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Schaufel für Turbinen, die kompressible Medien verarbeiten Die bisher
bekanntgewordenen Bauarten von Gasturbinen vermögen hohe Gastemperaturen nur unter
Anwendung solcher Mittel oder Kühlverfahren zu bewältigen, die durch ihre Anwendung
eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Turbine zur Folge haben. Eine derartige
Verschlechterung tritt z. B. bei Gasturbinen ein, deren Schaufeln durch Kühlluft
gekühlt werden, die durch die hohlen Schaufeln strömt. Soll eine derartige Kühlung
wirksam sein, so muß zwecks Erreichung einer hohen Wärmeübergangszahl zwischen Hohlschaufel
und Kühlluft die Geschwindigkeit der Kühlluft sehr hoch sein, so daß der Leistungsaufwand,
um die Kühlluft durch die hohlen Schaufeln zu schicken, also verhältnismäßig groß
ist. Der Aufwand verschlechtert außerdem den Wirkungsgrad, da er von der erzeugten
Turbinenleistung abgeht. Bei Gasturbinen, bei denen ein Teil des Laufrades mit kalter
Luft beaufschlagt wird und so die Schaufeln von außen gekühlt -werden, entstehen
ebenfalls durch die Teilbeaufschlagung und durch den Stoß der Kühlluft gegen die
Laufschaufeln erhebliche Verluste, deren Folge ebenfalls die Verschlechterung des
Turbinenwirkungsgrades ist.
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Die Erfindung bezweckt riun, durch eine günstigere Gestaltung der
geometrischen Form des Turbinenläufers eine Verbesserung der Wärmedurchgangsbedingungen
für die Laufschaufeln herbeizuführen, so daß bei gleichem Leistungsaufwand für die
Kühlung und bei gleicher maximal zulässiger Schaufeltemperatur eine Erhöhung der
vor der Turbinendüse zulässigen Gastemperatur erreicht wird. Durch die günstigere
geometrische Form des Turbinenläufers werden gleichzeitig die Strömungsverluste
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soweit sie durch die Laufschaufeln verursacht werden - verringert.
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Diese Verbesserungen ergeben sich sowohl bei solchen Turbinenbauarten,
bei denen die von den Laufschaufeln aufgenommene Wärme durch die Leitfähigkeit des
Schaufelwerkstoffes zur Scheibe weitergeleitet wird, als auch bei solchen, bei denen
die aufgenommene Wärme im wesentlichen durch ein Kühlmittel aus den Schaufeln entfernt
wird.
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Um die Wärmedurchgangsbedingungen an Gasturbinen im Sinne höherer
zulässiger Gastemperaturen vor der Düse zu verbessern, werden erfindungsgemäß möglichst
große und möglichst wenig Schaufeln vorgesehen. Mit zunehmender Größe der Schaufeln
wird das Verhältnis von Schaufeloberfläche zu Schaufelquerschnitt günstiger, d.
h., es ist leichter möglich, die auf die Schaufeloberfläche übergehende Wärme durch
-den Schaufelquerschnitt abzuführen, als dies bei kleinen Schaufeln der Fall ist,
da ja bekanntlich das Verhältnis von Oberfläche zu Querschnitt eines Körpers mit
geometrisch ähnlicher Verkleinerung abnimmt. Durch die Verringerung der Schaufelzahl
wird bei sonst gleichen Verhältnissen die dem heißen Gasstrom ausgesetzte Schaufeloberfläche
verkleinert, so daß der zur Durchführung der Schaufelkühlung notwendige Leistungsaufwand
herabgesetzt wird. Erfindungsgemäß weist der Turbinenläufer bei einem Verhältnis
von Schaufelteilung t ".zu Schaufelbreite b," von mindestens o,9 im Teilkreis (s.
Abb. i) ein Verhältnis von mittlerer Schaufelbreite b. zu größtem Laufraddurchmesser
Da von mindestens o,i7 auf (s. Abb. 3).
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Die Abb. 2 und 3 zeigen einen dem Erfindungsvorschlag entsprechenden
Turbinenläufer als Ausführungs,beispel. Die vom. dein B;eschauflung i ,aufgenommene
Wärme wird zunächst vom Schaufelwerkstoff in die Scheibe 2 weitergeleitet und von
dort durch ein Kühlmittel 3 aus dem Läufer entfernt. Zur Vermeidung unnötiger Ventilationsverluste
ist die eigentliche, mit radialen Rippen 5 verseheneScheibe 2 durch zwei seitliche
Deckscheiben ¢ abgedeckt.
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Um den Leistungsaufwand- zur Kühlung der Schaufeln von Heißgasturbinen
zu verringern, wurde vorgeschlagen, die Schaufeln mit isolierendem Material zu umkleiden.
Da aber derartige Werkstoffe für die Beanspruchungen, denen Gasturbinenschaufeln
ausgesetzt. sind; kaum ausreichen, sind diesem Verfahren Grenzen gesetzt. Es wurde
nun ferner vorgeschlagen, an. Stelle der Isolierung durch einen Isolierwerkstoff
einen dünnen Luftschleier um die Schaufeln zu legen, der stetig erneuert wird. Hierbei
Werden die Schaufeln in bestimmten Abständen mit Schlitzen versehen; durch die Luft
in der relativen Strömungsrichtung des Gases austritt und eine dünne, kühle Grenzschicht
bildet, die den Wärmeübergang außerordentlich erschwert. Diesem Vorschlag stehen
jedoch werktechnisch erhebliche Schwierigkeiten gegenüber, da bei den bisher üblichen
Schaufelgrößen und Schaufelteilungen eine betriebsfähige Anordnung von Turbinenschaufeln
mit den entsprechenden Schlitzen sich kaum durchführen läßt.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das an sich bekannte
Verfahren der Einhüllung der Turbinenschaufeln in einen Luftschleier auf die oben
beschriebene, neuartige Form eines Gasturbinenläufers angewendet, bei dem die Vorteile
und Möglichkeiten dieses Verfahrens erst voll zur Geltung kommen. Infolge der aerodynamischen
Wirkung der in Richtung der Relativströmung aus den Schaufeln austretenden Luft,
welche in einer ständigen Erneuerung der Grenzschicht besteht und ein Abreißen der
Strömung unter Druckanstieg verhindert, läßt sich die Zahl der Schaufeln und damit
die dem heißen Gasstrom ausgesetzte Oberfläche noch weiter verringern.
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Abb. q. zeigt als Beispiel ein den obigen Gedankengängen entsprechendes
Laufschaufelgitter mit der für den Erfindungsvorschlag charakteristischen weiten
Teilung. Den Schlitzen entströmt Luft, welche die Schaufeln in einen Kaltluftschleier
einhüllt und ein Abreißen der Strömung an der konvexen Seite der Schaufel verhindert.
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Abb. 5 zeigt im Axialschnitt einen Turbinenläufer mit einer der Abb.
q. entsprechenden Beschaufelung als Ausführungsbeispiel. Die großen und wenigen
Schaufeln erleichtern im Verein mit der weiten Teilung die Herstellung erheblich.
Da man es mit wenig und dafür um so größeren Schaufeln zu tun hat, läßt sich auf
die Schlitze, von deren richtiger und sorgfältiger Anbringung der beabsichtigte
Isolier- und Kühleffekt ausschlaggebend abhängt, mehr Arbeit und -Sorgfalt verwenden
als bei einem Turbinenläufer mit zahlreichen Schaufeln, ohne die wirtschaftliche
Herstellung einer mit Schlitzschaufeln versehenen Turbine in Frage zu stellen.
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Bei den vorliegenden Ausführungen wurde als eigentliches Arbeitsmittel
Heißgas, als Kühlmittel bei Anordnung von Schlitzschaufeln Luft angenommen. Sinngemäß
läßt sich eine solche Turbine auch für andere Treibmittel, z. B. Heißdampf, anwenden,
während als Kühlmittel auch andere Mittel, z. B. Sattdampf, dienen können.