DE761677C - Kuehlvorrichtung fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

Bei Gasturbinen werden Räume derselben von Gasen unter Druck und von hoher Temperatur durchlaufen, wobei der in Betracht kommende Druck zwischen 6 bis io kg/cm² liegt und die Temperatur ungefähr iooo° C erreicht. Die Hauptschwierigkeit in der Ausführung von Wänden derartiger Räume liegt in ausreichendem Widerstand gegen mechanische und thermische Beanspruchungen. Es ist eine Sonderlösung dieser Aufgabe bekannt, welche darin besteht, jeden Raum mit einem Doppelmantel zu versehen, in welchem ein kaltes Mittel im Druckausgleich mit den heißen Gasen des Behälters umläuft. Hieraus ergibt sich, daß die Innenwand, welche durch die heißen Gase einer hohen Temperatur unterworfen ist, von mechanischen Beanspruchungen frei ist, unter dem Vorbehalt jedoch, daß sie sich frei ausdehnen kann, während die durch das Kühlmittel abgekühlte Außenwand infolge des inneren Überdruckes nur mechanischen Beanspruchungen unter Ausschluß thermischer Beanspruchungen ausgesetzt ist. Um hier eine zufriedenstellende Lösung zu finden, hat man in den zwischen dem Doppelmantel gelegenen Raum kalte Luft durchgeführt, besonders für die unter Druck stehenden Verbrennungskammern, wobei sich die zur Küh-

lung der Innenwand verwendete Druckluft erwärmt und schließlich an der Verbrennung teilnimmt. Ähnliche Anordnungen hat man bei Räumen in Vorschlag gebracht, die von den heißen Gasen durchströmt werden, z. B. zwischen der Verbrennungskammer und den Gasturbinen. Da sich jedoch das Kühlmittel auf seinem Durchlauf erwärmt, so ergibt sich daraus eine ungleiche Abkühlung des äußeren ίο Mantels, welche unregelmäßige Ausdehnungen und demzufolge Verformungen desselben herbeiführen kann. Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, den zwischen den Doppelwänden befindlichen Raum mit einem wärmeerzeugenden Mittel aufzufüllen und ihn mittels Durchbohrungen oder durch Röhren mit dem Raum in Druckausgleich zu bringen. Bei dieser Lösung läßt die Innenwand nur einen geringen Wärmestrom durch, da sie aber schwach gekühlt wird, kann sie eine hohe Temperatur annehmen, was für ihre gute Erhaltung nachteilig ist.

DieErfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, welche diese Übelstände beseitigt. Sie besteht darin, daß in dem Doppelmantel wenigstens ein Zwischengitter im wesentlichen parallel zu den Wänden des Doppelmantels derart angeordnet ist, daß es den Raum zwischen dem letzteren in besondere Teilzwischenräume unterteilt, deren Temperaturen von der inneren Wand nach der äußeren Wand infolge der Verringerung der Wärmeübertragung durch Strahlung oder Wärmemitführung abnehmen und der heißen Innenwand Ausdehnungsfreiheit belassen.

Sie betrifft ferner eine Verteilung der Kühlluft, wodurch der geregelte Lauf dieser Luft zwischen der kalten und der heißen Wand im umgekehrten Sinn zum Wärmefluß gewährleistet wird.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, und es ist

Fig. ι eine Gesamtansicht einer Gasturbine mit Kühlung der Räume, welche Gas unter Druck und von hoher Temperatur enthalten; Fig. 2 ist eine Teilansicht im Schnitt,

welche eine bekannte Ausführungsform eines unter Druck stehenden Frischluftumlaufes im Innern eines Doppelmantels veranschaulicht; Fig. 3, 4 und 5 zeigen Ausführungsformen

nach der Erfindung;

Fig. 6 ist eine Ansicht einer Einzelheit der

Fig. 5;

Fig. 7 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, und

Fig. 8 veranschaulicht eine Einzelheit dieser abgeänderten Anordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung einer Gasturbine umfaßt im wesentlichen einen Verdichter α für die Verbrennungsluft, eine den Verdichter antreibende Hilfsgasturbine b, eine Antriebsturbine c, welche die Xutzkraft liefert, einen Wärmeaustauscher d, der die Druckluft durch den Wärmeinhalt der Auspuffgase erwärmt, und eine mit einem Brenner Ii versehene, unter Druck stehende Verbrennungskammer e. Die Verbrennungskammer, der die Verbrennungskammer mit der Turbine b verbindende Kanal / und die Turbine b selbst bilden Räume, die heiße Gase unter Druck enthalten, und der Widerstand der Wände dieser Räume gegen die Einwirkung von Druck und hoher Temperatur kann durch das bekannte Verfahren gewährleistet werden, das aus der Anwendung eines Doppelmantels mit Frischluftumlauf unter Druck zwischen den beiden Wänden besteht. Zu diesem Zweck besteht die Verbrennungskammer aus einem heißen Innenblech 1 und einem kalten Außenblech 2, welche mit Blechen \^a und 2" verbunden sind und in dem \^rerbindungskanal der Turbine b und im Gehäuse dieser Turbine einen Doppelmantel bilden. Um den Kreislauf der Frischluft zu gewährleisten, die für den zwischen diesen beiden Wänden gelegenen Zwischenraum erforderlich ist, ist am Luftverdichter α eine Ableitung g vorgesehen. Man sieht dabei als Förderdruck für die Kühlluft einen Druck vor, der dem Leistungsverlust des durch den Wärmeaustauscher d gehenden Kreislaufes der Verbrennungsluft annähernd gleich ist. Die Kühlluft erwärmt sich fortschreitend durch Berührung mit den Innenwänden der Turbine, den Verbindungskanälen / und der Verbrennungskammern. Sie vermischt sich darauf mit der Verbrennungsluft, die in den Wärmeaustauscher d geht und an der Verbrennung in der Kammer e teilnimmt, welche durch den Brenner b mit Brennstoff versorgt wird. Es ist einleuchtend, daß die Temperatur der Kühlfrischluft auf ihrem Wege von der Gasturbine bis zur Verbrennungskammer dauernd ansteigt, die äußere Wand wird also nicht gleichmäßig gekühlt, und es ergeben sich daraus Ausdehnungen und unerwünschte Formveränderungen.

Fig. 2 veranschaulicht im Schnitt eine Einzelheit einer Ausführungsform, welche als innerer Doppelkühlmantel bekannt ist. i stellt die innere Wand und / die äußere Wand dar. Die etwa 900⁰ heißen Gase streichen durch den Kanal k in Richtung des Pfeiles f_v die kalte Luft strömt zwischen den beiden Wänden i und ; in Richtung des Pfeiles /₂, und schließlieh befindet sich die umgebende Luft bei 3 außerhalb der Vorrichtung. Die kalte Luft, die aus dem Verdichter austritt, erwärmt sich fortschreitend auf ihrem ganzen Lauf durch Leitung, Wärmemitführung und Strahlung der 'Wandt, die Kühlluft bewegt sich im allgemeinen wirbelnd, was durch Vermischung der

Strahlen des Mittels ein Ansteigen der Temperatur der Außenwand bewirkt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschränkt man gleichzeitig die Wärmemitführung und die durch Strahlung übertragene Wärme. Zu diesem Zweck ordnet man zwischen der heißen Wand i und der Außenwand / gemäß Fig. 3 eine Reihe von parallelen Gittern e_v e₂, e_s, e_A usw. an, welche den Frisch-

luftstrom in mehrere Bänder unterteilen. Das Vorhandensein dieser Gitter verringert zuerst die Wärmemitführung, da die zwischen den Gittern e_x und e₂ enthaltene Luft, die sich am meisten bei Berührung mit der heißen Wand erwärmt, sich mit der zwischen den Gittern e₂ und e₃ enthaltenen Luft nicht vermischen kann, und so fort. Außerdem ist die zwischen der heißen Wand und dem Gitter e_t vorhandene Luft der Strahlung der heißen Wand ausgesetzt. Die zwischen den Gittern e_t und e₂ befindliche Luft ist nunmehr nur der Strahlung des Gitters e_t ausgesetzt, dessen Temperatur niedriger ist als die der heißen Innenwand i. Selbstverständlich befinden sich die durch die Zwischengitter begrenzten Räume im Druckausgleich mit dem heißen Kanal derart, daß die Zwischengitter keiner mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Im allgemeinen ist die gemäß der Einrichtung nach Fig. 3 an die Außenwand übertragene Wärmemenge immer geringer als die, welche sie gemäß der Anordnung nach Fig. 2 erhält; aus diesem Grunde sinkt die Temperatur der Außenwand, und die Wärmeverluste an die umgebende Atmosphäre sind gering.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschränkt man gleichzeitig einerseits die Strahlung durch Hinzufügung von Gittern in übereinanderliegenden Schichten zwischen der Innen- und Außenwand und andererseits die Wärmemitführung, indem der Kaltluftstrom im entgegengesetzten Sinn zum Wärmestrom geleitet wird, der von der heißen zur kühlen Wand geht.

Daher wird bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Wänden eine Reihe von Gittern e_v e₂, e_s, e± angeordnet, um den Druckausgleich mit dem heißen, mit Durchbohrungen 1 versehenen Kanal zu gewährleisten. Außerdem wird die kühle Luft an zahlreichen Stellen der kalten Außenwand durch eine Rohranlage α, β, γ usw. geleitet, die an den Verdichter angeschlossen ist. Die beim Durchgang durch die Gitter durch Strahlung und Wärmemitführung angewärmte kalte Luft dringt in den heißen Kanal ein, nachdem sie die Innenwand durch eine Reihe von öffnungen α', β', / usw. durchströmte.

Natürlich können die Rohre α, β, γ durch einen zusätzlichen Mantel ersetzt werden, welcher die Wand / umgibt und die Kühlluft weiterbefördert und mit dem Raum zwischen den Wänden i und / durch in dieser letzteren Wand angebrachte Löcher in Verbindung steht.

Fig. 5 stellt eine abgeänderte Ausführungsform dieser Anordnung dar, bei welcher die übereinanderliegenden Gitter durch einen Stapel von Hohlkörpern ersetzt sind, welche aus Metallringen m oder einem feuerbeständigen Werkstoff bestehen und eine Menge kleiner Gitter bilden, welche die Strahlung vermindern und die Kühlluft leicht im entgegengesetzten Sinn zum Hitzestrom laufen lassen. Einer dieser Ringe ist alleinstehend in Fig. 6 dargestellt.

In Fig. 7 ist schließlich im Querschnitt eine andere abgeänderte Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Gitter aus gewellten Blechen η bestehen, die mit Löchern p versehen sind, während die Wellen nach verschieden geneigten Schraubenlinien derart angeordnet sind, daß die aufeinanderfolgenden Blechplatten im Abstand voneinander gehalten werden, indem die Luft durch die durch die Wellen gebildeten Kanäle streichen kann. Fig. 8 stellt die Ansicht der beiden derart übereinander angeordneten Bleche dar.

Die Kühlluft kann, wie dies bereits oben ausgeführt wurde, durch mehrere Rohre α, β, γ usw. oder durch einen die Wand / umgebenden zusätzlichen Mantel zugeführt werden.

Sie kann auch zwischen der Wand / und der ersten Wellblechplatte zugeleitet werden und strömt dann nach der Wand i in umgekehrter Richtung zum Hitzestrom, indem sie durch die Löcher^» der folgenden Blechplatten streicht.

Es leuchtet ein, daß bei dieser Ausführungsform der Erfindung die heiße Innenwand des Doppelmantels, der Gase unter Druck enthält, nur thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, und daß die Außenwand auch gleichmäßig auf einer Temperatur gehalten wird, wenn man dies wünscht, die in der Nähe derjenigen der Kühlluft liegt. Zudem erfolgt die Erwärmung der Luft während ihres Durchganges durch die Vorrichtung im umgekehrten Sinn zur Wärmeströmung, indem dadurch die Wärmemengen, welche den Außenmantel erreichen und seine Erwärmung hervorrufen könnten, verringert werden.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 4 und folgende ist kein Luftkreislauf vorgesehen, der unabhängig ist von dem durch die äußeren Luftrohre α, β, γ bewirkten Kreislauf. Man kann jedoch bei dem durch die äußeren Rohre α, β, γ usw. senkrecht zu den Wänden erfolgenden Kreislauf einen Kreislauf in der Längsrichtung überordnen, wie bei der bekannten Vorrichtung. Diese Verbindung von zwei Kühlströmen, der eine senkrecht und der

andere parallel zu den Wänden, kann vorteilhaft im Fall der Ausführung nach den Fig. 4, 5 und 6 angewendet werden.

Im Fall der Fig. 3 könnte die Wand i durchlöchert sein, um so einen Frischluftstrom nach dem Kanal k im umgekehrten Sinn zum Wärmestrom zu erreichen.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Kühlvorrichtung für die Wände oder Mantel von Gasturbinen, die mit einem von Luft oder einem anderen Kühlgas durchströmten Doppelmantel arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Doppelmantel wenigstens ein Zwischengitter (^₁, e₂) im wesentlichen parallel zu den Wänden (i, j) des Doppelmantels derart angeordnet ist, daß es den Raum zwischen dem letzteren in besondere Teilzwischenräume unterteilt,

   ao deren Temperaturen von der inneren Wand (i) nach der äußeren Wand (7) infolge der Verringerung der Wärmeübertragung durch Strahlung oder Wärmemitführung abnehmen und der heißen Innenwand Ausdehnungsfreiheit belassen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf der Luft oder des Kühlgases in dem Doppelmantel (i, j) im umgekehrten Sinn zum Wärmestrom bewirkt wird, und zwar infolge einer Zuleitung (α, β, γ), die regelbar und in der äußeren kalten Wand oder

   in den durch die Zwischengitter gebildeten aufeinanderfolgenden Kammern angeordnet ist.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 j und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ! Gitter aus einem Stapel von Ringen (w) ! bestehen, die aus einem, thermischen Beanspruchungen Widerstand leistenden Werkstoff hergestellt sind.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter aus gewellten und durchlochten Blechen (κ) bestehen, die in aufeinanderfolgenden Lagen angeordnet sind, derart, daß die Wellen in verschiedenen Richtungen verlaufen, damit sich die Bleche decken und genügend große Durchtrittsquerschnitte für die Kühlluft oder das Kühlgas bilden.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Vereinigung eines senkrecht zu den Wänden erfolgenden Kreislaufes der Kühlluft und eines parallel zu den Wänden erfolgenden zweiten Kreislaufes.

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

   Deutsche Patentschrift Xr. 696062;

   fSA.-Patentschritt Xr. 916 726.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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