DE1021644B - Laufschaufel fuer Gasturbinen mit Oberflaechenkuehlung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Der Wirkungsgrad der Gasturbine ist abhängig von Druck und Temperatur des Verbrennungsprozesses, wobei der Erreichung hoher Temperaturen materialseitig eine Grenze gesetzt ist. Die Erreichung höherer Temperaturen erfordert besondere Kühlmaßnahmen bei den hoch beanspruchten Bauteilen, insbesondere bei den Leit- und¹ Laufschaufeln der Turbine.

Es ist vorgeschlagen worden, die Schaufeln der Turbine als Hohlschaufel auszubilden und die Hohlräume mit einem Kühlmittel zu beaufschlagen, um dadurch die Wärme von den gefährdeten Bauteilen abzuleiten. Diese Verfahren hatten jedoch nur teilweise den angestrebten Erfolg, da die abzuführenden Wärmemengen im Vergleich zu den zur Verfügung stehenden Übergangsflächen in den Schaufeln zu groß sind. Ferner ist der zusätzliche Bauaufwand erheblich.

Es sind bereits Kühlverfahren für Gasturbinenschaufeln bekanntgeworden, bei denen flüssiger Kraftstoff durch die porösen oder mit Kanälen versehenen Wandungen von Hohlschaufeln auf die Oberfläche der Schaufeln geleitet wird, wodurch eine Verdampfungskühlschicht gebildet wird, die die Schaufeln gegen die hohen Gastemperaturen schützen soll.

Dieses Kühlverfahren hat schwerwiegende Nachteile, die eine betriebssichere Verwendung ausschließen. Der flüssige Kraftstoff wird durch die Zentrifugalkraft durch die Bohrungen in der Schaufelwand nach außen gedrückt. Das Durchsatzgewiclit des Kraftstoffes ist dabei abhängig vom Druck im Zentrifugalfeld des Schaufelinnenraumes, und dieser ist als Zentrifugaldruck abhängig vom Abstand der Bohrung von der Drehachse und vom Quadrat der Drehzahl. Bei den heutigen Abmessungen der Gasturbinenschaufeln treten zwischen den Flüssigkeitsdrücken der achsnahen und achsfernen Bohrungen Druckunterschiede bis zu 100 atü und darüber auf, die eine gleichmäßige Beaufschlagung der Schaufeloberfläche mit verdampfendem Kraftstoff nicht zulassen. Aus den Bohrungen treten große Kraftstoffmengen in Form von Flüssigkeitsstrahlen, vor allem an der Schaufelspitze, mit großer Geschwindigkeit aus, während im mittleren Teil und am Fuß der Schaufel geringere Kraftstoffmengen austreten. Die Folgen dieses ungleichförmigen Kraftstoffaustrittes sind hohe Verbrennungstemperaturen an den Schaufelen den und örtliche Überhitzungen des Schaufelmaterials, die gefährliche Wärmespannungen hervorrufen, die vom Schaufelmaterial nicht ausgeglichen werden können und zur Zerstörung der Schaufel führen.

Ein älterer Vorschlag befaßt sich zwar ebenfalls mit der Aufgabe einer gleichmäßigen Kühlung der Schaufeloberfläche und sieht zu diesem Zweck verjüngte Kanäle im Schaufelinneren vor: bei jenem

Laufschaufel für Gasturbinen
mit Oberflächenkühlung

Anmelder:

Messerschmitt A. G._r

Augsburg, Haunstetter Str. 148

Dr. Johann Endres, München-Solln,
ist als Erfinder genannt worden

älteren Vorschlag ist jedoch das spezielle Ziel die Gleichmäßigkeit der Schaufelkühlung gegenüber Änderungen der Wärmeübertragung an den verschiedenen Stellen der Schaufel; bei der vorliegenden Erfindung jedoch sollen Störungen durch das Zentrifugalfeld ausgeschaltet werden.

Die Erfindung betrifft somit eine Laufschaufel für Gasturbinen mit Oberflächenkühlung, wobei die Schaufel als Hohlschaufel aus porösem Material ausgebildet ist und/oder eine von Austrittsöffnungen durchbrochene Ummantelung besitzt und wobei das Schaufelinnere einen radial verlaufenden Kraftstoffzuführungskanal besitzt, und die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die für die spezifische Kraftstoffaustrittsmenge, bezogen auf die Flächenelemente der Schaufelaußenwand, maßgebende Werte, wie beispielsweise Form des Kraftstoffkanals, Materialdichte der porösen Masse und/oder Wandstärke der porösen Masse und/oder Durchmesser der Ummantelungs-Durchtrittsöffnungen dem Zentrifugalfeld der Schaufel entsprechend derart gewählt und gegebenenfalls aufeinander abgestimmt sind, daß bei normaler Betriebsdrehzahl der Turbine die spezifische Kraftstoffaustrittsmenge über den gesamten Schaufelradius bzw. über die gesamte Schaufelfläche im wesentlichen gleich ist.

Weiter lehrt die Erfindung, daß die Laufschaufel in an sich bekannter Art als Hohlschaufel aus einer äußeren durchbrochenen Blechwand besteht und wobei in an sich ebenfalls bekannter Weise das Schaufelinnere aus einer porösen Masse mit radial verlaufendem Kraftstoffzuführungskanal besteht, wobei die Durchbrechungen des Stahlblechmantels der Hohlschaufel mit Düsenbohrungen versehen sind und wo-

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bei der innerhall) der porösen Masse des Schaufelinneren angeordnete Kraftstoffkanal sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.

Ein weiterer Vorschlag der Erfindung liegt darin, daß die Laufschaufel aus porigem Vollmaterial mit innenliegendem konischem Kraftstoffkanal besteht, der sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.

Schließlich geht ein Vorschlag der Erfindung dahin, daß die Laufschaufel aus porigem Material mit veränderlicher und vorzugsweise radial nach außen zunehmender Materialdichte bzw. verringerter Porosität ausgeführt ist.

Eine besondere technische Möglichkeit zur Ausgleichung der unterschiedlichen Kraftstoffdrücke im Zentrifugalfeld der Schaufel besteht in der Ausführung der Laufschaufel in Schleuderguß mit nach außen zunehmender Materialdichte bzw. abnehmender Porosität des Schaufelmaterials, wodurch die Diffusionsgeschwindigkeit des Kraftstoffes über die Schaufellänge ebenfalls ausgeglichen werden kann und ein gleichmäßiger Flüssigkeitsaustritt aus der Schaufeloberfiäche erreicht wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird der Kraftstoff in die Hohlschaufel und durch die Düsenkanäle bzw. die porige Wand nach außen auf die Schaufeloberfläche gedrückt, wobei sich auf der Oberfläche der Schaufel eine Grenzschicht aus Kraftstoffdampf bildet, die eine Kühlung des Schaufelmaterials bewirkt. Die angestrebte gleichmäßige Beaufschlagung der Schaufeloberfiäche mit Kraftstoff wird durch An-Ordnung verschiedener Düsenquerschnitte sowie durch die verschieden starke Wandung und außerdem durch die unterschiedliche Porosität des porigen Materials erreicht.

Mit der Kühlung der Schaufel durch Kraftstoff wird gleichzeitig durch die nachfolgende Verbrennung des Kraftstoffes im Gasstrom eine Zwischenerhitzung mit Annäherung an die Isotherme und damit eine erhebliche Leistungssteigerung erreicht.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, es sind lediglich die zum Verständnis des Erfindungsgedankens erforderlichen technischen Merkmale dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch die hohle Laufschaufel mit porösem Kern;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Laufschaufel aus porösem Vollmaterial.

In Fig. 1 bedeutet 1 die hohle Laufschaufel aus Stahlblech, 2 die poröse Füllmasse, 3 den konischen Kraftstoffkanal, 4 den Kraftstoffeintritt, 5 die Kraftstoffdüsen, 6 die Kühlgrenzschicht, 7 die Turbinenwelle, 8, 8', 8" die Weglängen 9, 9', 9" die Abstände der Kraftstoff teilchen von der Drehachse, 10 den Zuführungskanal.

Die Laufschaufel 1 ist als hohler Rotationskörper mit innerer Füllmasse 2 ausgebildet, in der ein im Axialschnitt konischer Kanal 3 angeordnet ist, der mit Kraftstoff unter Zentrifugaldruck gefüllt ist. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt über den Kanal 10 durch den Eintritt 4. Der Kraftstoff diffundiert durch die poröse Füllmasse 2 nach außen durch die Düsen 5 der Stahlblechwandung in die Kühlgrenzschicht 6. Die Weglängen 8, 8', 8" der Kraftstoffteilchen von innen nach außen sind durch die Anordnung des konischen Kanals mit den Abständen 9, 9', 9" von der Drehachse verschieden, und zwar proportional dem Kraftstoffdruck im Zentrifugalfeld. Durch Einführung der verschiedenen Weglängen wird der Einfluß des veränderlichen Zentrifugaldruckes auf die Austrittsgeschwindigkeit und das Kraftstoffdurchsatzgewicht ausgeglichen und eine gleichmäßige Beaufschlagung der Kühlgrenzschicht 6 erreicht.

In Fig. 2 bedeutet 11 die Laufschaufel aus porigem Vollmaterial. 12 den konischen Kraftstoff kanal, 13 den Kraftstoffeintritt, 14 die Kühlgrenzschicht, 15 die Turbinenwelle, 16 den Zuführungskanal.

Die Laufschaufel 11 ist aus porigem Vollmaterial hergestellt und besitzt einen konischen Kanal 13 für den Kraftstoffdurchfluß über den Kanal 16 vom Kraftstoffeintritt 13 in das poröse Schaufelmaterial. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie in Fig. 1, nur mit dem L^Tnterschied, daß der Kraftstoff durch die poröse Schaufelwandung in die Kühlgrenzschicht 14 in feinster Verteilung diffundiert, und eine vollkommen gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes über die Schaufeloberfläche erreicht wird.

Im Gegensatz zu den bekanntgewordenen Kühlsystemen wird die Kühlwärme nicht nach außen abgeführt, sondern in den inneren Gasstrom abgeleitet, wodurch Wärmeverluste vermieden werden und durch die Zwischenerhitzung ein angenähert isothermischer Verbrennungsprozeß bei entsprechender Leistungssteigerung erreicht wird.

Ein besonderer Vorteil bei der vorliegenden Erfindung liegt in der einfachen baulichen Ausführung der Laufräder.

Durch das vorliegende Verfahren ist eine technische Grundlage zur Erreichung eines Verbrennungsprozesses bei Gasturbinen mit sehr hohen Temperaturen gegeben, mit dem eine erhebliche Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung \-erbunden ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Laufschaufel für Gasturbinen mit Oberflächenkühlung, wobei die Schaufel als Hohlschaufel aus porösem Material ausgebildet ist und/ oder eine von Austrittsöffnungen durchbrochene Ummantelung besitzt und wobei das Schaufelinnere einen radial verlaufenden Kraftstoffzuführungskanal besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die für die spezifische Kraftstoff-Austrittsmenge, bezogen auf die Flächenelemente der Schaufelaußenwand, maßgebenden Werte, wie beispielsweise Form des Kraftstoffkanals, Materialdichte der porösen Masse und/oder Wandstärke der porösen Masse und/oder Durchmesser der Ummantelungs-Durchtrittsöffnungen dem Z-entrifugalfeld der Schaufel entsprechend derart gewählt und gegebenenfalls aufeinander abgestimmt sind, daß bei normaler Betriebsdrehzahl der Turbine die spezifische Kraftstoff-Austrittsmenge über den gesamten Schaufelradius bzw. über die gesamte Schaufelfläche im wesentlichen gleich ist.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel in an sich bekannter Art als Hohlschaufel aus einer äußeren durchbrochenen Blechwand besteht und wobei in an sich ebenfalls bekannter Weise das Schaufel innere aus einer porösen Masse mit radial verlaufendem Kraftstoffzuführungskanal besteht, wobei die Durchbrechungen des Stahlblechmantels der Hohlschaufel mit Düsenbohrungen versehen sind und wobei der innerhalb der porösen Masse des Schaufelinneren angeordnete Kraftstoffkanal sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.

3. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel aus porigem

Vollmaterial mit innen liegendem konischem Kraftstoffkanal besteht, der sich nach der Schaufelspitze zu verjüngt.

4. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel aus porigem Material mit veränderlicher und vorzugsweise radial nach außen zunehmender Materialdichte bzw. verringerter Porosität ausgeführt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 821 881; französische Patentschrift Nr. 924 012; »Engineering«, Bd. 176 (1953), Heft457, S.492,493.

Entgegengehaltene ältere Rechte:

Deutsche Auslegeschrift A 20 380 Ia/46 f (bekanntgemacht am 17. 5. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen