DE846341C - Beschaufelung mit Innenkuehlung fuer Gasturbinen mit Verbrennung innerhalb der Schaufelkanaele - Google Patents

Description

• Beschaufelung mit Innenkühlung für Gasturbinen mit Verbrennung innerhalb der Schaufelkanäle Die Entwicklung der Gasturbine verfolgt das Ziel, die Temperatur der Brenngase bis zum höchsten Maß zu steigern und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen. Diese hohen Betriebstemperaturen und die mit der Temperatur rasch absinkende Werkstoffestigkeit erfordert eine starke Kühlung der Bauteile. Dadurch treten -zwischen den beiden .\ußeilwätiden der den heißen Brenngasen ausgesetzten Bauelemente Temperaturunterschiede auf, die im Innern sehr hohe Spannungszustände hervorrufen. Diese Wärmespannungen übertreffen meist die Größenordnung der statischen Beanspruchung, und es wird zur Behebung dieses Übels ein neuer Vorschlag unterbreitet.
• Der Vorschlag behandelt eine Beschaufelungsart der mit heidenTreibgasen beaufschlagtenTurbinenschaufeln, welche in bekannter Weise von innen gekühlt werden, wobei das Kühlmittel, z. 1i. Luft, zur Beaufschlagung sowie auch zur Verbrennung beim Läufer sowie auch beim Gehäuse derselben Turbine herangezogen wird. Um den Gasprozeß zu fördern, ist die Beschaufelung beim I_iiufer sowie auch beim Gehäuse isoliert und aufplattiert angebracht. Die isolierte Anbringung hat den Vorteil, daß die übrigen Turbinenelemente, die Laufräder, die Liiufertrommel sowie auch das Gehäuse mit hohen Temperaturen nicht beheizt werden.
• Die bereits bekannten Kühlungssysteme beruhen auf der Flüssigkeits- und Dampfkühlung. Beide Kühlungsarten haben die Eigenart, von der Achse über die Schaufeln und zu der Achse zurückzuströmen. Bei schwach erhitztem Kühlmittel ist eine Verwertung des anfallenden Dampfes in einer Turbine unrentabel. Bei stark erhitztem Kühlmittel durch die Beschaufelung werden die Turbinenelemente durch den Rückstrqni des Dampfes unnötig. beheizt, die Werkstoffe nachteilig @beeinflußt und (lern Gasprozeß Wärme entzogen.
• In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar ist Fig. i der Schnitt durch den gebohrten Flachstahl von der Größe einer Schaufel, Fig. 2 der Schnitt durch den Flachstahl nach der Linie a, Fig. 3 der zur Schaufelform gebogene Flachstahl aus Fig.,i und 2, F ig. 4 die gebogene Schaufel in den Fuß eingesetzt im Schnitt nach der Linie lc, Fig. 5 ein Schnitt nach der Linie b, Fig. 6 der Längsschnitt durch eine Axialturbine und Ansicht der aufplattierten Beschaufelung beim Läufer und einem Gehäuse, Fig. 7 der Schnitt nach der Linie c und d, Fig. 8 zeigt die Beschaufelung bei einer gegenläufigen Radialturbine im Längsschnitt.
• Nach Fig.,i wird ein Stahlstab von der Größe einer Turbinenschaufel geschmiedet und mit Bohrungen i versehen. Die abgestuften Bohrungen werden mit einer konischen Reibahle nachgebohrt. In die konischen Löcher wird ein ' gabelartiger Dorn 2 gesteckt und die Löcher flachgedrückt. Sodann wird der so vorbereitete Stab von neuem erwärmt und gebogen bis er die Schaufelform ähnlich der Fig. 3 hat. Diese Schaufel wird dann .in dem verbreiterten Schaufelfuß 3 durch Schweißen oder Löten befestigt. Der Kanal 5 verbindet die düsenartigen .Ausflüsse i und hat seinen Ursprung im Kanal 4. Der Kanal 4 hat einen Vorsprung 6 und einen Rücksprung 7 zur besseren Abdichtung.
• In Fig. 6 und 7 ist die neue Beschaufelung bei einer Axialturbine eingebaut. Vor dem Aufplattieren der Beschaufelung wird ein Isolierstreifen 8, gedacht ist an Glimmer, zwischen Schaufelfuß und die Läufertrommel 9 gelegt. Dadurch wird erreicht, daß die hohenTemperaturen, dievon denBrenngasen herrühren, sich auf die Erhitzung der Schaufeln und Schaufelfüße beschränken, für welche die Kühlung durch die Düsenschaufeln vorgesehen ist. Der offene Schaufelschwanz, d. h. die dünnsten, aber am stärksten von der Temperatur beanspruchten Abschnitte des Schaufelprofils werden von der Kühlluft, die weit unter der Frischgastemperattir liegt, durchflutet und so weit von innen gekühlt, daß die Schaufelwerkstoffe durch die heißen Treibgase oder die Flammenhülle der Brenngase bei der bekannten Innenverbrennung nicht geschädigt werden. Die aufplattierten Schaufelfüße (Fig. 6 und 7) haben einen angedrehten Zapfen io, welcher die Läufertrommel durchdringt und angeschraubt oder, wie es die Fig. 7 zeigt, angenietet wird. Außer der Nietung ist der verbreiterte Schaufelfuß mit je zwei Schrauben i-i an die Läufertrommel angeschraubt. Bei der Stufe 11 (Fig.6) wird gezeigt, wie die verbreiterten und aufplattierten Schaufelfüße . etagenartig an der Läufertrommel angebracht sind. Durch die etagenartige Ausführung der Schaufelfüße wird erreicht, daß dieAuflage auf der Läufertrommel,auf verschiedenen Ebenen liegt und daher die Häffung an der Läufertrommel mit den Schrauben 12 undi13 auch im Umfang vergrößert wird.
• In Fig.5 sind die etagierten Schaufelfüße in größerem Maßstab gezeigt und sie sind mit je fünf Sehrauben 13 und 14 befestigt. Diese Befestigungsart eignet sich sehr gut zuin Festmachen von Keramikschaufeln. Der Kanal 4 als Ein- und Auslauf ist mit dem Kanal 21 (Fig.5), welcher von unten in den Schaufelfuß eingefräst und durch Löten oder Schweißen zugedeckt «erden kann, verbunden: Die Beschaufelung des Gehäuses 15 ist ähnlich der Läufertrommel angeordnet. Die verbreiterten Schaufelfüße werden mit Schrauben 17 und Zwischenlage der Isolatiön 8 an dein Gehäuse angebracht. Auch für das Turbinengehäuse ist die isoliert angebrachte Beschaufelung wichtig, es wird das Turbinengehäuse nicht beheizt und braucht auch nicht gekühlt zu werden, damit entsteht auch kein Wärmeentzug der Brenngase.
• Die Kühl- und Verbrennungsluft wird durch die Kanäle 2o nach Durchströmen der Kühlschaufeln der Stufen V, IV und 111 den Düsenschaufeln der Stufen 1I und I In der angedeuteten Pfeilrichtung l zur Verbrennung zugeführt. Die Gaseinführung in den Schaufelkanal wird nach Art der Turbinen für Innenverbrennung, wie sie bereits bekannt ist, durchgeführt.
• Die Fig. 8 veranschaulicht die isolierte und aufplattierte Beschaufelung an einer gegenläufigen Radiaiturbine, deren Laufscheiben zweiteilig sind, und zwar trägt die Welle 26 die Laufscheibe 25, und die Laufscheibe 25a trägt deren Wellenstumpf. Die Welle 27 trägt die Laufscheibe 30, und die Laufscheibe 30ä trägt deren Wellenstumpf. Die Laufscheibe 30, 30a ist außer den verschweißten Distanzröhrchen 3ia zur :Aufnahme der Schrauben 44 noch mit den Schrauben 23 verschraubt und verschweißt. Die Laufscheibe 25, 25a ist außer den Büchsen 31a mit den zur Führung der Gase vorgesehenen Rohren 31 zusammengehalten. Zum angenehmen Transport der Gase wird ein Lader 32 in der Laufscheibe 25, 25a montiert und von der Luftströmung im Raum 29 durch die Luftschraube 33 angetrieben: Das Anfahren der Radialturbine wird mit Hilfe von zerkleinerten angebrannten Luntenteilchen, mit einem Rohr 34 in die Kanäle 35 des Laders 32 befördert, erzielt. Der angetriebene Lader 32 schleudert die Funken in die Kanäle 5, von wo sie durch die Düsen i in den Schaufelraum getrieben und dort das Gas-Luft-Gemisch entzünden.
• Die Wirkungsweise der neuen Beschaufelung an einer Axialturbine ist folgende: Der Lader 16 treibt die vorgewärmte atmosphärische Luft zur Kühlung der Beschaufelung in Pfeilrichtung f, wo die Luftmenge geteilt wird, so daß ein Teil in Pfeilrichtung g für die Gehäuseschaufelkühlung und ein Teil zur Kühlung der Läuferschaufeln

  nach dem zweiten Lader 36 geleitet wird. Der

  Lader 3(t rotiert finit dem Läuferkörper und treibt

  die Kühl- und \-erl>reiiiitingsltift durch die verbrei-

  terte» Sclinufelfül.ie 3 in die Schaufeln der @tufetl@".

  IV. Ilei der Stufe 111 zweigt die Strömung von

  dein Katial d i» den Kaiial 3 ab, tun durch den

  offenen Schaufelschwanz in Pfeilrichtung l im

  Schaufelkanal auszuströmen und die nachfolgenden

  Stufen l\'. V tisw. zu beaufschlagen und nach

  Mischung finit denn Gas zu verbrennen. Derselbe

  Vorgang wiederholt sich bei den folgenden Stufen l1

  und I, soweit die Diisenschaufeln angeordnet sind.

  Die Wirkungsweise der neuen Beschaufelting

  nach Fig. S bei einer gegenläufigen Radialturbiue

  ist folgende: Das mittels des Laders 32 von der

  (@avuleitung 43 durch die Bohrung der Welle 26

  in 1'feilrichttiiig .S' getriebetle Gas gelangt durch

  die Rollre 31 und die durchbohrten Schaufelfüße

  in die Diiserschaufeln der Stufe VII in den

  Schaufelkanal. Die Kühl- und Verbrennungsluft

  für die I@escliatifelting der Laufscheibe 2,3, 2,311

  strömt durch die Bohrung beim Lager i9 iti

  Pfeilrichtung r in den Luftraum 29. Von dem

  Luftraum 29 strömt die Kühl- und Verbrennungs-

  luft durch die durchbohrten Schaufelfüße der

  Stufe 1 iti die Schaufeln, wo sie gekühlt werden

  mid die Luft zur Verbrennung überhitzt wird. Der

  Weitertransport der angeheizten Luft vollzieht

  sich <furch die radial gebohrten Kanäle .l° in den

  Schaufelfül.ien der Stufe 11I, V. Von den Schaufel-

  4" strümt die überhitzte Luft durch

  die otteiien Düseiischatifeln der Stufe 11I, V in den

  Schaufelkanal, \vo sich die Luft finit dem Gas

  mischt. Gleichzeitig strömt die Kühl- und Ver-

  brennungsluft in die Lufträume 18 der Lauf-

  scheibe 30, 30#' in Pfeilrichtung r°. Aus dem

  Luftraum 18 werden durch die durchbohrten

  Schaufelfuße die Kühlschaufeln der Stufe 1I ge-

  speist. Nach Durchströmen der Schaufeln gelangt

  die angeheizte Luft in die radialen Kanäle db in

  den Schaufelfüßen. Von den Kaii<ilen ab strömt die

  Kiilil- tid Verbreniitingsluft in die Kanäle 5, wo

  sie durch die Düsen i in den Schaufelkanal in Pfeilrichtung 1 gelangt. Der gleichzeitige Einbruch der Kühl- und Verbrennungsluft und des Gases in den Schaufelkanal aus zwei gegenläufig rotierenden Beschaufelungselementen bringt die stärkste Durchwirbelung und :Mischung zur Bildung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Zusammenwirken mit der höheren Entzündungstemperatur zustande. Es ist nämlich bekannt, daß zur gründlichen Gas-Luftgeinisch-Verl>rennung nicht die 'Mischung Gas und Luft ausreichend ist. Beispielsweise bei Explosionsmotoren ist es die Kompression, welche den Beschleunigungsfaktor, d. h. die Entzündungstemperatur, fördert. Dieser Vorschlag hat es in der Hand, die günstigsten Temperaturen für die Entzündungstemperatur zu wählen, wobei das Kühlmittel nach Lösung der Kühlungsaufgabe an Ort und Stelle verbraucht wird. Dieser Effekt erlaubt den Versuch, den Luftanteilverbrauch gegenüber dem üblichen Gasanteil größer zu halten, wodurch die Wirtschaftlichkeit gesteigert wird.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Beschaufelung mit Innenkühlung für Gas- turbinen mit Verbrennung innerhalb der Schaufelkanäle, dadurch gekennzeichnet, (laß die Schaufeln mit Hohlräumen und an der A1)-s tr (5trik arite trii it Düsen (i) zum Einführen 1 der Kühl- und Verbrennungsluft in die Schaufelkanäle versehen sind, und nach Einlegen einer Isolierschicht (8) zwischen die verbreiterten Schaufelfüße (3) und die Läufertrommel (9) finit den Nieten (13) und Schrauben (1.l) an die Läufertrommel befestigt und die Leitschaufeln mit den verbreiterten Schaufelfüßen (3) nach Zwischenlegen der Isolierschicht (8) mit den Schrauben (17) an das Gehäuse (i5) angebracht sind.
2. 2. Anwendung der Beschaufelung nach Anspruch i an Radial-Gasturbinen mit gegettläufigen rotierenden Laufscheiben.