CH337033A - Turbinenschaufel - Google Patents

Description

      Turbinenschaufel       Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinen  schaufel, die hohen Temperaturen ausgesetzt ist und  befasst sich mit der      Effusions -    oder      Schwitzküh-          lung     solcher Schaufeln. Bei letzteren handelt es sich  besonders, aber nicht notwendigerweise ausschliess  lich um solche von Gasturbinen.  



  Zum einschlägigen Stand der Technik gehört eine  Turbinenschaufel, bei der ein gerillter Schaufelkern  mit einer durchlässigen Haut versehen ist, wobei Kühl  luft durch die Rillen des Kernes und dann zwecks  Kühlung durch die Haut hindurchströmt. Bei einer  derartigen Schaufel sind nur jene Teile der Haut wirk  sam, die über den Rillen des Kernes liegen.  



  Gegenstand der Erfindung ist nun eine Turbinen  schaufel, die gekennzeichnet ist durch einen sich in  Längsrichtung der Schaufel erstreckenden Kern, eine       fluidumdurchlässige,    den Kern in Abstand umgebende  Haut und eine     fluidumdurchlässige,    den Zwischen  raum zwischen dem Kern und der Haut ausfüllende  Zwischenlage, deren Durchlässigkeit im Vergleich zu  derjenigen der Haut höher ist.  



  Beiliegende Zeichnung stellt ein Ausführungsbei  spiel des Erfindungsgegenstandes dar.  



       Fig.    1 zeigt einen Querschnitt längs der Linie       1-I    der     Fig.    2;       Fig.2        zeigt    einen Längsschnitt nach der Linie       II-II    der     Fig.    1, und       Fig.    3 zeigt schematisch die an einem Turbinen  rotor befestigte Schaufel.  



  Die gezeigte Schaufel hat einen sich in Längsrich  tung erstreckenden Kern 1 und eine diesen Kern  in Abstand umgebende Haut 2. Zwischen Kern und  Haut befindet sich ohne Unterbrechung auf dem gan  zen Umfang ein Raum, der von einer Zwischenlage 3  eingenommen wird. Der Kern 1 und ein Schaufelfuss  4 sind aus einem Stück. An seinem vom Fuss entfern-         ten    Ende hat der Kern eine Verdickung la, die zur  Abstützung der darauf aufliegenden Zwischenlage 3  und Haut 2 dient.  



  Kern, Zwischenlage und Haut bestehen aus Sinter  materialien, sind also nach Verfahren der Pulver  metallurgie aufgebaut und     schlussendlich    gesintert, wo  bei in einem oder mehreren Zwischenstadien der Her  stellung eine     Zwischensinterung    stattgefunden haben  kann. Der Baustoff des Kernes ist praktisch un  durchlässig. Hingegen sind die Haut und die Zwi  schenlage     fluidumdurchlässig.    Im Vergleich zuein  ander hat die Zwischenlage eine hohe Durchlässig  keit und ein grobkörniges Gefüge, die Haut aber eine  geringe Durchlässigkeit und ein viel feinkörnigeres  Gefüge.

   Die Zwischenlage hat beispielsweise eine       Porosität    von 30% und eine Korngrösse von etwa  0,25 mm, während die Haut eine     Porosität    von höch  stens 5 % und eine Korngrösse von etwa 0,075 mm auf  weist.  



  Wie     Fig.3    zeigt, hat der     Schaufelfuss    4 Vor  sprünge 4a, mit denen er in Nuten von zwei Rotor  scheiben 5 verankert ist. Er hat ausserdem Kanäle 4b       (Fig.    2), die den Raum zwischen den Scheiben 5 mit  dem Raum verbinden, der mit der Zwischenlage an  gefüllt ist. Die Weite dieser Kanäle ist so gewählt,  dass der     Gesamtdurchflussquerschnitt    sämtlicher dieser  Kanäle ungefähr gleich gross ist wie der     Durchfluss-          querschnitt    des mit der Zwischenlage angefüllten  Raumes.  



  Im Betrieb wird ein Kühlfluidum, z. B. Luft, die  von einem von der Turbine angetriebenen Verdich  ter abgezapft wird, dem zwischen den     Rotorscheiben     5 gelegenen Raum zugeführt. Von diesem Raum ge  langt das Kühlfluidum durch die Kanäle 4b hindurch  zu dem Schaufelinnenraum, der von der Zwischen  lage 5 eingenommen wird. Beim Durchströmen die-           ser    Zwischenlage erleidet das Kühlfluidum einen  Druckabfall, der wegen der verhältnismässig hohen  Durchlässigkeit der Zwischenlage recht gering ist. In  der Haut erleidet hingegen das Kühlfluidum einen be  trächtlich grösseren Druckabfall, weil die Durchlässig  keit der Haut verhältnismässig gering ist. Das Kühl  fluidum tritt deshalb aus der ganzen Oberfläche der  Haut aus, und zwar in jedem Punkt in einer zur  Oberfläche senkrechten Richtung.

   Die Kühlluft nimmt  schon beim Durchströmen der Zwischenlage, aber  noch viel mehr beim Durchströmen der Haut, Wärme  auf; ausserdem vermindert sie bei ihrem Austritt aus  der Haut den Übergang von Wärme von den heissen  Betriebsgasen auf die Schaufeloberfläche. Anders als  bei der eingangs erwähnten bekannten Schaufel wird  die     Effusion    der Kühlluft an keiner Stelle behin  dert. Die aus der Haut überall austretende Luft hat  ausserdem noch den sehr nützlichen Effekt, dass sie  einer Ablagerung von feinen, eventuell korrosiven       Aschepartikeln    auf der Schaufeloberfläche entgegen  wirkt.  



  Es ist dafür Sorge getragen, dass die pro Ober  flächeneinheit aus der Haut austretende     Kühlfluidum-          menge    auf dem Umfang der Schaufel so verschieden  ist, dass sie an den am meisten beanspruchten Stellen  und an den Stellen, an denen infolge der dort herrschen  den     Umströmungsbedingungen    der intensivste über  gang von Wärme von den heissen Betriebsgasen auf  die Schaufel stattfinden würde, am grössten ist. Auch  ist an den Stellen, wo der grösste äussere Druck  herrscht, der Widerstand der Haut gegen     Durchströ-          mung    durch Kühlluft am geringsten. An all den vor  erwähnten Stellen ist die Haut am dünnsten.

   In der  Praxis kann die erforderliche Veränderung der ört  lichen     Durchflussmenge    nicht allein durch Änderung  der Hautdicke erreicht werden, sondern auch durch  Änderung der Haut auf dem Schaufelumfang, wobei  an den oben erwähnten Stellen diese am grössten ist.  Ausserdem stimmen natürlich die Stellen grösster  Beanspruchung in den meisten Fällen nicht mit den  Stellen grössten Wärmeanfalles und auch nicht mit  den Stellen grössten Aussendruckes überein; in diesen  Fällen muss man sich zu einer Kompromisslösung ent  scheiden. Es sei hier auf den Verlauf der Hautdicke  bei der dargestellten Schaufel     (Fig.    1) hingewiesen.  



  Die Zwischenlage 3 wird in den meisten Fällen auf  dem ganzen Umfang die gleiche Dicke haben. Es  kann aber     vorkommen,    dass ihre Dicke in der Nähe  der     Schaufelhinterkante        vermindert    werden muss,  damit dort eine genügend kleine Gesamtdicke er  reicht werden kann.  



  Ist die Schaufel für eine Turbine bestimmt, bei  der das Auftreten von Korrosionserscheinungen un  wahrscheinlich ist, beispielsweise weil die Turbine mit  Brenngasen von destilliertem Brennstoff betrieben  wird, können     sämtliche    Teile der Schaufel aus me  tallischem Werkstoff hergestellt sein, z. B. aus einer       Kobalt-Chrom-,    einer     Nickel-Chrom-    oder einer       Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung.    Wird hingegen die  Turbine mit Brenngasen von Rückstandsöl betrieben,    und sind daher Korrosionseinwirkungen     zu    befürch  ten, so kann für die Haut ein keramischer oder ein       keramisch-metallischer    Werkstoff verwendet werden.

    Somit kann beispielsweise der Kern aus einem nur  metallischen Werkstoff, die Zwischenlage aus einem       metallisch-keramischen    Werkstoff und die Haut aus  einem keramischen oder einem     metallisch-kerami-          schen    Werkstoff hergestellt sein; die Wahl der Werk  stoffe wird dabei so getroffen, dass eine Abstufung so  wohl der thermischen Leitfähigkeit als auch der Aus  dehnung und der Festigkeit vorliegt, damit Wärme  spannungen so weit wie nur möglich vermieden wer  den.  



  Im Betrieb ist der Kern vom Strom heisser Be  triebsgase abgeschirmt; seine Temperatur steigt somit  bedeutend weniger an als diejenige der Haut, und  seine Festigkeit behält daher auch bei sehr hohen  Betriebstemperaturen der die Schaufel umströmenden  Gase einen erheblich höheren Wert als bei Wegfall  der Kühlung. Beim Sintern bindet sich die Zwischen  lage mit der Haut und mit dem Kern; die im Betrieb  auf die Haut einwirkenden Zentrifugalkräfte werden  deshalb teilweise durch die Zwischenlage auf den  Kern übertragen.  



  Unter vielen möglichen Varianten seien folgende  erwähnt: der Schaufelkern kann ausgehend von einem  geschmiedeten Rohling hergestellt sein; er braucht  nicht mit dem Schaufelfuss aus einem Stück zu be  stehen. Es kann sich übrigens ebensogut um     Stator-          wie    um     Rotorschaufeln    handeln.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Turbinenschaufel, gekennzeichnet durch einen sich in Längsrichtung der Schaufel erstreckenden Kern, eine fluidumdurchlässige, den Kern in Ab stand umgebende Haut und eine fluidumdurch- lässige, den Zwischenraum zwischen dem Kern und der Haut ausfüllende Zwischenlage, deren Durch lässigkeit im Vergleich zu derjenigen der Haut höher ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Turbinenschaufel nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Haut und die Zwischenlage aus Sinterwerkstoff bestehen. 2. Turbinenschaufel nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Korngrösse der Zwi schenlage diejenige der Haut erheblich übersteigt. 3.

   Turbinenschaufel nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass auch der Kern aus Sinter werkstoff besteht. 4. Turbinenschaufel nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Kern, die Zwischen lage und die Haut aus einem metallischen Werkstoff bestehen. 5. Turbinenschaufel nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Kern aus einem me tallischen Werkstoff, die Zwischenlage aus einem metallisch-keramischen Werkstoff und die Haut aus einem metallisch-keramischen oder einem kerami schen Werkstoff besteht. 6.

   Turbinenschaufel nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Dicke der Haut auf dem Umfang der Schaufel variiert, und zwar an jenen Teilen des Umfanges am geringsten ist, an denen im Betrieb die grösste Beanspruchung, der grösste Wärme anfall und/oder der grösste Aussendruck zu erwarten ist. 7. Turbinenschaufel nach Unteranspruch 6, da durch gekennzeichnet, dass die Dicke der Haut an der Schaufelvorderkante, auf der konkaven Seite der Schaufel und an dem der Schaufelhinterkante benach barten Teil der konvexen Schaufelseite geringer ist als am mittleren Teil der konvexen Schaufelseite. B.

   Turbinenschaufel nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Fluidumdurchlässig- keit der Haut auf dem Umfang der Schaufel variiert, und zwar an jenen Teilen des Umfanges am grössten ist, an denen im Betrieb die grösste Beanspruchung, der grösste Wärmeanfall und/oder der grösste Aussen druck zu erwarten ist. 9.

   Turbinenschaufel nach Unteranspruch 8, da durch gekennzeichnet, dass die Fluidumdurchlässig- keit an der Schaufelvorderkante, auf der konkaven Seite der Schaufel und an dem der Schaufelhinter- kante benachbarten Teil der konvexen Schaufelseite grösser ist als am mittleren Teil der konvexen Schau felseite. 10. Turbinenschaufel nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Kern an der Schaufel spitze eine Verdickung hat, auf welcher sich die Zwischenlage und die Haut abstützen. 11.

   Turbinenschaufel nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Schaufelfuss Kanäle besitzt, die der Zuführung von Kühlfluidum zur Zwi schenlage zwischen Kern und Haut dienen.