NO154705B - Turbinskovl som er innrettet for avkjoeling med en vaeske. - Google Patents

Abstract

Turbinskovl (4)1 som er innrettet for å kunne avkjøles. med en væske, hvor det flytende kjølemiddel strømmer radialt utad gjennom k jølemiddelkanaler ,(8) i turbinskovlen under innvirkning av sentrifugalkraft mens det befinner seg i kontakt med kjøledamp som strømmer i motsatt retning i~ f o rho id t iTUeniytende kjøremrddel, slik at væske oppfanges i dampstrømmen og fører til en økning i det fuktede kjøleområde for de enkelte kanaler' (8) .

Description

Oppfinnelsen angår generelt en væskeavkjølt turbinskovl, og mer spesielt en slik skovl som avkjøles ved direkte kontakt med væske og damp som strømmer i motsatt retning i forhold til hverandre.

Gassturbiner for ultrahøye temperaturer (UHT) anvendes innen et temperaturområde av 1371-1927°C for å oppnå så meget som 200% mer kraft og så meget som 50% høyere varme-utbytte enn med vanlige gassturbiner. Materialer som anvendes for fremstilling av slike turbiner, og arbeidsbe-tingelsene i slike turbiner gjør det nødvendig at turbin-skovler av disse materialer væskeavkjøles .

For typiske skovler som avkjøles med vann i åpen krets har forsøk kunnet fastslå at under foretrukne arbeidsbe-tingelser (f.eks. vanntilførselsmengde pr. tidsenhet, om-dreiningshastighet, drivfluidumets temperatur etc.) strømmer vannet i form av en tynn film gjennom hver kjølekanal, idet kanalens akse er orientert tilnærmet perpendikulært i forhold til turbinens rotasjonsakse. Vannfilmen trekkes gjennom kanalen på grunn av sentrifugalkraft og får høy radial hastighet. Samtidig utsettes filmen for en sterk Coreolis-kraft som med de anvendte tilførselsmengder av kjølevann pr. tidsenhet skyver væskefilmen inn i et begrenset tverr-område (eller hjørne) av kjølemiddelkanalen.

Når dette inntreffer, dekker eller fukter væskefilmen

j

bare en liten del av kjølemiddelkanalens samlede overflateareal, og væskestrømmens kjøleevne blir tilsvarende redusert. For en gitt varmestrøm for hver kjølemiddelkanal fører dette begrensede fuktede kjøleområde til en høyere overflate-temperatur i kjølemiddelkanalen, og dette fører på sin side til at skovlen får en høyere hudtemperatur og nedsatt leve-alder. Det er sterkt ønsket å kunne øke det effektivt fuktede kjøleområde i hver kjølemiddelkanal ved en hvilken som helst strømningsmengde pr. tidsenhet av væskeformig kjølemiddel, hvorved skovlhudtemperaturen kan reduseres og sykluslevealderen forlenges.

Oppfinnelsen angår derfor en turbinskovl som er innrettet for avkjøling med en væske og for å monteres på et roterbart turbinhjul og har et spissparti med en radialt utad beliggende ende og et bæreplanformet parti som er anordnet radialt innad i forhold til spisspartiet, og en rekke kjølemiddelkanaler som strekker seg radialt og er anordnet i det bæreplanformede parti, anordninger for å tilføre væske i kanalene ved radialt innad anordnede seksjoner av kanalene, og anordninger for å fjerne væske fra skovlen og anbragt i strømningsforbindelse med radialt utad anordnede seksjoner av kanalene, idet anordningene for å fjerne væske omfatter en anordning for å begrense strømmen av damp fra kanalene inn i anordningene for å fjerne væske, og turbinskovlen er særpreget ved anordninger for å fjerne damp fra skovlen anbragt i strømningsforbindelse med kanalene ved andre radialt innad anordnede seksjoner av kanalene.

Ved hjelp av _den~forelTggeTrde~~turbrns"k'ovl"konstruks"j"on, bringes væske til å strømme i en retning som er i det vesentlige radialt utad gjennom kjølemiddelkanaler i en bæreplanformet del av en skovl.

Damp som utvikles fra væsken når skovlen avkjøles, bringes til å strømme i nøyaktig motsatt retning i forhold til væsken og slik at den kommer i kontakt med denne og fanger opp en del av væsken f.eks. på grunn av grenseflate-skjærkrefter, hvorved den oppfangede væske vil fukte ytterligere overflateareal av kjølemiddelkanalen. Det foretrekkes for turbinskovlen ifølge oppfinnelsen å anordne en strømnings-dispergeringsanordning, hvorved den væskemengde økes som er tilgjengelig for å kunne føres med av dampen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart under henvisning til tegningene, hvorav

Fig. 1 er et tverrsnitt som viser en rotorskivekant

for en gassturbin og med væske avkjølt turbinskovl ifølge en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, tatt langs linjen 1-1 ifølge Fig. 2,

Fig. 2 er et snitt gjennom turbinskovlen vist på

Fig. 1 tatt langs et plan perpendikulært gjennom rotasjons-aksen for en tilknyttet turbinrotor, Fig. 3 er et snitt gjennom turbinskovlen ifølge Fig.l, tatt langs linjen 3-3 ifølge Fig. 1 og Fig. 4 er et snitt gjennom en enkel kjølemiddelkanal '/'.V for turbinskovlen ifølge oppfinnelsen.

På fig. 1, 2 og 3 er vist et turbinhjul eller en turbin-skive 1 som omfatter et randparti 2 og er forsynt med svalehaleformede spalter 3 som løper generelt i en tverr-retning. -Som vist omfatter en turbinskovl 4 en sentral kjerne 5 og en overliggende ytre hud 6 med aerodynamisk form, som best vist på Fig. 3. Turbinskovlen 4 omfatter også et rotparti 7 som mottas i den på lignende måte ut-formede svalehaleformede spalte 3 for fast å kunne montere skovlen til skiven. Denne måte å foreta montasjen på ut-gjør ingen del av oppfinnelsen, og det vil forstås at andre måter å foreta montasjen på også kan anvendes.

Kjølemiddelkanaler 8 strekker seg i generelt radial retning i den bæreplanformede del av skovlen. Som vist utgjøres kjølemiddelkanalene 8 av sylindriske, på forhånd formede rør som er anbragt i en kobbergrunnmasse 10 i spor som er tatt ut på skovlens sentrale kjerne 5. Det vil imidlertid forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til sn spesiell form for kjølemiddelkanalen eller til en spesiell måte å anbringe slike kanaler i skovlen på. Oppfinnelsen gjelder således f.eks. også en monolittisk skovl-konstruksjon med kjølemiddelkanaler boret i skovlen i en radial retning under og nær skovlens ytre overflate. Det vil imidlertid forstås at kjølemiddelkanaler som har et

i det vesentlige sirkelformig tverrsnitt er foretrukne ifølge oppfinnelsen da deres buede kontur letter spredning av kjølemiddelvæske gjennom disse, slik at en større del av kjølemiddelkanalen vil kunne fuktes.

Væske innføres i en radialt innadrettet seksjon 11 av kjølemiddelkanalene 8 ved hjelp av en innretning for inn-føring av væske. Som vist på Fig. 1 og 2 tilføres væske, som vann, fra en kjølemiddelkilde som omfatter dusjer 12, til renner 13 via kanaler 14 som strekker seg gjennom randen og til turbinskiven. Rennene 13 står i strømningsforbindelse med dammer 15 av kjølemiddelvæske via rør 16 for transport av væske som er forsynt med uttømningsender 17 med stillings-innstillende avbøyningsspisser 18, 19 som er utformet i ett stykke med plattformelementer 20 som er festet til skovl-kjernen 5. Dammene 15 av flytende kjølemiddel står i strømningsforbindelse med de enkelte kjølemiddelkanaler 8

via en rekke ledninger 21 som delvis er dannet av over-flatene av demninger 19 og den sentrale skovlkjerne 5.

Kjølemiddel som i målte mengder innføres i de enkelte kjølemiddelkanaler 8, strømmer gjennom disse under innvirkning av sentrifugalkraft i en retning radialt utad henimot et spissparti 22 av skovlen. En anordning for å fjerne flytende kjølemiddel fra skovlen er anordnet slik at den står i strømningsforbindelse med radialt utadrettede seksjoner 24 av kjølemiddelkanalene 8. En slik anordning for fjernelse av væske omfatter en innretnin g for_å begrense strøm men a v damp fra kjølemiddelkanalene inn i anordningen for fjernelse av væske. Ifølge den utførelsesform som er vist på Fig. 1, omfatter anordningen en væskemanifold 25 som

er anordnet i et skovlspissområde 22 i strømningsforbind-else med de radialt utadrettede ender av kjølemiddel-kanaler 8. Dampstrømmen inn i anordningen for fjernelse av væske begrenses ifølge denne utførelsesform ved hjelp av en væskefelle 26. Denne omfatter en spalte 27 som er tatt ut i turbinskovlens sentrale kjerne 5. Spalten 27

står i strømningsforbindelse såvel med væskemanifolden 25 som med en uttømningsåpning 28 for væske. Denne er anordnet på linje med en væskeoppsamlingsspalte 29 i turbinhuset 30, idet oposamlingsspalten mottar flytende kjøle-middel som uttømmes fra åpningen 28 for oppsamling og sirkulasjon av dette. Ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen (ikke vist) omfatter innretningen for å begrense dampstrømmen en uttømningsåpning som er egnet for å begrense væskestrømmen fra denne, og dette fører til at det dannes et væskehode som begrenser strømmen av damp inn i anordningen for fjernelse av væske.

Det fremgår tydeligst av Fig. 2 at turbinskovlen også

er forsynt med en anordning for fjernelse av damp fra denne. Ifølge den viste utførelsesform omfatter anordningen en manifold 32 som ved hjelp av ledninger 34 er forbundet med

de enkelte radialt innadrettede seksjoner 33 av kjøle-

middelkanalene 8. Ifølge den foretrukne utførelsesform er kjølemiddelkanalseksjonene 33 som står i forbindelse med ledningene 34, anordnet radialt innad i forhold til den seksjon av kjølemiddelkanalene som er forbundet med ledningene 21, for å lette strømmen av væske inn i kjølemiddelkanalene, som nærmere forklart nedenfor.

Det fremgår tydeligst av Fig. 1 at anordningen 31 for fjernelse av damp også kan omfatte et konvergerende-diver-gerende munnstykke 35 som via en ledning 36 står i forbindelse med dampmanifolden 32. Munnstykket 35 er fortrinnsvis anordnet for å fjerne damp fra skovlen i en slik retning at turbineffekten vil øke. Som vist på Fig. 3 er munnstykket 35 således anordnet at det vil fjerne damp fra skovlen i en retning bakover i forhold til tubinskivens 1 rotasjonsretning. Det vil imidlertid forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til en utførelsesform som omfatter et damputtøm-ningsmunnstykke i anordningen 31 for fjernelse av damp. Ifølge en annen utførelsesform (ikke vist) kan damp fjernes fra skovlen til et oppsamlingssystem via en ledning som strekker seg langs turbinskiven, som mer fullstendig be-skrevet i US patentskrift 4134709.

Under bruk innføres en målt mengde av en flytende kjøle-middelstrøm, som en vannstrøm, i kjølemiddelkanalene 8 og bringes til å strømme gjennom disse i en retning radialt undeT~InnvTrkhl7Ig~av" sentrifugalkraft. Det fremgår tydeligst av Fig. 4 at det flytende kjølemiddel strømmer langs et begrenset område av kjølemiddelkanalen 8 på grunn av en Coreolis-kraft som dannes som følge av turbinskivens 1 rotasjon og retningen av kjølemiddelstrømmen. Når væsken når frem til de radialt utadrettede ender av kanalene 8, kommer væsken inn i manifolden 25 og strømmer radialt utad fra denne og inn i væskefellen 26. Flytende kjølemiddel ut-tømmes derefter fra turbinskovlen via åpningen 28 inn i turbinhuset gjennom spalten 29.

Fjernelsen av damp som dannes når det flytende kjøle-middel strømmer gjennom kanalene 8, begrenses gjennom anordningen for fjernelse av væske ved hjelp av væskefellen 26. Dampen tvinges således til å strømme gjennom kjølemiddelkanalene 8

i en retning som er motsatt i forhold til vannstrømmens

retning. Væske oppfanges i dampstrømmen på grunn av grense-flateskjærkraft mellom de to strømmer som strømmer i motsatt retning i forhold til hverandre. En ytterligere oppfangning i dampen kan oppnås ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen hvor væskedispergeringsinnretninger er anordnet i kjølemiddelkanalene 8. Disse væskedispergeringsinnretninger kan omfatte en lang rekke fordypninger som rager utad fra den innvendige omkrets av veggen for en tilknyttet kjøle-middelkanal i væskens strømningsbane. Små dråper dannes efter hvert som væsken strømmer over væskedispergeringsinn-retningene, og de små dråper som dannes på denne måte, kan oppfanges i motstrømmen av damp.

Coreolis-kraftens retning er dels en funksjon av be-vegelsesretningen for en strøm. Da-dampen strømmer i en retning som er motsatt i forhold til væskestrømmens retning, vil derfor den resulterende Coreolis-kraft på dampen og på den oppfangede væske ha en retning som er i det vesentlige motsatt i forhold til væskestrømmens retning. Det fremgår således av Fig. 4 at væsken som er blitt oppfanget i dampstrømmen, tvinges mot deler av kjølemiddelkanalveggene som tidligere ikke er blitt fuktet av væskestrømmen, hvorved kjølemiddelkanalenes varmeoverføringsevne øker. For-søk med en vannavkjølt, rørformig montasje som inneholder en utførelsesform ifølge oppfinnelsen, har vist en tilnærmet 50% økning i den varmemengde som kan overføres samtidig som montasjen er blitt holdt på en gitt temperatur ved utnyttelse av den foreliggende oppfinnelse i praksis.

Ved den foreliggende oppfinnelse kan således turbin-skovler avkjøles som er montert på et turbinhjul og som roterer rundt en turbmaksel. Skovlene er forsynt med en lang rekke radialt anordnede kjølemiddelkanaler og en bæreplanformet skovldel . Kanalene ender ved deres radialt utadrettede ende nær et skovlspissparti. Ved avkjølingen tilføres flytende kjølemiddel til radialt innadrettede seksjoner av kanalene, og det flytende kjølemiddel ledes radialt oppad gjennom kanalene under innvirkning av sentrifugalkraft. En første buet del av kjølemiddelkanalveggene avkjøles ved at denkommer i kontakt med det tilførte flytende kjølemiddel og oppvarmer dette på grunn av den nevnte kontakt, hvorved i det minste en del av det flytende kjølemiddel går over i dampfase. Strømmen av fordampet kjølemiddel inn i skovlspisspartiet begrenses, og flytende kjølemiddel fjernes fra spisspartiet, mens fordampet kjøle-middel ledes radialt innad gjennom kjølemiddelkanalene i kontakt med det innførte flytende kjølemiddel. En anordning for fjernelse av damp er anordnet slik at den står i forbindelse med radialt innad anordnede ender av kanalene, og fordampet kjølemiddel fjernes fra anordningen for fjernelse av damp.

En del av det flytende kjølemiddel blir ført med i den ledende strøm av fordampet kjølemiddel, hvorved en annen buet del av kjølemiddelkanalveggene blir avkjølt som følge av kontakt med det oppfangede flytende kjølemiddel.

Ifølge en foretrukken utførelsesform av den foreliggende turbinskovl er denne innrettet slik at det flytende kjøle-middel som ledes radialt oppad gjennom kanalene, dispergeres slik at små væskedråper dannes, og i det minste en del av de små væskedråper oppfanges i strømmen av fordampet kjølemiddel som ledes radialt innad i kanalene.

Det foretrekkes videre at turbinskovlen er slik innrettet at det fordampede kjølemiddel fra anordningen for fjernelse av damp blir fjernet i en retning bakover i forhold til turbinhjulets rotasjonsretning.

Claims (4)

1. Turbinskovl som er innrettet for avkjøling med en væske og for å monteres på et roterbart turbinhjul (1) og har et spissparti (22) med en radialt utad beliggende ende og et bæreplanformet parti (5,6) som er anordnet radialt innad i forhold til spisspartiet, og en rekke kjølemiddelkanaler (8) som strekker seg radialt og er anordnet i det bæreplanformede parti (5,6), anordninger (12,13,14,16,17,18,20) for å tilføre væske i kanalene (8) ved radialt innad anordnede seksjoner (11) av kanalene, og anordninger (24,24,28) for å fjerne væske fra skovlen (4) og anbragt i strømningsforbindelse med radialt utad anordnede seksjoner (24) av kanalene, idet anordningene for å fjerne væske omfatter en anordning (26,27) for å begrense strømmen av damp fra kanalene inn i anordni n-gene(24,25,28) for å fjerne væske, karakterisert ved anordninger (32,35) for å fjerne damp fra skovlen (4) anbragt i strømningsforbindelse med kanalene (8) ved andre radialt innad anordnede seksjoner (33) av kanalene (8).

2. Turbinskovl ifølge krav 1, karakterisert ved at de andre radialt innad anordnede seksjoner (33) av kanalene (8) som står i strøm-ningsforbindelse med an.ordningene (32, 35) for å fjerne damp, er anordnet radialt innad i forhold til de kanalseksjoner (11) som står i strømningsforbindelse med anordningene (12,13,14,16,17,18,20) for tilførsel av væske.

3. Turbinskovl ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at anordningene(3 2,35) for å fjerne damp innbefatter et munnstykke (35) som står i damp-forbindelse med minst en del av de andre kanalseksjoner (33) og er innrettet for å fjerne damp fra skovlen (4) i en retning bakover i forhold til turbinhjulets (1) rotasjonsretning.

4. Turbinskovl ifølge krav 3, karakterisert ved at anordningene (32,35) for å fjerne damp innbefatter minst én dampmanifold (32) som står i strømningsforbindelse med i det minste en del av de andre kanalseksjoner (33) og med munnstykket (35).