CH238026A - Verfahren zum Kühlen der Schaufeln einer Turbine. - Google Patents

Description

  Verfahren zum Kühlen der Schaufeln einer Turbine.    Es ist bekannt, Schaufeln für hohe Tem  peraturen zu bauen, welche einen die mecha  nischen Beanspruchungen aufnehmenden Kern  und einen hitzebeständigen Schutzmantel  aufweisen. Es ist ferner bekannt, durch Boh  rungen innerhalb des Schaufelkernes Kühl  wasser zu leiten. Solche Schaufeln bewirken  jedoch, sofern eine gute Kühlung verlangt  wird, eine starke Wärmeableitung aus dem       Arbeitsmittelraum    in den .Schaufelkern und  von da über die Scheibe und Welle nach  aussen.  



  Wenn man nun den Schaufelmantel vom  gern durch einen Zwischenraum trennt, durch  welchen das Kühlmittel derart gefördert     wird.     dass dieses den gern umspült, dann wird die  vom gern nach der Welle abgeleitete Wärme  menge und damit das     Ableit-Temperatur-          gefälle    klein, und die Temperatur des Schau  felkernes bleibt niedrig.

   Da ferner das Kühl  mittel infolge seiner Lage zwischen dem  Schutzmantel und dem zu schützenden gern  schlecht wärmeleitend sein darf (Luft), ja  sogar bei schlechter Wärmeleitfähigkeit den    Kern auch noch     infolge    Isolierwirkung  schützt, braucht die mit dem     Kühlmittel    ab  geführte Wärme nicht sehr gross zu sein, um  den     gern    auf tiefer Temperatur zu halten.

    Durch die     Kühlmittelströmung    um den Kern       herum    wird die     Hauptableitwärme    dem gern  überhaupt nicht zugeführt, sondern es wird  diese, bevor sie in den Kern eintreten kann,  vom     güblmittel    aufgefangen und weg  geführt, und es wird erst durch diese Füh  rung der Vorteil der Trennung des tragenden  Kernes vom Schutzmantel voll ausgenützt.  Wie schon erwähnt, darf infolge der Führung  des Kühlmittels um den gern herum das  Kühlmittel eine schlechte Wärmeleitfähigkeit  aufweisen. Aus dem gleichen Grunde darf  auch die Geschwindigkeit, mit der das Kühl  mittel den Zwischenraum     durchströmt,    ge  ring sein, so dass man mit einer geringen.

         1llenge    Kühlmittel auskommen kann. Würde  dagegen das     Kühlmittel    innerhalb des Kernes  geführt, so wäre ein schlecht leitendes Gas  nicht oder nur bei sehr grossen Geschwindig  keiten wirksam.      Auf dieser Erkenntnis beruht die vorlie  gende Erfindung, welche ein Verfahren zum  Kühlen der Schaufeln einer Turbine betrifft,  welche Schaufeln einen die mechanischen     Be-          aispruchungen    aufnehmenden Kern und     einen     hitzebeständigen Schutzmantel aufweisen.  Das Verfahren nach der Erfindung besteht  darin, dass man durch einen zwischen Kern  und Schutzmantel angeordneten Zwischen  raum ein den Kern wenigstens     teilweise    um  hüllendes Kühlmittel, z.

   B. ein Gas, wie Luft,       hindurchleitet.    Durch Verwendung eines  schlecht leitenden Kühlmittels, das mit klei  nen Geschwindigkeiten strömen kann, wird  gleichzeitig eine Isolierung und eine Wärme  abführung erreicht.  



  Da bei der vorgesehenen     Kühlmittelfüli-          rung    zwischen Schaufelmantel und -kern ein  Gas gegenüber einer Flüssigkeit von Vorteil  ist, weil eben der vom Kühlmittel umgebene  Kern um so besser geschützt ist, je schlechter  die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels ist,  kann bei einer     Gasturbinenanlage    als Kühl  mittel ein Teil des Arbeitsmittels verwendet  werden, vorzugsweise Luft, die am     Kom-          pressoraustritt    oder nach einer beliebigen  Stufe des Kompressors für diesen Zweck ab  gezweigt wird, um über Welle und Scheibe  den zu kühlenden Schaufeln zugeführt zu   erden.

   Diese Luft kann beispielsweise nach  der ersten     Kompressorstufe    entnommen und  nach der Erfüllung ihrer Kühlaufgabe wieder  über die Scheibe und die Welle     zurüclZ    ins  Freie entlassen werden. Die Luft kann aber  auch einer höheren Druckstufe des     Kompres-          sors    oder dem     Kompressoraustritt    entnommen  und nach Durchströmen der Schaufel unmit  telbar in die Strömungskanäle der Turbine  entlassen werden. Dies bedingt allerdings,  dass der Überdruck an der Entnahmestelle der  Kühlluft genügend gross ist gegenüber dem  Druck an der Einführungsstelle in den Tur  binenkanal. Infolge der notwendigen geringen       Kühlluftmengen,    z.

   B. weniger als 10     g/seo.     je Schaufel, ist dies auch bei Verwendung der  Kühlluft in der ersten Turbinenstufe ohne  weiteres möglich.    Allgemein     kann    das Kühlmittel stets  einer passenden     Kompressorstufe    entnommen  werden, derart, dass der Überdruck zwischen  Entnahmestelle und     Einführstelle    gerade ge  nügt, um die erforderliche Luftmenge zu  fördern.  



  Die Austrittsöffnungen für die Kühlluft  an der     Schaufel    werden vorzugsweise so an  geordnet, dass die Relativgeschwindigkeit der  Kühlluft und des Turbinentreibmittels min  destens angenähert gleiche Richtung aufwei  sen, so dass ein Teil der Austrittsgeschwindig  keit der Kühlluft bei der Mischung mit dem  Treibmittel erhalten bleibt.  



  Da, wie bereits beschrieben, mit kleinen       Kühlluftmengen    gearbeitet werden kann,  muss besonders darauf geachtet werden, dass  sich diese nicht schon vor dem Eintritt in die  Schaufel,<B>d. 11.</B> auf dem Wege durch die  Welle und     Scheibe    zu hoch erwärmen. Es  werden daher     vorteilhafterweise    die Zufüh  rungswege der Kühlluft durch Isolation oder  Kühlung     besonders    vor starker Erwärmung  geschützt. Es können hierfür zwischen die  Zuführungswege des Kühlmittels und dem  äussern Raum Kanäle gelegt werden, die  ihrerseits ebenfalls von einem Kühlmittel be  strichen werden,     wobei    das letztere vom  Schaufelkühlmittel abgezweigt und durch die  zusätzlichen Kühlkanäle geführt werden  kann.

   Diese zusätzlichen Kanäle können  irgendwie zwischen die     Schaufelkühlmittel-          Zufuhrkanäle    und den     Heissgasraum    derart  angeordnet werden, dass sie den     Wärmefluss,     der von den Heissgasen herrührt, auffangen.  Sie können auch die     Schaufelzufuhrkanäle     unmittelbar umschliessen oder auch weiter  aussen, zwischen dem     Heissgasraum    und der  Scheibe, angebracht  -erden. In letzterem  Falle kann z.

   B. die Scheibe von einem hitze  beständigen Mantel umgeben sein und     Zii-          sa.tzkühlilittel    zwischen Scheibe und Mantel  gefördert werden.     Statt    Kühlmittel durch die       Zusatzkühlkanäle    zu fördern, können diese  auch     finit    einem Isolationsmaterial oder mit  ruhender Luft gefüllt sein und als Isolations  schichten wirken. Schliesslich können sie      zwecks besserer Isolierwirkung auch evaku  iert sein.  



  An Hand der Zeichnung, welche eine nach  dem Verfahren gemäss der Erfindung ge  kühlte Schaufel mit dem zugehörigen Rad in  einem     Achsialschnitt        (Fig.    1), in einem  Schnitt quer zur Radachse     (Fig.    2) und in  einem Schnitt nach der Linie     A-B    der       Fig.    1 zeigt     (Fig.    3), wird nun das Verfahren  beispielsweise erläutert.  



  1 bedeutet die Welle, 2 die Scheibe, 3 den  Schaufelkern und 4 den Schutzmantel, der  aus hitzebeständigem     (zunderfreiem)    Mate  rial besteht. Der Kern 3 hat die mechanische  Beanspruchung von Schaufel und Deckband  aufzunehmen. Er befindet sich innerhalb der  wärmeabführenden     Kühlmittelräume    5 und  braucht daher nur aus warmfestem oder ge  wöhnlichem Material zu bestehen. Durch die  Räume 5 wird beispielsweise Kühlluft ge  schickt.  



  Die Scheibe 2 ist von Schutzblechen 6  umgeben, die beidseitig der     Scheibe    je einen  Kanal 15 bilden, durch welchen beispiels  weise ebenfalls Kühlluft gefördert wird. Die  Kühlluft, die beispielsweise dem Kompressor  der     Gasturbinenanlage    entnommen wird, von  der die zu kühlende     Turbinenschaufelung     einen Bestandteil bildet, strömt zunächst  durch einen Kanal 8 der Welle 1 und verteilt  sich dann auf die zu kühlenden Räder, in  welchen     Radialkanäle    9, deren am Umfang  mehrere verteilt sein können, vorgesehen  sind. Die Verteilung auf die einzelnen Schau  feln erfolgt durch einen Ringkanal 10. Von  diesem aus strömt die Kühlluft durch Radial  kanäle 11 in den Schaufelfüssen, die in die  Schaufelkühlräume 5 führen.

   Nach Durch  strömen dieser Kühlräume 5 wird die Kühl  luft durch Öffnungen 12 im äussern Mantel 4  in den Turbinenraum 13 entlassen.  



  Statt die Luft in den Turbinenraum 13 zu  entlassen, kann sie auch wieder durch die  Scheibe 21 und die Welle 1 zurückgeführt  werden, wobei die     Rückführkanäle    von den       Zuführkanälen    am Umfang oder     achsial    ver  setzt sein können.    Der,     Zuführweg    der Kühlluft ist vor     star          ker    Erwärmung durch die Kanäle 14     und    die  Kanäle 15 geschützt, die alle den     Wärmefluss     vom     Heissgasraum    13 zum Kanal 9 unterbin  den sollen, Natürlich kann auch nur eine der  Gruppen von Kanälen 14 und 15 vorgesehen  sein.  



  Durch die Kanäle 14 und 15     wird    bei  spielsweise Kühlluft geführt, die bei 16 und  17 von der     Schaufelkühlluft    abgezweigt wird.  Nach Durchströmen der Kanäle 14 und 15  wird diese zusätzliche Kühlluft durch Öff  nungen 7 im     -Schutzmante,l    6 dem Heissgas  raum 13 zugeführt.  



  Durch die     zusätzlichen        Kühlluftkanäle    14  und 15     wird    eine zu starke     Vorwärmung    der       Schaufelkühlluft    vor Eintritt in den Schau  felraum 5 verhindert, so dass die Schaufele       kühlluft    ihrer Aufgabe in vollem Umfange  nachkommen kann.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zum Kühlen der Schaufeln einer Turbine, welche Schaufeln einen die mechanischen Beanspruchungen aufnehmen den Kern und einen hitzebeständigen Schutz mantel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen zwischen Kern und Schutz mantel angeordneten Zwischenraum ein den Kern wenigstens teilweise umhüllendes Kühl mittel hindurchgeleitet wird. UNTERANSPRüCHE: 1. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel ein Gas ist. 2. Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Luft ist. 3.

   Verfahren zum Kühlen der Schaufeln einer Gasturbine, welche einen Teil einer Gasturbinenanlage bildet, dadurch gekenn zeichnet, dass das Kühlmittel der Ga.s- turbinenanlage selbst entnommen wird. 4. Verfahren nach Unteranspruch 3, da durch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel dem Kompressor der Gasturbinenanlage ent nommen wird. 5. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, da.ss das Kühlmittel durch Welle und Scheibe des Schaufelrades zu- und abgeführt wird. 6.

   Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Welle und Scheibe des Schaufelrades zugeführt wird und nach Durchströmen des Schaufelhohlraumes in die Turbinenkanäle strömt, wo es sich mit dem Treibmittel der Turbine vermischt. 7. Verfahren nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für verschiedene Turbinenstufen verschiede nen Kompressorstufen entnommen wird, und zwar derart, dass die Entnahmestellen einen um den Kühlmitteldruckabfall in den Kanä len höheren Druck aufweisen als die Stellen, an welchen das Kühlmittel dem Turbinen treibmittel zugeführt wird. B.

   Verfahren nach Unteransprüchen ? und 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schutz mantel Austrittsöffnungen für die Kühlluft so angeordnet werden, dass die Relativ- geschwindigkeit der Kühlluft und diejenige des Treibmittels wenigstens angenähert gleiche Richtung aufweisen. 9. Verfahren nach Unteranspruch ?, da durch gekennzeichnet, dass je Schaufel weni ger als 10 g/sec. Kühlluft gefördert werden. 10@. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Zufuhrwege zur Schaufel mindestens teilweise isoliert werden. 11.

   Verfahren nach Unteranspruch 10, da durch gekennzeichnet, dass zur Isolation min destens ein geschlossener Luftraum verwen det wird. 12. Verfahren nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolation mindestens ein evakuierter Luftraum ver wendet wird. 13. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekemazeichnet, dass die Zufuhrwege zur Schaufel mindestens teilweise durch zu sätzliche Kühlkanäle auf tiefer Temperatur gehalten werden, durch welche ebenfalls ein Kühlrnittel durchgeleitet wird. 14.

   Verfahren nach Unteranspruch 13, da durch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Kühlkanäle zwischen den Zufuhrwegen für das Schaufelkühlmittel und dem Treibmittel- raurn liegen. 15. Verfahren nach Unteranspruch 13, da durch gekennzeichnet, dass ein Teil des zu geführten Kühlmittels vom Schaufelkühl mittel abgezweigt und durch die zusätzlichen Kühlkanäle durchgeleitet wird. 16.

   Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Scheibe des Schaufelrades von einem hitzebeständigen Mantel umgeben und zwischen Scheibe und Mantel ein Hohlraum ausgebildet wird, der dazu beiträgt, die Temperatur der Zufuhr wege zur Schaufel tief zu halten. 17. Verfahren nach Unteranspruch 16, da durch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von einem Kühlmittel durchströmt wird.