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Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine und bezieht sich auf die Ausbildung der Schaufeln und des Rotors, wobei diese durch ein ver- dampfendes Medium, z. B. Wasser, gekühlt sind.
Dadurch soll die Verwendung von Sonder- werkstoffen für Schaufel und Rotor vermieden und ausserdem ermöglicht werden, die Eintritts- temperatur hinauf zu setzen.
Die Kühlung von Gasturbinen durch strömende oder verdampfende Medien ist an und für sich bekannt, doch hat bisher insbesondere die Kühlung der Schaufeln Schwierigkeiten bereitet, da diese entweder nicht bis zu den Schaufelkanten wirksam waren oder die dazu nötigen Einrichtungen die
Festigkeit der Schaufeln unzulässig herabgesetzt haben. Auch waren die Konstruktionen vielfach nicht in der Lage, den Flüssigkeitsdruck, der durch die Fliehkraft in der Schaufel entsteht, standzuhalten.
Erfindungsgemäss wird die Schaufelkühlung mit Hilfe einer Anzahl feiner Bohrungen von zirka 1 mm Durchmesser oder weniger durchgeführt, welche parallel zur Schaufelachse in einer bestimmten Entfernung von der Oberfläche der Schaufel verlaufen. Durch diese strömt das zu verdampfende Medium von der Schaufelspitze zum Schaufelfuss. Ausserdem sind an der stärksten Stelle des Schaufelquerschnittes eine oder mehrere grössere Bohrungen vorgesehen, durch welche das Kühlmittel vom Schaufelfuss zur Schaufelspitze gebracht wird. In diesen Bohrungen findet eine Verdampfung nicht statt, da die Wärme bereits von den weiter aussen liegenden Bohrungen aufgenommen wird.
Die ganze Anordnung ist erfindungsgemäss so getroffen, dass die kleineren und die grossen Bohrungen zusammen ein Umlaufsystem ergeben, in welchem infolge der hohen Fliehkraft ausserordentlich starke Auftriebskräfte wirksam sind.
Die geschilderte Einrichtung schwächt die Festigkeit der Schaufel nur ganz geringfügig, gestattet jedoch an allen Stellen der Oberfläche eine ausserordentlich wirksame Kühlung. Die Schaufeln sind beispielsweise mittels Vor-und Rücksprungs zwischen je zwei Laufradscheiben an deren Seitenflächen befestigt. Die Laufradscheiben nehmen die auftretenden Fliehkräfte, welche von den Schaufeln herrühren, auf, sind aber nicht direkt dem Einfluss der strömenden heissen Gase ausgesetzt, sondern noch mit Kühlräume bildenden
Mantelringen umgeben. Zwischen diesen und den
Laufradscheiben findet gleichfalls eine Zirkulation des Kühlmittels bzw. eine Verdampfung desselben statt, wodurch der Mantel und die Laufräder gekühlt werden. Die Zirkulation im Rotor findet erfindungsgemäss im Sinne der Gasströmung statt.
Der gebildete Dampf wird mittels einer gleichfalls im Rotor angeordneten Kühlschlange noch innerhalb desselben kondensiert. Das gebildete Kondensat wird zur Gänze wieder dem Rotormantel zugeführt.
Es ist daher im Rotor immer dasselbe Kühlmedium vorhanden, welches in einem allseits geschlossenen Raum verdampft und kondensiert. Es muss erstmalig bei der Montage eingefüllt werden. Dieses Kühlmittel wird fernerhin Primärkühlmittel genannt.
Erfindungsgemäss sind Kontrollvorrichtungen vorgesehen, welche einen Verlust an Primärkühlmittel durch lecke Stellen u. dgl. anzeigen.
Die bereits erwähnten Kühlschlangen, welche in der Rotorachse angeordnet sind und mitrotieren, können durch ein gleichfalls verdampfendes Kühlmittel, z. B. auch Wasser niedrigeren Druckes, durchflossen werden. Letzteres, weiterhin Sekundärkühlmittel genannt, kann über eine Drehstopfbüchse nach aussen geleitet werden und der gebildete Dampf für Heiz-oder Antriebszwecke Verwendung finden.
Um die Dichtheit des ganzen Rotors zu gewährleisten, werden erfindungsgemäss die einzelnen, je einen Radkranz bildenden Schaufeln an den Stossstellen durch Dichtschweissung miteinander und mit dem Rotormantel verbunden.
Zur Erleichterung der Zirkulation innerhalb einer Schaufel besitzt diese erfindunggemäss gegen das Rotorinnere zu einen hauben-
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Der Erfindungsgegenstand ist in den Fig. 1-7 beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Rotor mit in Ansicht dargestellten Schaufeln. Fig. 2 stellt eine Laufscheibe und einige Laufschaufeln dar. Fig. 3 zeigt den Grundriss hiezu, wobei eine Schaufel im Schnitt dargestellt ist. Fig. 4 zeigt eine nach A-A der Fig. 2 geschnittene Schaufel in vergrössertem Massstab. Fig. 5 zeigt den Ansatz
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einer Schaufel nach C-C der Fig. 2 geschnitten.
Fig. 6 stellt eine Turbinenhälfte mit Rotor und Leitapparat im Schnitt dar. Fig. 7 zeigt die ganze Turbine mit Zu-und Abfuhr des Sekundärkühlmittels sowie mit der Einrichtung zur Messung des Wasserstandes des primären Kühlmittels.
In Fig. 1 zeigt 1 die erfindungsgemäss ausgebildete Schaufel, welche in den Nuten 2 der Laufradscheiben 3 mit entsprechenden Vorsprüngen 4 ihren Halt findet. Am Fuss 5 der Schaufel ist der Ansatz 6 angeschweisst, welcher in Fig. 5 im Querschnitt dargestellt ist. Den Querschnitt durch die Schaufel 1 zeigt Fig. 4.
7 sind nahe am Umfang angeordnete feine Bohrungen, welche parallel zur Schaufelachse verlaufen. In diesen strömt das Kühlmittel von aussen nach innen, gelangt dann in den Ansatz 6 und von hier in den Raum 8 zwischen den Laufradscheiben 3. Das Kühlmittel strömt von innen nach aussen durch die grössere Bohrung 9 (Fig. 4). Es wird dieser Bohrung, durch ein in dem Ansatz 6 (Fig. 5) eingeschweisstes Querrohr 10 zugeführt, welches an seinen beiden Eintrittsstellen 11 Bohrungen 12 besitzt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Bohrungen 7 ist, um Verunreinigungen von diesen fernzuhalten. Von 10 gelangt das Wasser über ein Rohrstück 13 (Fig. 1) in die Bohrung 9.
Hiebei ist vorausgesetzt, dass der in der rotierenden Trommel sich einstellende ringförmige Wasserspiegel bei 15 liege, d. h. näher zur Welle als die Bohrungen 12. Das durch 9 radial nach aussen steigende Wasser gelangt am äussersten Schaufelende in einen flachen Raum 16, der durch ein aufgeschweisstes Schaufelendstückl 7, welches dem Schaufelprofil entspricht, abgeschlossen ist. Das Kühlmittel strömt nun durch die Bohrungen 7 nach einwärts, verdampft zum Teil und tritt schliesslich durch den Ansatz 6 in den Raum 8 aus, wodurch der Kreislauf geschlossen ist. Der Primärkühlmittelkreislauf wird dadurch bewirkt, dass das Kühlmittel in den Bohrungen 7, in denen es teilweise verdampft, spezifisch leichter ist als in den Bohrungen 9, so dass der Fliehkraftdruck in den Bohrungen 7 kleiner ist als in den Bohrungen 9.
Der erzeugte Dampf gelangt durch die Bohrungen 18 in einen zentrisch gelegenen Hohlraum, in welchem Kühlschlangen 26 (Fig. 6) angeordnet sind.
Die Laufradscheiben 3 sind durch ringförmige Mäntel 19 am Aussenumfang umgeben. Die Mäntel 19 sind mit den Schaufeln 1 durch Schweissung 20 verbunden (Fig. 1). Auch die einzelnen Schaufeln jedes Kranzes sind miteinander an den Stellen 21 verschweisst (Fig. 2 und 3).
Im Ringraum 22 (Fig. 1) zwischen dem Mantel 19 und dem Aussenumfang der Laufradscheiben 3 befindet sich der ringförmige Wasserkörper im Sinne der eingezeichneten Pfeile in Strömung, da die Zufuhr des Wassers an der Stirnseite des Rotors erfolgt, wie bei Fig. 6 beschrieben ist.
Der in 22 gebildete Dampf strömt entlang der abgeschrägten Umfangsflächen der Laufradscheiben 3 gegen das weitere Ende des Raumes 22 und gelangt im Sinne der Pfeile D in den Raum 8. Von hier tritt er gemeinsam mit dem in den Schaufeln gebildeten Dampf durch die Bohrungen 18 in den zentrischen Hohlraum des Rotors ein. Die Wasserzirkulation um die Laufräder 3 wird durch radiale Nuten 23 im Fuss der Laufschaufeln (Fig. 2) sowie durch ähnliche Nuten 24 in den Laufrädern 3 ermöglicht. Die genannten Nuten sind auch in Fig. 3 dargestellt.
Die Gesamtansicht des Rotors zeigt Fig. 6.
Es ist wieder 15 der Wasserspiegel des mitrotierenden Wasserringes. Die durch die Rohransätze M-in den mittig gelegenen Hohlraum 25 strömenden Dampfmenge kondensieren an den mitrotierenden Rohren 26. Gegen die Fliehkraftwirkung sind diese durch Stützbleche 27 abgesteift, welche Öffnungen 28 besitzen, durch welche das kondensierte Kühlmittel längs der Zylinderfläche 29 bis zur Öffnung 30 strömt. Ein Rückströmen in die Bohrungen 18 wird durch das nach innen vorragende Rohrende derselben verhindert. Es gelangt demnach die Hauptmenge des Kondensates über die Bohrung 30 in den Hohlraum 31 und von hier aus in den rotierenden Wasserkörper. In der Folge strömt es über den Ringspalt 14 zur ersten Laufradreihe, weiters über 22 zur zweiten usw. bis zur letzten Laufradreihe.
Die von vorne nach rückwärts strömende Wassermenge wird um die jeweils in den Schaufelreihen und den Kühlmänteln 19 ver- dampfende Wassermenge geringer.
Der Eintritt der heissen Rauchgase in die Turbine findet bei 32, der Austritt der expandierten und abgekühlten Gase bei 33 statt. 34 sind die Leitradreihen, welche entweder ungekühlt aus Spezialmaterial oder auf geeignete Weise gekühlt ausgeführt werden können. Das Turbinengehäuse ist gleichfalls durch ein Kühlmittel, welches den Hohlraum 35 durchströmt, gekühlt.
Durch die Kühlschlangen 26 strömt ein sekundäres Kühlmittel, welches hiebei zum Teil verdampft. Der gebildete Dampf wird nach aussen abgeführt. Dies ist aus Fig. 7 ersichtlich.
Das Sekundärkühlmittel tritt durch die Rohrleitung 39 und das innen liegende Rohr 40 in die Kühlschlangen 26 ein. Der Austritt erfolgt über die Drehstopfbüchse 36 in das feststehende Gehäuse 37, wo das gebildete Dampf-Flüssigkeitsgemisch über die Rohrleitung 38 abgeführt wird.
Die Primärkühlmittelfüllung, welche im Betriebszustand durch den Spiegel 15 gekennzeichnet ist, erfolgt erstmalig vor der ersten Inbetriebsetzung. Da der Primärteil des Rotors in sich vollkommen geschlossen ist, kann ein Verlust des Primärkühlmittels nur durch Undichtheiten entstehen.
Um den Flüssigkeitsstand des Primärmittels auch im Betrieb beobachten zu können, ist erfindungsgemäss eine eigene Einrichtung vorgesehen. Diese kann beispielsweise darin be-
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stehen, dass der Dampfdruck im mittig gelegenen Hohlraum 25 mittels eines fixen Manometers 41 gemessen wird. Ausserdem wird an den Rotor an der Stelle 42 innerhalb des rotierenden Wasserringes eine Rohrleitung 43 angeschlossen, welche über die Bohrung 44 zum fixen Manometer 45 führt. Die beiden Manometer sind druckseitig voneinander durch die Stopfbüchsen 46 getrennt.
Mittels einer Drehstopfbüchse 47 wird die Fuge zwischen rotierendem Teil und feststehendem
Teil der Einrichtung gegen aussen abgedichtet.
Im Betriebszustand wird Manometer 41 auf den in 25 herrschenden Druck ansprechen, während
Manometer 45 keinen Druck anzeigen wird, denn der Dampfdruck kann nicht entgegen der
Fliehkraft die in 43 vorhandene Wassersäule überwinden. Verschiebt sich jedoch der Spiegel 15 infolge eines Wasserverlustes so weit, dass er ausserhalb der Anschlussstelle 42 zu liegen kommt, so kann der Dampfdruck über 43 auf 45 wirken und die Manometer 45 und 41 zeigen den gleichen Druck. Dies ist demnach das Alarmzeichen und die Turbine muss in diesem Fall abgestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasturbine mit wassergekühlten Laufschaufeln und Zirkulation des Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln nahe dem Profilumfang parallel zur Schaufelachse verlaufende enge, vorzugsweise in gleichen Abständen angeordnete Bohrungen besitzen, durch welche ein Kühlmittel vom äusseren
Schaufelende zum Schaufelfuss strömt, wobei die Zuströmung zum Schaufelende durch eine oder mehrere Bohrungen grösseren Durchmessers im Inneren des Schaufelquerschnittes erfolgt.