DE858335C - Verminderung der Kuehlluftverluste innengekuehlter Turbinen - Google Patents

Description

• Verminderung der Kühlluftverluste innengekühlter Turbinen Im Hinblick auf die Erzielung möglichst liolicr Wirkungsgrade war es bisher das Bestreben, deii Kühlluftdurchsatzdurch innengekühlte Turbinen so klein wie möglich zu halten. Die Kühlluft wird 1ici dem bisher üblichen Vorgehen stets auf die Außenumfangsgeschwindigkeit der Schaufeln beschleunigt, so daß nach dem Impulssatz je Kilogramm Durchsatz je Sekunde eine Leistung in Pferdestärken von mindestens -u -aufzubringen ist. In dieser Hinsicht 75 g besonders ungünstig ist bekanntlich der Fall, bei dem aus Einbaugründen auf den Ladedruck vorverdichtete Luft für die Innenkühlung der Turbine verwendet «-erden muß. Hierdurch tritt etwa eine Verdoppeleng der Verhiste auf. Außerdem hat hier die als Kühlung dienende Luft bereits 1)eitn Eintritt in die Turbine eine relativ hohe Temperatur, wodurch außerdem auch die Kühlwirkung vermindert wird.
• Gemäß der Erfindung lassen sich die genannten Nachteile praktisch völlig vermeiden, wenn die Kühlluft in der "Turbine so geleitet wird, daß ein möglichst günstiges Verhältnis zwischen Eintritts-und Austrittsdrall, d. h. bei nicht vorverdichteter Kühlluft eine möglichst geringe Dralldifferenz, vorhanden ist, daß also vor dem Eintritt in die Turbine etwaige in der Kühlluft vorhandene überschüssige Energie aus der Kühlluft dynamisch herausgenominen wird und/oder die beim Durchströmen durch

  die Turbine in die Kühlluft mechanisch oder

  thei-rnisch eingeleitete Erl'ergie (Itircli Aktions- oder

  Reaktionswirkung heim Austritt der J11-iililluft aus

  <lull Schaufeln ganz oder teilweise ztiriickge@x-oririeri

  wird. Weitere Merkmale der I?rfiilduiig werden

  nachstehend beschrieben.

  \V@ihren<l bisher die in der Turbine auftretenden

  Strömungsverluste gegenüber <lein Austrittsverhist

  ];eine Kolle spielten, werden hei einer erfili-dungs-

  genläß gestalteten Turbine im wesentlichen litir

  mehr die ei@@entlich en Strömtingsvui-ltiste in Erschei-

  nung treten. Dieser Umstand ist vor allem 1)ci Gas-

  turbineii von Bedeutung. liei besonders günstiger

  Gestaltung der Kanäle wird man die Kühlluft sogar

  zur Arbeitsleistung heranziehen können. Die Erfin-

  (hing wird all I-land der :\1>b. i bis 4 erläutert.

  Ir] :\1)1). i a und i 1) ist als Beispiel eine Hohl-

  scltatifelturl)ine 1- gezeigt, bei der die irn Ladet- vor-

  Kühlluft mit einem eritsl)recheiideli

  Duill durch die hohle `Volle ff' zugeführt wird. Die

  in der Turbine zwischen Deckscheibe I) und Tur-

  hine T vorhandenen Laderschaufeln Sch sind in

  \-erl)indung mit der zugehörigen Querschnitts-

  so ausgel)ildet, daß sie unter Ausnutzung

  <1e> Anfangsdralls der Kühlluft etwa bis zum

  Kreis h in Abb. i a als Turbinenschaufeln wirken.

  Dadurch wird aus der zugeführten

  I. nicht

  benötigte Energie dynamisch herausgezogen, die sich

  <]er Turbinenleistung addiert, wodurch gleichzeitig

  eilte 'Cenipei-atursenlrung der Kühlluft erzielt wir<].

  die in den anschließend folgenden Kiihlvorgälrgen ill

  der Turbine und den Schaufeln von \utzeii ist. Dic

  l-"i-zetigung des Eingangsdralls kann, wie aus

  Abb. r c hervorgeht, natürlich auch z. 13. durch ein

  iit der hohlen \Velle befindliches feststehendes Eill-

  satzstückl,'l erfolgen. Turbinen und Ladcrteil der

  Schaufeln Sch können auch getrennt ausgeführt

  werden. In der Abb. i d ist ein weiteres l@eispiel

  wiedergegeben, bei dem die Kühlluft voll <ler Deck-

  scheil)enscite aus zugeführt wird. Die feststchenrlen

  oder einstellbaren Leitschaufelli F, k<iniicn liier der

  Kühlluft einen im Sinn der Drehrichtung dei- Tur-

  bine gerichteten Drall verleihen, wodurch vor allem

  bei ei großem Druckgefälle efälle in vielen Fällen eine

  bessere Wirkung zu erzielen ist als bei Zuführung

  der liiililltift durch die hohle Turbinenwelle.

  In :\1)b. ie ist schließlich gezeigt, daß die Kühl-

  luft durch (lie holiJe Welle zugeleitet werden kann,

  während der Leitapparat F.; zur Erzeugung des

  1?intrittsdralls durch eine zentrale Öffnung in der

  1)ecl;scheil)e D in den Kühlluftstrom eingeführt

  wird. An der Trennfuge z-,vischen Leitapparat und

  Deckscheibe wird hier zweckmäßig nur ein geringer

  Überdruck gegenüber dein (Zaum hinter der Turbine

  eingestellt. tim unnötige Kiililluftvei-ltiste zu ve r-

  ineideil.

  Iii den Abb.2a und 2 1) ist an einem von oben

  gesehenen Schaufelgitter und den zugehörigen Ge-

  schwindigkeitsdreiecken gezeigt, in welcher Weise

  in Ergänzung der erstgenannten Methode oder auch

  ohne diese die der Kühlluft auf ihrem Weg durch

  die Turbine zugeführte mechanische und therrnisclie

  Energie durch Verminderung des Austrittsdralls

  wieder ganz oder teilweise zurückgewonnen werden

  kann. Die Rückenseite R clcr liier aus 131eck lw-

  stehenden Hohlschaufel sei liiliger als die Brust-

  seite B ulrod schließe mit (]er AulAenbegl-eliztiri- _-I

  (A11. 3) fast völlig ab. Dadurch wird die 1tiililltift

  gezwungen, in denn zwisclicil zwei hückerrl)lcchctt H

  verbleibenden Kanal mit <1-r

  kcit7t'.,L"ftcitt@ait;; zu stl-<ülicit. I )er \\'inl;el. ü1 <leid

  hier die Kühlluft ausströmt, crttsl»-icht etwa (1eUnl

  Winkel /3_ der Schaufelaustrittskant-r zur Umfan g-

  richtung. Eine iililrlicli(, Wirkung kann erreicht

  werden, wenn die Auaritt:kaiitc der Schaufel ganz

  oder teil«-ei#e offen bleibt.

  Damit ergeben sich die in .\b1).21) gezcigteii

  Ströinungsverli;iltliisse. 1)ic sich auf die Jtiililluft-

  strömung 1)ezielicn<lciz Ge:cli«-iii<lirikeitcli sind dick.

  die auf die Gas- oder :\1>gasstrcimung 1)ezc)gencn

  Geschwindigkeiten siild <liiiiit ;tu:gcz<igc»- Iin

  Scliatifelscliaft zwischen IZiickcu 1e tin<1 Hrtist l3 hat

  die Kühlluft neben der liier vernachl:issigten ka<iial-

  geschwindigkeit die L"mfangsgcschwindigkeit i).

  Hierzu addiert sich geometrisch 1)cini Austritt ;tlis

  der Schaufel die lZelativgeschwilr<ügheit @t,l,",, so,

  daß die Luft die absolute :\ustrittsgcschwin<ligl;eit

  c,r",et annimmt. Diese liegt im wesentlichen alrcli in

  Richtung der aus der Turbiuc al)str<imen<len Abgasv

  mit der Geschwindigkeit d.=);:,<. lici <l.eili ztini Ver-

  gleich angeschlossenen, diiilu atis,;gezogcticii

  sch«-indigkeitsdreieckcli der "furl)inc ist ir:@l)eii <feil

  bereits erklärten Grölkri c-= <lie absolute (@ascint@itts-

  geschwindigkeit, %3r <ler relative l:iiitrittswitrhcl.

  zoll die relative Eintrittsgesrliwindiglceit u11<1 @.= <lic

  relative Austrittsgesrliwin<ligl;eit.

  Wäre die Schattfclhrttst iiicilt, wie es slic U?rllii-

  dting vorschreibt, l;iii-z.ei- @ttisgefiilii-t als der

  Scliattfeli-iiclrcii, sondern ger]trti so lang wie dic?cl-, #<)

  würde die Kühlluft etwa iii kiclitung <Ics ill _\1)1). 23

  gestrichelt gezeichneten Pfeiles @t,l.@@rf al)ströinen.

  Die absolute @ustrittsgeschwin<liglceit dci- Kühlluft

  wäre in diesem Fall gleich c_,'l,"ft, d.li. rlcr r]lec@ia-

  nische Verlust wäre, al>geschen voll der dadurch Cill-

  tret)enden Störung der (@asströniting, iii dein vor-

  liegenden Beispiel eiltsprechelid den ()ua<lraten voll

  c_r,ort und c,i.nrt rund vicnnal so groß wie im ()heil-

  genannten Fall.

  Hinzu kommt, daß die axiale Komponente der

  Austrittsgeschwincligl;eit ill viele]] 1#:illen, vor alloll

  bei 1-tiftfalirz<@tigen, nicht als \ ci-ltist zil g.eltcn liat,

  so (aß demnach c. i",rr hier sogar hoch wesentlich

  günstiger abschneidet. lni Bedarfsfall lrönntc auch

  im Bereich der @ülilluftal>str(irnung eine Umlenk-

  stufe AI (Abb. 2 a) vorgesc1ien werden.

  Wird die Luft ain .Mistritt aus der Schaufel in

  noch höherem Maße als Zwirn lleisl)icl entsprechend

  Abb.2b atifgestatit, dann kann tintcr L.'mstün<len

  auch ein senkrechter oder darüber hinausgehend

  auch der Drehrichtung entgegengesetzt N-crIatifen<lei-

  Austritt der Kühlluft erreicht werden. Dieser Fall

  wir<] praktisch wegen der @cr ömmigsverluste in der

  Turbine littr bei vorverdichteter Luft möglich seil].

  In vielen Fällen kann es zweckmäßig sein, zur

  Erzielung geordneter Str<imungsverhältnissc die

  Zone, in der der Kühlltiftaustrittvorsichgeht,atißcr-

  falb des Gasbeaufschlagungsgebietes 7. zu verlegen.

  Eine gegenseitige Störung von Gas- und Luft-

  striirntltig kann damit praktisch vermieden werden.

  1 t1 Abb. 3 a ist die "Turbinenschaufel von Abb. 2 a

  nfichinals ini Schtlin I-1 gezeigt. Die Außenbegren-

  zung .-1 _schließt sich möglichst dicht an den

  Schaufelrücken R an, während die Schaufelbrust 13

  kürzer ausgeführt ist. Damit tritt die Kühlluft I_

  etwa in dtr durch den Pfeil angegebenen Richtung

  aus, ohne die Zone (lc@s((asl)eatifsclilagungsgebietesZ

  zu stiireii oller von ihr gestört zu werden. In den

  AN>. 311 und 3 c sind weitere

  des Außenrandes ;uni Schaufeln gezeigt, durch die

  eine weitgehend \-erltistfreie Abströlnung der Kühl-

  luft in Richtung der Schaufelbrust erzielt werden

  kahl. _\1>l>. 4 stellt eile weiteres Beispiel (bar, bei den

  die Schaufel aus kühltechnischen Gründele Ihn-

  bauten Ist und F..> besitzt, wobei zwischen E1 uid E2

  keine Kühlluft durchzustri@nien braucht. Die Abbil-

  dung liil.it erkennen, wie in (li.csein Fall die Kiihlluft-

  fiihrun,g v(wgen(nnlncii werden kann.

  Ileson(Icrs vorteilhaft wird sich die `'erineidung

  der Kiihlluftverluste gvniiiß der Erfindung auch hei

  tiwhrstutigen innengekühlten Turbinen auswirken.

  Das \ Gefahren ist in seiner Anwendung nicht auf

  innengekühlte Turbinen beschränkt, sondern kann

  auch hei andcreii iihnhch gelagerten Fällen zur :\n-

  \\'f'tld@lllg konemell.

Claims (1)

1. Y,\rUNi'Axs11Hi'CllE: i. Anordnung zur Herabsetzung der bei In- tienl:iililtiiig v()ti Turltinen auftretenden N-edusw durch Ausnutzung der Riickdruckwirkung der aus (km "hnrlünenschaufeln austretenden Kiihl- Ittft, gc@keiiiizeiclinet -(Irrreh eine ganz oder teil- weise (Itircligefiilii-te Verkürzung der Schaufel- brust geg@nül>er (km Schaufelrücken in einer v(irzugs\\eise aul.lerhalb des gasheaufschlagten (iel@ietes gclegenel Zoile. 2. \`erfahren nach :Anspruch i, dadurch ge- l;etlnzeiclll@et, dali die vor dem Eintritt der Kühl- luft in die Turbine in der Kühlluft vorhandene überschüssige h@ner@rie ganz oller teilweise in d,er Turbine aus der Kühlluft dynamisch heraus- genommen wird. 3. Verfahren nach Anspruch r und 2, dadurch gekennzeid aiet, daß die beim Durchströmen der Kühlluft durch die Turbine in die Kühlluft ein- geleitete Energie durch Aktions-oderReaktions- wirkung Beim Austritt aus den Schaufeln oder der Turläne ganz oder teilweise zurückge\vonnen \vir(l. .4. Anordnung zur Durchführung des Verfah- rens nach Anspruch i bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß in der Turbine Laderschaufeln vor- hanekii sind, die in ihrem inneren Teil so geformt sind. daß sie als Turbinenschaufeln wirken. 3. Anordnung zur Durchführung des Ver- fahrens nach Anspruch i bis 4, dadurch gekenii- zeiclmiet, daß die Schaufel derart gestaltet ist, daß die Kühlluft relativ zur Schaufel ini wesent- lichen in Richtung der Schaufelbrust bzw. des :\ustritts\vinkels der Schaufel aus dieser aus- treten kann. 6. Anordnung mach Anspruch i 1>is 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühllufmuerittsquer- schnitte so bemessen \i-erden, daß die Kühlluft vor ihretn Austritt aus der Schaufel einen L11)er- druck besitzt. 7. Anordnung nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet. daß die hohle Turbinenschaufel a11 der Schatifelbrtistseite ganz oder teilweise kürzer als an der Schaufelrückenseite ist. B. Anordnung nach Anspruch i 1>is 7, dadurch geketnizeicbmet, daß eine oder beide Sclmufel- auknl:anwn iti Richtung der Schaufelbrust bzw. lies Austrittsv-inkels der Schaufel verlaufenden Abrundungen oller 13ör(ielungen o(1. dgl. be- sitzen. 9. Anordnung nach Anspruch i bis H, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone, in der der Kühl- luftaustritt vor sich geht, außerhalb> des vorn Gas oder Abgas lieautschlagten Gebietes liegt. Angezogene Druckschriften: Deutsche 1'atetitsdiriften Nr. 491 73K 724 470-