the application of a double jacket with fresh air circulation under pressure between the two walls. For this purpose, the combustion chamber from a hot inner panel 1 and a cold outer panel 2, which are connected to sheets \ ^a and 2 "and b in the \ ^r Getting Connected channel of the turbine and form a double jacket in the case of this turbine. To the circulation of the fresh air To ensure that the space between these two walls is necessary, a discharge line g is provided on the air compressor α . A pressure is provided as the delivery pressure for the cooling air that is approximately equal to the power loss of the combustion air circuit going through the heat exchanger d The cooling air heats up progressively through contact with the inner walls of the turbine, the connecting ducts / and the combustion chambers. It then mixes with the combustion air that goes into the heat exchanger d and takes part in the combustion in the chamber e , which is carried out by the burner b is supplied with fuel. It is evident that the temp The temperature of the cooling fresh air increases continuously on its way from the gas turbine to the combustion chamber, so the outer wall is not cooled evenly, and this results in expansions and undesirable changes in shape.

Fig. 2 veranschaulicht im Schnitt eine Einzelheit einer Ausführungsform, welche als innerer Doppelkühlmantel bekannt ist. i stellt die innere Wand und / die äußere Wand dar. Die etwa 900⁰ heißen Gase streichen durch den Kanal k in Richtung des Pfeiles f_v die kalte Luft strömt zwischen den beiden Wänden i und ; in Richtung des Pfeiles /₂, und schließlieh befindet sich die umgebende Luft bei 3 außerhalb der Vorrichtung. Die kalte Luft, die aus dem Verdichter austritt, erwärmt sich fortschreitend auf ihrem ganzen Lauf durch Leitung, Wärmemitführung und Strahlung der 'Wandt, die Kühlluft bewegt sich im allgemeinen wirbelnd, was durch Vermischung derFigure 2 illustrates, in section, a detail of an embodiment known as a double inner cooling jacket. i represents the inner wall and / the outer wall. The approximately 900 ⁰ hot gases sweep through the channel k in the direction of the arrow f _v, the cold air flows between the two walls i and; in the direction of the arrow / ₂ , and finally the surrounding air is at 3 outside the device. The cold air that emerges from the compressor heats up progressively over its entire course through conduction, heat transfer and radiation of the wall, the cooling air moves in general whirling, which is due to the mixing of the

Strahlen des Mittels ein Ansteigen der Temperatur der Außenwand bewirkt.Blasting the agent causes the temperature of the outer wall to rise.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschränkt man gleichzeitig die Wärmemitführung und die durch Strahlung übertragene Wärme. Zu diesem Zweck ordnet man zwischen der heißen Wand i und der Außenwand / gemäß Fig. 3 eine Reihe von parallelen Gittern e_v e₂, e_s, e_A usw. an, welche den Frisch-According to one embodiment of the invention, the heat transfer and the heat transferred by radiation are limited at the same time. For this purpose, a series of parallel grids e _v e ₂ , e _s , e _A etc. are arranged between the hot wall i and the outer wall / according to FIG.

luftstrom in mehrere Bänder unterteilen. Das Vorhandensein dieser Gitter verringert zuerst die Wärmemitführung, da die zwischen den Gittern e_x und e₂ enthaltene Luft, die sich am meisten bei Berührung mit der heißen Wand erwärmt, sich mit der zwischen den Gittern e₂ und e₃ enthaltenen Luft nicht vermischen kann, und so fort. Außerdem ist die zwischen der heißen Wand und dem Gitter e_t vorhandene Luft der Strahlung der heißen Wand ausgesetzt. Die zwischen den Gittern e_t und e₂ befindliche Luft ist nunmehr nur der Strahlung des Gitters e_t ausgesetzt, dessen Temperatur niedriger ist als die der heißen Innenwand i. Selbstverständlich befinden sich die durch die Zwischengitter begrenzten Räume im Druckausgleich mit dem heißen Kanal derart, daß die Zwischengitter keiner mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Im allgemeinen ist die gemäß der Einrichtung nach Fig. 3 an die Außenwand übertragene Wärmemenge immer geringer als die, welche sie gemäß der Anordnung nach Fig. 2 erhält; aus diesem Grunde sinkt die Temperatur der Außenwand, und die Wärmeverluste an die umgebende Atmosphäre sind gering.divide the airflow into several bands. The presence of these grids first reduces the heat transfer, since the air contained between the grids e _x and e ₂ , which heats up most on contact with the hot wall, cannot mix with the air contained between the grids e ₂ and e ₃ , and so on. In addition, the air present between the hot wall and the grille e _{t is} exposed to the radiation from the hot wall. The air located between the grids e _t and e ₂ is now only exposed to the radiation from the grille e _t , the temperature of which is lower than that of the hot inner wall i. Of course, the spaces delimited by the intermediate grids are in pressure equalization with the hot channel in such a way that the intermediate grids are not exposed to any mechanical stress. In general, the amount of heat transferred to the outer wall according to the device according to FIG. 3 is always less than that which it receives according to the arrangement according to FIG. 2; for this reason the temperature of the outer wall drops and the heat losses to the surrounding atmosphere are low.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschränkt man gleichzeitig einerseits die Strahlung durch Hinzufügung von Gittern in übereinanderliegenden Schichten zwischen der Innen- und Außenwand und andererseits die Wärmemitführung, indem der Kaltluftstrom im entgegengesetzten Sinn zum Wärmestrom geleitet wird, der von der heißen zur kühlen Wand geht.According to a second embodiment of the invention, one restricts on the one hand at the same time radiation by adding gratings in superimposed layers between the inner and outer wall and on the other hand the heat transfer by the Cold air flow is directed in the opposite direction to the heat flow from the hot one goes to the cool wall.

Daher wird bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Wänden eine Reihe von Gittern e_v e₂, e_s, e± angeordnet, um den Druckausgleich mit dem heißen, mit Durchbohrungen 1 versehenen Kanal zu gewährleisten. Außerdem wird die kühle Luft an zahlreichen Stellen der kalten Außenwand durch eine Rohranlage α, β, γ usw. geleitet, die an den Verdichter angeschlossen ist. Die beim Durchgang durch die Gitter durch Strahlung und Wärmemitführung angewärmte kalte Luft dringt in den heißen Kanal ein, nachdem sie die Innenwand durch eine Reihe von öffnungen α', β', / usw. durchströmte. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 4, a number of grids e _v e ₂ , e _s , e ± are arranged between the two walls in order to ensure pressure equalization with the hot channel provided with through-bores 1. In addition, the cool air is passed through a pipe system α, β, γ , etc. at numerous points on the cold outer wall, which is connected to the compressor. The cold air, warmed by radiation and heat transfer as it passes through the grille, penetrates the hot channel after it has flowed through the inner wall through a series of openings α ', β', / etc.

Natürlich können die Rohre α, β, γ durch einen zusätzlichen Mantel ersetzt werden, welcher die Wand / umgibt und die Kühlluft weiterbefördert und mit dem Raum zwischen den Wänden i und / durch in dieser letzteren Wand angebrachte Löcher in Verbindung steht.Of course, the tubes α, β, γ can be replaced by an additional jacket which surrounds the wall / and conveys the cooling air further and communicates with the space between the walls i and / through holes made in this latter wall.

Fig. 5 stellt eine abgeänderte Ausführungsform dieser Anordnung dar, bei welcher die übereinanderliegenden Gitter durch einen Stapel von Hohlkörpern ersetzt sind, welche aus Metallringen m oder einem feuerbeständigen Werkstoff bestehen und eine Menge kleiner Gitter bilden, welche die Strahlung vermindern und die Kühlluft leicht im entgegengesetzten Sinn zum Hitzestrom laufen lassen. Einer dieser Ringe ist alleinstehend in Fig. 6 dargestellt.Fig. 5 illustrates a modified embodiment of this arrangement is, in which the superposed gratings are replaced by a stack of hollow bodies, in which m of metal rings or consist of a refractory material and a number of small lattice form which reduce the radiation and the cooling air easily in the opposite Sense to let heat flow. One of these rings is shown on its own in FIG.

In Fig. 7 ist schließlich im Querschnitt eine andere abgeänderte Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Gitter aus gewellten Blechen η bestehen, die mit Löchern p versehen sind, während die Wellen nach verschieden geneigten Schraubenlinien derart angeordnet sind, daß die aufeinanderfolgenden Blechplatten im Abstand voneinander gehalten werden, indem die Luft durch die durch die Wellen gebildeten Kanäle streichen kann. Fig. 8 stellt die Ansicht der beiden derart übereinander angeordneten Bleche dar.In Fig. 7, finally, another modified embodiment is shown in cross section, in which the grids consist of corrugated metal sheets η which are provided with holes p , while the corrugations are arranged according to differently inclined helical lines in such a way that the successive sheet metal plates are held at a distance from one another by allowing air to flow through the channels created by the waves. Fig. 8 shows the view of the two metal sheets arranged one above the other in this way.

Die Kühlluft kann, wie dies bereits oben ausgeführt wurde, durch mehrere Rohre α, β, γ usw. oder durch einen die Wand / umgebenden zusätzlichen Mantel zugeführt werden.As already stated above, the cooling air can be supplied through several tubes α, β, γ , etc. or through an additional jacket surrounding the wall.

Sie kann auch zwischen der Wand / und der ersten Wellblechplatte zugeleitet werden und strömt dann nach der Wand i in umgekehrter Richtung zum Hitzestrom, indem sie durch die Löcher^» der folgenden Blechplatten streicht.It can also be fed between the wall / and the first corrugated sheet metal plate and then flows to the wall i in the opposite direction to the flow of heat by passing through the holes of the following sheet metal plates.

Es leuchtet ein, daß bei dieser Ausführungsform der Erfindung die heiße Innenwand des Doppelmantels, der Gase unter Druck enthält, nur thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, und daß die Außenwand auch gleichmäßig auf einer Temperatur gehalten wird, wenn man dies wünscht, die in der Nähe derjenigen der Kühlluft liegt. Zudem erfolgt die Erwärmung der Luft während ihres Durchganges durch die Vorrichtung im umgekehrten Sinn zur Wärmeströmung, indem dadurch die Wärmemengen, welche den Außenmantel erreichen und seine Erwärmung hervorrufen könnten, verringert werden.It is clear that in this embodiment of the invention, the hot inner wall of the Double jacket, which contains gases under pressure, is only exposed to thermal loads is, and that the outer wall is also kept evenly at a temperature when one this desires that is close to that of the cooling air. In addition, the heating takes place the air during its passage through the device in the opposite sense to the heat flow, by reducing the amount of heat that could reach the outer jacket and cause it to heat up will.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 4 und folgende ist kein Luftkreislauf vorgesehen, der unabhängig ist von dem durch die äußeren Luftrohre α, β, γ bewirkten Kreislauf. Man kann jedoch bei dem durch die äußeren Rohre α, β, γ usw. senkrecht zu den Wänden erfolgenden Kreislauf einen Kreislauf in der Längsrichtung überordnen, wie bei der bekannten Vorrichtung. Diese Verbindung von zwei Kühlströmen, der eine senkrecht und derIn the embodiments according to FIG. 4 and the following, no air circuit is provided which is independent of the circuit brought about by the outer air pipes α, β, γ. However, in the case of the circuit taking place perpendicularly to the walls through the outer tubes α, β, γ , etc., a circuit in the longitudinal direction can be superposed, as in the known device. This connection of two cooling flows, the one perpendicular and the

andere parallel zu den Wänden, kann vorteilhaft im Fall der Ausführung nach den Fig. 4, 5 und 6 angewendet werden.others parallel to the walls can be advantageous in the case of the embodiment according to FIGS and 6 are applied.

Im Fall der Fig. 3 könnte die Wand i durchlöchert sein, um so einen Frischluftstrom nach dem Kanal k im umgekehrten Sinn zum Wärmestrom zu erreichen.In the case of FIG. 3, the wall i could be perforated in order to achieve a fresh air flow to the channel k in the opposite direction to the heat flow.

Claims

PATENT CLAIMS:

i. Cooling device for the walls or jacket of gas turbines, which works with a double jacket through which air or another cooling gas flows, characterized in that at least one intermediate grid (^ ₁ , e ₂ ) in the double jacket is essentially parallel to the walls (i, j) of the double jacket is arranged in such a way that it divides the space between the latter into special partial spaces,

ao whose temperatures from the inner wall (i) to the outer wall (7) as a result of the Reduction of heat transfer through radiation or heat dissipation and the hot inner wall freedom of expansion left.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the circulation of the air or the cooling gas in the double jacket (i, j) is effected in the opposite sense to the heat flow, namely as a result of a feed line (α, β, γ) which can be regulated and in the outer cold wall or

arranged in the successive chambers formed by the intermediate grids is.

3. Device according to claims 1 j and 2, characterized in that the ! Grid made from a stack of rings (w)! consist of one, thermal stresses Resistant material are made.

4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that the Grids consist of corrugated and perforated metal sheets (κ), which are arranged in successive Layers are arranged in such a way that the waves run in different directions so that the sheets cover and form sufficiently large passage cross-sections for the cooling air or the cooling gas.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized by the union of a cycle of cooling air perpendicular to the walls and a second circuit running parallel to the walls.

To differentiate the subject matter of the invention from the state of the art, the granting procedure the following publications have been considered:

German patent specification Xr. 696062;

fSA. patent step Xr. 916 726.

1 sheet of drawings