DE1021644B - Blade for gas turbines with surface cooling - Google Patents

Description

DEUTSCHESGERMAN

Der Wirkungsgrad der Gasturbine ist abhängig von Druck und Temperatur des Verbrennungsprozesses, wobei der Erreichung hoher Temperaturen materialseitig eine Grenze gesetzt ist. Die Erreichung höherer Temperaturen erfordert besondere Kühlmaßnahmen bei den hoch beanspruchten Bauteilen, insbesondere bei den Leit- und¹ Laufschaufeln der Turbine.The efficiency of the gas turbine depends on the pressure and temperature of the combustion process, with a limit being placed on the material to reach high temperatures. The achievement of higher temperatures requires special cooling measures in the highly stressed components, particularly in the control and ¹ rotor blades of the turbine.

Es ist vorgeschlagen worden, die Schaufeln der Turbine als Hohlschaufel auszubilden und die Hohlräume mit einem Kühlmittel zu beaufschlagen, um dadurch die Wärme von den gefährdeten Bauteilen abzuleiten. Diese Verfahren hatten jedoch nur teilweise den angestrebten Erfolg, da die abzuführenden Wärmemengen im Vergleich zu den zur Verfügung stehenden Übergangsflächen in den Schaufeln zu groß sind. Ferner ist der zusätzliche Bauaufwand erheblich. It has been proposed to design the blades of the turbine as hollow blades and the cavities to apply a coolant to thereby remove the heat from the endangered components derive. However, these procedures only had the desired success in part, as the ones to be carried out Amount of heat too large compared to the available transition areas in the blades are. Furthermore, the additional construction costs are considerable.

Es sind bereits Kühlverfahren für Gasturbinenschaufeln bekanntgeworden, bei denen flüssiger Kraftstoff durch die porösen oder mit Kanälen versehenen Wandungen von Hohlschaufeln auf die Oberfläche der Schaufeln geleitet wird, wodurch eine Verdampfungskühlschicht gebildet wird, die die Schaufeln gegen die hohen Gastemperaturen schützen soll.There are already cooling methods for gas turbine blades in which liquid fuel through the porous or channeled walls of hollow blades onto the surface of the Blades, thereby forming an evaporative cooling layer that holds the blades against the to protect high gas temperatures.

Dieses Kühlverfahren hat schwerwiegende Nachteile, die eine betriebssichere Verwendung ausschließen. Der flüssige Kraftstoff wird durch die Zentrifugalkraft durch die Bohrungen in der Schaufelwand nach außen gedrückt. Das Durchsatzgewiclit des Kraftstoffes ist dabei abhängig vom Druck im Zentrifugalfeld des Schaufelinnenraumes, und dieser ist als Zentrifugaldruck abhängig vom Abstand der Bohrung von der Drehachse und vom Quadrat der Drehzahl. Bei den heutigen Abmessungen der Gasturbinenschaufeln treten zwischen den Flüssigkeitsdrücken der achsnahen und achsfernen Bohrungen Druckunterschiede bis zu 100 atü und darüber auf, die eine gleichmäßige Beaufschlagung der Schaufeloberfläche mit verdampfendem Kraftstoff nicht zulassen. Aus den Bohrungen treten große Kraftstoffmengen in Form von Flüssigkeitsstrahlen, vor allem an der Schaufelspitze, mit großer Geschwindigkeit aus, während im mittleren Teil und am Fuß der Schaufel geringere Kraftstoffmengen austreten. Die Folgen dieses ungleichförmigen Kraftstoffaustrittes sind hohe Verbrennungstemperaturen an den Schaufelen den und örtliche Überhitzungen des Schaufelmaterials, die gefährliche Wärmespannungen hervorrufen, die vom Schaufelmaterial nicht ausgeglichen werden können und zur Zerstörung der Schaufel führen.This cooling method has serious disadvantages which preclude reliable use. The liquid fuel is driven through the bores in the blade wall by centrifugal force pushed outwards. The throughput weight of the fuel depends on the pressure in the centrifugal field of the vane interior, and this, as centrifugal pressure, is dependent on the distance between the bore of the axis of rotation and the square of the speed. With today's dimensions of the gas turbine blades pressure differences occur between the fluid pressures of the bores close to and away from the axis up to 100 atmospheres and above, which ensures a uniform application of the blade surface Do not allow fuel to evaporate. Large amounts of fuel emerge from the holes of liquid jets, especially at the tip of the blade, at great speed while im In the middle part and at the base of the shovel, smaller amounts of fuel emerge. The consequences of this uneven Fuel leakage are high combustion temperatures on the blades and Local overheating of the blade material, which causes dangerous thermal stresses that are generated by the Blade material can not be compensated and lead to the destruction of the blade.

Ein älterer Vorschlag befaßt sich zwar ebenfalls mit der Aufgabe einer gleichmäßigen Kühlung der Schaufeloberfläche und sieht zu diesem Zweck verjüngte Kanäle im Schaufelinneren vor: bei jenemAn older proposal is also concerned with the task of uniform cooling of the Blade surface and provides tapered channels in the blade interior for this purpose: at that one

Laufschaufel für Gasturbinen
mit OberflächenkühlungBlade for gas turbines
with surface cooling

Anmelder:Applicant:

Messerschmitt A. G._r Messerschmitt AG _r

Augsburg, Haunstetter Str. 148Augsburg, Haunstetter Str. 148

Dr. Johann Endres, München-Solln,
ist als Erfinder genannt wordenDr. Johann Endres, Munich-Solln,
has been named as the inventor

älteren Vorschlag ist jedoch das spezielle Ziel die Gleichmäßigkeit der Schaufelkühlung gegenüber Änderungen der Wärmeübertragung an den verschiedenen Stellen der Schaufel; bei der vorliegenden Erfindung jedoch sollen Störungen durch das Zentrifugalfeld ausgeschaltet werden.however, the older proposal is the specific goal of the evenness of the blade cooling against changes the heat transfer at the various points on the blade; in the present invention however, interference from the centrifugal field should be eliminated.

Die Erfindung betrifft somit eine Laufschaufel für Gasturbinen mit Oberflächenkühlung, wobei die Schaufel als Hohlschaufel aus porösem Material ausgebildet ist und/oder eine von Austrittsöffnungen durchbrochene Ummantelung besitzt und wobei das Schaufelinnere einen radial verlaufenden Kraftstoffzuführungskanal besitzt, und die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die für die spezifische Kraftstoffaustrittsmenge, bezogen auf die Flächenelemente der Schaufelaußenwand, maßgebende Werte, wie beispielsweise Form des Kraftstoffkanals, Materialdichte der porösen Masse und/oder Wandstärke der porösen Masse und/oder Durchmesser der Ummantelungs-Durchtrittsöffnungen dem Zentrifugalfeld der Schaufel entsprechend derart gewählt und gegebenenfalls aufeinander abgestimmt sind, daß bei normaler Betriebsdrehzahl der Turbine die spezifische Kraftstoffaustrittsmenge über den gesamten Schaufelradius bzw. über die gesamte Schaufelfläche im wesentlichen gleich ist.The invention thus relates to a rotor blade for gas turbines with surface cooling, wherein the Blade is designed as a hollow blade made of porous material and / or one of outlet openings has perforated casing and wherein the vane interior has a radially extending fuel supply channel possesses, and the invention is characterized in that for the specific Fuel leakage, based on the surface elements of the outer wall of the vane, decisive values, such as the shape of the fuel channel, material density of the porous mass and / or wall thickness the porous mass and / or diameter of the casing passage openings the centrifugal field of the blade are selected accordingly and, if necessary, matched to one another that with normal Operating speed of the turbine the specific fuel discharge volume over the entire blade radius or is essentially the same over the entire blade surface.

Weiter lehrt die Erfindung, daß die Laufschaufel in an sich bekannter Art als Hohlschaufel aus einer äußeren durchbrochenen Blechwand besteht und wobei in an sich ebenfalls bekannter Weise das Schaufelinnere aus einer porösen Masse mit radial verlaufendem Kraftstoffzuführungskanal besteht, wobei die Durchbrechungen des Stahlblechmantels der Hohlschaufel mit Düsenbohrungen versehen sind und wo-The invention also teaches that the rotor blade in a known manner as a hollow blade from a outer perforated sheet metal wall and wherein in a manner also known per se, the blade interior consists of a porous mass with a radially extending There is a fuel supply channel, the perforations in the sheet steel jacket of the hollow blade are provided with nozzle holes and where-

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bei der innerhall) der porösen Masse des Schaufelinneren angeordnete Kraftstoffkanal sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.in the inner hall) of the porous mass of the vane interior arranged fuel channel after the Blade tip too tapered.

Ein weiterer Vorschlag der Erfindung liegt darin, daß die Laufschaufel aus porigem Vollmaterial mit innenliegendem konischem Kraftstoffkanal besteht, der sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.Another proposal of the invention is that the blade made of porous solid material with there is an internal conical fuel channel, which tapers towards the tip of the shovel.

Schließlich geht ein Vorschlag der Erfindung dahin, daß die Laufschaufel aus porigem Material mit veränderlicher und vorzugsweise radial nach außen zunehmender Materialdichte bzw. verringerter Porosität ausgeführt ist.Finally, a proposal of the invention is that the blade made of porous material with variable and preferably a material density that increases radially outwards or a reduced porosity is executed.

Eine besondere technische Möglichkeit zur Ausgleichung der unterschiedlichen Kraftstoffdrücke im Zentrifugalfeld der Schaufel besteht in der Ausführung der Laufschaufel in Schleuderguß mit nach außen zunehmender Materialdichte bzw. abnehmender Porosität des Schaufelmaterials, wodurch die Diffusionsgeschwindigkeit des Kraftstoffes über die Schaufellänge ebenfalls ausgeglichen werden kann und ein gleichmäßiger Flüssigkeitsaustritt aus der Schaufeloberfiäche erreicht wird.A special technical possibility to compensate for the different fuel pressures in the Centrifugal field of the blade consists in the execution of the rotor blade in centrifugal casting with after outside increasing material density or decreasing porosity of the blade material, whereby the diffusion speed of the fuel can also be compensated for over the length of the blade and a uniform discharge of liquid from the blade surface is achieved.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird der Kraftstoff in die Hohlschaufel und durch die Düsenkanäle bzw. die porige Wand nach außen auf die Schaufeloberfläche gedrückt, wobei sich auf der Oberfläche der Schaufel eine Grenzschicht aus Kraftstoffdampf bildet, die eine Kühlung des Schaufelmaterials bewirkt. Die angestrebte gleichmäßige Beaufschlagung der Schaufeloberfiäche mit Kraftstoff wird durch An-Ordnung verschiedener Düsenquerschnitte sowie durch die verschieden starke Wandung und außerdem durch die unterschiedliche Porosität des porigen Materials erreicht.Due to the arrangement according to the invention, the fuel is in the hollow blade and through the nozzle channels or the porous wall pressed outwards onto the blade surface, whereby on the surface The vane forms a boundary layer of fuel vapor that cools the vane material causes. The desired uniform application of fuel to the blade surface is achieved by means of an order different nozzle cross-sections as well as the different thick walls and also through the different porosity of the porous material achieved.

Mit der Kühlung der Schaufel durch Kraftstoff wird gleichzeitig durch die nachfolgende Verbrennung des Kraftstoffes im Gasstrom eine Zwischenerhitzung mit Annäherung an die Isotherme und damit eine erhebliche Leistungssteigerung erreicht.With the cooling of the blade by fuel, the subsequent combustion takes place at the same time of the fuel in the gas stream is reheated with an approach to the isotherm and thus achieved a significant increase in performance.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis des Erfindungsgedankens erforderlichen technischen Merkmale dargestellt.An example of the invention is shown in the drawing. The invention is not based on this example limited, there are only the technical necessary to understand the concept of the invention Features shown.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch die hohle Laufschaufel mit porösem Kern;Fig. 1 shows a cross section through the hollow rotor blade with porous core;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Laufschaufel aus porösem Vollmaterial.2 shows a cross section through the rotor blade made of porous solid material.

In Fig. 1 bedeutet 1 die hohle Laufschaufel aus Stahlblech, 2 die poröse Füllmasse, 3 den konischen Kraftstoffkanal, 4 den Kraftstoffeintritt, 5 die Kraftstoffdüsen, 6 die Kühlgrenzschicht, 7 die Turbinenwelle, 8, 8', 8" die Weglängen 9, 9', 9" die Abstände der Kraftstoff teilchen von der Drehachse, 10 den Zuführungskanal. In Fig. 1, 1 denotes the hollow blade from Sheet steel, 2 the porous filling compound, 3 the conical fuel channel, 4 the fuel inlet, 5 the fuel nozzles, 6 the cooling boundary layer, 7 the turbine shaft, 8, 8 ', 8 "the path lengths 9, 9', 9" the distances the fuel particles from the axis of rotation, 10 the feed channel.

Die Laufschaufel 1 ist als hohler Rotationskörper mit innerer Füllmasse 2 ausgebildet, in der ein im Axialschnitt konischer Kanal 3 angeordnet ist, der mit Kraftstoff unter Zentrifugaldruck gefüllt ist. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt über den Kanal 10 durch den Eintritt 4. Der Kraftstoff diffundiert durch die poröse Füllmasse 2 nach außen durch die Düsen 5 der Stahlblechwandung in die Kühlgrenzschicht 6. Die Weglängen 8, 8', 8" der Kraftstoffteilchen von innen nach außen sind durch die Anordnung des konischen Kanals mit den Abständen 9, 9', 9" von der Drehachse verschieden, und zwar proportional dem Kraftstoffdruck im Zentrifugalfeld. Durch Einführung der verschiedenen Weglängen wird der Einfluß des veränderlichen Zentrifugaldruckes auf die Austrittsgeschwindigkeit und das Kraftstoffdurchsatzgewicht ausgeglichen und eine gleichmäßige Beaufschlagung der Kühlgrenzschicht 6 erreicht.The blade 1 is designed as a hollow body of revolution with an inner filling compound 2, in which an im Axial section conical channel 3 is arranged, which is filled with fuel under centrifugal pressure. the Fuel is supplied via channel 10 through inlet 4. The fuel diffuses through the porous Filling compound 2 to the outside through the nozzles 5 of the sheet steel wall into the cooling boundary layer 6. The path lengths 8, 8 ', 8 "of the fuel particles inside out are due to the arrangement of the conical Channel with the distances 9, 9 ', 9 "different from the axis of rotation, namely proportional to the fuel pressure in the centrifugal field. By introducing the different path lengths, the influence of the variable becomes Centrifugal pressure on the exit speed and the fuel flow weight balanced and a uniform application of the cooling boundary layer 6 is achieved.

In Fig. 2 bedeutet 11 die Laufschaufel aus porigem Vollmaterial. 12 den konischen Kraftstoff kanal, 13 den Kraftstoffeintritt, 14 die Kühlgrenzschicht, 15 die Turbinenwelle, 16 den Zuführungskanal.In Fig. 2, 11 denotes the rotor blade made of porous solid material. 12 the conical fuel channel, 13 the fuel inlet, 14 the cooling boundary layer, 15 the turbine shaft, 16 the supply channel.

Die Laufschaufel 11 ist aus porigem Vollmaterial hergestellt und besitzt einen konischen Kanal 13 für den Kraftstoffdurchfluß über den Kanal 16 vom Kraftstoffeintritt 13 in das poröse Schaufelmaterial. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie in Fig. 1, nur mit dem L^Tnterschied, daß der Kraftstoff durch die poröse Schaufelwandung in die Kühlgrenzschicht 14 in feinster Verteilung diffundiert, und eine vollkommen gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes über die Schaufeloberfläche erreicht wird.The rotor blade 11 is made of porous solid material and has a conical channel 13 for the fuel flow through the channel 16 from the fuel inlet 13 into the porous blade material. The operation is the same as in Fig. 1, DIFFERENCE only with the L ^T that the fuel diffuses through the porous blade wall in the cooling boundary layer 14 in very fine distribution and a completely uniform distribution of the fuel is achieved on the blade surface.

Im Gegensatz zu den bekanntgewordenen Kühlsystemen wird die Kühlwärme nicht nach außen abgeführt, sondern in den inneren Gasstrom abgeleitet, wodurch Wärmeverluste vermieden werden und durch die Zwischenerhitzung ein angenähert isothermischer Verbrennungsprozeß bei entsprechender Leistungssteigerung erreicht wird.In contrast to the well-known cooling systems, the cooling heat is not dissipated to the outside, but diverted into the inner gas flow, which prevents heat losses and through the intermediate heating an approximately isothermal combustion process with a corresponding increase in output is achieved.

Ein besonderer Vorteil bei der vorliegenden Erfindung liegt in der einfachen baulichen Ausführung der Laufräder.A particular advantage of the present invention lies in the simple construction of the Impellers.

Durch das vorliegende Verfahren ist eine technische Grundlage zur Erreichung eines Verbrennungsprozesses bei Gasturbinen mit sehr hohen Temperaturen gegeben, mit dem eine erhebliche Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung \-erbunden ist.The present method provides a technical basis for achieving a combustion process given in gas turbines with very high temperatures, with which a considerable efficiency and Performance increase is bound.

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Laufschaufel für Gasturbinen mit Oberflächenkühlung, wobei die Schaufel als Hohlschaufel aus porösem Material ausgebildet ist und/ oder eine von Austrittsöffnungen durchbrochene Ummantelung besitzt und wobei das Schaufelinnere einen radial verlaufenden Kraftstoffzuführungskanal besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die für die spezifische Kraftstoff-Austrittsmenge, bezogen auf die Flächenelemente der Schaufelaußenwand, maßgebenden Werte, wie beispielsweise Form des Kraftstoffkanals, Materialdichte der porösen Masse und/oder Wandstärke der porösen Masse und/oder Durchmesser der Ummantelungs-Durchtrittsöffnungen dem Z-entrifugalfeld der Schaufel entsprechend derart gewählt und gegebenenfalls aufeinander abgestimmt sind, daß bei normaler Betriebsdrehzahl der Turbine die spezifische Kraftstoff-Austrittsmenge über den gesamten Schaufelradius bzw. über die gesamte Schaufelfläche im wesentlichen gleich ist.1. Blade for gas turbines with surface cooling, wherein the blade is designed as a hollow blade made of porous material and / or one perforated by outlet openings Has casing and wherein the vane interior has a radially extending fuel supply channel possesses, characterized in that the for the specific fuel discharge amount, based on the surface elements of the Vane outer wall, decisive values such as the shape of the fuel channel, material density the porous mass and / or wall thickness of the porous mass and / or diameter of the casing passage openings the Z-entrifugal field of the blade is selected in such a way and if necessary are coordinated that at normal operating speed of the turbine the specific fuel discharge volume over the entire blade radius or over the entire Blade area is essentially the same. 2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel in an sich bekannter Art als Hohlschaufel aus einer äußeren durchbrochenen Blechwand besteht und wobei in an sich ebenfalls bekannter Weise das Schaufel innere aus einer porösen Masse mit radial verlaufendem Kraftstoffzuführungskanal besteht, wobei die Durchbrechungen des Stahlblechmantels der Hohlschaufel mit Düsenbohrungen versehen sind und wobei der innerhalb der porösen Masse des Schaufelinneren angeordnete Kraftstoffkanal sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.2. Blade according to claim 1, characterized in that the blade is known per se Art as a hollow blade consists of an outer perforated sheet metal wall and where in Also known per se, the inner vane consists of a porous mass with a radial direction There is a fuel supply channel, the perforations in the sheet steel jacket Hollow blades are provided with nozzle bores and the inside of the porous mass of the Fuel channel arranged inside the vane tapers towards the vane tip. 3. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel aus porigem3. Blade according to claim 1, characterized in that the blade is made of porous Vollmaterial mit innen liegendem konischem Kraftstoffkanal besteht, der sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.Solid material with an internal conical fuel channel, which is after the Blade tip too tapered. 4. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel aus porigem Material mit veränderlicher und vorzugsweise radial nach außen zunehmender Materialdichte bzw. verringerter Porosität ausgeführt ist.4. blade according to claim 1 or 2, characterized in that the blade from porous material with variable and preferably radially outward increasing material density or reduced porosity. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 821 881; französische Patentschrift Nr. 924 012; »Engineering«, Bd. 176 (1953), Heft457, S.492,493.Documents considered: German Patent No. 821 881; French Patent No. 924 012; "Engineering", Vol. 176 (1953), Issue 457, pp. 492,493. Entgegengehaltene ältere Rechte:Cited earlier rights: Deutsche Auslegeschrift A 20 380 Ia/46 f (bekanntgemacht am 17. 5. 1956).German Auslegeschrift A 20 380 Ia / 46 f (published on May 17, 1956). Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings