DE768050C

DE768050C - Verfahren zum Betrieb von Brennkraftturbinen

Info

Publication number: DE768050C
Application number: DEJ66950D
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl-Ing Schmitt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1940-05-01
Filing date: 1940-05-01
Publication date: 1955-06-02

Description

Verfahren zum Betrieb von Brennkraftturbinen Beim Betrieb von Gasturbinen Liegen die Hauptschwierigkeiten in der Beherrschung der Werkstoffestigkeit. Um gute Wirkungsgrade der Turbine zu erreichen, werden hohe Gastemperaturen angestrebt. Der Erfüllung dieser Forderung steht aber die Tatsache entgegen, daß die Festigkeit des Schaufelwerkstoffes mit steigender Temperatur abnimmt. Es ist daher erforderlich, die Treibmitteltemperatur in baustofftechnisch tragbarlen Grenzen zu halben.
Bei Gasturbinen üblicher Bauart werden die Laufschaufeln auf ihrer ganzen Länge von einem Treibmittelstrom gleicher Temperatur beaufschlagt, wobei für die Wahl dieser Temperatur im Hinbliick auf die Warmfestigkeitseigenschaften des Schaufelwerkstoffes verhältnismäßig enge Grenzen gezogen sind.
Die Turbinenschaufeln sind aber außer der geschilderten Wärmebelastung noch durch die Beaufschlagungskräfte des Treibmittels und durch Fliehkräfte infolge Bes Eigengewichtes beansprucht. Aus der Summe dieser Beanspruchungen ergibt sich, daß die größte Gesamtbeanspruchung am Schaufelfuß auftritt. Die Beanspruchung am Schaufelfuß ist daher für die beim Entwurf zu treffende Wahl des Schaufelquerschnittes maßgehend. Daraus folgt aber, daß die im Schaufelwerkstoff zur Verfügung stehenden Festigkeitswerte nicht voll ausgenutzt weirden, weil die tatsächlichen Beanspruchungen des Schaufelwerkstoffes in weiter außen, d. h. nach dem Schaufelkopf zu liegenden Zonen immer geringer werden.
Es ist schon versucht worden, diesen Nachteil dadurch zu beheben, daß der Querschnitt der Schaufel entsprechend der Belastung vom Schaufelfuß zum Schaufelkopf hin abnimmt. Die Herstellung derartiger Schaufeln ist jedoch umständlich, so daß der durch sie bedingte Vorteil durch die Schwierigkeiten ihrer Herstellung mehr als aufgehoben wird.
Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren anzugeben, nach welchem unter Vermeidung der geschilderten Herstellungsschwierigkeiten auch bei einer Schaufel gleichbleibenden Querschnittes an jeder Stelle ihrer Erstreckung die Beanspruchung der Festigkeit entspricht. Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der die Turbinenschaufeln beaufschlagende Brenngas-Luft-Gemisch-Strom von etwa kreisringförmigem Querschnitt in Zonen unterschiedlicher Temperatur in der Weise gesichtet ist, daß der Laufschaafelkopf und die diesem benachbarten Schaufelteile von einer Zone höherer Temperatur beaufschlagt werden als der Laufschaufelfuß und die an diesen angrenzenden Schaufelteile.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Festigkeit des Schaufelbaustoffes in jedem Querschnitt voll auszunutzen und ungünstige Überbeanspruchungen in einzelnen Querschnitten mit Sicherheit zu vermeiden. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die Schaufel mit gleichmäßigem Querschnitt ausgeführt wird, was bekanntlich die Herstellung ganz beträchtlich vereinfacht. Besonders zwveclkmäßig ist es, den Temperaturverlauf in den Zonen des Brenngas-Luft-Gemisch-Stromes so zu wählen, daß die Abnahme der Temperatur im Querschnitt des Brenngas-Luft-Gemisch-Stromes vom Schaufelkopf zum Schaufelfuß stetig erfolgt, wobei wiederum ein erfinduangsmäßiger Sonderfall dadurch erreicht wird, daß sich an beliebigen Stellen der Schaufel die Temperaturen der diese Stellen beaufschlagenden Zonen des Brenngas-Luft-Gemisch-Stromes wie die Quadrate der Umfangsgeschwindigkeiten dieser Schaufelstellen verhalten. Da die Geschwindigkeit der heißeren Zonen des Brenngas-Luft-Gemisch-Stromes wegen des höheren Arbeitsgefälles größer ist als die Geschwindigkeit der kälteren Zonen, wird bei dem erwähnten Temperaturverlauf an den verschiedenen Stellen der Schaufel eine Änderung der Brenngas-Luft-Gemisch-Geschwindigkeit erzielt, welche mit der Änderung der Umfangsgeschwindigkeit an diesen einzelnen Stellen übereinstimmt; denn auch die Umfangsgeschwindigkeit ist ja in den äußeren Bereichen der Schaufel größer als am Schaufelfuß. Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme wird also erreicht, daß die Geschwindigkeitsdreiecke für jeden Punkt der Schaufel einander ähnlich sind. Die praktische Folge ist, daß die Schaufel selbst über ihre ganze Länge ohne Verschränkung ausgeführt werden kann, und die Erzeugende der Schaufel ist eine gerade Linie, die lediglich eine Parallelverschiebung erfährt, ein Vorteil, der herstellungstechnisch besonders ins Gewicht fällt.
Es ist zwar bekannt, den eine Gasturbine i beaufschlagenden Treibmittelstrom in Zonen von Kaltluft und Treibgas einzuteilen. Gemäß der vorliegenden Erfindung soll aber nicht lneben dem Brenngas-Luft-Gemisch-Strom ein besonderer Kühlluftstrom angeordnet werden, sondern der Brenngas-Luft-Gemisch-Strom selbst soll derart in Zonen eingeteilt werden, daß die äußeren Schichten eine höhere Temperatur als die innere haben.
Auch die durch den Gegenstand der Ertindung erzielte Wirkung ist gegenüber den bekannten Einrichtungen, in welchen der Treibmittelstrom aus Kühlluft- und Brenngasogemischzonen besteht, neu und fortschrittlich. Während in der bekannten Ausführung nur eine bute Kühlung der Turbinenschaufel erreicht wird, gestattet das -'erfahren gemäß der Erfindung eine Ausnutzung des Werkstoffes bis zum äußersten und damit die Erzielung bester Leistungen überhaupt. Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt wird noch durch den Umstand erhöht, daß dieses Ziel unter Verwendung von Schaufeln gleichbleibenden Querschnittes erreicht wird, von Schaufeln also, deren Herstellung keinerlei zusätzliche Schwierigkeitetl bereitet.
Es ist auch bekannt, bei Explosionsgasturbinen den Brenngasen aus einer besonderen Luftkammer Kühlluft beizumisehetl. Die Anordnung ist dort jedoch so getroffen, daß bereits vor Beaufschlagung der Turbinendüsen ein Temperaturausgleich zwischen den heißen Gasen und der Zusatzluft vor sich geht, so daß also vor der Beaufschlagung die Einheit des Treibmittels erreicht wird. Mit einer solchen Anordnung ist jedoch der Zweck der vorliegenden Erfindung, nämlich die Schichtung des Treibmittels in dem abgegebenen Sinne, nicht zu erreichen.
Die Einrichtungen, mittels deren das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann, sind in mannigfacher Weise ausführbar: beispielsweise durch verschieden starke Beimischung von Kühlluft zu den in einer Brennkammer erzeugten Treibgasen oder durch besondere Ausbildung der Brennkammlern oder des Treibmittelkanals oder durch sonstige dem Fachmann überlassene techniische Maßnahrren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zum Betrieb von Brennkraftturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß der die Turbineeschaufelin beaufschlagende Brenngas-Luft-Gemisch-Strom von etwa kreisringförmigem Querschnitt in Zonen unterschiedlicher Temperatur in der Weisse geschichtet ist, daß der Laufschaufelkopf und die diesem benachbarten Schaufelteile von einer Zone höherer Temperatur beaufschlagt werden als der Laufschaufelfuß und die an diesen angrenzenden Schaufelteile, derart, daß die Festigkeit des Schaufelwerkstoffes in jedem Querschnitt annähernd doll ausgenutzt wird, trotzdem die Schaufel selbst in einfachster Weise mit gleichbleibenden Querschnitt ausgeführt ist. 2n. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme der Temperatur im Querschnitt des Brenngas-Luft-Gemisch-Stromes vom Schaufelkopf zum Schaufelfuß stetig erfolgt. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturverlauf im Querschnitt des Brenngas-Luft-Gemisch-Stromes so gewählt ist, daß sich an beliebigen Stellen der Schaufel die Temperaturen der diese Stellen beaufschlagenden Zonen des Brenngas-Luft-Gemisch-Strones wie die Quadrate der Umfangsgeschwindigkeiten dieser Schaufels.tellen verhalten. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadiurch gekennzeichnet, daß den aus der Brennkammer austretenden Brenngasen vor dem Turbineneinlaß Kaltduft in verschiedenen Mengen, und zwar den die äußeren Schaufelteile treffenden Brenngasen weniger, den die inneren Schaufelteile treffenden Brenngasen mehr, zugemischt wird, derart, daß die äußeren Treibgasschichten eine höhere Teamperatur als die inneren Treibgasschichten aufweisen. Zur Abgrenzung ,des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Österreichische Patentschrift Nr. 97 359; schweizer i@sche Patentschrift Nr. 205 3o4.