DE1199541B - Sammler von Treibgasen fuer das Leitrad von Gasturbinen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F02c

Deutsche Kl.: 46 f- 4/02

Nummer: 1199 541

Aktenzeichen: J 227681 a/46 f

Anmeldetag: 4. Dezember 1962

Auslegetag: 26. August 1965

Die Erfindung betrifft eine vervollkommnete Ausbildung des Sammlers von Treibgasen für das Leitrad von Gasturbinen, bestehend aus dem mit Druckluft ausgefüllten Außengehäuse und dem Innengehäuse oder Leitwänden, die einen Kanal für den Durchflug von Treibgasen zur Leitbeschaufelung bilden.

Der Wirkungsgrad und die Arbeitsleistung von Gasturbinen wird in sehr hohem Maße durch die Temperatur der Treibgase, die in der Turbine expandieren, beeinflußt. Die Höhe dieser Temperatur ist durch die Lebensdauer einer Reihe von Gasturbinenteilen begrenzt, die mit den Treibgasen in Berührung kommen. Manche von diesen Teilen sind den Wirkungen hoher Temperatur und großer mechanischer Beanspruchung gleichzeitig ausgesetzt, bei anderen machen sich überwiegend die Oxydationsund Korrosionswirkungen der Verbrennungsprodukte geltend. Einer von den kritischen Gasturbinenteilen ist die Leitbeschaufelung der ersten Stufe. Ihre mechanische Beanspruchung ist zwar beträchtlich kleiner als die mechanische Beanspruchung der Laufschaufeln, dafür ist aber die Leitbeschaufelung der Wirkung der Treibgase ausgesetzt, die eine höhere Temperatur haben als die Treibgase im Laufrad. Bei der Leitbeschaufelung macht sich auch die Ungleichmäßigkeit in der Temperaturverteilung am Umfang stärker geltend, die die Ursache lokaler Temperaturspitzen und hierdurch hervorgerufener Korrosion ist. Diese Schwierigkeiten werden einerseits durch Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes am Umfang, andererseits durch Kühlung der Zylinderoder Kegelflächen, die den Zuführungskanal von Treibgasen begrenzen, oder auch durch Kühlung von Leitschaufeln selbst beseitigt.

Es ist eine Verbrennungskammer bekanntgeworden, die in ihrem Austrittsteil, knapp vor den Leitschaufeln flache Kanäle aufweist, die die ganze Breite des Eintrittszwischenringes einnehmen, und zwar ist vor jeder Leitschaufel ein Kanal angeordnet. Auf diese Weise entstehen selbständige Ströme von Treibgas und Kühlluft. Die Kühlluft wird den Kühlkanälen am äußeren Durchmesser der Verbrennungskammer aus dem Druckraum zugeführt, der das Flammrohr der Brennkammer umgibt. Ein Teil der Kühlluft wird von den Kanälen am Innendurchmesser am Ende der Verbrennungskammer durch Bohrungen abgezweigt und wird längs des Flammrohres gegen die Stromrichtung der Treibgase zurück zum Eintritt in die Brennkammer geführt. Diese Zirkulation ist durch einen Hilfsventilator ge- so sichert. Die Zahl der Kanäle stimmt mit der Zahl der Leitschaufeln überein.

Sammler von Treibgasen für das Leitrad von
Gasturbinen

Anmelder:

Dr.-Ing. Jan Jene, Prag

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,

Göttingen, Gronerstr. 37

Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Jan Jerie, Prag

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 4. Dezember 1961
(7168)

Diese bekannte Ausführung führt den Leitschaufeln Kühlluft zu. Dies geschieht jedoch durch eine andersartig gestaltete Konstruktion der Leitschaufel: An Stelle der Leitschaufeln werden in den Strom der heißen Gase Kanäle eingelegt. Diese werden zwar durch hindurchströmende Luft von innen her gekühlt, aber ihre Eintrittskanten und Seitenwände sind der Wirkung der Verbrennungsgase voll ausgesetzt. Damit wird die schnelle Zerstörung der Leitschaufeln durch die schnelle Zerstörung der Wände der Kanäle ersetzt, also nicht viel gewonnen. Die Bohrungen dienen nur zur Erzielung einer Zirkulation der Kühlluft um das Flammrohr, sie stehen in keinem Zusammenhang mit der Kühlung der Leitschaufeln.

Eine andere bekannte Anordnung weist ein Flammrohr auf, dessen Wandungen durch Luft gekühlt werden, die durch Löcher einer einzigen Größe aus dem mit Druckluft gefüllten, das Flammrohr umgebenden Raum in das Flammrohr eintreten. Zur Sicherstellung einer zufriedenstellenden Kühlluftschicht innerhalb des Flammrohres sollte die Luft im Idealfall durch eine Öffnung, welche sich vollständig ringförmig über den Umfang erstreckt, in das Flammrohr eintreten. In der Praxis würde es schwierig sein, wegen der Wärmeausdehnung des Flammrohres die genaue Dimensionierung einer solchen Öffnung aufrechtzuerhalten, und es wird daher die Verwendung von mindestens zwei Reihen kreis-

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förmiger Öffnungen vorgezogen, welche relativ so stimmter Weise vor den Leitschaufeln vorgesehen

zueinander versetzt sind, daß sie in der Tat einen werden, wird eine größere Geschwindigkeit erzielt

vollständigen Ring bilden. Dieser Kühllufteintritt ist und damit erreicht, daß auch weit von den Wan-

so bemessen, daß die axiale Geschwindigkeit des düngen entfernt liegende Teile der Leitschaufeln von

durch ihn hindurchgehenden Luftstromes beispiels- 5 der Kühlluft umspült werden.

weise bei voller Belastung annähernd die gleiche und Es ist zweckmäßig, daß die die Kühlluft zuführenauf jeden Fall nicht größer ist als die axiale Ge- den Bohrungen in der Wand des Sammlers mit beschwindigkeit des Verbrennungsstromes in dieser kannten Rohrstutzen versehen sind, die den Luft-Randzone. Die einheitliche Größe der Kühlluftdurch- strom in die durch die Leitkante der Leitschaufel laßöffnungen hat also ihre besondere Bedeutung: io laufende Ebene orientieren, oder daß die die Kühl-Nur wenn die Kühlluftöffnungen eine bestimmte luft zuführenden Bohrungen in der Wand des Samm-Größe nicht übersteigen, ist es gewährleistet, daß die lers mit bekanntem Ablenker versehen sind, die zur Kühlluft filmartig als dünne Schicht die Wandungen Ausnutzung der kinetischen Energie der Druckluft der Innenseite des Flammrohres umspülen. Öffmm- dienen, die zwischen dem Außengehäuse des Sammgen von der Größenordnung von 1,6 mm haben zu- 15 lers und seinem Innengehäuse oder seiner Leitwand friedenstellende Resultate gezeitigt. Neben den Kühl- strömt.

öffnungen im Flammrohrmantel sind am Ende dieses Die Größe der Bohrungen bleibt entweder an allen Mantels weitere Öffnungen von anderer Größe vor- Stellen dieselbe oder sie ändert sich in der Strömungsgesehen. Diese dienen aber nicht der Kühlluft- richtung der Treibgase, grundsätzlich sind aber die zuführung, sondern dem Eintritt von Mischluft. Diese ao Bohrungen immer an der Stromlinie angebracht, Vorrichtung zeigt keine Leitschaufeln. durch die der den Schaufelrücken und den -Unterteil

In anderen Ausführungen von Flammrohren sind umströmende Strom geteilt wird. Das Prinzip der ErBohrungen mit eingesetzten Rohrstutzen zur Orien- findung ändert sich aber weder mit der Form der tierung des Luftstromes in Brennkammerinnenwan- Bohrungen noch durch die Einlegung entsprechender düngen sowie die Ausstattung von Bohrungen mit 25 Ablenker in die Bohrungen oder durch den Anschluß Ablenkern bekanntgeworden. von Düsen oder Stutzen, die entweder in den Druck-

Die vorliegende Erfindung schafft eine äußerst ein- luft- oder in den Treibgasraum eingreifen,

fache und dabei sehr wirkungsvolle Kühlvorrichtung Ein Ausführungsbeispiel des Gasturbinenleitrades

für die Leitschaufeln einer Gasturbine. gemäß der Erfindung ist in den Zeichnungen dar-

Die Erfindung geht aus von einem Sammler von 30 gestellt. Es zeigt

Treibgasen für das Leitrad von Gasturbinen, be- F i g. 1 einen durch die Rotationsachse laufenden

stehend aus einem mit Druckluft gefüllten Außen- Schnitt,

gehäuse und einem Innengehäuse, wobei vor jeder F i g. 2 und 3 abgewickelte Zylinderschnitte; in den

Leitschaufel eine Zuführung von Kühlluft angeord- F i g. 4 bis 12 sind Beispiele verschiedener Gestal-

net ist. 35 tungen der Bohrungen für die Luftzuführung in die

Die Erfindung besteht darin, daß das Innengehäuse Triebgase veranschaulicht.

oder die Leitwand des Verteilers vor jeder Leit- In dem in F i g. 1 dargestellten Teil einer Gasschaufel mit einer oder mehreren die Kühlluft zu- turbine ist eine der Leitschaufeln 1 gezeigt, die vom führenden Bohrungen versehen ist, die in der Strom- Außenring 2 und vom Innenring 3 getragen werden, linie liegen, durch die die den Rücken und den 40 Der Außenring 2 ist im Eintrittsgehäuse 4 zentriert, Unterteil der Leitschaufel umströmenden Treibgase das durch ein Zwischenstück 5 mit dem Träger der geteilt werden, wobei der Abstand der genannten folgenden Turbinenstufe 6 verbunden ist. Der Deck-Bohrungen von der Leitkante der Schaufeln das Dop- ring 7 der Laufbeschaufelung erster Stufe bildet pelte von deren Teilung nicht übersteigt. gleichzeitig den Eintrittskanal des Leitrades zweiter

Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, daß sich die 45 Stufe. Der Innenring 3 ist mittels Laschen 8 und 9 Durchschnitte der die Kühlluft zuführenden Boh- in den Innenteil des Gehäuses 10 eingemittet. Gerungen in der Wand des Sammlers mit dem steigenden meinsam mit dem Ring 2 ist in das Gehäuse 4 auch Abstand der genannten Bohrungen vor der Leitkante der Außenteil 11 des Eintrittssammlers des Leitrades der Leitschaufel vergrößern. eingemittet. Ähnlich ist gemeinsam mit dem Ring 3

Gemäß der Erfindung werden schädliche Wirkun- 50 in den Innenteil des Gehäuses 10 auch der Innenteil gen glühender Treibgase also dadurch besonders 12 des Eintrittssammlers des Leitrades zentriert,
wirksam beseitigt, daß man in dem Strom derselben In der Wand des Sammlers 11 sind in drei Reihen vor jeder Leitschaufel eine Zone mit beträchtlich Bohrungen 13 a, 13 b, 13 c angeordnet. Ähnlich beherabgesetzter Temperatur und Konzentration von finden sich in der Wand des Sammlers 12 Bohrun-Korrosionskomponenten bildet. Dadurch sinkt die 55 gen 14 a, 14 b, 14 c. Aus F i g. 2, die den abgewickel-Temperatur der Leitschaufeln wesentlich, es sinken ten Zylinderschnitt durch das beschriebene Leitrad auch die Temperaturgradienten in derselben und ent- darstellt, ist gut zu ersehen, daß die Bohrungen 14 a, sprechende Zusatzspannungen, weiter vermindert 14 b, 14 c in der Stromlinie 15 angeordnet sind, die sich die Bildung von Ansätzen an den Schaufeln und das den Rücken und den Unterteil der Leitschaufel 1 es wird die Korrosion der Schaufelwerkstoffe be- 60 umströmende Medium teilt. Im bezeichneten Beispiel grenzt. ist eine Strömung im Sammler ohne Rotations-Die Erfindung hat im Gegensatz zu bekannten komponente und mit gleichmäßiger Geschwindigkeits-Vorrichtungen ungleich große Löcher in den Wan- verteilung dargestellt. Deshalb sind die Stromlinien düngen des Verbrennungsraumes angeordnet. Die 15 gleichlaufend, und die Bohrungen 13 bzw. 14 sind Erfindung hat sich von der Lehre gelöst, Kühlluft 65 in einzelnen Reihen a, b, c gleichmäßig verteilt,
dürfe nicht mit größerer Geschwindigkeit als der Der Raum zwischen dem Gehäuse 4 bzw. 10 und Geschwindigkeit im Flammrohr in dieses eintreten. der Wand des Sammlers 11 bzw. 12 ist mit Luft Gerade dadurch, daß auch größere Öffnungen in be- von absolutem Druck ausgefüllt; dieser Druck liegt

immer höher als der absolute Druck der Treibgase im Innern des Sammlers. Infolgedessen strömt diese Luft durch die Bohrungen 13 a, 13 b, 13 c, 14 a, 14 b, 14 c in die Treibgase ein und bildet so vor der Leitkante der Leitschaufeini eine Zone von Gasen mit erniedrigter Temperatur und verringerter Konzentration von Korrosionskomponenten.

In der ein anderes Ausführungsbeispiel des Leitrades gemäß der Erfindung im abgewickelten Zylinderschnitt darstellenden Fi g. 3 bedeutet 16 ein Gehäuse der Treibgassammler, 17 Mantel der Verbrennungskammern, 18 Flammrohre, 19 Innengehäuse der Sammler, 20 Innenringe des Leitrades und 21 Leitschaufeln. Im Innengehäuse des Sammlers befinden sich Bohrungen 22 α, 22 b, 22 c, die in den Stromlinien 23 angebracht sind. Da die Stromlinien 23, durch die die den Rücken und den Unterteil der Leitschaufeln 21 umströmenden Treibgase geteilt werden, gekrümmt sind, haben die Bohrungen 22 in den einzelnen Reihen a, b, c keine gleichmäßig geteilte Teilung. Die Zahl derselben gleicht der Zahl der Leitschaufeln nur in der Reihe α, wogegen in den Reihen b und c die Zahl der Bohrungen kleiner ist als die Zahl der Leitschaufeln. Eine nachträgliche Luftzuführung in die Treibgase ist durch Bohrungen 25 im radial angeordneten Wandteil 19 gesichert. Diese Anordnung wird deshalb benutzt, weil die Grenzstromlinie 26, die das den Rücken und den Unterteil der Schaufel 21 umströmende Medium teilt, von der Abfließkante der Wand 19 ausgeht.

Die beschriebenen Bohrungen für die Luftzuführung in die Treibgase können eine runde Form haben, wie in F i g. 2 und 3 ausgeführt ist. Für die Bildung einer ununterbrochenen Zone von kälterem Medium mit kleiner Oberfläche kann aber auch eine ovale, in Fig.4 dargestellte Form von Bohrungen oder eine in F i g. 5 dargestellte Tropfenform vorteilhafter sein. Falls die Differenz zwischen den Luft- und Treibgasdrücken klein ist, kann die Anordnung von Bohrungen nach F i g. 6 und 7 bzw. 8 und 9 zur wesentlichen Steigerung der Lufteinströmungsgeschwindigkeit in die Treibgase dadurch beitragen, daß sie eine Teilausnutzung kinetischer Druckluftenergie sichert.

Eine beträchtliche Orientierung der Druckluftströme in die durch die Leitkante von Leitschaufeln laufende Ebene kann durch Einsetzen von Rohrstutzen nach F i g. 10 in einzelne Bohrungen in den Wänden des Sammlers erreicht werden. Wenn vor einem solchen Rohrstutzen die Hilfsluftzufühmng so angeordnet wird, daß man in die ovale Bohrung einen runden Rohrstutzen einlegt, wie in Fig. 11 und 12 dargestellt ist, erreicht man nicht nur eine vollkommene Orientierung des Kühlluftstromes, sondern auch eine volle Auskühlung des Rohrstutzens.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Sammler von Treibgasen für das Leitrad von Gasturbinen, bestehend aus einem mit Druckluft gefüllten Außengehäuse und einem Innengehäuse, wobei vor jeder Leitschaufel eine Zuführung von Kühlluft angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse oder die Leitwand (11,12) des Verteilers vor jeder Leitschaufel (1, 21) mit einer oder mehreren die Kühlluft zuführenden Bohrungen (13 0,13 b,

13 c; 14 a, 14 ö, 14 c; 22 α, 22 b, 22 c) versehen ist, die in der Stromlinie (15,23,26) liegen, durch die die den Rücken und den Unterteil der Leitschaufel (1, 21) umströmenden Treibgase geteilt werden, wobei der Abstand der genannten Bohrungen von der Leitkante der Schaufeln das Doppelte von deren Teilung nicht übersteigt.

2. Sammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Durchschnitte der die Kühlluft zuführenden Bohrungen (13 a, 13 b, 13 c;

14 a, 14 b, 14 c; 22 a, 22 b, 22 c) in der Wand des Sammlers (11,12) mit dem steigenden Abstand der genannten Bohrungen vor der Leitkante der Leitschaufel (1) vergrößern.

3. Sammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kühlluft zuführenden Bohrungen (13 α, 13 b, 13 c; 14 a, 14 b, 14 c; 22 a, 226,22c) in der Wand des Sammlers (11,12) mit bekannten Rohrstutzen versehen sind, die den Luftstrom in die durch die Leitkante der Leitschaufel (1) laufende Ebene orientieren.

4. Sammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kühlluft zuführenden Bohrungen (13 a, 13 b, 13 c; 14 a, 14 b, 14 c; 22 a, 226, 22 c) in der Wand des Sammlers (11, 12) mit bekannten Ablenkern (Fig. 10,11,12) versehen sind, die zur Ausnutzung der kinetischen Energie der Druckluft dienen, die zwischen dem Außengehäuse des Sammlers und seinem Innengehäuse oder seiner Leitwand strömt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 961 672;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1060 667;

deutsche Auslegeschrift L 172661 a/46 f (bekanntgemacht am 8. 12.1955);

schweizerische Patentschriften Nr. 310 036,
791;

britische Patentschrift Nr. 853 108.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 658/147 S. 65 © Bundesdruckerei Berlin