DE1110469B - Gasturbine mit Reaktionsbeschaufelung - Google Patents

Gasturbine mit Reaktionsbeschaufelung

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DE1110469B DEP18232A DEP0018232A DE1110469B DE 1110469 B DE1110469 B DE 1110469B DE P18232 A DEP18232 A DE P18232A DE P0018232 A DEP0018232 A DE P0018232A DE 1110469 B DE1110469 B DE 1110469B
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit Reaktionsbeschaufelung, die gegen die heißen Treibgase durch eine sich wenigstens über einen Teil der Oberfläche jeder Schaufel erstreckende laminare Strömung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, das wesentlich kühler ist als die Treibgase, geschützt ist.
Der Schutz der Beschaufelung einer Gasturbine durch eine laminare Kühlströmung ist bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, die Luft, die zur Bildung der genannten laminaren Strömung dient, durch Kühlkanäle im Innern der Schaufel zuzuführen. Weiterhin ist es auch bekannt, auf der Rückseite einer gekühlten Gasturbinenschaufel stromab von der Schaufelprofilspitze einen einzigen Blasspalt für das Kühlmedium anzuordnen. Schließlich ist es bekannt, zwischen Rotor und Stator der Turbine Abdichtungsvorrichtungen vorzusehen, bei denen der durch die zusätzlichen Kühlkanäle geführte Kühlstrom oben radial aus den Schaufeln in einen Ringraum im Stator austritt.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gasturbine, welche die vorstehend genannten, an sich bekannten Merkmale in Kombination aufweist, die laminare Strömung auf der Rückseite der Schaufeln durch eine einzige Blasspalte erzeugt wird, die stromabwärts von der Schaufelprofilspitze im Bereich der infolge der Reaktion beginnenden Beschleunigung der Treibgase angeordnet ist, wobei der oben aus den Schaufeln radial austretende Kühlstrom in dem als ringförmige Auskehlung im Stator ausgebildeten Ringraum nach dem stromaufwärtigen Ende der Schaufel hingeleitet wird.
Durch die Vereinigung all dieser Merkmale wird erreicht, daß die Gasturbine einen sehr guten Wirkungsgrad hat und daß ihre Schaufeln eine große Lebensdauer besitzen. Dadurch, daß der erfindungsgemäß radial oben aus den Schaufeln austretende Kühlstrom in den als ringförmige Auskehlung im Stator ausgebildeten Ringraum nach dem stromaufwärtigen Ende der Schaufel hingeleitet wird, ergibt sich einerseits eine sehr gute Dichtung zwischen Rotor und Stator, die es erlaubt, die auf der Reaktionsbeschaufelung beruhende Beschleunigung der Treibgase genügend hoch zu wählen, um die laminare Strömung im Bereich dieser Beschleunigung auf der Rückseite der Schaufel wirbelfrei zu halten, und andererseits ein verringerter Leistungsbedarf für die Erzeugung der Kühlluft, da diese zusammen mit den von ihr nach dem stromaufwärtigen Ende der Schaufei hingeleiteten Treibgasen in der Beschaufelung nutzbringend, d. h. unter Leistungsabgabe, ausgenutzt Gasturbine mit Reaktionsbeschaufelung
Anmelder:
Robert Pouit, Asnieres, Seine (Frankreich)
Vertreter: Dipl.-Ing. R. H. Bahr
und Dipl.-Phys. E. Betzier, Patentanwälte,
Herne, Freiligrathstr. 19
Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 28. März und 10. Juli 1956
Robert Pouit, Asnieres, Seine (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden
wird. Für die Gegenstände der Ansprüche 2 und 6 wird kein selbständiger Schutz beansprucht.
In den Figuren sind eine Reihe von Ausführungsformen einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Turbine dargestellt.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Laufschaufel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenbeschaufelung;
Fig. 2V 22 und 3V 32 veranschaulichen zwei verschiedene Ausführungsformen von zwischen Rotor und Stator vorgesehenen pneumatischen Abdichtungsmitteln;
Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch eine Hochdruckstufe mit Kompression und Entspannung und Einführung von Druckluft in den Rotor zwecks Isolierung und Kühlung der Schaufeln der Turbine.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist vor der Profilspitze jeder Schaufell eine profilierte Maske2 angeordnet, die vorzugsweise aus hitzebeständigem, dünn ausgewalztem Metall, wie Nickel, besteht. Die Maske 2 bildet mit dem Schaufelkörper 1 Blasspalten 3. Durch Bohrungen 4 des Radkranzes des Turbinenrades wird Druckluft eingeblasen, die zwischen dem Schaufelkörper 1 und den Enden der Maske hindurchtritt und tangential zu dem Profil der Schaufel durch die Spalte 3 ausströmt, wodurch die Schaufelspitze wirksam gekühlt wird.
Die dargestellte Schaufel bildet mit gleichartigen weiteren Schaufeln die Beschaufelung der Turbine,
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und zwar sind die Schaufeln derart ausgebildet und zueinander angeordnet, daß sie eine Reaktionsbeschaufelung bilden, bei der insbesondere in den Zwischenräumen zwischen den hinteren Teilen der Turbinenschaufeln eine erhebliche Beschleunigung der Treibgase unter gleichzeitiger Entspannung auftritt. Diese Beschleunigung wird erfindungsgemäß zur Aufrechterhaltung einer laminaren Kühlluftströmung, insbesondere auf dem konvexen Teil (Rückenteil I2) ausgenutzt. Zu diesem Zweck wird die die laminare Strömung bildende Kühlluft auf der Rückseite der Schaufel durch eine einzige Blasspalte 6 erzeugt, die stromab von der Schaufelprofilspitze im Bereich der infolge der Reaktion beginnenden Beschleunigung der Treibgase angeordnet ist und der die Kühlluft durch einen radialen Kanal 5 zugeführt wird, der sich ebenso wie die Spalte 6 über die ganze Höhe der Schaufel erstreckt. Der Austrittsquerschnitt der Blasspalte und die Blasrichtung kann durch eine Platte 7 fein eingestellt werden.
Die Platte 7 ist vorteilhafterweise von stromaufwärts der Spalte 6 in Strömungsrichtung verlaufend angebracht, so daß diese Platte eine Abschirmung zwischen dem Körper der Schaufel und den heißen Gasen bildet, indem sie den Durchgang der Wärme abbremst und daher die Wärmeabgabe so weit verringert, daß die von dem Schaufelkörper an dieser Stelle aufgenommene Wärme durch die in den Kanal 5 strömende Luft absorbiert wird.
Zu diesem Zweck wird, wie in den Zeichnungen dargestellt, die Kühlfläche des Kanals 5 zweckmäßig durch Rippen 8, die in beliebiger Weise durch Räumen hergestellt werden können, vergrößert.
Die vom Gesichtspunkt des Wirkungsgrades bekannten Vorteile der sogenannten Reaktionsturbinen kommen aber nur dann voll zur Geltung, wenn eine gute Umfangsabdichtung zwischen dem Rotor und dem Stator vorhanden ist, die an sich um so besser wäre, je kleiner das radiale Spiel zwischen Rotor und Stator wäre. Diese Bedingung ist aber nur zu verwirklichen, wenn die radialen Ausdehnungen der Schaufeln selbst sehr gering sind und wenn, um dies zu erzielen, die Temperaturen der Schaufeln verhältnismäßig niedrig gehalten werden können.
Außer der Verringerung des radialen Spiels als Folge der niedrigen Temperatur der beweglichen Schaufeln werden zu diesem Zweck erfindungsgemäß zusätzliche Dichtmittel angewendet.
Wie aus den Fig. 1 bis 4 ersichtlich, dient wenigstens ein Teil der zur Kühlung des rückwärtigen Teils der Schaufeln verwendeten Druckluft zur Erzeugung eines Gegenstromes längs des Schaufelumfangs, der dem Strom der Antriebsgase in den durch die Schaufeln gebildeten Kanälen entgegengerichtet ist.
Der rückwärtige Teil der Schaufel besteht aus einem Hohlkörper 9, aus einer hitzebeständigen, dünn ausgewalzten Metallegierung. Durch das Innere dieses Hohlkörpers strömt in radialer Richtung Druckluft von niedriger Temperatur, die beispielsweise, wie in Fig. 2t dargestellt, durch in dem Radkranz 26 des Turbinenrades gebohrte Öffnungen 10 eingeleitet wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, können die verschiedenen Elemente, wie die Maske!, die Platte7 und der Hohlkörper 9 einerseits mit dem Schaufelkörper 1 durch Stifte 29 verbunden werden, welche die Elemente!, 7, 9 in Schlitzen 31 verkeilen, und andererseits mit dem Radkranz 26 der Turbinenräder durch Bleche 32, welche an den Teilen 2, 7, 9 rechtwinklig umgebogen sind. Diese Bleche werden an den Radkranz 26 in beliebiger zweckentsprechender Weise, beispielsweise durch Vernietung befestigt. Die Schaufeln können aus nicht hitzebeständigen, verhältnismäßig billigen Werkstoffen, wie Leichtmetallegierungen, z. B. Aluminiumlegierungen, hergestellt werden, die sich gut durch Preßguß oder Sintern verarbeiten lassen, so daß in wirtschaftlicher Weise Rotoren von geringer Trägheit, die mit großer Drehzahl umlaufen können, hergestellt werden können.
Die Abdichtung im Umfangsbereich kann z. B. gemäß den beiden in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen erfolgen.
Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 2t und 2., ist in dem Stator 11 eine ringförmige Auskehlung ausgespart, die teilweise durch einen vorzugsweise aus Graphit bestehenden Wulstkörper, der selbst aus mehreren dicht aneinander angeschlossenen Teilen besteht, die aneinander durch Schrauben 13 gehalten werden, teilweise ausgefüllt sein kann. Zwischen dem Wulstkörper 12 und den Schaufeln 1 ist ein Umfangsspaltl4 vorhanden, der sehr eng sein kann, da bei unvorhergesehenen Ausdehnungen die Schaufeln 1 in den Graphit gewissermaßen fräsend eindringen können, ohne daß dadurch ernste Schaden entstehen.
Zwischen dem Statorkörper und dem Wulst 12 ist ein leerer Ringraum 15 gebildet, über den das stromabwärtige Ende der Schaufeini mit dem stromaufwärtigen in Verbindung steht.
Die Wirkungsweise dieser Abdichtungsanordnung ist wie folgt:
Die Treibgase, die durch den Raum 14 strömen und die Leckverluste darstellen, werden durch die aus den Hohlkörpern 9 austretenden Kühlluftströme in eine Bahn verbracht, die sich der Form des vorwärtigen Teils des Wulstkörpers 12 anschmiegt, dessen Querschnitt an dieser Stelle Tangente an die Resultierende aus der Geschwindigkeit der den Spalt 14 durchströmenden Gase und der Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus den Kanälen 9 ist. Die derart gebildete Gasmischung strömt über die Ringkanäle 15 um den Wulstkörper 12 herum und wird nach stromaufwärts der Schaufeini zurückgeführt, wo sie durch den allgemeinen Strom in den Entspannungskanälen 20 zwischen der Beschaufelung mitgenommen wird, um sich zusammen mit den Treibgasen zu entspannen.
Das aus den Kanälen 9 kommende Kühlgas muß nicht nur die Gase, die in den Spalten 14 zwischen dem Stator und den Schaufeln 1 zirkulieren, sondern auch die seitlich der Spalten 14 zwischen den Schaufeln 1 befindlichen, nicht wirksam gewordenen Gase mitnehmen. Dieser Anteil an nicht entspannten Gasen stellt den wesentlichsten Teil der Verluste dar. Deshalb ist, wie in Fig. 22 dargestellt, die Austrittsstelle der Kanäle 9 erweitert, so daß die Gasstrahlen sich zwischen den Schaufehl 1 kreuzen und das zwischen den Schaufehl 1 nicht entspannte Treibgas mitreißen, so daß dieses sich in den Kanälen 20 zwischen den Schaufeln entspannen kann.
Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 31 und 32 ist in dem Stator ein ringförmiger Hohlraum 16 ausgespart, der nach der Seite des Stators hin durch die Wand 17 und nach der des Rotors hin zwischen den Schaufeini desselben durch Trennwände 18 abgeschlossen ist, die zwischen den Hohlkörpern 9 der Schaufeini befestigt sind. Der Kammer 16 wird
durch Radialkanäle 92 Druckluft zugeführt. Die Kanäle 92 verteilen diese Luft einmal durch die stromaufwärtigen Räume 14 des Laufrades unter Mitnahme der Leckgase in stromaufwärtiger Richtung, zum anderen zwischen den Schaufeini, von wo sie nach den Entspannungskanälen 20 zwischen den Schaufeln strömen und dort die Treibgase, die aus diesen Kanälen nach dem Radumfang hin austreten wollen, zurückdrücken.
Bei jeder dieser Ausführungsformen strömt die die Leckgase am Austritt verhindernde Kühlluft zusammen mit den Leckgasen in stromaufwärtiger Richtung des Turbinenrades. Hierdurch wird der größte Teil der Arbeit, die für die Kompression der Druckluft aufgewendet wurde, als Entspannungsarbeit zurückgewonnen und gleichzeitig eine Kühlwirkung auf die Hohlkörper 9 ausgeübt.
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen ermöglichen es, die beweglichen Beschaufelungen von Gasturbinen auf Temperaturen zu halten, die weit unterhalb der Temperaturen der Gase liegen, in welchen sich die Beschaufelung bewegt. Dieser Erfolg wird durch das Zusammenwirken der thermischen Isolierung der Schaufeln und der Kühlung ihrer rückwärtigen Teile erzielt. Der Druck der sowohl zur thermischen Isolierung wie zur Kühlung verwendeten Druckluft (die auch gleichzeitig die Abdichtung bewirkt) muß, weil die Temperatur der Luft niedriger ist als die der Antriebsgase, höher als der Gesamtdruck (der statische und dynamische Druck) der Treibgase sein, um durch Entspannung eine Geschwindigkeit zu erzielen, die wenigstens gleich der Austrittsgeschwindigkeit des Treibgases ist.
Die Druckluft kann einer äußeren Druckluftquelle entnommen oder durch einen Hilfskompressor, der durch die Turbine angetrieben wird, erzeugt werden, oder am besten einem oder mehreren Kompressoren entnommen werden, die in der Gesamtanlage ohnehin für die Versorgung der Brennkammer vorhanden sind. So wird bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform unter der Voraussetzung, daß die Stufe der Turbine zur Kühlung und Abdichtung mit Luft höchsten Druckes und höchster Temperatur versorgt werden soll, die Druckluft der letzten Druckstufe 21 durch Leitungen 22 entnommen, die in eine Sammelkammer 23 münden, in der sich die Hohlwelle 24 dreht. Die Druckluft tritt in den Hohlraum der Welle 24 ein und aus dieser über Radialkanäle 25, die in den Armen 27 vorgesehen sind, aus, um durch die in dem Radkranz 26 vorgesehenen Öffnungen 10 in die Schaufeini einzutreten.
Die dem Hochdruckkompressor 21 entnommene Druckluft wird vorzugsweise vor ihrer Wiedereinführung in den Rotor durch Kühlrippen 28 gekühlt. Durch die Führung in den radialen Kanälen 25 wird sie noch in für ihren Verwendungszweck vorteilhafter Weise durch Zentrifugalwirkung zusätzlich komprimiert und ihre Geschwindigkeit gesteigert.
In der gleichen Weise können die Turbinenräder der mittleren und niedrigen Druckstufen zwecks thermischer Isolierung, Kühlung und Abdichtung mit Druckluft, die der mittleren und unteren Druckstufe der Kompressoren der Gesamtanlage entnommen wird, versorgt werden.
Die Erfindung ist natürlich auch bei Gasturbinen anwendbar, denen an Stelle einer Brennkammer motorisch angetriebene Treibgaserzeuger vorgeschaltet sind.

Claims (8)

Patentansprücher
1. Gasturbine mit Reaktionsbeschaufelung, welche gegen die heißen Treibgase durch eine sich wenigstens über einen Teil der Oberfläche jeder Schaufel erstreckende laminare Strömung eines gasförmigen Mediums, das wesentlich kalter ist als die Treibgase, geschützt ist, wobei noch zusätzliche Kühlkanäle im Inneren der Schaufeln und zwischen Rotor und Stator der Turbine Abdichtungsvorrichtungen vorgesehen sind, indem der durch die zusätzlichen Kühlkanäle geführte Kühlstrom oben radial aus den Schaufeln in einen Ringraum im Stator austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die laminare Strömung auf der Rückseite der Schaufeln durch eine einzige Blasspalte erzeugt wird, die stromab von der Schaufelprofilspitze im Bereich der infolge der Reaktion beginnenden Beschleunigung der Treibgase angeordnet ist, wobei der oben aus den Schaufeln radial austretende Kühlstrom in dem als ringförmige Auskehlung im Stator ausgebildeten Ringraum nach dem stromaufwärtigen Ende der Schaufel hingeleitet wird.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rückwärtige Schaufelende aus einem Hohlkörper (9) aus dünngewalztem, hitzebeständigem Metall besteht, der mit dem Hauptkörper verbunden ist und durch den der aus der Schaufel radial austretende Kühlstrom hindurchfiießt.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Schaufelende bildende Hohlkörper (9) an dem Hauptkörper (1) mittels einer Verlängerung befestigt ist, die in einem am hinteren Teil des Hauptkörpers angebrachten Schlitz (31) durch mindestens einen Splint (29) verkeilt ist.
4. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem als ringförmige Auskehlung im Stator (11) ausgebildeten Ringraum ein Ringkörper (12), dessen Querschnitt geringer ist als der des Ringraums, angeordnet ist, wobei die äußere Wandung dieses Ringkörpers zusammen mit der Innenwandung des Ringraums einen Kanal (15) bildet, durch den die aus dem rückwärtigen Schaufelende austretende Kühlluft nach dem stromaufwärtigen Ende der Schaufel hindurchgeleitet wird.
5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Ringraum angeordnete Ringkörper aus Graphit besteht.
6. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oben an den Schaufehl angeordneten Austrittsöffnungen für den Kühlluftstrom derart geformt sind, daß ein Teil der Kühlluft nach der Seite in den Raum zwischen den Schaufehl austritt und die dort befindlichen, nicht entspannten Treibgase fortspült.
7. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtigen Schaufelenden zwischen den in ihnen vorgesehenen Austrittsöffnungen für den Kühlstrom durch Zwischenwände (18) miteinander verbunden sind.
8. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feineinstellung des Durchtrittsquerschnitts der auf der Schaufelrückseite angeordneten Blasspalte (6) eine die Spaltbreite teilweise abdeckende Platte (7) auf der Schaufel-
7 8
riickseite an einer in einer gewissen Entfernung USA.-Patentschrift Nr. 2 685 429;
vor der Blasspalte liegenden Stelle befestigt ist. A. Loschge, »Konstruktionen aus dem Dampf-
turbinenbau«, Springer-Verlag, Berlin, 1955, S. 9,16;
In Betracht gezogene Druckschriften: J. Kruschik, »Die Gasturbine«, Springer-Verlag,
Deutsche Patentschriften Nr. 858 334, 720 039, S Wien, 1952, S. 115;
491738, 386 276, 343 982; B. Eck, »Technische Strömungslehre«, Springerschweizerische Patentschriften Nr. 242 703, Verlag, Berlin, 1944, S. 149, 150;
231, 218 976; C. Zietemann, »Berechnung und Konstruktion französische Patentschriften Nr. 1 090 194, der Dampfturbinen«, Springer-Verlag, Berlin, 1930, 823; io S. 202,203;
britische Patentschriften Nr. 680581, 647 143, A. Stodola, »Dampf- und Gasturbinen«, 6. Auf-
727, 435 906, 340 421; lage, Springer-Verlag, Berlin, 1924, S. 426, 427.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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