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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für thermosiphongekühlte Kompressor-
oder Turbinenschaufeln einer Gasturbine, bei dem die Schaftteile der Schaufeln durch
ein von einer besonderen Kühlmittelquelle geliefertes Kühlmittel rückgekühlt werden.
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Von einer wirksamen Kühlung der Schaufeln hängt die maximale Temperatur
ab, mit der der Kompressor bzw. die Turbine betrieben werden kann. Andererseits
ist bei den bekannten Kühlsystemen der genannten Art die Rückkühlwirkung meist dadurch
beschränkt, daß das Kühlmittel selbst verhältnismäßig warm ist. So hat beispielsweise
die für Triebwerke von Überschallflugzeugen als Kühlmittel zur Verfügung stehende
Stauluft eine ziemlich hohe Eigentemperatur, die bei der Verdichtung noch erhöht
wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Turbinenkühlsystem der eingangs
angegebenen Art zu schaffen, welches auch ein heißes Medium als Rückkühlmittel verwenden
und einen Teil der darin enthaltenen Energie wieder in das System einbringen kann.
Bei dem Rückkühlmedium kann es sich um Luft handeln, die durch einen Einlaß einströmt
und deren Energie zum Teil in nutzbringende Arbeit umgewandelt wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Schaftteile -der
Kompressor- oder Gasturbinenschaufeln Kühlturbinenschaufeln tragen und daß erste
Expansionsdüsen vorhanden sind, die das von der Kühlmittelquelle gelieferte Kühlmittel
gegen die Schaftteile richten, und daß jeder ersten Expansionsdüse wenigstens eine
zweite Expansionsdüse zugeordnet ist, die das Kühlmittel nach Passieren der Kühlturbinenschaufeln
erneut gegen die Kühlturbinenschaufeln richtet.
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Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes zeigt
die Zeichnung, und zwar zeigt F i g. 1 eine teilweise schematische Darstellung eines
Kühlsystems unter Verwendung einer Kühlturbine auf jeder Seite der Rotorscheibe
am Schaftteil der tragflächenförmigen Schaufel, F i g. 2 eine teilweise schematische
Darstellung eines Schnittes nach Linie 2-2 in F i g. 1, woraus sich die Rückführung
des Kühlmediums ergibt, F i g. 3 eine teilweise schaubildliche Ansicht der Konstruktion,
F i g. 4 eine Darstellung ähnlich F i g. 1 einer abgeänderten Ausführungsform der
Schaufelschaftteile der Turbine, F i g. 5 ein Schnitt ähnlich F i g. 2, wodurch
schematisch ,die Rückführung des Rückführmediums bei der Ausführung nach F i g.
4 dargestellt ist, und F i g. 6 eine teilweise schaubildliche Darstellung der Ausführungsform
nach den F i g. 4 und 5, woraus die fluchtende Verlängerung der tragflächenförmigen
Schaufel ersichtlich ist.
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F i g. 1 zeigt eine gängige Anwendung des Kühlsystems gemäß der Erfindung
in schematischer Darstellung. Die Rotorscheibe 10 kann, wie dargestellt,
aus einer einzigen Scheibe bestehen, welche an ihrem Umfang zweckmäßig getrennte
tragflächenförmige Schaufeln 11 trägt. Bei den Schaufeln 11 kann es sich um Kompressorschaufeln
oder um Turbinenschaufeln handeln. Für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung
sei angenommen, daß es sich um Turbinenschaufeln handelt. Die Turbinenschaufeln
11 sind in üblicher Weise in einem Kanal 12 angeordnet, der in der durch Pfeile
angegebenen Richtung von einem heißen Medium durchflossen ist, das auf die Schaufeln
11 trifft und an diese Energie abgibt, wodurch die Scheibe 10 angetrieben wird.
Vor den Schaufeln 11 befindet sich eine düsenartige Leit- oder Zwischenwand 13,
während hinter ihnen die üblichen Verstrebungen oder Statorschaufeln 14 angeordnet
sind. Der Strom des heißen Hauptmediums, welches über die Schaufeln 11 fließt, kommt
in üblicher Weise aus einer oberhalb der Turbine angeordneten Verbrennungskammer.
Wenn es sich bei den Schaufeln 11 um Kompressorschaufeln handelt, so kann es sich
bei der heißen Luft, die durch den Einlauf zuströmt, um reine Stauluft handeln,
die sich infolge der hohen Geschwindigkeit auf hoher Temperatur befindet.
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Die Schaufeln 11 sind an der Scheibe 10 mittels des üblichen Schaftteils
15 befestigt, welcher mit der bekannten tannenförmigen Anordnung versehen sein oder
andere Befestigungsmittel aufweisen kann.
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Um die aus dem heißen Gasstrom in dem Kanal 12 aufgenommene Wärme
abzuführen, ist jede einzelne Turbinenschaufel 11 mit einer Vielzahl von
inneren abgeschlossenen Thermösiphons ausgerüstet, von welchen zwei dargestellt
und mit 16 bezeichnet sind. Die Thermosiphons können aus verschlossenen Rohren mit
Flüssigkeiten und vorzugsweise mit einem flüssigen Metall bestehen. Die Flüssigkeiten
bzw. das flüssige Metall kommen zum Kochen und verdampfen in bekannter Weise und
leiten so die Wärme an den Schaftteil 15 ab. Diese Konstruktion ist an sich bekannt.
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Um nun eine wirksame Kühlung der Schaufeln 11
zu erzielen, und
zwar auch mit einem Medium, das verhältnismäßig heiß ist, und um gleichzeitig Energie
wiederzugewinnen, sieht die Erfindung die Verwendung von Turbinenschaufeln 17 an
jedem Schaftteil jeder Schaufel vor. Der Schaftteil mit den Schaufeln 17 liegt außerhalb
des Weges des heißen Haupstromes in dem Kanal 12 und ist davon getrennt. Die Beschaufelung
des Schaftteiles kann aus einer Kühlturbine bestehen, die .deutlicher in F i g.
3 dargestellt ist. Demnach hat die Beschaufelung der Schaftteile individuelle Schaufeln
18 von gekrümmtem Verlauf an der Seite der Rotorscheibe 10 in dem Schaftteil
15. Zur Kreislaufrückführung ist ein umgebendes Gehäuse 19 vorgesehen, welches sich
nahe dem Schaftteil befindet. Das Gehäuse hat Düsen 20, welche ein heißes Medium
durch die Schaufeln 18 leiten, wo das Medium, wie aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich,
im Kreislauf geführt wird. Dabei expandiert das Medium durch eine zweite Düse 21.
und durch die Schaufeln 18. Ferner können so viele zusätzliche Schaufeln vorhanden
sein, wie das System erfordert, um die in einem zweiten durch die Düse 20 eingeführten
Medium enthaltene Wärmeenergie herauszuziehen. Dieses zweite Medium kann ein heißes
Medium, wie z. B. Stauluft von hoher Temperatur oder auch Luft, sein, die von einer
stromaufwärts angeordneten Kompressorabteilung geliefert und unter Umständen anderswo
für Kühlzwecke verwendet wurde. Es ist wesentlich, den Rückumlauf des zweiten Mediums
durch die Tubinenschaufeln 18 zu beachten, weil dieses Merkmal eine wesentliche
Herausziehung von Energie gestattet, die in der nachfolgend beschriebenen Weise
als Wellenleistung an das System zurückgeliefert wird. Nach geeignetem Umlauf kann
das zweite Medium dann durch eine Leitung 22 sowie durch die Düsenabteilung 13 zum
Zweck der Kühlung irgendeines anderen Maschinenelementes zurückgeleitet
werden.
Alsdann kann das Medium, wie durch die Leitung 23 schematisch dargestellt, ausströmen,
wobei es in den Strom der hinten folgenden Hauptstrahldüse der Maschine, die nicht
dargestellt ist, eingebracht werden kann. Das Medium gelangt damit als zusätzliche
Masse in das Haupstrahlsystem.
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Auf der entgegengesetzten Seite der Rotorscheibe kann zusätzlich ein
gleiches Turbinensystem vorgesehen sein, so daß das gleiche zweite Medium an beiden
Seiten der Rotorscheibe zugeführt wird, wobei es auf der gleichen Seite, auf der
es eintritt, auch austritt. Die Energie wird dadurch mittels zweier Turbinensätze
abgezogen. In jedem Fall ist bei dem Umlauf durch die Turbinenschaufel
18 wenigstens ein Durchgang oder, in anderen Worten, es sind zwei oder mehr
Durchgänge erforderlich.
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Der Vorteil des Kühlsystems gemäß der Erfindung wird durch die Erhaltung
der Energie in den Medien und die Rückführung dieser Energie in das System als Wellenleistung
erhalten. Das heiße Gas in dem Kanal 12 überträgt Wärme auf die Schaufel
11, die infolgedessen gekühlt werden muß. Der Thermosiphon 16 ist die Wärmeableitung
für die von der Schaufel 11 absorbierte Wärme. Der Siphon 16 leitet diese Wärme
auf den Schaftteil 15, und zwar handelt es sich hierbei um einen kontinuierlichen
Kreislauf, der dem Thermosiphon gestattet, der Schaufel 11
dauernd Wärme zu
entziehen.
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Die Turbinenschaufeln in dem Schaftteil 15 entziehen Wärme
als Wellenleistung von dem aus der Düse 20 kommenden zweiten heißen Medium,
und durch diesen Leistungsentzug wird das Medium, welches aus der Düse
20 kommt, gekühlt. Die Turbine 1.7 entnimmt somit Energie aus dem
bei 20 eintretenden zweiten heißen Medium, und sie nimmt damit an dem Antrieb
der Rotorscheibe 10 teil. Dies stellt also eine Form der Lieferung nützlicher Wellenleistung
an das System dar. Zusätzlich wird das zweite heiße Medium, welches aus der Düse
20 kommt, durch die Arbeit, welche von der Schaufel abgenommen wird, gekühlt,
so daß das zweite Medium dadurch die Möglichkeit erhält, bei dem nächsten Durchgang
der Ableitung von Wärme zu dienen, die durch den Wärmesiphon 16 auf den Schaftteil
übertragen wurde. Dadurch wird das Medium wieder erhitzt. Dieses heiße Medium hat,
während es infolge einer anderen Expansionsdüse 21 durch die Schaftturbine umläuft,
diese Wärmeenergie :durch die Turbine entzogen und der Rotorscheibe 10 zugeführt.
Somit kann durch geeignete Konstruktion die maximale Energiemenge dem zweiten durch
die Düse 20
zugeführten Medium entnommen werden. Das Medium wird dann durch
die Düse 13 oder ein anderes Maschinenelement nach innen geleitet und, wenn möglich,
von neuem in das System eingeleitet, so daß irgendwelche noch verbliebene Energie
und Masse, die es aufweist, nicht verlorengeht. Fernerhin wird die Wärmeenergie
aus dem Hauptgasstrom, die auf die Schaufel übertragen wurde, von dem Thermosiphon
16 auf das zweite Medium übertragen, nachdem das zweite Medium durch den Durchlauf
durch die Turbinenschaufel 17 gekühlt worden war. Dadurch ist auch diese
Energiemenge nicht verloren. Durch das Umlaufen des zweiten Mediums wird dessen
Temperatur vermindert, und zwar dadurch, daß das zweite Medium Energie an die Rotorscheibe
10 abgibt. Weiterhin kann das verbleibende Medium wieder in das System eingeführt
werden und einem Strahltriebwerk Masse liefern, oder es kann dem verbleibenden Medium
alle nutzbare Energie durch die Scheibe 10 entzogen werden, was sich dann als Turbinenwellenleistung
auswirkt.
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F i g. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Turbine, wobei
gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen. Wenn bei dieser Ausführungsform
die Schaufel 11 eine Turbinenschaufel ist, so stellt der Schaftteil 15 eine
fluchtende Verlängerung der Schaufel 11 dar.
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Wenn 11 eine Kompressorschaufel ist, so bildet der Schaftteil 15 eine
Verlängerung der Kompressorschaufel. Diese fluchtende Verlängerung der Schaufel
11 bringt eine Verminderung der Belastung und der Verwindungsspannungen an der Schaufel
als Ganzem, da der Schaftteil nur eine Fortsetzung des oberen Schaufelteiles mit
zusätzlichen Rippen darstellt, wie noch näher erläutert werden wird. Bei dieser
abgeänderten Ausführungsform wird das zweite Medium durch die Düse 20 zugeführt,
so wie dies vorher in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben wurde. Das Medium durchströmt
vollständig einen Turbinenteil sowie den oberen dargestellten Abschnitt des Schaftes
zu einer Umkehrkammer 24 auf der entgegengesetzten Seite der Scheibe 10. Die Umkehrkammer
24 leitet das Medium dann wieder zurück durch einen anderen Turbinenteil, wie z.
B. den dargestellten unteren Abschnitt des Schaftes 15. Dies geschieht wenigstens
einmal, woraufhin das Medium durch die Leitung 22 abgeführt wird, so wie dies vorher
beschrieben wurde, um das Medium durch die Öffnungen 25 wieder in den Hauptstrom
eintreten zu lassen. Das Medium kann aber auch durch die Statorschaufeln 14 oder,
wie gemäß F i g. 1, durch die Trennwand 13 geführt und in Stromrichtung weiter unten
wieder eingespeist werden, wo auch immer der Druck hierfür geeignet ist. In jedem
Fall übt das Medium auf die Elemente 13 und 14 oder andere Teile,
durch die es geleitet wird, eine Kühlungswirkung aus. Zum Zweck einer zusätzlichen
Wärmeabführung können, wie insbesondere aus F i g. 6 ersichtlich, in der Stromrichtung
des zweiten Mediums durch die Turbinenschaufel Rippen 26 vorgesehen sein. Bemerkt
sei, daß beim Umlauf und der erneuten Einleitung des zweiten Mediums in den Kreislauf
und bei der Expansion durch Düsen 20 so viele Abschnitte oder Etappen vorgesehen
werden können, wie dies notwendig erscheint. Dies ergibt sich aus F i g. 5, wonach
eine zweite Düse 21 und sogar eine dritte Düse 27 oder noch mehr Düsen Verwendung
finden können. Wie vorher beschrieben, wird das zweite Medium, bei dem es sich um
Stauluft oder ein aus einem vorgeschalteten Kompressor kommendes Medium handeln
kann, vor oder nach seiner Verwendung für Kühlzwecke durch eine Düse 20 zugeführt
und darin expandiert. Die Turbine 17 in dem verlängerten Teil in dem Schaft 15 kühlt
dieses Medium, indem dem in die Düse 20 eintretenden Medium Wellenleistung abgenommen
wird. Das gekühlte Medium ist dann in der Lage, aus dem Thermosiphon 16 mehr Wärme
zu absorbieren. Dem dadurch erhitzten Medium wird die Wärmeenergie beim Umlauf wieder
durch die Schaftturbine entzogen und in Form von Arbeitsleistung auf die Rotorscheibe
10 übertragen. Dies kann so oft wie erforderlich wiederholt werden, bis ein Maximum
an Energie herausgezogen ist. Das verbleibende gekühlte Medium wird dann dazu benutzt,
die Düse 13 zu kühlen, und es wird daraufhin durch
die Öffnung 25
in den Hauptstrom zurückgeleitet oder in den Ausläß oder durch den Stator 14 oder
auf beiden Wegen abgeführt. Die von dem Hauptstrom in die Schaufel 11 abgegebene
Wärmeenergie wird also auf den zweiten in die Düse 20 eintreten= den heißen
Strom übertragen und dann durch die in dem Schaft 15 angeordnete Turbine wieder
herausgezogen, um für den Antrieb der Seheibe 10 nutzbar gemacht zu werden.
Der Umlauf oder die Wiedereinleitung des Mediums durch die Leitorgane in dem Gehäuse
ermöglicht diese wiederholte Wärmeabsorption bzw. -Kühlung- und die Nutzbarmachung
der Wärmeenergie zum Antrieb der Scheibe 10.
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Wie schon oben gesagt, können die Schaufeln 11 Kompressorschaufeln
darstellen, in welchem Fall beide F i g. 1 und 4 nur Einlässe zeigen. Das eintretende
heiße Medium hat dann eine hohe Temperatur, die sich aus dem Staueffekt oder vorgeschalteten
Kompressorschaufeln ergibt.