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Mehrteilige innengekühlte Turbinenschaufel, insbesondere für Gas-
und Dampfturbinen Gas- und Dampfturbinen werden bekanntlich zur Erzielung eines
wirtschaftlichen Betriebes mit Treibmitteln hoher Temperatur betrieben. Einteilige
massive Turbinenschaufeln sind den sich hierbei ergebenden großen thermischen und
inecliaiiischen Beanspruchungen nicht gewachsen. plan hat daher schon versucht,
durch geeignete Ausbildung und Kühlung der Turbinenschaufeln die thermischen Beanspruchungen
in zulässigen Grenzen zu halten und somit die Festigkeitseiigenschaften des Scliaufell>austoffes
günstiger zu gestalten und seine Spannungsgrenzen hinaufzusetzen.
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So ist es beispielsweise bekannt, eine Turbinenscliaufel in
einen bei hiilieren Temperaturen dauerstandfesten iiiiiengekühltenTragkörper und
in eine mechanisch niedriger beanspruchte Schaufelhülse aus hitzebeständigem Werkstoff
zu unterteilen. Der den Schaufelkern bildendeTragkörper ist dabei von einem oder
mehreren Kühlkanälen durchzogen, durch die ein Kühlmittel hindurchgeleitet wird.
Die hitzebeständige urigekühlte Schaufelhülse ist über den Tragkörper geschoben
und steht mit ihni flächig in Berührung. Die mechanische Verbindung zwischen Tragkörper
und Schaufelhülse ist durch Verschweißen am Fuß oder am Kopf des Tragkörpers hergestellt.
Diese bekannte Ausbildung von Turbinenschaufeln hat den Nachteil, daß über die ganze
Länge der Schaufel V4':ärme von der Schaufelhülse durch die vorhandenen Beriihrungsflächen
in den Tragkörper einströmt, was insbesondere
für die unteren Teile
des Tragkörpers in der Nähe des Schaufelfußes ungünstig ist, da hierdurch die Festigkeit
an diesen hochbeanspruchten Stellen herabgesetzt wird. Ein weiterer großer Nachteil
dieser Anordnung besteht darin, daß das im Tragkörper strömende Kühlmittel von der
Schaufelhülse her sehr bald und stark aufgewärmt wird, so daß seine Kühlwirkung
rasch aufhört. Zu einer ausreichenden Kühlung des Tragkörpers ist demnach eine erhebliche
Kühl.mittelmenge erforderlich.
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Weiterhin ist auch schon vorgeschlagen worden, die Schaufelhülse allseitig
mit einem gewissen Abstand vom Tragkörper anzuordnen, so daß zwischen diesem und
der Schaufelhülse ein schmaler Ringraum verbleibt. Entsprechend diesem Vorschlag
wird die Schaufelhülse durch ei-n am Kopf des Tragkörpers aufgeschweißtes Plättchen
gehalten und berührt außerdem den Schaufelfuß oder die an ihn angrenzenden Teile
der Turbine. Kühlkanääe sind bei dieser Anordnung im Tragkörper nicht vorgesehen,
das Kühlmittel soll vielmehr zwischen der Schaufelhülse und dem Tragkörper hindurchgeleitet
werden. Auch bei Ausführungen von Turbinenschaufeln nach diesem Vorschlag bestehen
die .großen Nachteile, daß der am meisten beanspruchte Schaufelfuß durch unmittelbare
Wärmeeinströmung aus der erhitzten Schaufelhülse hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften
beeinträchtigt wird und daß zur Erzielung einer ausreichenden Kühlung des Tragkörpers
verhältnismäßig viel Kühlmittel benötigt wird, da dieses insbesondere von der Schaufelhülse
her sehr schnell erwärmt wird.
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Dieselben Nachteile bestehen auch bei einer weiterhin in Vorschlag
gebrachten Ausbildung derartiger Turbinenschaufeln, nach welcher die Schaufelhülse
ebenfalls einen gewissen Abstand vom Tragkörper besitzt und diesen nur an verschiedenen
Stellen mit schmalen Stegen oder warzenförmigen Vorsprüngen berührt. Da auch hier
das etwa anzuwendende Kühlmittel zwischen der Hülse und dem Tragkörper strömen soll,
ergibt sich ebenfalls ein verhältnismäßig großer Aufwand an Kühlmittel.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine mehrteilige innengekühlte Turbinenschaufel,
die aus einem hohlen, innen vom Fuß zum Kopf hin von Kühlmittel durchströmten Tragkörper
aus dauerstandfestem Werkstoff und einer ihn umschließenden, nach dem gewünschten
Schaufelprofil geformten Hülse aus hitzebeständigem Material besteht. Die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Turbinenschaufel so auszubilden, i
daß sie gegenüber den -bereits bekannten Bauarten entweder bei gleichen Temperaturen
weniger Kühlmittel benötigt oder bei .gleichem Kühlmittelaufwand höhere Treibmitteltemperaturen
zuläßt. Dies hat besondere Bedeutung bei mehrstufigen Gasturbinen für hohe Eintrittstemperaturen,
deren Schaufelreihen zum Teil oder sämtlich gekühlt werden müssen, da hierbei sehr
viel mehr Kühlmittel gebraucht wird als bei Turbinen mit wenig Stufen, auf die sich
die meisten der bisher vorgeschlagenen gekühltenTurbinenschaufeln beziehen. Die
Erfindung geht dabei von der Forderung aus, daß jede Stelle der Turbinenschaufel
gerade nur so stark gekühlt werden soll, wie es mit Rücksicht auf die örtliche Beanspruchung
unbedingt notwendig ist, so daß jede unnötige Erwärmung des Kühlmittels vermieden
wird. Außerdem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß eine wirtschaftliche
Kühlung nur in Verbindung mit einem Wärmestau möglich ist, d. h. daß es hauptsächlich
darauf ankommt, den Wärmestrom zu den zu kühlenden Flächen hin zu stauen, damit
auch bei verhältnismäßig geringem Kühlmittelaufwand eine starke Temperaturabsenkung
der zu kühlenden Teile erreicht wird.
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Nach der Erfindung wird unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis die
gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die aus hitzebeständigem Werkstoff bestehende
Schaufelhülse nur an dem dem Schaufelfuß abgekehrten Ende des Tragkörpers befestigt
wird und im übrigen von dem Tragkörper, dem Schaufelfuß und den angrenzenden Teilen
der Turbine durch einen Zwischenraum getrennt ist. Hierdurch wird erreicht, daß
:Wärme in den Tragkörper fast nur an seinem oberen Ende einfließen kann und daß
der Weg des Wärmestromes von der Schaufelhülse zu den besonders hoch beanspruchten
Stellen des Tragkörpers in der Nähe seines Fußes so weit wie nur möglich verlängert
wird.
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Betrachtet man z. B. eine so ausgebildete, durch Fliehkraft beanspruchte
Laufschaufel, so ergibt sich bereits ohne Anwendung eines besonderen Kühlmittels
ein Temperaturverlauf in der Schaufelhülse und dem Tragkörper, der den örtlichen
Beanspruchungen weitgehend angepaßt ist. Die Schaufelhülse ist in der Nähe ihrer
Befestigungsstelle. am Tragkörper am höchsten beansprucht und wird an dieser Stelle
dadurch gekühlt, daß hier ihre Wärme zum Tragkörper abfließen kann. Die von hier
aus durch den Tragkörper nach seinem Fuß hin fließende Wärme verursacht einen Temperaturabfall,
der die in gleicher Richtung zunehmende Fliehkraftbeanspruchung des Tragkörpers
in dem Sinne ausgleicht, daß seine von der Temperatur abhängige Dauerstandsfestigkeit
zunimmt. Dieser günstige Temperaturverlauf im Tragkörper kann noch dadurch verbessert
werden, daß man ihn hohl ausbildet und durch seinen Hohlraum ein am Fuß eintretendes
Kühlmittel leitet. Die Kühlmittelströmung erfolgt also im Gegenstrom zu der von
oben nach unten durch die Wände des Tragkörpers fließende Wärme, wodurch ein Höchstmaß
an Kühlwirkung erreicht wird und der Schaufelfuß und die in 'seiner Nähe gelegenen
hoch beanspruchten Teile des Tragkörpers stärker gekühlt werden als sein geringer
beanspruchtes oberes Ende.
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Für die Beurteilung der nach der Erfindung ausgebildeten Turbinenschaufel
ist maßgebend, daß eine nennenswerte Kühlung der Hülse selbst, wie es bei den bekannten
Ausführungen der Fall ist, mit Ausnahme ihrer Befestigungsstelle am Tragkörper
unnötig
ist, da die Schaufelhülse leicht ist und im wesentlichen auf Druck beansprucht wird.
Die Dauerstandsfestigkeit gegenüber Druckbeanspruchung ist ja bekanntlich wesentlich
höher als. bei Zugbeanspruchung. Andererseits ist es aber auch gar nicht möglich,
die Schaufelhülse mit einer beschränkten Kühlmittelmenge wesentlich zu kühlen, cla
die VV:irme ungehindert von außen nach innen durch die Schaufelhülse hindurchströmen
kann, ein Wärmestau also in dieser Richtung vollkommen fehlt. Der Zwischenraum zwischen
Schaufelhülse und Tragkörper wird daher zunächst nur dazu benutzt, den `Värmestrom
von der Schaufelhülse zum "Pragkörper und zum Schaufelfuß zu unterlinden. Diese
Wirkung geht auch dann nicht verloren, wenn die Schaufelhülse, falls dies zweckmäßig
erscheint, gegenüber dem Tragkörper durch in den Zwischenraum eingelegte Zwischenstücke
aus isolierendem Material zusätzlich abgestützt \vird.
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In "weiterer Ausbildung der Erfindung wird der Tragkörper niit der
die Schaufelhülse haltenden Deckplatte aus einem Stück hergestellt. Um dies zu ermöglichen,
wird vorgeschlagen, entweder die Schaufelhülse um den fertigen Tragkörper nachträglich
herumzulegen und zusammenzuschweißen oder aber den Tragkörper durch die fertige
Schaufelhülse von oben nach unten hindurchzustecken und an seinem unteren, in der
Nähe des Kühllufteintritts liegenden, also sehr gut gekühlten Ende mit dem Schaufelfuß
mechanisch zu verbinden oder zu verschweißen. Das Neue gegenüber den bisher bekannten
Ausführungen besteht darin, daß eine die Fliehkraft der Schaufelhülse übertragende
Schweißnaht am Kopf der Schaufel vermieden wird, so daß diese Stelle nicht gefährdet
wird bzw. nicht zusätzlich gekühlt werden muß. Auf diese \\'eise wird ebenfalls
Kühlmittel gespart. Natürlich kann es trotzdem zweckmäßig sein, die Schaufelhülse
außen zusätzlich mit dem Tragkörper zu verschweißen, wenn der Werkstoff der Hülse
<lies zuläßt, um eine bessere Verbindung zwischen Schaufelhülse und Tragkörper
zu erzielen. Wesentlich ist aber, daß die Schweißnaht in diesem Falle von der Fliehkraft
der Schaufelhülse völlig entlastet ist und nur geringe Restkräfte aufzunehmen hat.
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Weiter kann die Deckplatte so im Innern der Schaufelhülse angeordnet
werden, daß diese ringsherum übersteht. In diesem Falle erhält die Hülse im Innern
zweckmäßig Leisten oder Preßwülste, finit denen sie sich auf die Deckplatte oder
den vorstehenden Rand des Tragkörpers abstützt. Eine besondere Schärfung der Schaufel,
wie sie bei Vollschaufeln vielfach mit Rücksicht auf die Anstreifgefahr gegenüber
dein Gehäuse oder bei Leitschaufeln gegenüber dem Läufer ausgeführt wird, ist in
diesem Falle überflüssig. Legt man die Befestigungswelle zwischen Hülse und Tragkörper
so tief, daß der überstehende Hülsenrand sich eben noch selbst trägt, so wird der
Tragkörper kürzer und seine Fliehkraftbeanspruchung erheblich kleiner. Das im Innern
des Tragkörpers strömende Kühlmittel erwärmt sich infolge des erheblichen Temperaturunterschiedes
zwischen Tragkörper und Kühlmittel beträchtlich, so daß sein Volumen zunimmt. Würde
der Kühlmittelkanal im Innern des Tragkörpers mit unveränderlichem Querschnitt ausgeführt,
so würde die Geschwindigkeit des Kühlmittels zum Austrittsende hin stark ansteigen
und schließlich einen Stau hervorrufen, der die Strömung behindert. Um dies zu verhindern,
wird der Kühlmittelkanal im Innern des Tragkörpers in weiterer Ausbildung der Erfindung
mit in Strömungsrichtung zunehmendem Querschnitt ausgeführt, vorzugsweise gerade
so, daß die Geschwindigkeit des Kühlmittels unverändert bleibt. Diese an sich bekannte
Maßnahme hat in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schaufel den
besonderen Vorteil, daß bei gleichem zur Verfügung stehenden Druckgefälle die Geschwindigkeit
und damit die Kühlwirkung in der Nähe des Schaufelfußes am unteren Ende des Tragkörpers
steigt, dagegen am oberen viel niedriger beanspruchten Ende des Tragkörpers vermindert
wird. Schließlich sind auch Fälle denkbar, bei denen die Schaufelhülse infolge des
durch die vorliegende Erfindung verbesserten Wärmestaues an einzelnen Stellen, z.
B. an der Eintritts- oder Austrittskante, unzulässig heiß werden könnte. Daher wird
weiter vorgeschlagen, einen kleinen Teil des Kühlmittels durch Öffnungen im Tragkörper
gegen solche Stellen zu blasen. Außer der Kühlung der besonders geschützten Stellen
ergibt sich hierbei der weitere Vorteil, daß die wärmeisolierende Luftschicht zwischen
Hülse und Tragkörper ständig erneuert wird und sich nicht aufwärmen kann und daß
außerdem der kleine zwischen Schaufelhülse und Schaufelfuß verbleibende Spalt gegen
den Eintritt des warmen Strömungsmittels gesperrt und die Wärmeübertragung von der
Schaufelhülse auf den Schaufelfuß zusätzlich verhindert wird. Das Abführen von Teilen
des Kühlmittels aus dem hohlen Tragkörper durch solche Öffnungen kann gleichzeitig
die Kühlmittelströmung im Tragkörper erheblich erleichtern, da sie dem oben schon
besprochenen, durch die Erwärmung des in dem Tragkörper strömenden Kühlmittels hervorgerufenen
Rückstau entgegenwirkt, soweit diesem nicht durch Querschnittszunahme im Tragkörper
begegnet werden kann.
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In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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In Abb. i bedeutet a die Schaufelhülse aus hitzebeständigem Material,
b den innen vom Fuß zum Kopf hin vom Kühlmittel durchströmten Tragkörper aus dauerstandsfestem
Material und c die Deckplatte oder den überstehenden Rand des Tragkörpers, auf den
sich die Schaufelhülse a mit möglichst geringer Berührungsfläche abstützt. In diesem
Falle besteht der Tragkörper und der Schaufelfuß, der natürlich auch ein Stück einer
vollen Scheibe oder eines Ringes sein kann, aus einem Teil; die Schaufelhülse ist
nachträglich um den Tragkörper herumgelegt und bei diesem Ausführungsbeispiel
an
der Austrittskante zusammengeschWeißt. Die Befestigung zwischen Schaufelhülse und
Deckplatte ist durch eine Schweißraupe bei d verbessert, die durch die Fliehkraft
der Schaufelhülse nicht beansprucht wird. Der Querschnitt des vom :Kühlmittel durchströmten
Hohlraumes im Tragkörper nimmt bei diesem wie auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen
in der Strömungsrichtung zu.
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Die Abb..2 und 3 stellen Beispiele für einen Schnitt durch die Schaufel
der Abb. i dar. Der Querschnitt des Tragkörpers ist der Form des Schaufelprofils
und des Schaufelfußes angepaßt. In der :\I>1). 3 sind Öffnungen f angedeutet, durch
die ein Teil des Kühlmittels gegen die Eintritts- oder Austrittskante der Schaufelhülse
bläst. Dieses Kühlmittel tritt ganz oder teilweise durch den Spalt g zwischen Schaufelhülse
und Schaufelfuß der Abb. i aus. Der restliche Teil kann durch Öffnungen in der Deckplatte
zwischen Tragkörper und Schaufelhülse entweichen.
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In Abb. 4 ist der Tragkörper b von oben nach unten durch die fertige
Schaufelhülse a und den Fuß e hindurchgesteckt und in der Nähe des Kühllufteintritts
mit dem Fuß e verschweißt.
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In Abb. 5 steht die Hülse a rings um die Deckplatte c herum über,
so daß eine besondere Schaufelschärfung entbehrlich und die Länge des Tragkörpers
verringert ist.