-
Kühlung bei Brennkraftturbinen Eine f-iauptschwierigkeit bei dein
Bau von Brennkraftturbinen liegt in dem Schutz der Baustoffe der Düsen, gegebenenfalls
der Düsenventile und deren Sitze und auch der Turbinenschaufeln vor zu hohen Temperaturen,
während es verhältnismäßig leicht erscheint, durch Auskleidung mit wärinebeständigein
und wärmeisolierendem Baustoff eine brauchbare Verbrennungskammer zu bauen, wobei
es nicht notwendig ist, übermäßige Kühlung von außen durch Wasser anzuwenden.
-
Da die Verbrennung (z. B. bei Ü1) mit nahezu strahlungsloser Flamme
stattfinden kann und am besten so geleitet wird, kommt für die Wärmeabgabe hauptsächlich
eine solche durch Berührung der heißen Verbrennungsgase mit den umgebenden Wandungen
in Betracht. Eine solche Berührung wird besonders da stattfinden, wo die Dichte
der Verbrennungsgase groß, die Temperaturen noch hoch und die Geschwindigkeit der
Gase noch beträchtlich sind. Diese Bedingungen bestehen in der Gegend des Düseneinganges
und bleiben etwa bis zur engsten Stelle der Düse erhalten, wo die Gase bereits durch
Teilentspannung einem Temperaturabfalle unterworfen sind. An dieser Stelle ist außerdem
die Beriihrungsfläche gegenüber dem Durchströmduerschnitt sehr groß.
-
Um Verluste möglichst zu vermeiden, muß die Düse so gebaut sein, daß
von den unter Druck sich befindenden, mit großer Geschwindigkeit durch die Düse
strömenden sehr heißen Verbrennungsgasen möglichst wenig Wärme durch die Düsenwandungen
nach außen abgeleitet wird, daß aber trotzdem der Düsenbaustoff nicht unzulässig
auf Wärme beansprucht ist.
-
Durch die Erfindung soll mit Hilfe eines Kühlluftstromes, der nicht
durch ,die Brennkammer strömt, einerseits eine unmittelbare Berührung der heißen
Verbrennungsgase mit den Brennkammerauslaßventilen und deren Sitzen, gegebenenfalls
auch mit den Düsenwänden, d. h. allgemein mit den Teilen, welche den gespannten
heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind und schwer durch bekannte wärmeisolierende
und wärmebeständige Baustoffe zu schützen sind, verhindert werden, andererseits
soll jener Luftstrom die genannten Teile kühlen.
-
Die Erfindung besteht darin, daß ein Kühlluftstrom, ohne durch die
zugehörige Brennkammer zu strömen, den Brennkammerauslaßventilen und Brennkainmerauslaßdüsen
unmittelbar zugeleitet wird, dieselben umströmt oder die Flächen derselben überströmt
und sodann durch die Brennkammerauslaßdüse ausfließt. Die durch die Düse nach den
Turbinenschaufeln entlassene Kühlluft kühlt somit auch die Turbinenschaufeln.
-
Besonders wirkungsvolle Kühlung wird bei Turbinen mit unterbrochener
Verbrennung oder solchen mit periodisch sich öffnenden Brennkammerauslaßventilen
durch einen Kühlluftstrom erreicht, welcher durch die Düse fließt, während dieselbe
nicht von Verbrennungsgasen
durchströmt wird, und dess eil Ü Überdruck
z# gegenüber dem im Turbinenschaufelraum nur sehr gering zu sein braucht, was bei
verhältnismäßig großen Külilluftinengen doch nur geringen Energieaufwand bedeutet.
Dieser Kühlluftstrom wird im Falle der Verwendung von Düsenabschlußventilen so geleitet,
daß er nicht nur die Düse, sondern auch sowohl Düsenventilsitz wie Düsenventilkörper
kühlt. Dabei fließt. der Kühlstrom in keinem Falle durch die Brennkammer selbst.
Bei bekannten Ausführungen dagegen wird der Kühlluftstrom (Brennkainmerspülluft)
zur Kühlung der Düse und des Düsenventils durch die Brennkammer der Turbine geleitet,
was zu großen Wärmeverlusten führt.
-
Die Düse selbst hat zweckmäßig an der Stelle stärkster Hitzebeanspruchung
einen Einsatz, der womöglich hitzebeständig, wärmeisolierend und nicht auf Festigkeit
beansprucht ist und der nicht den Ventilsitz trägt. Dieser Düseneinsatz kann dann
zur Vermeidung übermäßiger Wärmeverluste durch den Düsenkörper auf höherer Betriebstemperatur
gehalten werden.
-
Bei dem Bau wird zweckmäßig eine Trennung der vom Baustoff zu erfüllenden
Aufgaben an den Stellen stärkster Beanspruchung vorgenommen, und zwar eine Trennung
zwischen Beanspruchung auf Festigkeit, einer solchen auf Wärme, um sowohl ein Schmelzen
als auch eine chemische Reaktion (Verbrennen) zu verhindern. Schließlich soll auch
eine Wärmeableitung nach außen möglichst unterbunden sein.
-
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Figuren näher beschrieben.
-
Fig. i stellt eine Brennkammerauslaßdüse mit Brennkammerauslaßventil
im Längsschnitt dar. Der Auslaßv entilkörper j umfaßt haubenartig die Düse i, und
zwar den Düseneinsatz q. Der Ventilsitz j' ist von der Düseneinflußöffnung
wegverlegt und in einer ringförmigen Vertiefung angeordnet, so daß bei geöffnetem
Ventil j in Stellung j" die von der Brennkammer durch Kanal
f und die Düse i
strömenden heißen Gase nicht über den Ven-_ tilsitz
j' streichen. Der Düseneinsatz q, welcher die Düse bildet, ist so
angeordnet, .daß er nicht den Ventilsitz j' trägt und nicht auf Festigkeit beansprucht
ist. Der Düsenkörper i nimmt den Gasdruck auf und trägt den Ventilsitz j'. Der Düsenkörper
ä ist von den hohen Temperaturen der Gase durch die Wärmeisolation e" geschützt,
während verhältnismäßig kalte Luft durch die Kammer g geleitet wird. Durch Kühlluftventil
p strömt bei geschlossenem Ventil j Kühlluft über Kanäle p'-zi' an der Außenseite
des Düseneinsatzes c7 und an der Innenseite des iiaubenförinigen Ventils j vorbei
durch die Düse i nach den Turbinenschaufeln hin aus, alle diese Maschinenteile während
des Strömungsvorganges kühlend. Kühlluftventil p kann so angeordnet sein, daß es
sich selbsttätig öffnet, sobald das Ventil j geschlossen ist. Der Überdruck dieses
Kühlluftstromes gegenüber dem Druck in der Turbinenschaufelkammer braucht nur so
hoch zu sein, daß die Luft durch .diese Kammer gedrückt wird.
-
Während das Ventil j geöffnet ist, fließt ferner ein Luftstrom durch
die Kanälen am Ventilsitz j' vorbei, um zu verhindern. daß heiße Gase über den Ventilsitz
j' strömen, und um einen verhältnismäßig kalten Luftschleier an den Wandungen der
Düseneinflußöffnung des Einsatze q während des Ausflusses dir heißen Gase zu schaffen.
-
Weiterhin fließt ein Kühlluftstrom, während das Auslaßventil in Stellung
j" ist, uin den Ventilkörper bei n' an diesem vorbei durch die Düse i, .den Ventilkörper
kühlend und um zu verhindern, daß .die von der Brennkammer durch Kanal f nach der
Düse fließenden heißen Gase mit dem Ventilkörper in Stellung j" in Berührung kommen.
Diese Kühlluft, .die während des Ausflusses der heißen Gase zur Kühlhaltung des
Auslaßv entilkörpers und Sitzes durch Steuerrohr h am Ventilkörper und Sitz vorbei
durch die Düse fließt, muß natürlich anfänglich unter demselben Drucke stehen wie
die ausfließenden heißen Gase.
-
Fig. 2 ist Schnitt A-A der Fig. i. Fig. 3 ist ein Schnitt B-B der
Fig. i.
-
F ig. ¢ ist ein Schnitt C-C der Fig. 5. Beide Figuren zeigen eine
Anordnung zur Kühlung der Düse i mittels eines dauernd fließenden Luftstromes. Das
Ventil j nach Fig. i ist hier fortgelassen. Die Düse der Fig. 5 ist für den dauernden
Gasausfluß einerGleichdruckbrennkraftturbine gedacht. Kühlluft fließt über Kanal
p' durch die Schlitzöffnung p" in der Innenwandung der Düsei, dabei die Düse kühlend
und zugleich einen Luftstrom zwischen Verbrennungsgase undDüsenwand einlagernd.
Je nachdem man den Druck dieser Kühlluft wählt, ist die Lage der Ausströmöffnung
bestimmt, kann also, wenn der Luftdruck gleich dem Verbrennungsdruck ist, sogar
an die Düseneinströmöffnung zu liegen kommen.
-
Fiel. 6 zeigt eine Düsenanordnung ähnlich der Fig. i, jedoch ohne
ilas Brennkammerauslaßventil j. Diese Düsenanordnung ist für eine Verbrennungsturbine
mit absatzweiser Gleichdruckverbrennung in den Brennkammern gedacht. Kühlluftventil
p öffnet bei Unterbrechung der Verbrennung, das ist bei Unterbrechung des Ausflusses
von Verbrennungsgasen durch die Düse i. Bezüglich des
1)i-ticlces
des hühlltiftstronies gilt dasselbe wie für Fig. i. Ferner kann die Anordnung' nach
Fig. (-) auch für dauernden Ausfltil:) von Brenngasen Anwendung finden. In diesem
l# alle kommt das Ventil p in Fortfall, und ein dauernder Kühlluftstrom fließt durch
Kanäle p'-ii" und durch die Düse i. nach den Turbinenschaufeln. Für den letzten
Fall muß natürlich die Kühlluft denselben Druck haben wie die Verbrennungsgase in
der Breniikainnier.
-
Fig. ; ist ein Schnitt D-D der Fig. 6. Wie aus Fig. ; und auch aus
Fig. 3 zu ersehen. ist der Düseneinsatz q mit Kanälen fit", durch die die Kühlluft
strömt, versehen. Diese Kanäle sind in den Baustoff des Düseneinsatzes q eingeschnitten,
um die Kiihlfläclie zu vergrößern.
-
Wie bereits ausgeführt, hat die Ausflußdüse für die heißen Verbrennungsgase
zweckmäßig an der Stelle stärkster Hitzebeanspruchung einen hitzebeständigen und
zugleich wärmeisolierenden Einsatz, der nicht auf Festigkeit nach außen beansprucht
ist und der nicht den Ventilsitz trägt. Es ist wesentlich, daß die Düse derart gebaut
ist, daß zur Erreichung eines günstigen Gesamtwirkungsgrades 4er Turbine den unter
Druck sich befindenden, finit großer Geschwindigkeit durch die Düse strömenden sehr
heißen Gasen wenig Wärme entzogen wird, daß aber trotzdem der Düsenbaustoff nicht
unzulässig von der Hitze beansprucht wird. Um dieses zu erreichen und um auch höhere
Betriebstemperaturen für die Turbinenschaufeln, Ventile usw. zu erinc3glichen und
um den erwähnten Kühlluftstrom gering zu halten, sind im folgenden weitere Wege
für den Bau angegeben.
-
Fig. S ist ein Schnitt durch einen Düseneinsatz q, wie er auch in
Fig. i und 6 gezeigt ist. Dieser Einsatz kann aus einem hochwertigen, bei hohen
Temperaturen hitzebeständigen Metall oder bei genügender Glättung der Innenflächen
aus verbrennungs- und schmelzsicherem Isolationsstoff hergestellt «-erden z. B.
an der Innenseite geschliffenes und graphiliertes Porzellan oder Schamotte).
-
Fig. g ist ein Schnitt durch einen Düseneinsatz q ähnlich der Fig.
B. Besonders hochwertige, für die in Frage kommenden Temperaturen geeignete Metalle
oder Stoffe sind in einer oder mehreren Schichten an der Innenfläche des Düseneinsatzes
q, die mit den heißen Gasen in Berührung kommt, angebracht. Die innere Schicht
q' ist dünn und besteht aus chemisch möglichst inaktivem Metall zur Vermeidung
von Oxydation, welclies einen hohen Schmelzpunkt hat (z. B. galvanisch ausgetragenes
Platin). Die zweite Schicht q' ist eine stärkere Metallschicht mit ebenfalls hohem
Schmelzpunkt, die aber nicht gegen Oxidation sicher zu sein braucht, da diese Schicht
cl' durch die erstere Schicht d" vor unmittelbarer Berührung mit den Verbreiniungsgasen
geschützt ist. Diese beiden Schichten werden zweckmäßig vom Wärmeisolationskörper
q, z. B. Porzellan oder Schainotte, umgeben. Der Körper q kann auch ein Metallkörper
sein. Für die zweite Schicht q' kann billigerer Baustoff zur Anwendung kommen als
für die innere Schicht cl'; man kann sie darum in genügender Dicke herstellen und
eine gute Bearbeitung der Düseninnenfläche vornehmen.
-
Zum Schutze des Schaufelbaustoffes, der Ventile usw. gegen chemische
Reaktion (Verbrennen) bei den hohen Temperaturen können diese Teile ebenfalls, z.
B. galvanisch, mit einer dünnen Metallschicht, sie Platin, bezogen werden.
-
Die Turbinenschaufeln können weiterhin in bekannter Weise mit Luftkanälen
versehen werden; die mittels Fliehkraft durch die Schaufeln geförderte Luft dient
dabei zweckmäßig lediglich der Kühlung der Schaufeln.
-
Fig. io ist ein Schnitt E-E der Fig. B. Fig. i i ist ein Schnitt F-F
der Fig. 9.
-
In allen Figuren sind gleiche oder demselben Zweck dienende Teile
mit denselben Buchstaben versehen.