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Kühlung der Schaufeln von Turbomaschinen DieErfindung betrifft eine
Kühlung der Schaufeln von ein- oder mehrstufigen Turbomaschinen, insbesondere Turbinen,
wie Gas- oder Abgasturbinen, Axialgebläsen od. dgl., mit hohlen, von Kühlluft durchströmten
Schaufeln. Bei den bekannten Schaufelkühlungen dieser Art wird Kühlluft von der
Laufradnabe aus durch die Schaufeln hindurchgetrieben. Das erfordert, daß die Radscheibe
innen in umständlicher Weise mit Luftzuführungskanälen versehen werden muß, oder
die Luft wird außen an der Radscheibe bis zum Radkranz entlang geführt und tritt
dann auf :der der Radnabe zugekehrten Seite durch Kanäle in diesen ein. In beiden
Fällen wird die Kühlluft auf dem Wege zu den zu kühlenden Schaufeln durch die heiße
Radscheibe stark vorgewärmt und ihre Kühlwirkung dadurch verringert. Der Erfindung
liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Schaufelkühlung so auszubilden, daß die Kühlluft
vor ihrem Eintritt in die Schaufeln möglichst wenig mit den heißen Teilen der Radscheibe
in Berührung kommt. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die
Kühlluftzuströmkanäle seitlich des Läufers in unmittelbarer Nähe des Schaufelfußes
so angeordnet sind, daß die Kühlluft auf dem kürzesten Wege in diesen einströmt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Kühlluft vor ihrem Eintritt
in die Schaufeln möglichst wenig Wärme von der Radscheibe aufnimmt und die Schaufeln
daher stärker gekühlt werden. Durch den Fortfall der Luftzuführungskanäle in oder
an der Radscheibe wird außerdem der Aufbau derselben erheblich vereinfacht. Schließlich
wird auch der
Leistungsaufwand für das Hindurchströmen der Kühlluft
durch die Schaufeln in vorteilhafter Weise verringert, da der Zuführungsweg verkürzt
ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
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Aus Abb. i ist eine Hohlschaufel ersichtlich, welche nach dem freien
Ende hin kegelstumpfförmig verjüngt ist und aus entsprechend geformten Blechwänden
i, 2 besteht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schaufel nicht aus
einem Stück mit dem Schaufelfuß hergestellt, sondern mit ihrem unteren Ansatz 4
auf einem Fußstummel 5 befestigt. Dieser Fußstummel 5 kann dann in irgendeiner bekannten
Weise in eine Nut der Radscheibe eingeschoben und darin festgehalten werden, oder
er kann unmittelbar an der Radscheibe, beispielsweise durch Fräsen, hergestellt
sein.
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Die Einführung der Kühlluft in das Schaufelinnere kann nun in verschiedener
Weise erfolgen. Wegen der Fliehkraftwirkung liegt es zunächst nahe; die Kühlluft
von innen nach außen strömen zu lassen, d. h. sie nahe dem Schaufelfuß in die Schaufel
einzuführen.
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In diesem Fall wird im Bereich des Schaufelfußes z. B. eine Öffnung
(Abb. i) für den Eintritt der Kühlluft vorgesehen. In dieser Abbildung ist der Befestigungsansatz
4 der Schaufel bei 7 schräg ausgeschnitten, und zwar derart, daß der Schlitz nach
oben über die Kante des Fußstummels 5 hinausragt, s,o@,diaß in diesem Fall eine
dreieckige Öffnung 6 entsteht. Die Form und Art der Herstellung der Öffnung spielt
im Rahmen der Erfindung keine Rolle. Das freie Ende 8 der Schaufel i, 2 ist offen.
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Zur Kühlung der Schaufel wird vorteilhaft, aber nicht notwendigerweise
die die Turbine umgebende Außenluft, gegebenenfalls mit ihrer Strömungsenergie,
bei Fahrzeugen beispielsweise Fahrwind, verwendet, jedoch kann auch ruhende, also
selbstangesaugte, oder falls erwünscht auch Druckluft benutzt werden. Die Luft wird
z. B. in bekannter Weise durch einen Ringkanal oder Ringsektor gesammelt und bei
der Ausführungsform nach Abb. i der Öffnung 6 zugeleitet und durchströmt die Schaufel
i, 2 in radialer Richtung vom kühleren Fußende zu der heißen Schaufelspitze hin,
worauf sie aus der Öffnung 8 am freien Ende der Schaufel austritt. Dieser Austritt
kann unmittelbar ins Freie erfolgen, oder die Energie der austretenden Luft kann
zur Erzeugung eines zusätzlichen Drehmomentes durch Rückstoßwirkung ausgenutzt werden.
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Die durch die Schaufel hindurchströmende Kühlluft ist infolge ihres
unmittelbaren bzw. auf kürzestem Wege erfolgenden Eintrittes in die Schaufel wesentlich
kühler, als-wenn sie erst durch die Radscheibe hindurchgeführt werden müßte, wo
sie bereits erhitzt wird. Hierdurch wird eine wesentliche Verbesserung der Wärmeabfuhr
erreicht.
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Die relative Zuströmrichtung der Kühlluft ergibt sich bei kleiner
absoluter Zuströmgeschwindigkeit CL (Abb. 2) je nach der Umfangsgeschwindigkeit
u des Rades so, daß die Luft in mehr oder weniger flachem Winkel gegen den Rücken
der Schaufel gerichtet ist, WL. Dieser Umstand kann nun vorteilhaft ausgenutzt werden,
indem die Eintrittsöffnung für die 'Kühlluft am Rücken der Schaufel, in der Nähe
der Eintrittskante angeordnet wird. Hierbei kann die Eintrittsöffnung an einer Stelle
der Schaufelhöhe angebracht sein, wo von der Vorderseite die Zuströmung des Treibgases
erfolgt, da die Gasströmung an der Rückseite eher einen Unterdruck erzeugt oder
gar zum Abreißen neigt, als daß sie in das Schaufelinnere eindringt.
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Bei teilbeaufschlagten Turbinen z. B., bei denen die Schaufeln in
bekannter Weise nur während eines Teiles des Bogens in der Umfangsrichtung von dem
treibenden Abgas beaufschlagt, während des restlichen Bogens jedoch zwecks Kühlung
von außen von Luft bestrichen werden, kann die Luft für die Innenkühlung auf die
geschilderte Art ebenfalls in diesem Außenkühlluftbogen zugeführt werden. In diesem
Fall können Schlitze über die ganze Schaufelhöhe auf der Rückseite der Schaufel
angebracht werden, durch welche ein Teil der die Schaufel beaufschlagende Kühlluft
auch in das Schaufelinnere eintritt, während die Austrittsöffnung am Kopfende der
Schaufel vorgesehen wird (Abb. 3).
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In manchen Fällen, insbesondere bei Turbinen, bei denen die Gasbeaufschlagung
auf dem ganzen Radumfang erfolgt, wird die Lufteintrittsöffnung vorteilhaft so angeordnet,
daß die Luftbeaufschlagung für,die Innenkühlung in einer Zone ZB erfolgt, welche
an die Gasbeaufschlagungszone GB radial nach innen anschließt (Abb. 4). Die
Zonen sollten gegeneinander durch eine oder mehrere Dichtkanten am Rad oder Gehäuse
möglichst abgedichtet werden, um den Ubertritt des Treibgases zu verhüten.
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Der Eintritt der Kühlluft erfolgt dann radial innerhalb der Gasdüsen
GD (Abb. 3 und 5) aus dem freien Raum oder aus einem Ringraum LR der obenerwähnten
Art, dem die Kühlluft zugeleitet wird, und zwar nach Abb. 3 unmittelbar in die Schaufel
oder in den getrennt von ihr ausgebildeten Schaufelfuß (Öffnung 6) oder nach Abb.
5 in die Randzone der Radscheibe zo (Öffnung i i).
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Diese Maßnahme kann mit der oben geschilderten Anordnung der Öffnungen
(9 in Abb. 3) in der Gasbeaufschlagungszone vereinigt werden, auch kann, insbesondere
wenn das äußere Ende der Hohlschaufeln geschlossen ausgeführt wird, der Eintritt
der Kühlluft durch die radial weiter innen gelegenen Öffnungen 6 und der Austritt
durch die in der Gasbeaufschlagungszone, also weiter ajußen gelege-. nen Öffnungen
9 erfolgen. Dabei wird die Kühlluft vom Gas mitgerissen und bewirkt eine zusätzliche
Kühlung der Schaufeln von außen..
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Es ist zwar bekannt, in Hohlschaufeln Öffnungen anzubringen, aus denen
ein Kühlmittel ausströmt, jedoch sollten diese Öffnungen nach den bekannten Vorschlägen
entweder auf der Hohlseite der Schaufel (Schaufelbrust) oder aber gerade im Staupunkt
des Schaufelprofils, wo also von einem Sog keine Rede sein kann, angebracht werden,
da bei den vorgeschlagenen Anordnungen die Kühlluft z. B. vermittels des im hohlen
Rad gewonnenen
Druckes den dynamischen Druck der Gasanströmung auch
im Staupunkt überwindet. Es ist jedenfalls hierbei ein erheblich größerer Kühlluftdruck
notwendig, um gegen den Staudruck einen Luftaustritt zu ermöglichen, als bei der
Ausführung gemäß der Erfindung, wo die Luft durch die Fliehkraft oder den Unterdruck
hindurchgesaugt wird.
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Es kann noch eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung erzielt werden,
indem die Luftströmung innerhalb der Schaufel selbst verzögert wird. Zu dieser Verzögerung
können innerhalb der hohlen Blechschaufeln angeordnete Längs- oder Querrippen, die
gleichzeitig zur Versteifung dienen können, verwendet werden, wodurch außer der
besseren Wärmeableitung der Luftströmung ein größerer Widerstand entgegengesetzt
oder der Strömungsweg in eine gewünschte Form gebracht bzw. verlängert wird.
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Außer einer radial von innen nach außen fließenden Kühlströmung kann
auch eine Strömung von außen nach innen erfolgen, wenn diese auch entgegen der Fliehkraft
des Kühlmittels erfolgt. Bringt man nämlich an einer Unterdruckstelle des Schaufelprofils
Öffnungen oder Längsschlitze an der Schaufel an, so kann, da dieser Unterdruck nennenswerte
Beträge erreicht, Luft von dem offenen Kopfende der Schaufel oder einer in der Nähe
dieses Endes liegenden von Luft bestrichenen Zone her nach innen fließen und durch
die erwähnten Öffnungen austreten, also gewissermaßen vom Gas durch die Schaufeln
hindurchgesaugt werden, und die gewünschten Kühlwirkungen erzielen. Hierdurch würden
die querschnittsschwächenden Öffnungen im Schaufelfuß oder Radrand vermieden werden.
Man wird in diesem Fall darauf sehen, daß die Luft nicht am Kopfende der Schaufel
gleich austritt, da der Schaufelfuß eine Kühlung am meisten benötigt. Dies kann
bei Verwendung von Schlitzen beispielsweise durch eine in Schaufelkopfnähe geringere
Breite dieses Austrittsschlitzes erzielt werden, die sich nach dem Schaufelfuß hin
vergrößert. Soll die Luftzuführung am Kopfende der Schaufel erfolgen, so empfiehlt
es sich, die Schaufeln entweder ohne umgebendes Gehäuse mit dem Kopfende unmittelbar
durch die Außenluft zu führen oder einem mit Druck- oder Außenluft gefüllten Ringraum
zu umgeben. Man kann in diesem Fall auch zwecks Luftaufnahme die Öffnung im Kopfende
in Drehrichtung nach vorn richten. Natürlich ist bei starken Unterdrücken an der
Saugstelle des Profils eine Zus.trömung vom Schaufelkopf und gleichzeitig vom Schaufelfuß
möglich.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Schaufelkühlung schafft noch die
Möglichkeit, eine ohne Innenkühlung wenig wirksame Isolierschicht an der Außenseite
der Schaufel, welche das Schaufelmaterial vor überhitzung schützen soll, mit großem
Vorteil zu verwenden.
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Es mag noch erwähnt werden, daß die Zuführung der Kühlluft in der
Luftbeaufschlagungszone natürlich nicht nur in die Schaufeln unmittelbar, sondern
auch in die zwischen den Schaufeln liegenden Radteile oder Zwischenstücke und von
dort aus dann an beliebiger Stelle ,des Profilumfanges -in, das hohle Schaufelinnere
erfolgen kann.
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Bei mehrstufigen Turbinen, bei welchen die erfindungsgemäße Innenkühlung
von einer radial innerhalb der Gasbeaufschlagungszone liegenden Luftzone aus erfolgt,
werden zur Luftzuführung in diese letztere Zone vorteilhaft, zumindest in den auf
die erste Stufe folgenden Stufen die hohl ausgebildeten Leitschaufeln herangezogen.
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Im übrigen empfiehlt es sich bei solchen mehrstufigen Turbinen, die
Kühlluft der Stufen mit verschiedenen Drücken zuzuführen, die den Stufendrücken
entsprechend angepaßt sind.
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Es ist klar, daß man die Kühlluft natürlich auch von beiden Seiten
der Randzone des Rades bzw. der Beschaufelung zuführen kann. Zu diesem Zweck ist
es günstig, auch auf der Rückseite beispielsweise dem Flugwind entnommene Luft an
das Rad heranzuleiten. In den Schaufeln bzw. den zwischenliegenden Teilen wären
dann auch nach der Rückseite des Rades hin Löcher vorzusehen.