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Einrichtung zur Kühlung von Turbinenschaufeln durch Flüssigkeitsverdampfung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung von Turbinenschaufeln
durch Flüssigkeitsverdampfung.
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Der Wirkungsgrad wächst bei Brennkraftturbinen bekanntlich mit der
Hohe der Treibm.ittelteinperatur. Der Temperatursteigerung ist dabei durch die höchst
zulässige Beanspruchung des Schaufelbaustoffes eine natürliche obere Grenze gesetzt,
die mit Rücksicht auf die Betriebssicherheit und Lebensdauer der Turbine keinesfalls
Überschritten werden darf. Es liegt daher im allgemeinen Bestreben, die dem Turbinenbaustoff
zuträgliche Temperatur soweit wie möglich hinaufzutreiben. Im Laufe der Entwicklung
sind zur Kühlung der Turbinenschaufeln und Laufräder die mannigfachsten Torschläge
bekanntgeworden, die vor allein darauf hinausgehen, die von dem Treibmittel auf
die Turbinenschaufel und den Träger übergehende Wärme zu verringern oder schnellstens
abzuführen, so daß schädliche Temperatursteigerungen vermieden werden.
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Es ist z. B. bekannt, in Laufrad und Schaufel zum Durchleiten von
Kühlflüssigkeit getrennte Kanäle anzuordnen, von denen die einen zum Einführen und
die anderen zum Rückführen der Kühlflüssigkeit zur Nabe und von dort zum außenliegenden
Kühler dienen.
In einer weiteren Ausführung sind bei Brennkraftturbinen
Träger und Schaufel hohl ausgebildet und werden von einer Kühlflüssigkeit durchströmt,
welche entweder, nachdem sie -Wärme aufgenommen hat, durch den offenen Schaufelkopf
in eine besondere Vorrichtung .des Gehäuses schleudert wird oder sich durch seitliche
Austrittsschlitze filmartig schützend über die Schaufelöberfläche verteilt, um danach
mit dein Treibmittel vermischt auszutreten.
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Eine Senkung der Schaufelternperatur durch Einführen der Kühlflüssigkeit
von der Nabe her durch den Schaufelträger hat den Nachteil, daß hierbei die große
Masse der Kühlflüssigkeit im Innern des Laufrades beschleunigt werden muß, was einen
erheblichen Energieverlust für die Turbinenleistung hervorruft. Besonders stark
ist dieser Verlust, wenn das erwärmte Kühlmittel der hliebkraft entgegen durch den
Schaufelträger zurückgeführt werden soll.
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Es ist weiter bekannt, jede einzelne Schaufel mit einem U-förmigen
Kanal zu versehen, dessen beide Schenkel in einen Kühlflüssigkeit führenden Ringkanal
am Umfang des Schaufelträgers reichen und von dort mit Kühlflüssigkeit gespeist
werden, die innerhalb der Schaufel. verdampft. Der sieh in der SeÜäüfel bildende
Dampf wird, da er heißer und spezifisch leichter als die Kühlflüssigkeit ist, durch
die Fliehkraft des nachströmenden Kühlmittels und Konvektion wieder in denRingkanal
zurückgeführt, wo er sich abkühlt und kondensiert. Aber auch diese Anordnung weist
den vorbeschrifebenen Leistungsverlust auf, da das Kühlmittel des Ringkanals durch
den Schaufelträger ein- und rückgeführt wird.
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Bei Hochleistungsturbinen wird in neuerer Zeit eine wirksame Kühlung
durch Verdampfung einer Flüssigkeit angewendet. Es wird hierbei nur eine beschränkte
Flüssigkeitsmenge eingeführt, die durch Wärmeaufnahme verdampft. Der Dampf gelangt
außerhalb des Rades in einer besonderen Kühleinrichtung zur Kondensation und wind
daraufhin erneut durch eine Pumpe in die Kühlkanäle gepreßt. Eine Verdampfungskühlung
hat, gegenüber der Flüssigkeitskühlung den Vorteil, d.aß eine bedeutend kleinere
Kühlflüssiggkeitsmenge zur Teinperatursenkung notwendig ist, und somit der Energieverlust
durch Massenbeschleunigung der eingeführten Flüssigkeit im gleichen Verhältnis abfällt.
Jedoch tritt hierbei der erhöhte Bauaufwand infolge der Anordnung eines besonderen
Kühlers mit Pumpe nachteilig in Erscheinung.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es ebenfalls schon vorgeschlagen
worden, den entstehenden Dampf ins. Freie auszuleiten und jeweils neue Flüssigkeit
zuzuführen. Dieses Verfahren ist jedoch nur dort anzuwenden, wo eine unbeschränkte
Kühlflüssigkeitsmenge vorhanden ist, und scheidet für andere Anlagen, z. ß. Flugzeugtriebwerke,
aus.
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Vorliegende Erfindung geht nun von .der- Erkenntnis aus, daß eine
wirksame '#lerdampfungskühlung lediglich für die Schaufeln, die der stärksten Wärmebeanspruchung
unterworfen sind, erforderlich ist, während für den Schaufelträger bereits eine
Luftkühlung ausreicht.
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Die geschilderten Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden,
daß innerhalb der einzelnen Schaufeln ein in sich geschlossener Hohlraum ohne Verbindungsleitung
zum Schaufelträger oder zur Umgebung der Schaufel angeordnet ist, und daß dieser
schon bei der Herstellung der Schaufel mit Kühlflüssigkeit gefüllt wird. wobei die
Menge der jeder Schaufel zugemessenen Kühlflüssigkeitkleiner als,der zur Verfügung
stehende Schaufethölraum ist. Ferner Nvird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
vorgeschlagen, den Hohlraum im Schaufelinnern durch eine Trennwand in zwei am Schaufelkopf
und am Schaufelfuß miteinander in Verbindung stechende Teilräume zu teilen; so daß
ein Ringkanal gebildet wird, in welchem die Kühlflüssigkeit bei Betrieb der Turbine
im oberen Schaufelteil (Schaufelkopf) durch Aufnahme der auf die Schaufel übergehenden
Wärme fortlaufend verdampft und der Dampf infolge der Fliehkraft zum unteren Schaufelteil
(Schaufelfuß) zurückgedrängt wird, dort kondensiert und das Kondenswasser unter
dem Einfluß der Flie'h'kraft wieder dem Schaufelkopf zuströmt, derart, daß während
des Betriebes der Turbine innerhalb jeder Schaufel ein ununterbrochener Kreislauf
des K'ü'hlmittels vom Schaüfellkopf zum Schaufelfuß und zurück unter ständigem Wechsel
des Aggregatzustandes (flüssig, dampfförmig, flüssig) aufrechterhalten wird.
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Es ist vorteilhaft, daß zur schnelleren Kondensation des zum Schaufelfuß
zurückgedrängten Dampfes im Schaufelträger in unmittelbarer Nähe des Schaufelfußes
eine weitere, von der ersten getrennte Kühleinrichtung vorgesehen ist, die auf einer
an sich bekannten Kühlwirkung beruht. Dabei wird erfindungsgemäß die weitere Kuhlein
richtung so ausgebildet, daß unmittelbar unter jeder: Turhinenschaufel in Richtung
der Profilseltne verlaufende; mixt Kühlrippen ausgestattete Wärmeentzugskanäle vorgesehen
sind, die von einem Kühlmittel, vorteilhaft Luft,- ununterbrochen durchströmt werden,
welches entweder durch sternförmivon der Turbinenwelle ausgehende Bohrungen ein-und
zu beiden Seiten ausströmt oder unter Vermeidung von Beschleunigungsverlusten auf
der einen Seite durch einen mit Leitschaufeln versehenen Zuführungsringkanal ein-
-und auf der anderen Radseite austritt.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung im Wesen dargestellt,
und zwar zeigt Fig.u einen Radialschnitt durch ein Läuferteil mit Schaufel, Fig.
z ein Stück einer Abwicklung des Laufradumfanges mit nach der Linie II-II geschnittenen
Schaufeln, Fig. 3 eine" Schnitt nach der Linie III-III der Fig. :.'.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gekrümmte Turbinenschaufel
r aus -zwei Profilblechen a und 3 zusammengesetzt, die in ihrer parallel zur Schaufellängsachse
verlaufenden Stoßfugen
.4 und 5 metallisch miteinander verbunden
sind und den Schaufelihohlraum 6 in sich einschließen. Der Schaufelhohlraum 6 ist
in Längsrichtung durch eine dem Schaufelprofil entsprechende, gewölbte Trennwand
7 in zwei Kanäle 8 und o; unterteilt. Die Trennwand 7 Wird seitlich in den Stoßfugen
d. und 5 mit den Profilblechen 2 und 3 befestigt und ist kürzer gehalten als die
Profilbleche, so daß diese beiderseitig überstehen. Den Abschluß des Schaufelhohlraumes
zum Schaufelfuß und Schaufelkopf hin bildet je eine Deckplatte io und i i, die mit
den überstehenden Profilblechen verschweißt wird. Zwischen der Trennwand 7 und der
unteren sowie der oberen Deckplatte io und ii bleibt je ein Schlitz i-2 und 13 frei,
der die beiden Längskanäle 8 und 9 miteinander verbindet. Auf diese Weise entsteht
im Innern der Schaufel ein geschlossener Ringkanal. Dieser Ringkanal wird vor Aufbringen
der oberen Deckplatte,io zum Teil mit einem Kühlmittel gefüllt.
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~ Die Festlegung der so gebildeten Hohlschaufel i am Schaufelträger
i.I erfolgt ebenfalls durch Schweißung in Aussparungen des äußeren Laufradumfanges
die dem Schaufelprofil angepaßt sind. Die Turbinenschaufel i wird in Pfeilrichtung
P1 von dem Treibmittel beaufsahlagt; dadurch wird der Läufer i-. in Bewegung gesetzt
und die Kühlflüssigkeit innerhalb jeder Turbinenschaufel. infolge der Fliehkraft
zum Schaufelkopf getrieben. Durch die von dem Treibmittel auf den Schaufelkörper
übergehende Wärme wird von der Kühlflüssigkeit ein Teil verdampft. Der gebildete
Dampf ist leichter als die Kühlflüssigkeit und wird infolgedessen durch die Fliehkraft
in den Raum am Schaufelfuß zurückgedrängt. Da der nicht direkt von demTrei:bmittel
beaufsc!hlagt wird, besitzt er eine unter dem Siedepunkt der Kühlflüssigkeit liegende
Temperatur, so daß in dieser Zone der Dampf wieder kondensiert. Das Kondensat fließt
unter dem Einfluß der Flie'h'kraft zum Schaufelkopf zurück.
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Da dieser Kreislauf innerhalb jeder Turbinenschaufel in sich geschlossen
ist und keine Verbindung zum Schaufelträger besteht, ist als besonderer Vorteil
keinerlei Abdichtung erforderlich.
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Zur schnelleren Kondensation sind unmittelbar in der Nähe jedes Sc!haufelfußes
im Schaufelträger Wärineentzugskanäle i 5, die in Richtung der Schaufelprofiilsehne
verlaufen, angeordnet. Diese Kanäle i .q sind schaufelseitig zum besseren Wärmeübergang
mit Kühlrippen 1.6 versehen und werden von einem weiteren Kühlmittelstrom durchflossen.
Dieser Kühlmittelstrom besteht zweckmäßig aus Luft, die von der Turbinenwelle durch
sternförmig ausgehende hohruiz,gen 17 in die Wärmeentzugskanäle 15 gelangt und nach
den Pfeilen P., (Fig. 3) zu beiden Seiten ausströmt.
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In einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der hühlluftzuführung kann
die Luft in Pfeilrichtung P; (Fig. i und 2) durch einen mit Leitschaufeln 18 versehenen
Zuführungsrin.gkanal i9 auf der einen Seite ein- und auf der anderen Seite (Pfeile
4.) austreten.