NO143880B - Anordning ved et vaeskekjoelt rotorsystem. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en anordning ved et væskekjølt rotorsystem, ved hvilket en rotorskive er an-

ordnet på en aksel som er dreibart lagret i et hus og er anordnet i det vesentlige perpendikulært på akselen og har skovler festet til sin ytre krans eller kant med en mellomliggende plattform, innretninger anordnet radialt innad fra plattformen for innføring av kjølevæske i rotorsystemet i retning radialt utad og inn i en i enden åpen kjølemiddel-fordelingskrets som omfatter underflate-kjølekanaler som forløper stort sett radialt for hver skovl, og doseringsinnretninger som inneholder minst én doseringsflate og som befinner seg under plattformen i strømningsforbindelse med kjølekanalene, således at kjølemidlet passerer undersiden av plattformen og danner en dam inntil doseringsflaten, hvorfra . kjølevæsken doseres inn i og fortsetter gjennom kjølekanalene og ut av disse.

Anordninger for væskekjøling av gassturbinskovler i åpen krets er tidligere kjent, f.eks. fra US-PS 3 446 481

og 3 446 482. En anordning for dosering av kjølevæske til sådanne skovler er omtalt i US-PS 3 658 439.

Muligheten for væskekjøling i åpen krets er særlig viktig fordi man ved en sådan kjøling kan øke turbinens inn-løpstemperatur til et driftsområde fra 1370° C til i det minste 1930° C, hvilket igjen bevirker en økning av den uttatte effekt i området fra 100 til 200 % og en økning av den ter-miske virkningsgrad som kan være så meget som 50 %. Turbin-konstruksjoner med væskekjøling i åpen krets kalles derfor ultrahøytemperatur-gassturbiner.

Utmålingen eller doseringen av kjølevæsken er kom-plisert på grunn av den ytterst store rotasjonshastighet som ved skovlspissene bevirker sentrifugalkrefter av størrelses-ordenen 250 000 g. Ideelt burde væskestrømmen til hver kjøle-passasje samstemmes med den varmemengde som ønskes overført til hhv. gjennom nevnte passasje. Da kjølevæsken fordeles til kjølepassasjene ved at den strømmer over en dam- eller overløpsanordning, ville det være meget ønskelig å komme frem til forbedringer som kunne resultere i en på forhånd bestembar og styrbar fordeling av overløpsstrømmen i det minste som en tilnærmet funksjon av varmeoverføringskoeffisienten på gassiden.

Anordningen ifølge oppfinnelsen for innføring av kjølevæske i turbinskovler som kjøles i åpen krets, tilfreds-stiller i meget vesentlig grad det ovenfor nevnte behov. I tillegg til dette reduserer oppfinnelsen mengden av kjøle-væske i strømmen, eliminerer dampstrømning i systemet i retning motsatt kjølestrømmen, sikrer større valgmuligheter for driftstemperaturer i skovlene og tillater endelig en større utjevning av kjølepumpetapene ved forsterkning av skyve-kraften. Teoretisk kan fordeler ved pumping oppnås.

Det særegne ved anordningen ifølge oppfinnelsen fremgår av hovedkravets karakteristikk. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i underkravene. Ved denne konstruksjon vil kjølevæskestrømmen som passerer over overløpet på de forskjellige steder langs denne, kunne avstemmes grovt etter de foreliggende behov for kjøling i de kjølepassasjer som tjener eller betjener de forskjellige partier av turbinskovlen.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved et eksempel under henvisning til tegningene, hvis fig. 1 viser en konstruksjon med skovlkransen og rotorskiven i ett og som omfatter elementer i samsvar med oppfinnelsen for å lede væsken til dam/overløpsinnretningen og innretninger til økning av kraften av stort sett den type som er beskrevet i US-PS 3 816 022, fig. 2 viser den innbyrdes plassering mellom dammen, overløpet og væskeledningsinnretningen, fig. 3 viser et snitt etter linjen 3 - 3 på fig. 2, og fig. 4 viser et snitt som illustrerer bruken av oppfinnelsen i forbindelse med en skovlutførelse av svalehaletypen.

Turbinskovlen 10 består av metallhud 11 forbundet med skovlens hule kjerne 12 som har gjennomgående spor 13a i overflaten. Kjølekanalene eller passasjene 13 som er dannet ved huden 11 og sporene 13a, fører kjølevæske under huden 11. Ved sine øvre ender er de rektangulære kjølekanaler 13 på skovlens 10 trykkside i strømningsforbindelse med et samlekammer 14 forsenket i kjernen 12. På skovlens 10 sugeside er kjølekanalene 13 i strømningsforbindelse med et lignende kammer som ikke er vist og som også er forsenket i kjernen 12. I nærheten av skovlens 10 bakre kant forbinder en tverrkanal kammeret på sugesiden med kammeret 14 på trykksiden gjennom en åpning 15.

Tømmingen fra samlekammeret 14 (og dermed også fra kammeret på sugesiden) skjer gjennom en dyse 16 med først konvergerende og deretter divergerende forløp. En ringformet samlespalte 17 i turbinhuset 18 mottar den væskeformige komponent fra kjøle-strømutløpet fra dysen 16 (power augmenter nozzle) f. eks. for resirkulasjon av kjølemidlet.

Kjernens 11 rotende består av et antall finger-lignende fremspring 19 som kan ha forskjellig lengde og stort sett rektangulær profil, eller de kan være tilspisset således at profilen blir trekantet. Turbinrotorskivens 22 krans 21 har spor 23 utført med forskjellig dybde og adskilt ved ribber 24; dybden og bredden av sporene 23 passer til de forksjellige lengder og bredder av skovlfingrene 19, således at fingrene 19 passer tett inn i et låsende inngrep.

Når den riktige pasning er oppnådd, anbringes passende mengde loddelegering i hvert spor 23 og skovlene settes inn og holdes- på plass ved hjelp av en fikstur som belastes for å oppnå trang pasning mellom fingrene 19 og sporene 23 uansett termisk utvidelse. Konvensjonelle loddelegeringer med smel-tepunkt i området mellom 700 og 1100° C kan benyttes. Enkelte metaller, såsom kobber, kan også brukes.

Deretter fastloddes hele monteringen (kransen med alle skovler på plass) ved lodding i en ovn for dannelse av en enhetlig konstruksjon.

Stållegeringer kan benyttes for huden og kjernen, fortrinnsvis sådanne som inneholder minst 12 vekt% krom for økning av motstandsevnen mot korrosjon og varme og for opp-nåelse av stor styrke.

Utfresning eller utdreining av sporene 23 i kransen 21 ikke bare tilveiebringer den nødvendige konfigurasjon for befestigelse av skovlrøttene og reduserer kransens vekt, men har også til følge at ribbene 24 mellom sporene 23 tilveiebringer områder på de øvre flater av disse for forbindelse med presisjonsstøpte plattformelementer 26 som skal oppta dammer 27 med kjølevæske. Bæresegmenter 28 er dimensjonert og anordnet således at deres bredde faller sammen med bredden av ribbene 24 når de er anbragt rett overfor disse.

Overløpene 29 for utdosering av kjølevæsken er slipt nøyaktig til samme forutbestemte radius, f. eks. radien for utgangsribben 24, hvorved der dannes en sylindrisk flate (hvis elementer forløper i aksialretningen) som følger skovlens 10 spor (fig. 3) på hver side av samme inntil kjøle-kanalene 1 3 .

Plattformelementene 26 er festet til rotorkransen 21 ved elektronstrålesveising av plattformkantene 26a og bærerne 28 til ribbene 24 etter forutgående sliping av de radialt innadvendende sider av kantene 26a og bærerne 28 til en felles radius som faller sammen med utgangsradien for ribbene 24.

Hvis radien for disse partier av ribbene 24 plassert under plattformelementene 26, men ikke nettopp festet til bærerne 28, forblir uforandret, kan disse komme i veien for den frie bevegelse av kjølevæsken i dammene 27. For å

unngå å forstyrre damoverflåtene, er ribbene 24 tilbakeskåret som vist på fig. 2 i lignende bue 30 (begynnende ytterflate av ribbene 24) og buen 30a (de bakskårne partier av ribbene 241 .

Selv om plattformkonstruksjonen som vist består av enkelte plattformelementer, kan andre konstruksjoner være like anvendelige. Plattformkomponentene kan f. eks. være i ett med hver skovl. I hvert tilfelle vil overløpsflåtene som fordeler kjølemidlet til skovlene 10, være formet som en del av plattformkonstruksjonen beliggende ved hver side av hver skovl 10.

Som forklart i de innledningsvis nevnte US patenter sprutes kjølevæske (vanligvis vann) ved lavt trykk i en stort sett radial retning utover fra dysene (ikke vist ,

men fortrinnsvis anordnet på hver side av skiven 22) og støter mot skiven 22. Deretter beveger kjølemidlet seg inn i renner 32, 3 2a som delvis er dannet ved nedad forløpende leppepartier 33, 33a. Kjølevæsken holdes i rennene til den er akselerert til den hastighet som skiven har ved kransen, hvoretter kjølevæsken renner kontinuerlig fra rennene 32,

32a og strømmer radialt utad gjennom damtilførselsrør 34, idet hver dam 27 (en for hvert plattformelement 26) mottar kjølevæske fra i det minste to rør 34.

En alternativ anordning (ikke vist) for ledning

av kjølevæske fra rennene 32, 3 2a til dammene 27 kunne omfatte indre passasjer som forløper stort sett radialt gjennom kransens 21 og plattformkantenes 26a vegger; hver passasje ville da være i strømningsforbindelse med en renne og en dam. Innføringen til dammen kunne være gjort radialt utenfor overløpsflåtene 29.

Når kjølemidlet i hver dam 27 passerer overflaten

av plattformelementene 26, holdes disse kalde. Deretter føres kjølemidlet over overløpene 29 og så inn i den radialt sett indre ende av kjølekanalene 13 (gjennom sporene 13a)

i tilstøtende skovler 10.

Mens kjølevæsken fortsetter radialt utover gjennom kanalene 13 i en skovl 10, vil i avhengighet av (a) hastigheten med hvilken kjølemidlet tilføres, (b) den ønskede driftstemperatur på skovlen, (c) arealet av dysens 16 hals og (d) graden av friksjonsoppvarming av kjølemidlet i for-delingskretsen, en del av kjølemidlet omdannes til gass eller damp ettersom den opptar varme fra skovlens hud 11

og kjerne 12. Ved kjølekanalenes 13 ytre ender strømmer damp eller gass og eventuell væske inn i samlekammeret 14

og kammeret på sugesiden. Deretter vil strømmen fra suge-sidens samlekåmmer gå sammen med strømmen i kammeret 14 (gjennom åpningen 15) og de sammenslåtte strømmer og strømme ut gjennom energiøkningsdysen 16. Som forklart i det ovenfor nevnte US-PS 3 816 022 er man avhengig av denne utløpsstrøm for gjenvinning av reaksjonsenergi og denne. er. særlig effektiv når utløpsstrømmen er gjort supersonisk.

Undersøkelser og forsøk har vist at egenskapene av strømmen i dammene 27 og forholdene på overflaten av hver av disse dammer innvirker sterkt på den nøyaktighet med hvilken kjølemiddelstrømmen kan doseres ut til sporene 13a. Damstrømegenskapene og overflateforhold er selvfølgelig sterkt påvirket av innløpshastigheten for kjølevæsken i dammen, retningen og hastigheten av væsken som strømmer inn og den måte hvorpå dette skjer.

Kj.ølevæskestrømmen som kommer inn i dammen 27,

skal således fordele seg selv med en jevn og konstant og lav hastighet for ikke å forstyrre dammens 27 overflate 36 og man har funnet at doseringsoperasjonen forbedres betydelig ved at kjølevæsken innføres under damoverflaten 36. Dette gjøres ved at utløpsenden 37 av hvert tilførselsrør 34 er plassert radialt ut over overflaten 36; og endepartiet 37 holdes i avstand fra undersiden av plattformelementet 26 ved hjelp av en spiss 38, f. eks. et fremspringende parti av rørets 34 vegg. Da avstanden fra undersiden av plattformen 26

til overflaten 36 må være større enn avstanden fra undersiden av plattformen 26 til overløpsflaten 29 med en bestemt verdi (f. eks. 0,019 mm) for at væskestrømmen kan passere over overløpet 29, kan endepartiet 37 være anordnet radialt på samme nivå som overløpets 29 overflate eller på det beste sted radialt utenfor nevnte sted.

Ved å innføre kjølevæske gjennom tilførselsrøret 34 anordnet på den viste måte skvalper ikke væsken inn i dammen 27, men renner inn jevnt uten å forstyrre overflaten 36. Enhver tendens i væsken som forlater rennene 32, 32a, til å danne bølger eller å skvalpe på veien til dammen 27, be-grenses til det indre av innløpsrørene 34. Det er faktisk en fordel å forsyne innerflaten av hvert rør 34 med uregelmessigheter (f. eks. en gjenget overflate) for å fordele virkningen av den radiale akselerasjon som søker å skyve kjølevæsken over rørets 34 endevegg når væsken går over i dammen 27.

Fremføringen av den jevne strøm av væske som beveger seg sideveis fra utløpsenden 3 7 mot det sentrale område av dammen 27, oppnås både ved hensiktsmessig ledning .av den innstrømmende væske og ved nedsettelse av hindringene mot denne sidestrømning til et minimum. Disse forbedrede forhold oppnås ved hensiktsmessig valg av størrelsen og formen av innløpsrørspissene 38, ved å anordne hver spiss 38 rundt den sentrale akse av røret 34 i en optimal stilling og ved å benytte det minimale antall av bæreribber 2 8 som hver får minst mulig lengde. Disse bæreribber 28 tilveiebringer forbindelse mellom hvert plattformelement 26 og ribbene 24 som er i flukt med dette.

I stedet for å benytte adskilte bærefremspring 28 i flukt med visse ribber 24, kan hvert plattformelement 26 være utført med et enkelt bærefremspring utformet på undersiden av samme og strekke seg stort sett på tvers av ribbene 24 for å forbindes med disse. Ved riktig valg av formen av dette fremspring kan oppnås en optimal geometrisk utforming av dammen for fordeling av overløpsstrømmen.

Anbringelsen av spissene 38 (som er vist på fig. 3) rundt rørenes 34 senterakser er således valgt at den inn-strømmende væske ledes for å fremtvinge en foretrukken strøm på en styrt måte, dvs. ved visse steder av overløpet. Således vil man ved den plassering som er vist, prøve å øke sidestrømmen av væsken som kommer inn ved lav hastighet for å oppnå den ønskede damdybdeprofil over dammens 27 utstrek-ning. Ved den viste kombinasjon vil strømmen på bestemte steder av overløpet, f. eks. ved frontkanten på trykksiden og den på trykksiden liggende bakre kant av skovlene 10, øke for å tilfredsstille det største kjølebehov som er tilstede over disse spesielle skovlflateområder i turbinen.

Fortrinnsvis er tilførselsrørene 34 anordnet med

sine akser forløpende i en radial retning, således at be-gynnelseshastigheten av den innstrømmende kjølestrøm er perpendikulær på dammens bunn. Hvis imidlertid ytterligere retningseffekt er nødvendig, kan den oppnås ved innføring av en svak (så meget som omtrent 20°) skråning på rørenes 34 akser i radial retning. Spissbæreren 34 behøver ikke å være utført som et enkelt stykke som vist, men kan om ønskelig være i form av et antall adskilte spissforlengelser.

Den kraft som er nødvendig for pumping av kjøle-midlet gjennom kjølekretsen, kan nedsettes delvis ved at massen av kjølevæskestrømmen reduseres. Dette bevirker igjen at noe eller all kjølevæske fordampes. Volumet av således frembragt damp er av meget større størrelsesorden enn volumet av den væske som da finnes i kjølekanalene, og dampens hastighet i kjølekanalene er meget høy. Uheldigvis kan disse dampstrømmer ha ødeleggende innvirkning på kjølevæskestrømmene. Særlig vil enhver dampstrøm i retning motsatt fordelings-retningen for kjølevæskestrømmen nedsette den nødvendige over-føring av kjølevæske. Hvis dette finner sted, øker væske-filmens tykkelse i kjølekanalene og den store varmeovergangs-koeffisient for konveksjonsvarme til skovlene reduseres.

En annen fordel ved utførelsen ifølge oppfinnelsen, som oppnås i tillegg til økningen av virkningsgraden for utdosering av kjølemiddelstrømmen, er at man ved å anordne-hvert til-førselsrør 34 med endepartiet 37 under overflaten av dammen 37, hindrer dampstrømmen i oppstrømsretningen i kjølekretsen, samtidig som strømmen i nedstrømsretningen i kjølekretsen fremdeles opprettholdes.

Den ovenfor nevnte fordampning av kjølemiddel øker trykket i passasjene 13, hvilket igjen øker kokepunktet for kjølevæsken. Trykket i kjølepassasjene 13 vil øke på denne måte til en balanse er oppnådd mellom fremstillingen av kjøledamp og utslipping av kjøledamp. Enhver utslipping i oppstrømsretningen av kjøledampen forhindres ved tetning av tilførselsrørenes 14 endepartier 37 ved hjelp av væsken i dammene 27, og trykkøkningen i kjølepassasjene 13 utjevnes ved en økning av væskenivået i røret 34 som antydet med avstanden H på fig. 2.

Ved å treffe den ønskede balanse mellom tilførsels-hastigheten for kjølevæsken fra væskekilden til rennene 32, 32a og videre varmeoverføringen til skovlene 10 og halsarealet for hver dyse 16, påtvinges systemet en tilstand av selv-regulering, hvor avstanden H vil opprettholdes. Resten av volumet i hvert rør 3 4 (radialt innenfor væskenivået) bésstår i det vesentlige av luft, hetgass og/eller damp. Kjølevæske som kommer inn i innløpsrørene 34 i rotasjonssystemet, fordeler seg selv over endeveggen av rørene 34 når den passerer volumet 39, bortsett fra strømpartier som kan søke å skvette bort fra veggene innenfor rørets 34 grenser, særlig hvis innerflaten er oppruet, til kjølevæsken når væskenivået.

Økningen av trykket i kjølekretsen på oppstrøms-siden av dysen 16 kan gjøres tilstrekkelig stor, således at utstrømningen av damp gjennom dysen 16 skjer ved supersonisk hastighet og frembringer en meget betydelig kraftvektor i retning motsatt retningen for skovlenes 10 rotasjon for gjenvinning av i det minste en del av kjølepumpetapene.

På fig. 4 er vist hvordan oppfinnelsen tenkes brukt

i forbindelse med en skovl 50 med svalehaleformet ende, hvor skovlen har en metallhud 51 og et plattformelement 52 festet til en skovlkjerne 53 med en i ett med kjernen utført, mer eller mindre svalehaleformet rot 54.

Væske som tilføres fra en kjølemiddelkilde (ikke vist) til rennene 56, 56a strømmer gjennom passasjer 57, 57a som forløper gjennom rotoren 58. Rennene 56, 56a er i strøm-ningsf orbindelse med dammer 59, 59a med kjølevæske gjennom væskeføringsrør 61 som har utløpsender 62 med plasserings/ avbøyningsspisser 63. Overløp 64, 64a er utført i ett med plattformelementene 52, 52a. Hver skovl 50 er isolert fra de andre skovler, og dessuten kan hver side av skovlen (trykkside eller sugeside), om ønsket, være isolert hva kjølemiddel-fordelingen angår. Forøvrig virker kjølemiddelfordelings- ' systemet på samme måte som forklart ovenfor, idet kjøle-middelvæsken som fordeles over overløpsflåtene 64, 64a kommer inn i slisser 66a (spor i strømningsflåtene) av skovlen 53 for innstrømning i kjølepassasjer 66 dannet ved huden 51 og slissene 66a. Anordningen av kjølekanalene 66, samlekamrene (ikke vist) og utstrømningsdysen (ikke vist) vil være som eller i likhet med det som er vist på fig. 1 .

Selv om bruken av de forklarte anordninger ikke behøver å være begrenset til den følgende måte, kan nevnes at rotoren med spor i kransen med tilpassede skovlrøtter, som vist på fig. 1-3, synes å være'mer hensiktsmessig for bruk ved konstruksjon av små væskekjølte turbiner, mens konstruk-sjonen med svalehale-skovler, som er vist på fig. 4, synes å være mer brukbar for større væskekjølte turbinenheter.

Oppfinnelsen er ovenfor forklart i forbindelse med

en væskekjølt gassturbin, men den kan også brukes i forbindelse med andre væskekjølte rotorsystemer, f. eks. en kompressor, som stort sett ville omfatte en konstruksjon som forklart ovenfor, men som ville arbeide i motsatt retning, dvs. på-virke en gass i stedet for å bli påvirket av en gass som arbeidsmedium.

Claims (7)

1. Anordning ved et væskekjølt rotorsystem, ved hvilket en rotorskive er anordnet på en aksel som er dreibart lagret i et hus og er anordnet i det vesentlige perpendikulært på akselen og har skovler (10) festet til--sin ytre krans (21) eller kant med en mellomliggende plattform (26), innretninger anordnet radialt innad fra plattformen for innføring av kjølevæske i rotorsystemet i retning radialt utad og inn i en i enden åpen kjølemiddel-fordelingskrets som omfatter underflate-kjølekanaler som forløper stort sett radialt for hver skovl, og doseringsinnretninger som inneholder minst én doseringsflate og som befinner seg under plattformen i strømningsforbindelse méd kjølekanalene, således at kjøle-midlet passerer undersiden av plattformen og danner en dam inntil doseringsflaten, hvorfra kjølevæsken doseres inn i og fortsetter gjennom kjølekanalene og ut av disse, karakterisert ved at der i den i enden åpne kjøle-middel-fordelingskrets for ledning av kjølemiddel til undersiden av hver plattform (26), er anordnet rørformede lede--'innretninger (34), hvis utløpsende (37) befinner seg i en

radial avstand fra aksen, som er like stor som den radiale avstand mellom i det minste én doseringsflate (29) og aksen, eller i en radial avstand utenfor denne flate.

2. Anordning i henhold til krav 1 , karakterisert ved at ledeinnretningene er rør (34) med i det minste ett fremspring (38) ved utløpsenden (37), hvilket fremspring er i anlegg mot plattformens (26) underside.

3. Anordning i henhold til krav 1 , karakterisert ved at ledemidlene (34) omfatter en spiss (38) som befinner seg ved undersiden av den plattform (26) for å føre hver ledeinnretnings (34) utløpsende (37) radialt utenfor dammens (27) overflate.

4. Anordning i henhold til krav 1 , karakterisert ved at den indre overflate av hver- ledeinnret-ning (34) inneholder uregelmessigheter for å nedsette kjøle-væskens radiale akselerasjon.

5. Anordning i henhold til krav 3, karakterisert ved at spissene (38) er utført med sikte på å rette den innkommende væske således at den strømmer i en foretrukket retning.

6. Anordning i henhold til krav 3, karakterisert ved at de rørformede ledeinnretningers (34) akse er radialt rettet for å føre den innkommende kjølevæske perpendikulært til bunnen av dammen (27).

7. Anordning i henhold til krav 3, karakterisert ved at de rørformede ledeinnretningers (34) akse er svakt skrå i forhold til den radiale retning.