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Schaufel für Brennkrafttnrbinen.
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Formgebung'der Schaufeln von Brennkraftturbinen und beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer Schaufel, die von aus einer Düse ausströmenden Verbrennungsgasen beaufschlagt wird, in der Schaufelmulde infolge der Strahlumlenkung eine Verdichtung der Gase stattfindet, die von einer Temperaturerhöhung der Gase begleitet ist. Während die Temperatur des Gasstrahles beim Eintritt in den Schaufelkanal beispielsweise 800 C beträgt, steigt sie in der Mitte der Mulde auf 920 und nimmt beim Austritt aus dem Schaufelkanal wieder die Temperatur 800 C an, nachdem der Verdichtungsstoss sich ausgeglichen hat.
Diese Erscheinung tritt im Schaufelkanal gleich-
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Sehaufdkanal am Rücken der Schaufel entlang strömt, erfährt keinen Verdichtungsstoss und demzufolge keine Temperaturerhöhung.
Die Verbrennungsgase übertragen durch Berührung und Strahlung beim Durchströmen durch den Schaufelkanal Wärme an die Schaufel nach Massgabe ihrer Temperaturen an den einzelnen Stellen und nach Massgabe der Temperaturen der Schaufel selbst an den verschiedenen Stellen ihrer Oberfläche.
Die auf diese Weise in die Schaufel eingedrungene Wärme verteilt sich durch die Schaufel und wird zum Teil an der Schaufelspitze und an den Schaufelflanken an die Umgebung wieder ausgestrahlt oder durch Berührung infolge Wirbelung wieder abgegeben. Ein weiterer Teil der aufgefangenen Wärme wird durch den Sehaufelfluss in den Schaufeltragkranz oder die Schaufelträgerabschnitte weitergeleitet. Etwa 30 Minuten nach Inbetriebnahme einer Brennkraftturbine stellt sich ein Gleiehgewiehtszustand ein, bei welchem die Wärmezufuhr vom Verbrennungsgasstrahl zur Schaufel gleich ist der Wärmeabfuhr von der Schaufel in die Umgebung und in den Sehaufeltragkranz.
Nach Erreiehung dieses Wärmegleich- gewichtszustandes herrschen bestimmte und gleichbleibende Temperaturen in den verschiedenen Zonen der Schaufel. Verbindet man die Punkte gleicher Temperaturen durch Linien (Isothermen), so erhält man ein klares Bild über die wahren Temperaturen, welche die einzelnen Sehaufelzonen annehmen.
Dieses Bild ist weit entfernt von der Anschauung, welche den Faehkundigen auf Grund üblichen Denkens zu der Folgerung führen dürfte, dass die einzelnen Schaufelzonen im Betriebe eine gleichmässige Temperatur annehmen. Vorliegender Erfindung liegt die eigen-und neuartige, planmässig gewonnene Erkenntnis zugrunde, dass die Temperaturverteilung über die Sehaufeloberfläehe und das Schaufelinnere eine ganz bestimmte, aber äusserst unglriehartigr ist.
Die Temperaturverteilung und die ihr entsprechende Verschiedenartigkeit der zulässigen Beanspruchungen ermöglicht nämlich eine Ausbildung der Schaufel für Brennkraftturbinen, welche grundsätzlich verschieden ist von der Ausbildung der Schaufel für Dauerstromturbinen, die mit Dampf beaufsehlagt werden. Es lag bisher kein Grund vor, die Schaufeln der Brennkraftturbinen anders auszubilden als die Schaufeln für Dauerstromturbinen. Gute Strömungsverhältnisse im Sehaufelkanal und genügende Widerstandsfestigkeit gegen Biegungsbeanspruchung und gegen Beanspruchung durch Fliehkraft waren ausschliesslich massgebend.
Die neue Ausbildung der Schaufel gemäss vorliegender Erfindung ist nun grundsätzlich verschieden von der bisherigen Ausbildung der Schaufel für Brennkraftturbinen und ermöglicht unter sonst gleichen Umständen, nämlich unter gleielher Betriebssicherheit, gleichem Schaufelbaustoff, gleicher Ver-
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messer, gleicher Drehzahl je Zeiteinheit, eine wesentliche radiale Verlängeiung der Schaufel. also wesentliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Maschine (Vorteil in den Anlagekosten) oder unter gleichbleibender radialer Sehaufellänge eine Erhöhung der Gasstrahltemperatur und damit eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades.
Die neue, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ergibt nämlich die eigenartige, überraschende Tatsache, dass ganz bestimmte, abgrenzbare Temperaturzonen entstehen. Die Zone höchster Temperatur befindet sich inselartig in der Schaufelmittel, während die Zonen abnehmender Temperatur nach den Sehaufelrändern zu liegen. Von den an der Muldenoberfläche berrsehenden Temperaturverhältuissen
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scheiden die von der fliehkraft herrührenden Beanspruchungen und die vom Verbrennungsgasstrahidruck herrührenden Biegungsbeanspruchungen. Trägt man die Summe beider in einem Koordinatensystem als Ordinaten ab, während die Abszisse den Schaufelhöhen entsprechen, so erhält man eine vom Koordinatenanfangspunkt, der der Schaufelspitze entspricht, ausgehende, nach oben ansteigende Linie.
Trägt man weiter in dasselbe Koordinatensystem den Temperaturverlauf in der Mitte der Muldenoberflche und den Temperaturverlauf in der Mitte des Rückens auf, so erhält man zwei zur Abszissenachse konkav verlaufende Kurven, deren Scheitelpunkt etwa in der Mitte des wirksamen Sehaufelteiles liegt. Durch Integration über den gesamten Sehaufelquersehnitt kann eine zwischen den beiden vorerwähnten Kurven liegende Kurve ermittelt werden, welche die mittlere Temperatur in jedem einzelnen Schaufelquersehnitt angiebt. Diese mittlere Temperaturlinie ist ausschlaggebend für die Widerstandsfähigkeit der Schaufel.
Da in erster Linie die Kriechfestigkeit bei Baustoffen massgebend ist, die hohen Temperaturen aus- gesetzt werden, muss sie vorzugsweise bei der Untersuchung von Laufradsehaufeln beachtet werden. Unter Kriechfestigkeit wird dabei diejenige Belastung verstanden, die bei einer bestimmten Temperatur unend- lieh lang wirken kann, ohne dass bleibende Dehnung eintritt. Trägt man für den ermitielten Mittel- temperaturverlauf der Schaufel für einen bestimmten Baustoff die Kurve der Kneehiestigkeit in das soeben beschriebene Koordinatensystem ein, so stellt man fest, dass diese Linie der massgebenden Kriechfestigkeit zur Abszissenaehse konvex verläuft und ihr Scheitel dort liegt, wo auch der Scheitel dieser Temperaturkurve auftritt.
Der Abstand zwischen dieser Kurve und der Kurve für die Beanspruchungen aus Fliehkraft und Verbrennungsgasstrahldruek ist dann ein Mass für die Festigkeit der Schaufel gegen Kriechen.
Untersucht man nun die Schaufelformgebungen, die sich unter Beobachtung der bei Dauerstrom- turbinen massgebenden Strömungs- und mechanischen Festigkeitsverhältnissen für diese ergeben, auf
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einer Brennkraftturbine verwenden, so würde diese Schaufel nach kurzer Zeit anfangen zu kri@chen und damit die erheblichsten Betriebsgefahren und Betriebsnachteile herbeiführen.
Die vorliegende Erfindung besteht auf Grund dieser Erkenntnis darin, dass die Schaufel über das
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durch die Fliehkraft sich ergebende Mass verbreitert ist, so dass das Mittelstück der Schaufel, dessen Festigkeit infolge der hohen mittleren Temperatur, die es im Betriebe annimmt, gegenüber den mechanischen Beanspruchungen gering ist, durch die Schaufelflanken gestützt wird, welche mit wachsender Breite gegenüber dem Mittelstück geringere Temperaturen annehmen und deshalb den auftretenden mechanischen Beanspruchungen gegenüber eine grössere Festigkeit besitzen als das Mittelstuek.
Die Erfindung verwertet also die Erkenntnis, dass durch die im Mittelstück unvermeidbar auftretenden hohen Temperaturen in jedem Fall der Unterschied zwischen der Krieehfestigkeit und der
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abnehmen, durch genügende Breite der Schaufel so viel Festigkeitsreserve zwischen der Kriechfestigkeit und der wirklichen Beanspruchung zu schaffen, dass die Sehaufelflanken das Schaufelmittelstück wie
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hängung des hochbeanspruehten Schaufelmittelstückes in diesem Gerüst der niedrisbeanpruchten Schaufelflanken ausreicht.
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Fig. 5 und die Draufsicht auf den Rückenteil der flach ausgestreckten Schaufel ist Fig. 6.
Fig. 7 gibt schliesslich die massgebenden Festigkeits-und Temperaturverhältnisse der erfindungsgemäss ausgebildeten Schaufel nach den Fig. 1 bis 3 wieder.
Die in den Fig. 4-6 eingetragenen Isothermen spiegeln die Temperatureinstellung wieder, die bei Erreichung des Beharrungszustandes eintritt, wenn die Schaufel nach den Fig. 1-3 der Beaufschlagung durch Verbrennungsgasstrahlen von etwa 800 C Temperatur ausgesetzt wird. Der Verlauf der Isothermen liefert die eigen-und neuartige Erkenntnis, dass in der Schaufel ganz bestimmte, genau erkennbare Temperaturzonen entstehen. Die Zone höchster Temperatur befindet sich inselartig in der Schaufelmitte, während die Zonen abnehmender Temperatur nach den Schaufelrändern zu liegen. Von den an der Mulden- @ oberfläche herrschenden Temperaturverhältnissen unterscheiden sieh die entsprechenden Verhältnisse an der Rüekenoberfläehe. Im Schaufelfleiseh selbst findet ein bestimmter Übergang von den Temperaturen in der Muldenoberfläche zu denen an der Rückenoberfläche statt.
Errechnet man für diese Schaufel zunächst die wirklichen Beanspruchungen durch Fliehkräfte und vom Verbrennungsgasstrahldruck herrührenden Biegungskraft und trägt man die Summe der Beanspruchungen in einem Koordinatensystem so auf, dass die Abszissen den Schaufellhöhen, von der Schaufelspitze aus gemssen, die Ordinaten der Summe der Beanspruchungen entsprechen, so erhält man die Linie 1. Trägt man weiter in Fig. 7 den Temperaturverlauf entlang der Linie 1-1--II der Fig. 5 in der Mitte der Muldenoberfläche und den Temperaturverlauf entlang der Linie 11-11 der Fig. 6 in der Mitte des Rückens, jedesmal in Abhängigkeit von der Schaufelhöhe auf, so kommt man zu den Kurven 2 und 3.
Durch Integration über den gesamten Schaufelquersehnitt wird die Linie 4 ermittelt, welche also die Mitteltemperatur in jedem Schaufelquersehnitt angibt. Diese Temperaturlinie 4 ist ausschlaggebend für die Widerstandsfähigkeit der Schaufel. Da die Kricchfestigkeit bei sämtlichen Baustoffen massgebend ist, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ist auch bei vorliegender Betrachtung die Kriechfestigkeit beachtlich. Trägt man sie für einen bestimmten Sehaufelbaustoff, beispielsweise für eine Legierung von 10% Eisen, 650 Nickel, 150"Chrom und 7% Molybdän, ein, so erhält man Linie 5 in Abhängigkeit von Linie 4.
Die Schaufel nach den Fig. 1-3 darf also in ihren verschiedenen Querschnitten bis zur Linie 5 beansprucht werden. Tatsächlich wird sie nach Linie 1 beansprucht. Ungefähr in halber radialer Schaufelhöhe kommen die Linien 1 und 5 am dichtesten zusammen. Die geringste Sicherheit bietet also nicht, wie zu erwarten war, der Fussquerschnitt, sondern der Querschnitt in halber Schaufelhölle. Aufgabe der Erfindung war es also, den Abstand zwischen den Kurven 1 und 5, der ein Mass für die Festigkeitsreserve
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die Mittel zur Erhöhung stehen in keinem Verhältnis zum Erfolg.
Die Erfindung macht sich jedoch die weitere Erkenntnis zunutze, dass die Schaufelflanken im Gegensatz zum wärmeren Mittelstück mit wachsender Breite geringere Temperaturen annehmen und dass schliesslich der Schaufel Breiten gegeben werden können, bei denen die Schaufelflanken Temperaturen annehmen, die wesentlich unterhalb derjenigen liegen, bei welcher die Kriechfestigkeit überschritten wird.
Die Schaufel nach den Fig. 1-3 besitzt diese Breite, wie aus den Fig. 5 und 6 entnommen werden kann. Es wirken also die erbreiterten Schaufelflankm wie ein stütz-und Tragwerk für die inneren, inselartig hoch beanspruchten Schaufelteile, in dem diese Sehaufelteile wie in einem Skelett aufgehängt sind. Die Mittelwerte der Temperatur, welche die Schaufel im Betriebe annimmt, werden also herabgezogen, so dass hiedurch eine mittelbare Kühlung der Schaufel erhalten wird. Durch die Verbreiterung der Schaufel wird natürlich auch das Widerstandsmoment der Schaufel vergrössert, so dass sich Linie 1 gegenüber der
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zwischen den Scheitel der Linie 5 und der Linie 1 zurückzuführen.
Verzichtet man bei der neuen Schaufel auf die Erhöhung der Betriebssieherheit durch die Verbesserung der Festigkeitsreserve der Schaufel, so können ihr bei Zulassung derselben Sicherheitsspanne höhere Temperaturen zugemutet werden, so dass das Arbeitsverfahren der Brennkraftturbine verbessert und ihre Wirtschaftlichkeit gesteigert werden kann. Bei gleichen Temperatuiverhältnissen kann umgekehrt die radiale Schaufellänge vergrössert und damit die Leistungsfähigkeit der Sehaufel erhöht werden.