DE559676C

DE559676C - Method for cooling blades, in particular for internal combustion turbines

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Publication number: DE559676C
Application number: DEH128234D
Authority: DE
Original assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Current assignee: E H HANS HOLZWARTH DR ING
Priority date: 1931-08-20
Filing date: 1931-08-20
Publication date: 1932-09-22

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM
22„ SEPTEMBER 1932ISSUED ON
22 “SEPTEMBER 1932

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

JVl 559676 KLASSE 46 f GRUPPE JVl 559676 CLASS 46 f GROUP

Patentiert im Deutschen Reiche vom 20. August 1931 abPatented in the German Empire on August 20, 1931

Es sind Verfahren zur Kühlung von Schaufeln, insbesondere für Brennkraftturbinen, vorgeschlagen worden, bei denen die Schaufeln nur teilweise durch ein umlaufendes, außerhalb des Radgehäuses rückgekühltes Kühlmittel gekühlt werden. Diese Verfahren sind wegen der außerordentlich großen baulichen und betrieblichen Vereinfachungen besonders vorteilhaft. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Kühlverfahren von einer bestimmten Länge der Schaufeln ab unanwendbar wird, weil die Temperatur der äußersten Schaufelenden bereits eine unzulässige Höhe erreicht; die Wärmeabfuhr verlangt ein bestimmtes Temperaturgefälle vom Schaufelkopf bis zum Schaufelfuß, das naturgemäß für lange Schaufeln größer ist wie für kurze. Die Kühlung eines Schaufelteiles gewährt aber nur ein begrenztes Temperaturgefälle,There are methods for cooling blades, especially for internal combustion turbines, have been proposed in which the blades are only partially covered by a rotating, Coolant that has been recooled outside the wheel housing is cooled. These procedures are special because of the extremely large structural and operational simplifications advantageous. However, it has been shown that this cooling method of a certain Length of the blades starting becomes inapplicable because the temperature of the extreme Blade ends have already reached an inadmissible height; the heat dissipation requires a certain Temperature gradient from the blade head to the blade root, which is naturally greater for long blades than for short ones. The cooling of a blade part only allows a limited temperature gradient,

ao so daß durch dieses die Begrenzung in der Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens gegeben ist. Die Länge der durch das vorgeschlagene Kühlverfahren noch zu kühlenden Schaufeln ist dabei um so mehr begrenzt, je schlechter der Schaufelbaustoff die Wärme leitet. In dieser Beziehung sind die als Schaufelbaustoffe bewährten Chrom-Nickel-Stähle besonders ungünstig, weil sie die Wärme noch schlechter leiten wie gewöhnliches Eisen.ao so that by this the limitation in the application of the proposed method given is. The length of the still to be cooled by the proposed cooling method Shoveling is more limited, the worse the shovel material the heat directs. In this regard, the chrome-nickel steels, which have been tried and tested as construction materials for shovels, are especially unfavorable, because they conduct heat even worse than ordinary ones Iron.

Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, das bereits vorgeschlagene Verfahren so auszugestalten, daß das Verfahren für jede Schaufellänge anwendbar wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wärmeentzug aus durch das umlaufende Kühlmittel nicht gekühlten Schaufelteilen über in dem ungekühlten Schaufelwerkstoff eingesetzte, in ihm ortsfest angeordnete, mit den gekühlten Schaufelteilen wärmeleitend verbundene gute Wärmeleiter bewirkt wird. Insbesondere können die in der Schaufel ortsfest angeordneten guten Wärmeleiter mit kühlmitteldurchflossenen Schaufelteilen, vorzugsweise mit dem eingebauten Kühlrohr, wärmeleitend verbunden werden. Gute Wärmeleiter sind bekannt. Als besonders geeignet wurde ein guter Wärmeleiter befunden, der aus Kupfer besteht. Kupfer leitet die Wärme ungefähr siebenmal besser wie Eisen. Das bedeutet also, daß das Temperaturgefälle für den gut wärmeleitenden Schaufelkern für die gleiche Wärmeabfuhr nur ein Siebentel gegenüber dem Temperaturgefälle zu sein braucht, das bei einer völlig aus Eisen bestehenden Schaufel erforderlich wäre. Die Temperatur des Schaufelendes erniedrigt sich also entsprechend bei einer Schaufel mit Kupferkern und wird noch niedriger im Verhältnis zu Schaufeln, die aus den bewährten Chrom-Xickel-Stählen bestehen. Auch die Temperatur der übrigen, den Schaufelkern umgebenden Schaufelteile wird erheblich herabgezogen, so daß für gleiche Temperaturhöhe des Schaufelendes die Schaufeln mit wärmeleitenden Kernen erheblich länger werden können.The object of the invention is to design the method already proposed in such a way that that the method is applicable to any blade length. According to the invention the object is achieved in that the Removal of heat from blade parts not cooled by the circulating coolant via the uncooled blade material inserted, fixedly arranged in it, with the cooled blade parts, thermally conductive connected good heat conductor is effected. In particular, they can be stationary in the shovel arranged good heat conductor with coolant-flowed blade parts, preferably with the built-in cooling pipe, be connected in a thermally conductive manner. Good heat conductors are known. As particularly suitable a good thermal conductor made of copper was found. Copper conducts heat about seven times better than iron. So this means that the temperature gradient for the good heat conducting blade core for the same heat dissipation to be only one seventh compared to the temperature gradient which would be required with a shovel made entirely of iron. the The temperature of the blade end is therefore correspondingly reduced in the case of a blade with a copper core and is even lower in relation to blades made of the tried and tested chrome-Xickel steels. Also the The temperature of the remaining blade parts surrounding the blade core is considerably reduced, so that for the same temperature level of the blade end, the blades with thermally conductive Cores can be considerably longer.

Das neue Verfahren ist nicht daran gebunden, daß der gute Wärmeleiter aus Kupfer besteht; jeder andere gute Wärmeleiter kann ebensogut verwendet werden. Das Verfahren ist auch nicht auf feste, gute Wärmeleiter be-The new process is not tied to the fact that the good heat conductor is made of copper consists; any other good conductor of heat can be used as well. The procedure is also not dependent on solid, good heat conductors

schränkt. Als guter Wärmeleiter kann beispielsweise Quecksilber verwandt werden, da im Schaufelkopf durch Aufnahme der Kühlwärme verdampft; der Dampf kondensiert aber wieder an den gekühlten Schaufelteilen, so daß sich innerhalb des ortsfest angeordneten guten Wärmeleiters ein Kreislauf einstellt, der die erforderliche Wirkung ausübt. Eine bevorzugte Ausführungsform des bereits vorgeschlagenen Kühlverfahrens besteht darin, daß nur der Schaufelfuß gekühlt wird, während der von den Treibgasen beaufschlagte Schaufelteil ungekühlt bleibt. Dementsprechend kennzeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform des neuen Verfahrens dadurch, daß der Wärmeentzug aus dem durch das umlaufende Kühlmittel nicht gekühlten, von den Treibgasen beaufschlagten Schaufelteil über in diesem Teil ortsfest angeordnete, mit dem gekühlten Schaufelfuß wärmeleitend verbundene gute Wärmeleiter bewirkt wird.restricts. Mercury, for example, can be used as a good heat conductor because evaporated in the blade head by absorbing the cooling heat; the steam condenses but again on the cooled blade parts, so that they are fixed within the A good heat conductor sets up a cycle that has the required effect. There is a preferred embodiment of the already proposed cooling method in that only the blade root is cooled while the one acted upon by the propellant gases Blade part remains uncooled. A preferred one is marked accordingly Embodiment of the new method in that the heat extraction from the not cooled by the circulating coolant, blade part acted upon by the propellant gases via good heat conductors connected to the cooled blade root in a thermally conductive manner.

Die Vorrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens kennzeichnen sich somit durch Anordnung ortsfester, mit den gekühlten Schaufelteilen wärmeleitend verbundener Einsätze aus guten Wärmeleitern in den Schaufelbaustoff. Besteht der gute Wärmeleiter aus einem Metall, beispielsweise aus einem Kupferkern, so wird er zweckmäßig mit den gekühlten Schaufelteilen durch Lötung wärmeleitend verbunden; die Verlötung erfolgt vorzugsweise mit dem kühlmitteldurchflossenen Rohr, über das die Schaufelteile durch das umlaufende Kühlmittel gekühlt werden.The devices for carrying out the new method are thus characterized by arranging stationary, with the cooled blade parts thermally connected Inserts made of good thermal conductors in the blade building material. Passes the good heat conductor from a metal, for example from a copper core, it is expedient to solder it to the cooled blade parts thermally connected; the soldering is preferably carried out with the coolant through which the coolant flows Tube through which the blade parts are cooled by the circulating coolant.

Ein besonderer Vorteil kann dadurch erzielt werden, daß die wärmeleitende Verbindung zwischen ungekühlten Schaufelteilen und gutem Wärmeleiter nicht auf dessen gesamten Umfang, sondern so bewirkt wird, daß an sich schon geringere Temperaturen annehmende Schaufelteile vom guten Wärmeleiter getrennt bleiben. Es ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, die unterschiedlichen Temperaturbeanspruchungen der Schaufel so auszugleichen, daß deren gesamter Körper eine nahezu einheitliche Temperatur annimmt und Wärmespannungen in ihm nicht mehr auftreten.A particular advantage can be achieved in that the thermally conductive connection between uncooled blade parts and a good heat conductor not in its entirety Extent, but is effected in such a way that lower temperatures are assumed in and of themselves Blade parts remain separated from the good heat conductor. This makes it possible to use the different To compensate for temperature stresses on the blade so that its entire body assumes an almost uniform temperature and no more thermal stresses in it appear.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise Ausführungen des Erfindungsgedankens, und zwar geben die Abb. 1 bis 3 senkrechte Längss.chnitte durch erfindungsgemäß ausgebildete Schaufelkörper wieder. Abb. 4 zeigt einen waagerechten Schnitt durch die Schaufel der Abb. ι nach Linie IV-IV derselben, während Abb. 5 einen waagerechten Schnitt durch die Schaufel nach Abb. 2 nach Linie V-V derselben wiedergibt.The drawing shows, for example, embodiments of the inventive concept, namely Figures 1 to 3 show vertical longitudinal sections through designed according to the invention Blade body again. Fig. 4 shows a horizontal section through the blade of the Fig. Ι along line IV-IV of the same, while Fig. 5 is a horizontal section through the Shovel according to Fig. 2 along line V-V of the same reproduces.

Allen Ausführungsbeispielen liegt das bereits vorgeschlagene Verfahren der Schaufelfußkühlung durch ein umlaufendes, außerhalb des Radgehäuses rückgekühltes Kühlmittel zugrunde. Zu diesem Zweck ist im Schaufelfuß 1' der Schaufeln 1 ein kühlmitteldurchflossenes Kupferrohr 2 angeordnet, das wärmeleitend mit den Schaufelfußzinken verbunden ist. Keile 3 sichern die Schaufelbefestigung in der üblichen Weise. Erfindungsgemäß erfolgt nun der Wärmeentzug aus den von den Treibgasen beaufschlagten, durch das umlaufende Kühlmittel nicht gekühlten S chaufel teilen 1 durch Kupferkerne 4, die in den Schaufelteilen 1 durch Kupferkerne 4, die in den Schaufelbaustoff eingesetzt und mit den gekühlten Schaufelteilen 1' bzw. 2 wärmeleitend, beispielsweise durch Verlötung mit denselben, verbunden sind; es muß nicht notwendigerweise eine wärmeleitende Verbindung sowohl mit den gekühlten Schaufelteilen 1' wie mit dem kühlmitteldurchfiossenen Organ hergestellt sein. Es genügt, daß irgendwie die vom Kupferkern im Schaufelbzw, in den beaufschlagten S chaufel teilen 1 aufgenommene Wärme ein zur Ableitung genügendes Temperaturgefälle vorfindet. Die Kupferkerneinsätze sind nach den Abb. 1 und 4 doppelt ausgeführt, während in dem Ausführungsbeispiel der Abb. 2 und 5 nur ein einziger Kupferkern vorgesehen ist. Dieser Kupferkern reitet unmittelbar auf dem Kühlmittelrohr 2, so daß große gekühlte Anlageflächen entstehen, die eine gute Wärmeübertragung gewährleisten. Auch ohne Lötung bzw. sonstige metallische Verbindung würde sich Kühlrohr 2 unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft mit sehr hohem Druck an die Kupferkerne 4 anlegen, so daß schon auf diese Weise die wärmeleitende Verbindung zustande kommt. Während die Abb. 1 und 2 zylindrische Kupferkerne zeigen, stellt Abb. 3 einen konischen Kern dar; die Formgebung des Kupferkernes unterliegt lediglich Zweckmäßigkeitsgründen. " Erfahrungsgemäß liegt bei Brennkraftturbinenschaufeln die höchste Temperatur an der Schaufelspitze. Bildet man einen Kupferkern nach Abb. 2 links so aus, daß dieser lediglich am Kopfende und am Fuß des aktiven Teiles mit dem Schaufelbaustoff wärmeleitend verbunden ist, während im Mittelteil durch Eindrehungen oder auf sonstige Weise (Asbesteinlagen o. dgl.) wärmeisolierende Unterbrechungen 4' in der wärmeleitenden Verbindung entstehen, so erreicht man eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Schaufelkörper.The already proposed method of blade root cooling is common to all of the exemplary embodiments by a circulating coolant that is recooled outside the wheel housing. For this purpose is in the blade root 1 'of the blades 1 is a coolant through which Arranged copper pipe 2, which is thermally connected to the blade root prongs. Wedges 3 secure the blade attachment in the usual way. According to the invention, the heat is extracted from the propellant gases, through which Circulating coolant not cooled S shovel divide 1 by copper cores 4, which in the blade parts 1 by copper cores 4, which are inserted into the blade building material and with the cooled blade parts 1 'and 2 heat-conductive, for example by soldering with the same, are connected; it does not necessarily have to be a thermally conductive connection both with the cooled blade parts 1 'and with the coolant-infused one Organ be made. It is enough that somehow the copper core in the shovel or in the acted upon S shovel share 1 absorbed heat a sufficient for dissipation Finds temperature gradient. The copper core inserts are as shown in Fig. 1 and 4 executed twice, while in the embodiment of Figs. 2 and 5 only one only copper core is provided. This copper core rides directly on the coolant pipe 2, so that large, cooled contact surfaces are created that ensure good heat transfer guarantee. Even without soldering or any other metallic connection cooling tube 2 under the influence of centrifugal force with very high pressure to the Apply copper cores 4, so that in this way the thermally conductive connection comes about. While Figs. 1 and 2 show cylindrical copper cores, Fig. 3 shows represents a conical core; the shape of the copper core is only subject to reasons of expediency. "Experience has shown that this is the case with internal combustion turbine blades the highest temperature at the tip of the bucket. If one forms a copper core according to Fig. 2 on the left so that it is only at the head end and at the foot of the active part with the blade building material connected in a thermally conductive manner is, while in the middle part by screwing or in some other way (asbestos deposits o. The like.) Thermally insulating interruptions 4 'arise in the thermally conductive connection, so one reaches an approximately uniform temperature distribution over the entire blade body.

Die Erfindung hat weiterhin gezeigt, daß innerhalb einer Gasturbinenschaufel das Verhältnis von Beanspruchung zur Kriechfestigkeit in den mittleren Teilen der. Schaufel amThe invention has further shown that within a gas turbine blade the ratio from stress to creep resistance in the middle parts of the. Shovel on

ungünstigsten ist. Während an der Schaufelspitze zwar die Temperatur am höchsten und damit die Kriechfestigkeit am niedersten ist, tritt eine Beanspruchung an dieser Stelle überhaupt nicht auf. Am Schaufelfuß ist die Beanspruchung am größten, aber die Temperatur infolge der Fußkühlung am kleinsten und damit die Kriechfestigkeit am größten. In der mittleren Region der Schaufel sindis most unfavorable. While the temperature is highest at the tip of the shovel and so that the creep resistance is lowest, a stress occurs at this point not at all. The stress is greatest at the blade root, but the temperature is the smallest due to the cooling of the feet and thus the greatest creep resistance. In the middle region of the shovel are

ίο Temperaturen und Beanspruchung groß, so daß sich hier Beanspruchung und Kriechfestigkeit am nächsten kommen, also die geringste Sicherheit besteht. Es liegt im Sinne der Erfindung, daß die Eindrehung bzw. die wärmeisolierenden Unterbrechungen 4' am Kupferkern so angeordnet werden, daß die Stelle mit dem ungünstigsten Verhältnis von Beanspruchung zur Kriechgeschwindigkeit am stärksten gekühlt wird.ίο Temperatures and stress high, like that that stress and creep resistance come closest to each other here, i.e. the lowest Security exists. It is within the meaning of the invention that the turning or the heat insulating interruptions 4 'are arranged on the copper core so that the Position with the worst ratio of stress to creep speed is cooled the most.

Claims

Patent claims:

1. Method for cooling blades, in particular for internal combustion turbines, whose material is only partially cooled by a circulating coolant that is recooled outside the wheel housing, thereby characterized in that the heat extraction from blade parts not cooled by the circulating coolant is transferred to the uncooled shovel material used, fixedly arranged in it, with the cooled Blade parts thermally connected good heat conductor is effected-

2. The method according to claim 1, characterized in that in the blade material used, fixedly arranged in it, good heat conductors connected to the coolant pipe in a thermally conductive manner is.

3. The method according to claim 1, characterized in that the heat extraction from the blade part which is not cooled by the circulating coolant and which is acted upon by the propellant gases via * 5 good heat conductors connected to the cooled blade root in a thermally conductive manner.

4. Shovel, especially for internal combustion turbines, which is only partially cooled by a circulating coolant that is recooled outside the wheel housing by arranging stationary inserts made of good, thermally connected to the cooled blade parts Heat conductors, such as B. copper cores, in the blade building material.

5. shovel according to claim 4, characterized in that metallic inserts with the cooled blade parts, preferably with the organs through which the coolant flows, connected in a thermally conductive manner by soldering are.

6. Shovel according to claim 4, characterized in that metallic inserts are connected to the uncooled blade parts in a thermally conductive manner by soldering.

7. shovel according to claim 4 and 6, characterized by heat-insulating interruptions in the thermally conductive connection between the metallic insert and uncooled blade parts.

For this purpose χ sheet of drawings