DE914608C

DE914608C - Einrichtung zur Schaufelkuehlung von Hochtemperaturturbinen

Info

Publication number: DE914608C
Application number: DES22847A
Authority: DE
Inventors: Hans Kasparek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1951-04-22
Filing date: 1951-04-22
Publication date: 1954-07-05

Description

Einrichtung zur Schaufelkühlung von Hochtemperaturturbinen Eines der schwierigsten Probleme der neuzeitlichen Hochtemperaturturbinen liegt in der Beherrschung der Baustofffrage. Die Festigkeitseigenschaften der in Betracht kommenden Stähle nehmen mit steigender Temperatur sehr stark ab, so daß der Erhöhung des Wirkungsgrads durch Übergang zu hohen Temperaturen eine verhältnismäßig enge Grenze gezogen ist. Höhere Temperaturen als bisher werden sich, sofern keine grundsätzlich neuen Baustoffe gefunden werden, nur durch Schaufelkühlung beherrschen lassen, und es i,st daher klar, daß gerade der Schaufelkühlung besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Eine Reihe von Vorschlägen hierfür geht dahin, nur die Scheibe zu kühlen und die Wärme aus den Schaufeln in die gekühlte Scheibe abfließen zu lassen. Dieser Weg bringt von den bisher bekannten Vorschlägen an sich wahrscheinlich die geringsten konstruktiven Schwierigkeiten mit sich; er leidet jedoch an dem Übelstand, daß die Wärme durch den verhältnismäßig engen Querschnitt des Schaufelfußes abfließen muß, der eine Art Drosselstelle für den Wärmeabfluß bildet. Man wird daher wahrscheinlich nur am Fuß eine ausreichende Kühlung erwarten können, während der Kopf heiß bleibt. Darauf ist es zurückzuführen, daß die Mehrzahl der bekannten Vorschläge auf die unmittelbar gekühlte Schaufel aufgebaut ist, sei es, daß die Schaufel vom Kühlmittel durchströmt wird, sei es, daß sie von ihm angeströmt wird. Beide Wege sind jedoch ungünstig. Die innen gekühlte Schaufel ist ein verwickelter und in der Herstellung schwieriger und teurer Körper. Bei der angeströmten Schaufel dagegen sind die Energieverluste groß. Außerdem mischt sich der Dampf mit dem Kühlmittel, das im allgemeinen Luft ist, so daß es nötig ist, am Ende des Prozesses für eine gute Trennung der beiden Medien zu sorgen, die wahrscheinlich niemals vollkommen sein wird.
Die Erfindung geht zur Lösung der Aufgabe, eine hinreichende Schaufelkühlung zu erzielen, einen grundsätzlich neuen Weg, nämlich den, in der Umfangsrichtung hinter der Zone, in der die Beschaufelung Wärme aufnimmt, mindestens eine Kühlfläche anzuordnen, die der Beschaufelung Wärme durch Strahlung und Leitung entzieht. In erster Linie wird man die Erfindung zur Kühlung des Schaufelkranzes anwenden. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in denen man die Zonenkühlung auf die Scheibe anwendet und weiter, indem man die Zonenkühlung sowohl auf die Beschaufefung selbst wie auf die Scheibe erstreckt.
Es könnte zunächst den Anschein haben, als ob die durch die Erfindung erzielbare Kühlwirkung nicht sehr wirksam sein könnte. Eine Nachrechnung zeigt jedoch, daß die Kühlwirkung der der Wärmeaufnahmezone folgenden Kühlzone Überraschend hoch ist. Es handelt sich ja auch nicht darum, die Schaufeln sehr tief herunterzukühlen, sondern es genügt, wenn das allgemeine Temperaturniveau um ioo°, ja auch nur um 5o° gesenkt wird; denn im kritischen Bereich bedeutet schon eine verhältnismäßig geringe Temperatursenkung eine sehr ins Gewicht fallende Erhöhung der Dauerstandfestigkeit.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Fig. i bis 5 dargestellt.
Fig. i zeigt einen abgewickelten Laufschaufelkranz i mit den Düsen 2. Es handelt sich, wie man sieht, um eine teilbeaufschlagte Turbine, bei der also die Beschaufelung i nur im Bereich der Düsen 2 Wärme aufnimmt. Naturgemäß kann über den Umfang, wie es vielfach üblich ist, eine Reihe von Düsensegmenten :2 verteilt sein. Hinter die Zone der Düsen 2 ist nun gemäß der Erfindung eine Kühlzone geschaltet, die durch die Kühlbacken 3 und .I gebildet wird. Die Anordnung ist im einzelnen aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen, die Schnitte nach den Linien a-a und b-b darstellen. Die Kühlbacken 3 und q. sind aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer, hergestellt und werden von einem Kühlmittel, zweckmäßig Wasser. durchflossen. Innerhalb des Bereichs der Kühlbacken 3 und q. gibt die Beschaufelung i einen Teil der Wärme, die sie in der Düsenzone 2 aufgenommen hat, wieder ab und wird infolgedessen, auf einen vollen Umlauf bezogen, auf einem Tem- I peraturwert gehalten, der beträchtlich niedriger liegt als der, welcher sich ohne diese Kühlung einstellen würde.
Wie Fig. ,I zeigt, können die Kühlbacken 3 und 4. die Form eines Ringsegments besitzen, das lediglich vor dem Schaufelkranz selbst liegt. Strichpunktiert ist eingezeichnet, daß ma°n diese Kühlbacken auch weiter nach der Achse zu verlängern kann, so daß neben dem Schaufelkranz auch die Scheibe gekühlt wird. Die Kühlbacken wird man zweckmäßig elastisch einsetzen, so daß sie sich frei dehnen können. Bemerkenswert ist bei dem Vorschlag gemäß der Erfindung, daß sich diese Kühleinrichtung ohne wesentlichen zusätzlichen Bauaufwand im Turbinengehäuse unterbringen läßt; denn infolge der Teilbeaufschlagung steht längs des Umfangs genügend freier Raum zur Verfügung, in den man die Kühlbacken einbauen kann. Bei mehrkränzigen Rädern mit Teilbeaufschlagung liegen zusätzliche Kühlbacken, wie Fig. 5 es zeigt, zwischen den beiden Läufschaufelkränzen.
Um die Wärme möglichst gut aus der Beschaufelung abführen zu können, wird man die Kühlbacken mit verhältnismäßig geringer Wandstärke ausführen müssen. Das ist ohne weiteres möglich, wenn man den Kühlmitteldruck etwa gleich dem Radraumdruck wählt. Man wird praktischerweise etwas mit dem Druck darunterbleiben, und zwar deshalb, damit bei etwaigem Leckwerden der Kühlbacken keine Kühlflüssigkeit in den Dampf übertreten kann. Sofern hierfür eine Regelung zweckmäßig sein sollte, läßt sich diese ohne Schwierigkeiten als Druckregelung ausbilden.
Bei der Erfindung ergibtsich weiter eine beachtliche Erhöhung der Kühlwirkung dadurch, daß man für das Kühlmittel eine Kühleinrichtung zur Unterkühlung vorsieht. An sich bedeutet jede Kühleinrichtung einen gewissen Energieaufwand, also Verlust. Das gilt aber nur dort, wo eine ausgesprochene Kältewirkung angestrebt wird. Im vorliegenden Fall handelt es sich dagegen nur darum, mit dem Kühlmittel um einen verhältniemäßig geringen Betrag in ein tieferes Temperaturgebiet zu gelangen, und dann ist der thermische Gewinn durch die höhere Temperatur, mit der man die Turbine betreiben kann, wesentlich größer als der thermische Verlust, der durch die .Unterkühlung des Kühlmittels eintritt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Schaufelkühlung von Hochtemperaturturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umfangsrichtung hinter der Zone, in der die Beschaufelung Wärme aufnimmt, Kühlflächen angeordnet sind, die der Beschaufelung Wärme durch Leitung und Strahlung entziehen.
2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen in der Zone des Schaufelkranzes angeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen sich sowohl über den Schaufelkranz wie auch über die Scheibe bzw. einen Teil der Scheibe erstrecken. q..
Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen beiderseits der zu kühlenden Flächen (Schaufel, Kranz, Scheibe) angeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkammern in das Turbinengehäuse eingearbeitet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen in Form von taschenartigen Kühlbacken in das Gehäuse eingesetzt sind.
7. Einrichtung nach Anspruch i und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbacken aus einem Baustoff guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. B. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Kühlmittels in den Kühlbacken im wesentlichen gleich dem Druck ist, dem die Kühlbacken von außen her ausgesetzt sind. g. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbacken wärmeelastisch in das Gehäuse eingesetzt sind. io. Einrichtung nach Anspruch i für mehrkränzige Turbinen mit Teilbeaufschlagung, dadurch gekennzeichnet, daß in der nicht beaufschlagten Zone eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch i in den Raum zwischen den beiden Schaufelkränzen hineinragt. i i. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in einer Kühleinrichtung unter die Zulauftemperatur gekühlt wird. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 708 758, 737 397.