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Axial durchströmte Turbine für heiße gasförmige Treibmittel Die Erfindung
betrifft eine axial durchströmte Turbine für heiße gasförmige Treibmittel. Wegen
der beschränkten Dauerfesti-keit der warmfesten Werkstoffe einerseits und der Notwendigkeit
hoher Lintrittstemperaturen des Arbeitsmittels zur Erreichung eines guten thermischen
Wirkungsgrades andererseits kommt der Gestaltung der Laufschaufeln der Gasturbine
als den höchstbeanspruchten Bauteilen eine hohe Bedeutung zu. Die ,genannten Schwierigkeiten
werden durch Ungleichinäßigkeiten in der örtlichen maximalen Temperatur des Treibgases
noch erhöht, die sich im Betrieb der Brennkammer bzw. der Zwischenüberhitzungseinrichtungen
einstellen. Gerade diese wenig übersehbaren Temperaturspitzen können die Lebensdauer
der ersten Schaufelkränze und damit der ganzen Turbine maß-ebend beeinflussen.
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> l# Ausgehend von der Beanspruchung des hauptsächlich unter
der Fliehkraftmassenwirkung el stehenden Schaufelstabes, dessen Querschnitt zweckmäßigerweise
verjüngt ist, gilt es, namentlich die zn hochbeanspruchte Blattwurzelgegend kühler
zu halten, um eine möglichst hohe Warmfestigkeit des verwendeten Schaufelwerkstoffes
zur Verfügung zu haben. Die Maßnahmen, die Stirnseiten der beschaufelten Räder mit
verdichteter Luft zu beaufschlagen und damit auch einen Luftschleier um Schaufelfuß
sowie Läuferkranz zu erzeugen, sind bekannt für ihre eindämmende Wirkung für die
Wärmeübertragung an diese Lätiferteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beaufschlagungsgastemperatur
längs der Höhe des Gitters so zu beeinflussen, daß die Schaufelwurzeln nach -115glichkeit
geringere Stautemperaturen t# t'
bekommen, und damit die Wirkung
der Drallströmung auf die Geschwindigkeitsverteilung längs der Höhe des Gitters
zu unterstützen.
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Es ist bekannt, daß die Spannungsverteilung am Schaufelblatt
je nach der Verjüngung mehr oder weniger steil vom Wert an der Blattwurzel
auf Null an der Blattspitze abfällt, daß die Schaufelblatttemperatur aber, die sich
bei der Beheizung des ungekühlten Schaufelstabes durch den Gasstrom infolge der
Wärmeableitung in der Schaufel zum Läufer einstellt, nur in nächster Nähe der Wurzel
eine gewisse Untertemperatur unter der Gasstautemperatur aufweist. Dadurch tritt
meist die größte Annäherung der örtlichen Zugspannung im Schaufelblatt an die der
örtlichen Temperatur zugeordnete Dauerfestigkeit kurz oberhalb des eigentlichen
überganges vom Schaufelblatt zum Fußteil ein, und es ist zweckmäßig, gerade dieser
Stelle besonderes Augenmerk zu schenken, da diese Stelle der Schaufel auch mit'den
vorerwähnten Kühlungsmaßnahmen nicht genügend erfaßt 'wird. Es soll daher die radiale
Temperaturverteilung bzw. das Temperaturprofil über dem Eingangsquerschnitt in die
Beschaufelung einer Axialturbine durch Schichtung des Treibgasstromes so gestaltet
werden, daß die Stellen thermischer und mechanischer Höchstbeanspruchung der Schaufeln
nicht zusammenfallen.
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Es sind bereits diesbezüglicheLösungsvorschläge bekanntgeworden, bei
welchen die Kühlung von Schaufelblatt und Schaufelfuß mittels einer den heißen Treibgaskern
allseitig umgebenden Kaltluftschicht bewerkstelligt wird. Zu diesem Zweck wurden
bei diesen bekannten Ausführungen zwischen dem Heißgas- und dem Kaltluftstrom Trennwände
angeordnet. Bei einer derartigen Beaufschlagung des Laufschaufelgitters wird jedoch
auf den Baustoff der Schaufeln geradezu eine Abschreckwirkung ausgeübt. Eine weitere
nachteilige Folge ist hierbei ein übermäßiges Absinken des Temperaturgefälles und
damit des Wirkungsgrades und ein hoher Kühlluftverbrauch.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einer axial durchströmten
Turbine in der Weise gelöst, daß der das Treibgas aus der Brennkammer dem Schaufelgitter
zuführende Ringraum an seiner etwa- zylindrischen Innenwand wellenförmig ausgebildet
ist und die dadurch entstehenden, in axialer Richtung gegen das Schaufelgitter offenen
Kammern auf der einen Seite von heißem Gas und auf der anderen Seite von kalter
Druckluft durchströmt werden, so daß auf dem gesamten Ringraum abwechselnd heißere
und kältere Teilströme austreten, die sich auf dem Wege bis zum ersten Laufradkranz
schnell und gleichmäßig miteinander vermischen und in Fußkreisnähe des Schaufelgitters
eine Treibgasringzone von hinreichender Tiefe mit abgesenkten Treibmitteltemperaturen
bilden. Die temperaturgeschichtete Beaufschlagung wird so durchgeführt, daß der
Zumischvorgang zur Einstellung der normalenEintrittsgastemperatur in das Schauflungsgitter,
welcher normalerweise im Anschluß an die eigentliche Verbrennung des eingeführten
Brennstoffes in der oder den der Turbine vorgeschalteten Brennkammern stattfindet,
zum Teil erst kurz vor dem Eintrittsleitgitter des ersten Laufschaufelkranzes durchgeführt
wird. In einer normalen Brennkammer wird bekanntlich die Verbrennungsluft, nach
Möglichkeit vorgewärmt, in zwei oder drei Teilströmen zugeführt, um den Ablauf einer
restlosen Verbrennung günstig abwickeln zu können und eine große Gleichmäßigkeit
in der Endtemperatur zu erreichen. Bei den mit metallischen Werkstoffen ertragbaren
Arbeitstemperaturen einer Turbine ist natürlich nur ein geringer-Teil der zugeführten
Luft eigentliche Verbrennungsluft, der Rest ist sog. Ballastgas zur Verteilung der
Heizwertwärme des innerhalb des thermischen Prozesses zugeführten Brennstoffes.
Erfindungsgemäß wird nun ein gewisser Rest dieser Zumischluft für die Erreichung
einer gewissen Temperaturschichtung des Arbeitsgases herangezogen.
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Vielfach sind aus Gründen der bestmöglichen Werkstoffausnutzung für
die Gehäusegestaltung der Turbine die heißen Gase innerhalb desselben in zunderfesten
Blecheinsätzen geführt; diese sind praktisch druckentlastet durch die sie umspülende
verdichtete Luft von etwa gleichem Druck, welche außerdem die druckfesten Gehäusewände
auf genügend tieferTemperatur halten. An Stelle dieser Kühlluft kann der obenerwähnte
letzte Anteil des für die Einstellung der Eintrittstemperatur erforderlichen Luftballastes
innerhalb des Arbeitsgases zur Erreichung der Temperaturschichtung der Beaufschlagung
verwendet werden. Man entnimmt sie in bekannter Weise entweder aus dem Verdichterdruckstutzen
oder in weiter vorgewärmtem Zustand vom abgasbeaufschlagten Lufterhitzer. Diese
Luft strömt, zunächst den heißgaserfüllten Blecheinsatz umhüllend, vor dem ersten
Leitapparat der Turbine in den Ringraum davor ein, wobei die Zuführung der kühlenden
Beimischung die kinetische Energie des heißen Arbeitsgasstromes möglichst wenig
beeinträchtigen' soll. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine wellige Ausbildung
des für die Mischung vorgesehenen letzten Teils des Arbeitsgaseinlaufes in den Gitterringraum
der axial durchströmten Turbine. Durch die wechselweise Aufteilung dieser Zone in
Schichten von heißem und kaltem Gas längs der Umfangsrichtung wird ein guter Impulsaustausch
sowie ein schneller Ternperaturausgleich durchWärmeleitung undDiffusion eintreten.
Man erhält so einetemperaturgeschichtete Zuströmung mit einer etwas kälteren Ringzone
innen, welche die Lebensdauer der Laufschauflung auch bei der erwünschten hohen
Gaseintrittstemperatur sowie bei guter Werkstoffausnutzung im Sinne des Leichtbaues
wesentlich erhöht.
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Man kann die eingeblasene Restmenge von Zumischluft verschieden den
Bedürfnissen der Konstruktion anpassen; dabei kann die äußere Ringzone entweder
auf der normalen Sollgastemperatur gehalten werden, oder man kann je nach
Auslastbarkeit des Schaufelwerkstoffes und Berücksichtigung der erwünschten Lebensdauer
sogar für diesen
äußeren Bereich des Gitterringraumes, in welchem
die mechanischen Zugbeanspruchungen am Laufschaufelblatt nicht so hoch sind, über
das Normalmaß hinaus erhöhte Gasarbeitstemperaturen ansetzen. Die Verarbeitung des
dadurch erhöhten Wärmegefälles und das dort durchgesetzte größere Gasgewicht läßt
eine bessere Leistungsausbeute erwarten.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Turbinen gemäß
der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch eine mehrstufige
Axialturbine mit Zuführung der Mischluft von el außen, Fig. 2 eine perspektivische
Darstellung eines Teiles des Mischeinsatzes, Fig- 3 einen Längsschnitt durch
eine mehrstufige Axialturbine mit Führung der Zumischluft im Innern des Turbinengehäuses,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine mehrstufige Axialturbine mit Zuführung von
Zusatzbrennstoff innerhalb des Turbinengehäuses und Fig. 5 einen Schnitt
durch einen Teil des Leitbleches im Gehäuseinnern.
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In der Fig. i ist eine Gasturbine einfacher Bauart in einem Längsschnitt
dargestellt. Das geteilt gegossene Gehäuse i träg gleichzeitig die Leitschaufeln
2a bis 2d. An der Durchtrittsstelle des Läufers 3 durch die Gehäusestirliseite
sorgt ein Labyrintheinsatz4 für_die Abdichtung, -,vobei in diesem Beispiel eine
Anzapfung vorgesehen ist. Entsprechend dem Erfindungsgedanken ist auf dem über die
Gehäusenabe hinausragenden Teil des Labyrintheinsatzes 4 als innere Begrenzung des
Gaszuführringraurnes zum ersten Leitapparat :2a eine gefaltete Abdeckung
5 angeordnet. Die Faltentiefe soll sich in Arbeitsgasströmungsrichtung allmählich
immer mehr vergrößern, so daß ein strömungstechnisch günstiger Anschluß an die Strömungsquerschnitte
davor und dahinter entsteht. Die Unterseite der Faltenabdeckung ist über die Stutzen
6 an eine Ouelle zuzumischenden Kühlmittels angeschlosseli, z' B. an den
Druckstutzen des Verdichters. Diese Luft dient gleichzeitig als Sperrluft für die
Läuferabdichtung von der Kammer 7 aus, welche durch Bohrungen versorgt wird.
Zur Steuerung der Temperaturverteilung des Arbeitsgases vor dem Leitapparat, namentlich
im inneren Bereich, können an der Faltenabdeckung 5
passende Ausschnitte Sa
längs der Falten oder am Ende desselben angeordnet werden, um den Ausgleich von
Temperatur und kinetischer Energie zu fördern.
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Fig.:2 zeigt einen Ausschnitt aus der Faltena abdeckung
5 in Ansicht mit den Ausschnitten 5 .
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In der Fig- 3 ist der Erfindungsgedanke am Beispiel einer mehrstufigen
Turbine erläutert, bei der aus Festigkeitsgründen das Gehäuse als geschweißte Schalenkonstruktion
ausgeführt ist. Der Läufer 8 in Scheibentrommelbauart trägt die Laufschaufeln
g. Die zugehörigen Leitapparate io mit ihrem Träger ii, als zweiteilige Schale ausgebildet,
sind in der übIkhen Weise in das ebenfalls zweiteilige geschweißte Gehäuse 12 mittels
radialer Bolzen 13 eingehängt. Die Abdichtung der Läuferwelle erfolgt an den Gehäusestirnseiten
mittels der Labyrinthe innerhalb von geteilten Stopfbüchseneinsätzen 14 und 15,
die über die XL-abe des Gehäuses mit Sperrluft versorgt sind. Das Arbeitsgas wird
innerhalb des druckfesten Gehäuses 12 in einem ebenfalls zweiteiligen Blecheinsatz
16 geführt, der auf den Leitschaufelträger ii mittels Spannringe 17 und 17a aufgeklemmt
ist. Sein Zuführungsstutzen 18 innerhalb des Gehäusestutzens ig steht mit der vorgeschalteten,
nicht dargestellten Brennkammer in Verbindung. Da der kaum zwischen diesem Blecheinsatz
16 und dem Gehäuse 12 mit verdichteter Luft von praktisch gleichem Druck erfüllt
ist, genügt eine den Strömungsanforderungen leicht anpaßbare Ausführung dieses Einsatzes
aus zunderbeständigem Blech. Erfindungsgemäß wird die Stirnseite dieses Blecheinsatzes
16 mit radial stehenden Faltungen 20 in Richtung des radiaien Gaseinlaufes in den
Ringraum vor dem ersten Leitapparat io versehen, derart, daß am freien Ende des
Einsatzes ineinander verzahnte Taschen entstehen, die abwechselnd von Arbeitsgas
aus der Brennkammer bzw. von verdichteter Luft durchströmt werden. Letztere erfährt
auf dem Weg vom Stutzen 2-1 innerhalb des verhältnismäßig engen Ringraumes zwischen
Gasführungsblecheint5 t3 satz 16 und dem Isolierfutter 22 des Gehäuses eine gewisse,
durch entsprechende Bemessung einstellbare Aufheizung vor der eigentlichen Zumischung
zum heißen Arbeitsgas. Unter Berücksichtigung des verffigbaren Überdruckes dieser
Luft, je nachdem diese vom Verdichterdruckstutzen oder vom Abgasvorwärmer
entnommen wird, ist der Verlust an kinetischer Energie für die Zulaufströmung im
inneren Ringraumbereich gering. Aus Montagegründen kann auf der anschließenden zylindrischen
Abdeckung 23 der Abdichtungsschale des Dichtungseinsatzes 14 ein gesonderter
wellenartig gefalteter Einsatz 24 angebracht werden, dessen Größe und Abmessungen
von den Temperaturverhältnissen vor dem Leitgitter beeinflußt werden. Die Kühlschächte
dieses Einsatzes 24 können auch über entsprechende Bohrungen 25 zur Beschickung
der inneren Zwischenkammer 26 vor dem ersten Leitradboden herangezogen werden,
um an Sperrluftdruckniveau innerhalb des Dichtungseinsatzes 14 zu sparen, diesen
zu kühlen und auch den Schub des Läufers herabzusetzen.
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Verglichen mit der vorstehend beschriebenen Frischgasturbine sind
auch für eine nachgeschaltete Teilturbine eines Gasturbinenverfahrens die Laufbedingungen
der ersten Laufschaufelkränze verwandt, wenn dieTemperaturabsenkung desArbeitsgases
infolge Arbeitsleistung in der vorhergehenden Turbine durch eine Zwischenüberhitzung
mehr oder weniger ausgeglichen wird; bekanntlich geschieht dies durch Nachverbrennung
einer weiteren eingeführten Brennstoffteilmenge in dem Luftüberschuß, welchen das
Arbeitsgas als Ballast mit sich führt. Für diesen Fall wird der Erfindungsgedanke
dahin abgewandelt, daß ein letzter Rest des einzuführenden,
beispielsweise
gasförmigen Bremistoffes erst innerhalb des Zusträmteiles der Turbine kurz vor dem
ersten Leitapparat hinzukommt; die der Fußkreiszone zugeordneten Einzugsgebiete
des Zuströmringraumes erhalten quer zur Strömungsrichtung wellenförmige Einbuchtungen,
z. B. am Rand eines Blecheinsatzes der schon beschriebenen Art, zwischen denen noch
nicht voll zwischenüberhitztes Arbeitsgas strömen kann. Die anderen so entstandenen
Radialfurchen sind an die #Quelle der Gasversorgung der Anlage angeschlossen, so
daß über geeignete Mündungen und unter einem zweckmäßig ausgewählten Überdruck vom
Grund dieser Furchen aus die äußeren Ringzonen des Arbeitsgasstromes von den entstehenden
Flammen erfaßt werden können. Für flüssigen Brennstoff ist bei den beschränkten
Raumverhältnissen der Ausbrand schwieriger, obwohl auch hierfür z. B, in der Ausrichtung
des Strahles genügende Möglichkeiten für eine zweckentsprechende Lösung bestehen.
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In der Fig.4 ist eineAnwendung des Erfindungsgedankens für dieVerhältnisse
nach einer Zwischenüberhitzungseinrichtung dargestellt. Die entsprechenden Bauteile
9 bis ig sind die gleichen wie bei der Turbine nach der Fig. 3 und
mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Unterschied besteht nur darin,
d > aß statt Luft ein geringer Anteil von Brenngas in das feste Turbinengehäuse
12 eingeführt wird. und dort auch als Druckpolster außerhalb des Blecheinsatzes
16 für das Arbeitsgas dient.
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Das Arbeitsgas wurde bereits in einer vorgeschalteten Nachbrenneinrichtung
auf seine fast volle Solltemperatur gebracht. Zweckmäßigerweise wird das erforderliche
Zusatzbrenngas vom Stutzen :21 her über einen Ringraum zwischen Gehäuseschale 1:2
und Isoliermantel:28 des Blecheinsatzes 16 herumgeführt, um zu gleichartigen Radialfalten
29 an der Stirnwölbung dieses Blecheinsatzes 16 zu gelangen. Mittels der in den
Falten vorgesehenen Brennstofföffnungen 30 wird die äußere Ringraumzone auf
die volle Arbeitsgastemperatur bzw. darüber gebracht. Wenn auch die Vorwärmung sich
günstig auf seine Zündgeschwindigkeit auswirkt, so kann es trotzdem nützlich sein,
unabhängig vom Überdruck des zugesetzten Brenngases gegenüber dem Arbeitsgas im
Blecheinsatz, dieses im Strömungstotraum hinter besonderen Leisten 3 1, die
evtl. als Stanringe ausgebildet sein können, zuzuführen.
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InderFig.5 isteineRadialfalte:29 imSchnitt dargestellt. Die Zumischung
sowohl von Luft als auch von Brenngas kann so ausgelegt werden, daß Abweichungen
der Zuströmsymmetrie infolge der meist einseitigen Beschickung durch den Stutzen
vermindert werden und die Beaufschlagung längs des Umfanges vergleichmäßigt wixd.
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Als weiterer Vorteil des Vorschlages sei erwähnt, daß normalerweise
die Ausbrand- und Temperaturverhältnisse am Brennkammeraustritt je nach Bauart
derselben, Brennstoff, Belastung usw. nie vollkommen ausgeglichen über den Strömungsquerschnitt
sind und daß daher eine #Sicherstellung einer zuverlässig kälteren Beaufschlagung
der hochbeansprachten Fußkreiszonen der ersten Laufschaufelkränze sehr wertvoll
ist.