DE852786C

DE852786C - Time-graded cooling air throughput through the blades of gas or exhaust gas turbines

Info

Publication number: DE852786C
Application number: DED5416D
Authority: DE
Inventors: Herwig Dr-Ing Kress
Original assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Current assignee: Deutsche Versuchsanstalt fuer Luftfahrt eV
Priority date: 1943-11-10
Filing date: 1943-11-10
Publication date: 1952-10-20

Description

Zeitlich gestufter Kühlluftdurchsatz durch Schaufeln von Gas- oder Abgasturbinen Um die sich ergebenden Wandtemperaturen in der Schaufelung von Gas- bzw. Abgasturbinen beherrschen zu können, war man dazu übergegangen, die Schaufeln hohl auszubilden und das hohle Innere von einem Kühlmedium durchströmen zu lassen. Im Hinblick auf die Erzielung möglichst günstiger Wirkungsgrade, insbesondere bei den Laufschaufeln von Gas- bzw. Abgasturbinen ist es entsprechend den Gesetzen der Thermodynamik notwendig, mit einem möglichst geringen Kühlmitteldurchsatz auszukommen. Sollen nun von der Turbine auch nur kurzzeitig höhere Temperaturen als es der normalen Auslegung entspricht verarbeitet werden, so muß die. Kühlluftzuführung nach der, jeweils höchsten Temperatur bemessen werden, d. h. also, daß man dann bei den normalerweise vorhandenen niedrigeren Temperaturen zu stark kühlt und damit unwirtschaftlich arbeitet.Timed cooling air throughput by shoveling gas or Exhaust gas turbines In order to determine the resulting wall temperatures in the blades of gas and to be able to control exhaust gas turbines, one had gone over to the blades to be hollow and to allow a cooling medium to flow through the hollow interior. With a view to achieving the most favorable efficiencies possible, especially at the blades of gas or exhaust gas turbines, it is according to the laws of Thermodynamics necessary to get by with the lowest possible coolant throughput. Should the turbine now have higher temperatures than normal for a short time Interpretation corresponds to be processed, so must the. Cooling air supply after, the highest temperature in each case, d. H. so that you usually do with them existing lower temperatures cools too much and thus works uneconomically.

Gemäß der Erfindung können diese sich widerstrebenden Forderungen dadurch in Einklang gebracht werden, daß der Kühlmitteldurchsatz zeitlich nach Maßgabe der jeweiligen Betriebsanforderungen abgestuft werden kann, wobei zu berücksichtigen ist, daß bei Einstellung kurzzeitiger Überlastzustände die Rücksichtnahme auf den Wirkungsgrad und damit den Kraftstoffverbrauch meist nur eine untergeordnete Rolle spielt. Wie aus der Beschreibung hervorgeht, kann die Vergrößerung des Kühlluftdurchsatzes entweder durch die an sich bekannte Einspritzung von Flüssigkeiten, z. B. Wasser, in die Kühlluft oder durch Verwendung von auf höheren Druck vorverdichteter Luft oder durch Freigabe gedrosselter bzw. abgeschlossener Kühlluftkanäle herbeigeführt werden.According to the invention, these conflicting demands can be reconciled in that the coolant throughput is timed according to the stipulation the respective operational requirements can be graded, taking into account is that when setting short-term overload conditions, consideration must be given to the Efficiency and thus fuel consumption mostly just a subordinate Role play. As can be seen from the description, the increase in the cooling air flow rate either by the injection of liquids known per se, e.g. B. water, into the cooling air or by using air that has been pre-compressed to a higher pressure or brought about by releasing throttled or closed cooling air ducts will.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens zeigen die Abb. i bis 4. In Abb. i ist der Schnitt durch ein Laufschaufelprofil mit Innenkühlung wiedergegeben. Abb. 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsbeispiele. Abb.4 stellt als Ausführungsbeispiel den Querschnitt durch eine Leitschaufel dar.Exemplary embodiments of the inventive concept are shown in FIGS 4. Fig. I shows the section through a blade profile with internal cooling. Fig. 2 and 3 show further embodiments. Fig.4 represents an exemplary embodiment represents the cross section through a guide vane.

Nach der Abb. i wird das Schaufelprofil durch die hier aus Blech bestehende Hülse H gebildet. Außerdem besitzt die Schaufel ein Einsatzstück E, das mit der Hülse H an den Berührungspunkten verschweißt sein kann. Durch die Kanäle N und U kann Kühlluft gefördert werden. Bei Erhöhung der Gastemperatur über den Normalauslegungszustand erfolgt die Kompensierung der sich aus dieser Maßnahme ergebenden. Temperaturerhöhung in der Schaufel durch Vergrößerung der Kühlluftmenge, die durch die Kanäle N und U geschickt wird. Besitzen die einzelnen Kühlkanäle N und U getrennte Zuleitungen, so können beide oder nur die Kanäle N oder der Kanal U von der Vergrößerung des Kühlluftdurchsatzes erfaßt werden. In vielen Fällen wird es zweckmäßig sein, den Kühlkanal U im Normalbetrieb ungekühlt zu lassen und nur im Überlastzustandmit Kühlluft zu beschicken. Außerdem kommt im Überlastbetrieb auch die Zuführung von Kühlflüssigkeiten in Betracht; besonders gut ist wegen der hohenVerdampfungswärme als Kühlflüssigkeit Wasser geeignet, das in an sich bekannter Weise in die Kühlluft vor ihrem Eintritt in die Schaufeln eingespritzt werden kann.According to Fig. I, the blade profile is formed by the sleeve H, which here is made of sheet metal. In addition, the shovel has an insert E, which can be welded to the sleeve H at the points of contact. Cooling air can be conveyed through channels N and U. If the gas temperature is increased above the normal design state, the compensation resulting from this measure takes place. Increase in temperature in the blade by increasing the amount of cooling air that is sent through channels N and U. If the individual cooling channels N and U have separate supply lines, both or only the channels N or the channel U can be covered by the increase in the cooling air throughput. In many cases it will be expedient to leave the cooling duct U uncooled in normal operation and only to charge it with cooling air in the overload state. In addition, the supply of cooling liquids can also be considered in overload operation; Because of the high heat of vaporization, water is particularly suitable as the cooling liquid, which can be injected in a manner known per se into the cooling air before it enters the blades.

Eine Vergrößerung des Kühlmitteldurchsatzes kann auch dadurch erzielt werden, daß im Über-Lastzustand auf höheren Druck vorverdichtete Luft verwendet wird als im Normalfall. Arbeitet die Turbine mit einem mehrstufigen Verdichter zusammen, so kann, falls dies erforderlich ist, eine weitgehende Abstufung vorgenommen werden. Daneben ist auch die gleichzeitige Anwendung, z. B. von Wassereinspritzung, möglich.An increase in the coolant throughput can also be achieved in this way that in the over-load condition to higher pressure pre-compressed air is used is than normal. If the turbine works together with a multistage compressor, so, if necessary, an extensive gradation can be made. In addition, the simultaneous use, for. B. water injection, possible.

In Abb.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel wiedergegeben, bei dem der Kühlluftkanal l infolge Drosselung am Ein- oder Austritt der Kühlluft in diesen nur wenig von Kühlluft durchströmt wird. Seine Heranziehung zur Temperatursenkung des tragenden Stiftes A im Überlastzustand dürfte nur in ,extremen Fällen von Bedeutung sein. Die Vergrößerung der Kühlluftmenge wird hier mehr auf die Kanäle N auszudehnen sein.In Fig.2 another embodiment is shown in which the cooling air duct l due to throttling at the inlet or outlet of the cooling air in this only a small amount of cooling air flows through it. Its use for lowering temperature of the load-bearing pin A in the overload state should only be of importance in extreme cases be. The increase in the amount of cooling air will extend more to the channels N here be.

Ebenso wird von Fall zu Fall entschieden werden müssen, in welchem Umfang die einzelnen Kühlkanäle B, C und D des Schaufelprofils entsprechend Abb.3 in vermehrtem Umfang gekühlt werden müssen. Im allgemeinen ist es nicht besonders schwierig, bei Innenverrippung, wie z. B. bei Abb, i, durch vermehrte Kühlung einen Ausgleich für höhere Gas- bzw. Abgastemperaturen zu finden. Der in Abb. 2 vorhandene Kernstift A wird sich sogar durch vermehrte Kühlung trotz Erhöhung der Gastemperatur auf eine niedrigere Temperatur bringen lassen, wodurch die Verminderung der Festigkeit der im Normalfall meist mittragenden Hülse H ausgeglichen werden 'kann.It will also have to be decided on a case-by-case basis to what extent the individual cooling channels B, C and D of the blade profile need to be cooled to an increased extent as shown in Figure 3. In general, it is not particularly difficult with internal ribbing, such as. B. in Fig, i, to find compensation for higher gas or exhaust gas temperatures through increased cooling. The core pin A shown in Fig. 2 can even be brought to a lower temperature by increased cooling despite the increase in the gas temperature, whereby the reduction in the strength of the sleeve H, which is usually also supporting, can be compensated for.

In Abb. 4 ist der Schnitt durch eine Leitschaufel wiedergegeben, für die ähnliche Gesichtspunkte gelten wie bei den Schaufeln entsprechend Abb. i bis 3 oder anderen Ausführungsformen.In Fig. 4 the section through a guide vane is shown for Similar considerations apply as for the blades according to Fig. i bis 3 or other embodiments.

Da die Temperaturerhöhung der Schaufelwände wegen der hohen Wärmeübergangszahlen außerordentlich rasch vor sich geht, ist es vielfach zweckmäßig, den Betriebszustand, der den vergrößerten Kühlmitteldurchsatz bedingt, die Vergrößerung des Kühlmitteldurchsatzes durch entsprechende Gestaltung der Regeleinrichtung vorzuschalten, spätestens jedoch gleichzuschalten. Nach Beendigung des Überlastbetriebes wird man den Kühlluftdurchsatz dagegen zweckmäßigerweise noch kurze Zeit in dem vermehrten Umfang aufrechterhalten.Because the temperature increase of the blade walls because of the high heat transfer coefficients is happening extremely quickly, it is often useful to check the operating status, which causes the increased coolant throughput, the increase in the coolant throughput to be connected upstream by appropriate design of the control device, however, at the latest to synchronize. After the overload operation has ended, the cooling air flow rate will be increased on the other hand, expediently maintained for a short time to the increased extent.

In den Fällen, in denen außer der Vergrößerung der Frischgastemperatur auch noch eine Vergrößerung der Temperatur hinter der Turbine, z. B. bei Zwischenaufheizung im mehrstufigen Betrieb oder bei Nachverbrennung im Rückstoßdüsenraum bei Strahltriebwerken, zweckmäßig ist, kann als kühlendes Medium auch eine brennbare Flüssigkeit verwendet werden. Diese Maßnahme wird vor allen Dingen für die Kühlung von Leitschaufeln in Betracht kommen. Zu diesem Zweck wird, wie z. B. in Abb.4 gezeigt ist, die Austrittskante der aus Blech gebogenen hohlen Blechschaufel nicht völlig geschlossen,' sondern höchstens an einigen Punkten durch Zwischenlagen oder Anbringung von kleinen Wulsten offen gelassen, so daß das brennbare Medium, das im Schaufelinnern vor allem wegen der Verdampfungswärme kühlend wirkt, hier längs der ganzen Schaufellänge austreten kann. Auf den Wegen durch die nachfolgende Laufschaufel wird eine Vermischung mit dem meist noch sauerstoffhaltigen Brenngas vor sich gehen und nach der jeweiligen Zündverzugszeit dann eine Verbrennung eintreten. Ist diese Verbrennung im wesentlichen nach der nächsten oder übernächsten Stufe beendet, so erfolgt hierdurch eine Art Zwischenüberhitzung, die eine Leistungssteigerung des Triebwerkes zur Folge hat. Bei mehrstufigen Turbinentriebwerken kommt diese Maßnahme nicht nur zur kurzzeitigen Leistungserhöhung in Betracht, sondern kann auch irr Normalbetrieb angewendet werden, Ida sie vielfach wirkungsgradverbessernd wirkt. Das gleiche gilt auch, wenn eine Nachverbrennung im Gegendruckraum hinter der Turbine eines Strahltriebwerkes vorgenommen werden soll, um eine höhere Austrittsgeschwindigkeit der als Strahl wirkenden Auspuffgase zu erzielen.In those cases in which, in addition to increasing the fresh gas temperature also an increase in the temperature behind the turbine, e.g. B. with intermediate heating in multi-stage operation or with afterburning in the thrust nozzle space in jet engines, It is advisable to use a flammable liquid as the cooling medium will. This measure is mainly used for the cooling of guide vanes in Come into consideration. For this purpose, such. B. shown in Fig.4, the trailing edge The hollow sheet metal shovel bent from sheet metal is not completely closed, but at most at a few points through intermediate layers or the application of small beads left open so that the flammable medium that is inside the shovel mainly because of the heat of evaporation has a cooling effect, here it emerges along the entire length of the blade can. On the paths through the following rotor blade there is a mixing with the mostly still oxygen-containing fuel gas and according to the respective Ignition delay time then a combustion occur. Is this combustion in essence ends after the next or the next level, this results in a kind of Reheating, which results in an increase in engine performance. In the case of multi-stage turbine engines, this measure is not only a short-term one Increase in output into consideration, but can also be used in normal operation, Because it often improves efficiency. The same is true if a Post-combustion carried out in the back pressure chamber behind the turbine of a jet engine should be to a higher exit velocity of the exhaust gases acting as a jet to achieve.

Diese Maßnahme kann auch mit der gleichzeitigen Zuführung von Kühlluft verbunden werden, i,ndern z. B. bei ein undderselben Schaufel (Kanäle X und Y) oder in geeigneten Abständen brennbare und sauerstoffhaltige Medien zur Kühlung verwendet werdet).This measure can also be carried out with the simultaneous supply of cooling air be connected, i, change e.g. B. with one and the same blade (channels X and Y) or combustible at suitable intervals and oxygen-containing media for Cooling is used).

Claims

PATIENT CLAIMS: i. Process for cooling internally cooled gas or exhaust gas turbine blades, characterized in that according to the respective Operating requirements of the supplied coolant flow rate at different times is different in size.

2. The method according to claim i, characterized in that Inside the shovel cooling channels od. The like. Are present from the operational Change in the coolant throughput over time not or only to a small extent can be detected.

3. The method according to claim i and 2, characterized in that the Increase of the coolant throughput through the supply, preferably injection by liquids such as water or the like., Is brought about. .

4. The method according to claim i to 3, characterized in that the increase in the coolant throughput through the inside of the blade by supplying air that has been compressed to a higher pressure he follows.

5. The method according to claim i to 4, characterized in that for enlargement of the coolant throughput cooling channels are used in the blade interior, the are not or only slightly flowed through by cooling air during normal operation.

6. Procedure according to claims i to 5, characterized in that the one corresponding to the overload condition Change in the coolant flow rate preferably before the start of the same begins and ends when it ends.

7. The method according to claim i to 6, characterized in that that a flammable, preferably liquid medium is used as the coolant. B. The method according to claim i to 7, characterized in that one and the same Shovel or with different shovels at suitable distances combustible and oxygen-containing cooling media are used.