DE522992C - Mehrstufige Gasturbine, bei der das gasfoermige Kuehlmittel zur Arbeitsleistung herangezogen wird - Google Patents

Description

Bei Gasturbinen ist eine gute Kühlung der Schaufeln und der Laufräder besonders wichtig. Es muß eine solche Kühlung vorgesehen werden, daß die Verluste nicht zu groß werden. Ein Mittel dazu ist die Verwendung des Kühlstoffes als Arbeitsmittel. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es ist z. B. eine Turbine bekannt, bei der der Kühlstoff als Arbeitsmittel so verwendet wird, daß der Kühlstoff unter Druck zugeführt wird, sich auf den Druck im Laufradkasten ausdehnt und die dadurch erzielte Geschwindigkeit zum Durchtreiben des Kühlmittels entlang der Wand des Laufrades in die Schaufelkanäle verwendet wird, von wo der Kühlstoff durch Fliehkraft durch den Raum im Leitkranz und durch die Kanäle der Leitschaufeln auf die Laufschaufeln desselben Laufrades getrieben wird.

Derartige Ausführungen haben jedoch große Nachteile. Infolge der Führung des Kühlmittels an den Außenseiten des Laufrades entlang wird nicht die gesamte Kühlmittelmenge, durch die Laufschaufeln strömen, sondern ein großer Teil des Kühlmittels entweicht durch den Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse, ohne überhaupt zur Kühlung der Schaufeln herangezogen worden zu sein. Bei diesen bekannten Ausführungen läßt man die Druckluft vor Eintritt in. den Laufradkasten sich entspannen. Dies vermindert die Energie der Luft, wodurch wiederum der Gesamtwirkungsgrad der Turbine herabgesetzt wird.

Durch den Gegenstand vorliegender Erfindung sollen jene Nachteile beseitigt werden. Die Erfindung betrifft die Kühlung einer mehrstufigen Gasturbine, bei der die Räder und die Schaufeln durch ein gasförmiges Mittel gekühlt werden, welches sodann zur Arbeitsleistung mit herangezogen wird. Die Erfindung besteht darin, daß das Kühlmittel gleichzeitig durch das Innere jedes Laufrades und die zugehörigen hohlen Laufschaufeln der einzelnen Stufen strömt und nach Austritt aus den Laufschaufeln- sich mit den Verbrennungsgasen jeder Stufe vermischt und hierauf die Leit- und Laufschaufeln der nachfolgenden Stufen beaufschlagt, wobei das Kühlmittel in jedes Laufrad bis zum vorletzten Laufrad unabhängig von den übrigen Stufen durch je eine besondere Leitung unter einem Druck, welcher nahezu dem Druck der Verbrennungsgase gleich ist, zugeführt wird, während das letzte Laufrad sich die nötige Kühlluft in an sich bekannter Weise unmittelbar aus der Umgebung selbst ansaugt.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß nahezu die gesamte Spannung des Kühlmittels zur Leistung von äußerer Arbeit verwendet werden kann. Der Arbeitsaufwand zur Verdichtung der Luft ist verhält-

nismäßig gering, da nicht die gesamte Frischluftmenge auf den Anfangsdruck in der ersten Stufe gebracht zu werden braucht, denn die Menge des Kühlstoffes für ein Laufrad ist unabhängig von der Menge, die in einem anderen Laufrad unter einem anderen Druck eingeführt wird.

Ein Beispiel einer solchen Turbinenausführung mit drei Laufrädern ist in der Zeichnung

ίο in senkrechtem Schnitt dargestellt. Die Turbine besitzt drei Lauf räder i, 2 und 3, von welchen das erste mit zwei Geschwindigkeitsstufen ausgestattet ist, während die Räder 2 und 3 je eine Stufe haben. Durch den Turbinenkörper 10, den Deckel 9 und die im Turbinenkörper befestigten Böden 4 und 5 wird der Turbinenraum in so viele Kammern geteilt, als Laufräder vorhanden sind. In der dargestellten Turbine, sind dies die Kammern A, B und C Die Böden 4, 5 und der Deckel 9 sind entlang der beaufschlagten Fläche der Turbine mit den Kanälen D, E und F versehen, vermittels welcher das Arbeitsgas durch die Leitschaufeln 6, 7 und 8 den Schaufeln der Laufräder zugeführt wird. Die Kanäle E und F sind bis zu ■ den sie einschließenden Laufrädern verlängert, um so einem Entweichen der heißen Arbeitsgase in die Kammern .4 und B vorzubeugen und damit auch eine schädliche und überflüssige Erhitzung dieser Teile sowie der Laufräder zn verhindern. Am Ende sind die Kanäle E und F mit Schlitzen 5 versehen, durch welche, wie durch Pfeile angedeutet, das Kühlmittel aus den Räumen der Kammern .<4 und B in die Kammern E und F entweicht, wobei es erwärmt wird und gleichzeitig eine unmittelbare Berührung der glühenden Gase mit der Kanalwand dadurch verhindert wird, daß es an diesen einen kühlenden Mantel bildet. In die oberen Schlitze tritt das Kühlmittel aus den Kammern durch die Kanäle W, die zwischen der Wand der Kanäle E, F und dem Turbinenkörper 10 gebildet werden. In den Kanälen E und F wird gleichzeitig das Kühlmittel mit dem heißen Arbeitsgas vermischt und, erhitzt durch die Leitschaufeln 7 und 8, den Laufrädern zugeführt, wo es seine Energie abgibt.

Die Zuführung des Kühlmittels geschieht durch die Rohrleitungen 12, 13 und 14, z. B. von einem Vierdichter. Der Druck des Kühlmittels, unter welchem dieses in die Laufräder eingeführt wird, ist für jede Druckstufe verschieden und nähert sich dem Druck in derjenigen Kammer, in welche das Mittel aus dem Inneren der Schaufeln austritt. In das Laufrad der ersten Kammer A wird das Kühlmittel durch die Rohrleitung 12 zugeführt, wird durch ein Rohr im Turbinendeckel in die Kammer H geleitet und tritt von da durch die im Vorderteil des Laufrades befindliche öffnung K. in das Laufrad. Im Lauf rad wächst die potentielle Energie des Kühlungsmittels teilweise durch die durch die Drehung des Rades verursachte Verdichtung, so daß das Kühlmittel mit dem erforderlichen Überdruck in die Schaufeln und aus diesen in die Kammer A eintritt. In das Leitsegment 11 für die weitere Geschwindigkeitsstufe wird das Kühlmittel durch die Rohrleitung 13 unter schwachem Überdruck gegenüber dem Druck in der KammerA zugeführt, tritt durch den Kanal Z des Segmentes in die Leitschaufeln und aus diesen über eine weitere Geschwindigkeitsstufe in den Kanal f. Für das nächste Laufrad 2 wird das Kühlmittel durch die Rohrleitung 14, den im Boden 4 gebildeten Kanal/³ ins Laufrad und durch die Schaufeln in die Kammer B geleitet. Gegen Entweichen des Kühlmittels und Eindringen heißen Gases aus den Kammern A und B in die Kammern//, aus welchen das Kühlmittel ins Laufrad eintritt, sind diese durch die Stopf büchsen L und M geschützt. Das letzte Laufrad 3 ist durch Luft aus der Umgebung gekühlt, wobei das Kühlmittel vom Laufrad durch das Sieb V in den Hals J des Laufrades 3 eingesogen wird. Im Laufrad gewinnt das Kühlmittel in bekannter Weise die zu seinem Durchpressen durch die Schaufeln in die Kammer C erforderliche Energie. Die Kammer C ist am ganzen Umfang der Turbine erweitert und dient zur Abführung der Gase.

Die Kühlung des Turbinenkörpers 10 und des Deckels 9 wird dadurch ermöglicht, daß Körper und Deckel mit doppelten Wänden ausgeführt- sind, zwischen welchen Wasser hindurchfließt. Durch die Öffnungen O fließt das Wasser um die Kanäle E und F zur Kühlung der Kanäle und der Leitschaufeln. Ist die zu benetzende Oberfläche der Turbine groß, so wird die Wasserkühlung über die ganze Fläche der Böden 4 und S dadurch verlängert, daß diese mit doppelten Wänden ausgeführt werden.

Die übrigen Turbinenteile, die Welle 16, die Lager 15, die Stopfbüchsen L und M usw. sowie die Befestigung der Laufräder auf der Welle werden in bekannter Weise durchgeführt.

Die Turbine arbeitet wie folgt:

Aus der Brennkammer wird heißes Verbrennungsgas unter Druck durch den Kanal D und die Leitschaufeln 6 dem Laufrad 1 zugeführt. Sein ursprünglicher Druck wird in den Leitschaufeln teilweise in kinetische Energie umgewandelt, die in den Schaufehl des Laufrades 1 in zwei Geschwindigkeitsstufen ausgenutzt wird. Der ursprüngliche Arbeits- druck des Gases sinkt dadurch. Mit diesem

Druck oder unter kleinem Unterdruck wird durch die Kanäle 12 und 13 das Kühlmittel, Luft, Dampf o. dgl., zugeführt. Es tritt durch die Kammer H und den Kanal K. ins Lauf rad, gewinnt hier den erforderlichen Überdruck und preßt sich durch die Laufradschaufeln in die Kammern A. An den Schaufeln mischt sich das Kühlmittel mit dem Arbeitsgas, erhitzt sich und gelangt in den Kanal f.

Aus den übrigen Räumen der Kammer A tritt das Kühlmittel durch die Schlitze S gleichfalls in den Kanal E, wobei es entlang den Wänden der Kammer einen kühlenden Mantel bildet und entweicht erhitzt zusammen mit dem Arbeitsgas durch die Leitschaufeln. In diesen wird wiederum ein Teil der potentiellen Energie in kinetische umgewandelt, diese wird im Laufrad 2 in Arbeit umgesetzt, und der beschriebene Vorgang, die Mischung des Arbeitsgases mit dem Kühlmittel, wiederholt sich. Der Druck des Kühlmittels, das in das Laufrad 2 durch die Rohrleitung 14 und den im Boden 4 gebildeten Kanal P zugeführt wird, ist niedriger als der Druck in der Kamraeri und ungefähr gleich dem Druck in der Kammer B. Das letzte Laufrad wird durch Luft gekühlt, welche aus der Umgebung der Turbine unmittelbar über das Sieb V vom Laufrad 3 angesogen und durch die Energie des Laufrades aus den Schaufeln in den Auspuff getrieben wird. Die Kühlung der Leitschaufeln für die zweite Geschwindigkeitsstufe erfolgt durch Zuführung des Kühlmittels durch die Rohrleitung 13 ins Segment 11, durch den Kanal Z in die Schaufeln und von da in den Kanal f. Der Druck des Kühlmittels ist wieder angenähert gleich jenem in der Kammer A

Durch die beschriebene Anordnung ist die Benutzung hoher Arbeitsdrücke und hoher Temperaturen ermöglicht. Durch die Benutzung mehrerer Laufräder und durch die geteilte Ausnutzung der potentiellen Energie in diesen Laufrädern wird die Umfangsgeschwindigkeit erniedrigt, und damit sinkt auch die Beanspruchung des Baustoffes, wodurch die Sicherheit der Turbine steigt. Durch das Kühlmittel werden die Wände der Schaufeln sowie der anderen Turbinenteile in erträglichen Temperaturgrenzen erhalten, und dadurch, daß die potentielle Energie des Kühlmittels in den weiteren Laufrädern ausgenutzt wird, werden die Kühlverluste auf ein Mindestmaß verkleinert.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Mehrstufige Gasturbine, bei der das gasförmige Kühlmittel zur Arbeitsleistung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel gleichzeitig durch das Innere jedes Laufrades und die zugehörigen hohlen Laufschaufeln der einzelnen Stufen strömt und nach Austritt aus den Laufschaufeln sich mit den Verbrennungsgasen jeder Stufe vermischt und hierauf die Leit- und Laufschaufeln der nachfolgenden Stufen beaufschlagt, wobei das Kühlmittel in jedes Laufrad bis zum vorletzten Laufrad unabhängig von den übrigen Stufen durch je eine besondere Leitung unter einem Drucke, welcher nahezu dem Druck der Verbrennungsgase gleich ist, zugeführt wird, während das letzte Laufrad sich die nötige Kühlluft in an sich bekannter Weise aus der Umgebung selbst ansaugt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen