DE102017221640A1 - Blade, rotor and aircraft engine with variable cooling - Google Patents

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Christian Liebl
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Abstract

Offenbart ist eine Laufschaufel für einen Rotor, in deren Innerem ein Kühlungskanalsystem (100, 200) zum Hindurchführen von Kühlungsgas verläuft. Innerhalb des Kühlungskanalsystems sind ein Blockadekörper (110, 210) und ein Federelement (120, 220) angeordnet. Zur Vergrößerung eines Strömungsquerschnitts des Kühlungskanalsystems kann der Blockadekörper gegen eine Federkraft (F) des Federelements von einer ersten Position (P1) in eine zweite Position (P2) bewegt werden. Die zweite Position (P2) liegt in einem vorgesehenen Einbauzustand der Laufschaufel am Rotor radial weiter außen als die erste Position.
Offenbart sind ferner ein Rotor mit einer Laufschaufel und ein Flugtriebwerk mit einem Rotor.

Figure DE102017221640A1_0000
Disclosed is a blade for a rotor inside which a cooling channel system (100, 200) extends for passing cooling gas. Within the cooling channel system, a blockage body (110, 210) and a spring element (120, 220) are arranged. To increase a flow cross section of the cooling channel system, the blocking body can be moved against a spring force (F) of the spring element from a first position (P 1 ) to a second position (P 2 ). The second position (P 2 ) is in a planned installation state of the blade on the rotor radially outward than the first position.
Also disclosed are a rotor with a blade and an aircraft engine with a rotor.
Figure DE102017221640A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel, in deren Innerem ein Kühlungskanalsystem zum Hindurchführen von Kühlungsgas ausgebildet ist. Die Laufschaufel ist für eine Strömungsmaschine vorgesehen, insbesondere für eine Gasturbine, beispielsweise eines Flugtriebwerkes, insbesondere eines Flugzeugtriebwerks. Die Erfindung betrifft zudem einen Rotor mit mindestens einer derartigen Laufschaufel und ein Flugtriebwerk mit mindestens einem solchen Rotor.The present invention relates to a blade in the interior of which a cooling channel system for passing cooling gas is formed. The blade is provided for a turbomachine, in particular for a gas turbine, for example an aircraft engine, in particular an aircraft engine. The invention also relates to a rotor with at least one such blade and an aircraft engine with at least one such rotor.

Thermisch hoch belastete Laufschaufeln an Rotoren von Strömungsmaschinen werden häufig mittels eines Kühlsystems gekühlt, das Kühlluft durch ein Kanalsystem an eine Oberfläche der jeweiligen Laufschaufel leitet. Das Kühlsystem ist dabei häufig für den heißesten Betriebspunkt, also für eine Volllast der Strömungsmaschine ausgelegt. Für einen Teillastbetrieb, in dem weniger Hitze auftritt, ergibt sich daraus eine unnötig starke Kühlung, was einen ungünstigen Wirkungsgrad bedeutet.Thermally loaded blades on turbomachinery rotors are often cooled by a cooling system that directs cooling air through a ducting system to a surface of the respective blade. The cooling system is often designed for the hottest operating point, ie for a full load turbomachine. For a part-load operation, in which less heat occurs, this results in an unnecessarily strong cooling, which means an unfavorable efficiency.

Aus diesem Grunde wurden Laufschaufeln entwickelt, die einen veränderlichen Durchstrom von Kühlluft ermöglichen.For this reason, blades have been developed that allow a variable flow of cooling air.

Aus der DE 102 25 264 A1 ist eine luftgekühlte Turbinenschaufel bekannt, die an der Schaufelspitze ein sich senkrecht zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement aufweist. Das Deckbandelement ist zwecks Kühlung mit mindestens einer Kühlluftbohrung durchzogen, die eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel verlaufenden Kühlluftkanal in Verbindung steht und ausgangsseitig in den die Turbinenschaufel umgebenden Außenraum mündet. In der Kühlluftbohrung befindet sich ein Ventil, das sich z.B. elektromechanisch oder mittels eines Bimetalls in Abhängigkeit von der Temperatur des umgebenden Außenraums öffnet und schließt.From the DE 102 25 264 A1 an air-cooled turbine blade is known, which has at the blade tip a perpendicular to the blade longitudinal axis extending shroud element. For the purpose of cooling, the shroud element is traversed by at least one cooling air bore, which communicates with at least one cooling air channel extending through the turbine blade on the input side and opens into the outer space surrounding the turbine blade on the output side. In the cooling air hole is a valve which opens and closes, for example, electromechanically or by means of a bimetal depending on the temperature of the surrounding outer space.

Die DE 10 2010 049 541 B4 offenbart eine Laufschaufel für eine Strömungsmaschine, bei der mindestens ein Ventilkörper in einer Ventilkörperführung im Inneren eines Laufschaufelblattes angeordnet ist. In Abhängigkeit von der auf ihn wirkenden Fliehkraft kann der Ventilkörper einen Strömungsquerschnitt mehrerer hintereinandergeschalteter Kühlbohrungen verändern. Ein derartiges Schaufelblatt lässt sich einfach herstellen, beispielsweise mittels generativer Fertigung, und die Kühlung kann damit direkt abhängig von einer auf den Ventilkörper wirkenden Zentrifugalkraft gesteuert werden.The DE 10 2010 049 541 B4 discloses a blade for a turbomachine in which at least one valve body is disposed in a valve body guide inside a blade airfoil. Depending on the centrifugal force acting on it, the valve body can change a flow cross section of a plurality of cooling bores connected in series. Such an airfoil can be easily manufactured, for example by means of generative production, and the cooling can thus be controlled directly depending on a force acting on the valve body centrifugal force.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine weiter verbesserte Laufschaufel sowie einen Rotor und ein Flugtriebwerk mit einer derartigen verbesserten Laufschaufel bereitzustellen.The present invention has an object to provide a further improved blade and a rotor and an aircraft engine with such an improved blade.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laufschaufel gemäß Anspruch 1, einen Rotor nach Anspruch 9 und ein Flugtriebwerk gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.The object is achieved by a blade according to claim 1, a rotor according to claim 9 and an aircraft engine according to claim 10. Advantageous embodiments are disclosed in the subclaims, the description and the figures.

Eine erfindungsgemäße Laufschaufel ist zur Verwendung in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine vorgesehen. In ihrem Inneren ist mindestens ein Kühlungskanalsystem ausgebildet, das dazu eingerichtet ist, Kühlungsgas (insbesondere Kühlluft) durchzuleiten. In dem Kühlungskanalsystem sind ein Blockadekörper und ein Federelement angeordnet.A blade according to the invention is intended for use in a turbomachine, in particular a gas turbine. In its interior, at least one cooling channel system is designed, which is adapted to pass cooling gas (in particular cooling air). In the cooling channel system, a blockage body and a spring element are arranged.

Zur Vergrößerung eines Strömungsquerschnitts (der bei konstantem Druck ein Volumen an pro Zeiteinheit an durchzuleitendem Kühlungsgas definiert) ist der Blockadekörper in dem Kühlungskanalsystem zwischen einer ersten und einer zweiten Position beweglich. Der Bewegung des Blockadekörpers von der ersten in die zweite Position wirkt eine Federkraft des Federelements entgegen; die Federkraft des Federelements drängt den Blockadekörper also von der zweiten zur ersten Position. In einem vorgesehenen Einbauzustand der Laufschaufel am Rotor liegt die zweite Position radial weiter außen als die erste Position; sofern nichts anderes angegeben ist, beziehen sich die Angabe „radial außen“ und davon abgeleitete Begriffe in dieser Schrift stets auf eine vorgesehene Rotationsachse des Rotors, an dem die jeweilige Laufschaufel montiert ist oder an dem zu montieren die Laufschaufel eingerichtet ist.To increase a flow cross-section (which defines a volume per unit time of cooling gas to be passed through at constant pressure), the blockage body in the cooling channel system is movable between a first and a second position. The movement of the blockage body from the first to the second position counteracts a spring force of the spring element; the spring force of the spring element thus urges the blockage body from the second to the first position. In an intended installation state of the blade on the rotor, the second position is located radially further outward than the first position; Unless otherwise indicated, the term "radially outward" and derived terms in this document always refer to an intended axis of rotation of the rotor on which the respective blade is mounted or on which the blade is mounted.

Ist der Blockadekörper in der ersten Position, so weist das Kühlungskanalsystem (lokal, also in einem dem Blockadekörper zugehörigen Bereich, beispielsweise einer Umgebung des Blockadekörpers) somit einen ersten Strömungsquerschnitt auf. Dieser ist kleiner als ein zweiter Strömungsquerschnitt, der erreicht wird, wenn der Blockadekörper sich an der zweiten Position im Kühlungskanalsystem befindet. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der erste Strömungsquerschnitt höchstens 50%, höchstens 20%, höchstens 10% oder sogar höchstens 5% des zweiten Strömungsquerschnitts oder ist sogar ganz geschlossen.If the blockade body is in the first position, then the cooling channel system (locally, ie in a region corresponding to the blockade body, for example an environment of the blockade body) thus has a first flow cross section. This is smaller than a second flow area, which is achieved when the blockade body is at the second position in the cooling channel system. According to an advantageous embodiment, the first flow cross section is at most 50%, at most 20%, at most 10% or even at most 5% of the second flow cross section or is even completely closed.

Bei einer Rotation des die Laufschaufel umfassenden Rotors wirkt die Fliehkraft auf den Blockadekörper gegen die Federkraft des Federelements. Bei ausreichender Drehzahl und damit Fliehkraft wird dann erfindungsgemäß der Blockadekörper gegen die Federkraft des Federelements in die zweite Position gedrängt und so der Strömungsquerschnitt im Kühlungskanalsystem vergrößert.Upon rotation of the blade comprising the rotor, the centrifugal force acts on the blockage body against the spring force of the spring element. With sufficient speed and thus centrifugal force is then according to the blockage body of the invention urged against the spring force of the spring element in the second position and thus increases the flow cross-section in the cooling duct system.

Eine derartige Laufschaufel kann unmittelbar lastabhängig gekühlt werden und verbessert damit den Wirkungsgrad eines die Laufschaufel enthaltenden Rotors. Vermöge der Federkraft kann dabei eine Mindestdrehzahl (bzw. -rotationsgeschwindigkeit) festgelegt sein, die für einen Übergang des Blockadekörpers in die zweite Position erforderlich ist. Such a blade can be cooled immediately load-dependent, thereby improving the efficiency of a rotor containing the blade. By virtue of the spring force, a minimum rotational speed (or rotational speed) required for a transition of the blockage body into the second position can be defined.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die einer Bewegung des Blockadekörpers von der ersten in die zweite Position entgegen wirkende Federkraft des Federelements größer als die auf den Blockadekörper wirkende Erdanziehungskraft: Durch sein Gewicht allein kann dann also der Blockadekörper nicht aus der ersten Position in die zweite bewegt werden. Sofern keine weitere Kraft, insbesondere Fliehkraft auf den Blockadekörper wirkt, hält dann das Federelement den Blockadekörper somit auch dann in der ersten Position, wenn die zweite Position weiter unten liegt als die erste. Insbesondere verhindert bei einer derartigen Ausführungsform das Federelement, dass der Blockadekörper in die zweite Position fällt und somit eine übermäßige Kühlung bewirkt, wenn die Laufschaufel bei stehendem oder relativ langsam rotierendem Rotor mit ihrer Schaufelspitze nach unten (zur Erde) weist. So wird eine besonders gleichmäßige Kühlung eines Rotors sicherstellt, der mehrere entsprechende Laufschaufeln umfasst.According to an advantageous embodiment, the movement of the blockage body from the first to the second position counteracting spring force of the spring element is greater than the force acting on the block body gravitational force: By its weight alone so then the blockade body can not be moved from the first position to the second , If no further force, in particular centrifugal force acts on the blockage body, then the spring element thus holds the blockage body in the first position even if the second position is lower than the first position. In particular, in such an embodiment, the spring element prevents the blockage body from falling to the second position and thus causing excessive cooling when the blade points downward (toward the earth) with its blade tip stationary or relatively slowly rotating. Thus, a particularly uniform cooling of a rotor is ensured, which includes several corresponding blades.

Vorzugsweise vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des Kühlungskanalsystems mit einer Bewegung des Blockadekörpers von der ersten zur zweiten Position monoton oder sogar streng monoton: Dies erlaubt eine abgestufte oder kontinuierliche Änderung des Durchflusses an Kühlungsgas, indem der Blockadekörper mittels der Federkraft abhängig von der Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit in Zwischenpositionen bzw. Zwischenbereichen zwischen erster und zweiter Position gehalten werden kann, in denen sich bei der jeweiligen Rotation Federkraft und Fliehkraft im Wesentlichen die Waage halten.Preferably, the flow cross-section of the cooling duct system increases monotonically or even severely monotonically with a movement of the block body from the first to the second position: this allows a gradual or continuous change in the flow of cooling gas by the blockage body by means of the spring force depending on the rotational speed in Intermediate positions or intermediate regions between the first and second position can be maintained, in which spring force and centrifugal force substantially balance each other during the respective rotation.

Das Kühlungskanalsystem kann einen oder mehrere Kanäle umfassen. Mindestens einer der Kanäle erstreckt sich vorzugsweise vom Schaufelfuß der Laufschaufel bis an eine Oberfläche eines Schaufelblattes der Laufschaufel; in einem derartigen Kanal sind der Blockadekörper und das Federelement vorzugsweise angeordnet. Insbesondere sind Blockadekörper und Federelement bevorzugtermaßen in einem Kanal angeordnet, der mindestens einen Eingang am Schaufelfuß und mindestens einen Ausgang an der Oberfläche des Schaufelblattes aufweist; den Bezeichnungen liegt dabei eine bevorzugte vorgesehene Durchflussrichtung vom „Eingang“ zum „Ausgang“ zugrunde.The cooling channel system may include one or more channels. At least one of the channels preferably extends from the blade root of the blade to a surface of an airfoil of the blade; in such a channel, the blocking body and the spring element are preferably arranged. In particular, blockade body and spring element are preferably arranged in a channel which has at least one inlet on the blade root and at least one outlet on the surface of the blade leaf; The designations are based on a preferred intended flow direction from the "input" to the "output".

Das Kühlungskanalsystem kann im Inneren der Laufschaufel, insbesondere im Inneren des Schaufelfußes und/oder des Schaufelblattes mindestens eine Verzweigung aufweisen, in der sich wenigstens ein Kanal des Kühlungskanalsystems einer vorgesehenen Durchflussrichtung folgend aufteilt. Zumindest die erste Position des Blockadekörpers (oder auch erste und zweite Position) kann (bzw. können) - in vorgesehener Durchflussrichtung des Kühlungsgases betrachtet - vor einer Verzweigung angeordnet sein. So kann mit dem einen Blockadekörper eine Durchflussmenge durch eine Mehrzahl an Kanälen fliehkraftabhängig gesteuert werden, was insbesondere eine vereinfachte Herstellung einer eine verbesserte Kühlung realisierenden Laufschaufel bedeutet.The cooling channel system may have at least one branch in the interior of the blade, in particular in the interior of the blade root and / or the blade, in which at least one channel of the cooling channel system is subdivided following a planned flow direction. At least the first position of the blockage body (or also the first and second position) can be arranged in front of a branch, as viewed in the flow direction of the cooling gas. Thus, with the one blockade body, a flow rate through a plurality of channels can be controlled as a function of centrifugal force, which means, in particular, a simplified production of a blade that realizes an improved cooling.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Kühlungskanalsystem eine oder mehrere Verzweigungen auf, in denen sich jeweils ein Kanal in zwei oder mehr Teilkanäle aufteilt. Die Laufschaufel kann dabei mehrere Blockadekörper und mehrere zugehörige Federelemente aufweisen (gegen deren Federkraft der jeweilige Blockadekörper also beweglich ist). Bezogen auf eine vorgesehene Durchflussrichtung des Kühlungsgases kann dann mindestens einer der Blockadekörper und/oder mindestens eines der Federelemente stromab einer jeweiligen Verzweigung angeordnet sein. Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel sind alle Blockadekörper und/oder alle Federelemente stromab jeweiliger Verzweigungen angeordnet.According to an advantageous embodiment, the cooling channel system has one or more branches, in each of which a channel is divided into two or more sub-channels. The blade may have a plurality of block body and a plurality of associated spring elements (against the spring force of the respective blockage body is thus movable). Relative to a provided flow direction of the cooling gas, at least one of the blocking body and / or at least one of the spring elements can then be arranged downstream of a respective branch. According to a specific embodiment, all blocking bodies and / or all spring elements are arranged downstream of respective branches.

Diese Ausführungsvarianten bieten den Vorteil, dass sich damit eine deutlich höhere Versagenstoleranz realisieren lässt: Sollte eines der Elemente ausfallen oder versagen, so ist lediglich ein Teil des Kühlsystems in seiner Funktion beeinträchtigt, und es geht auch nur ein Teil des Vorteils einer erfindungsgemäßen Kühlluftvariation verloren.These embodiments have the advantage that it allows a significantly higher failure tolerance can be realized: Should one of the elements fail or fail, so only part of the cooling system is impaired in its function, and it is only a part of the advantage of a cooling air variation of the invention lost.

Insbesondere kann mindestens ein Blockadekörper und/oder mindestens ein Federelement (bezogen auf eine Länge eines jeweiligen Kanals von einer Eintrittsöffnung in die Laufschaufel bis zu einer Austrittsöffnung aus der Laufschaufel und ferner bezogen auf eine vorgesehene Durchflussrichtung des Kühlungsgases) in einem letzten Fünftel, einem letzten Zehntel oder sogar einem letzten Zwanzigstel des jeweiligen Kanals angeordnet sein. Auf diese Weise ist das Kühlsystem auch bei einer Drosselung besser gegen Heißgaseinbruch geschützt. Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel sind alle Blockadekörper und/oder alle Federelemente in einem derartigen Bereich angeordnet.In particular, at least one blockage body and / or at least one spring element (based on a length of a respective channel from an inlet opening in the blade to an outlet opening from the blade and further with respect to a provided flow direction of the cooling gas) in a last fifth, a last tenth or even a last twentieth of the respective channel. In this way, the cooling system is better protected against hot gas intrusion even with throttling. According to a specific embodiment, all blocking bodies and / or all spring elements are arranged in such a region.

Die erste Position kann eine Durchflussminimierungsposition sein, in welcher der Blockadekörper einen dem Blockadekörper zugehörigen Bereich des Kühlungskanalsystems maximal möglich verengt bzw. blockiert, so dass der Strömungsquerschnitt (und damit ein bei vorgegebenem Druck mögliches Durchflussvolumen an Kühlungsgas) in diesem Bereich minimiert ist. Die zweite Position ist vorzugsweise eine Durchflussmaximierungsposition, in welcher der Blockadekörper vorzugsweise den ihm zugehörigen Bereich des Kühlungskanalsystems maximal (von allen möglichen Positionen des Blockadekörpers) erweitert, also einen maximalen Strömungsquerschnitt bewirkt.The first position may be a flow minimization position, in which the blockage body maximally narrows or blocks a region of the cooling channel system associated with the blockage body, so that the flow cross section (And thus a possible pressure at a given pressure flow volume of cooling gas) is minimized in this area. The second position is preferably a flow maximization position, in which the blockage body preferably widens the region of the cooling channel system associated with it to a maximum extent (from all possible positions of the blocking body), thus causing a maximum flow cross section.

Die zweite Position kann beispielsweise durch eine maximal mögliche Auslenkung des Federelements (entgegen dessen Federkraft) bestimmt sein (wenn z.B. der Blockadekörper mit dem Federelement verbunden ist) und/oder durch einen Anschlag im Kühlungskanalsystem, an den der Blockadekörper in der zweiten Position anschlägt. Über einen derartigen Anschlag hinaus kann der Blockadekörper vorzugsweise nicht nach radial außen bewegt werden; so kann der Blockadekörper im Kühlungskanalsystem auch für den Fall gesichert werden, dass beispielsweise eine ggf. vorgesehene Befestigung des Blockadekörpers an der Feder sich löst oder die Feder selbst bricht.The second position may be determined, for example, by a maximum possible deflection of the spring element (against its spring force) (for example, when the blockage body is connected to the spring element) and / or by a stop in the cooling channel system against which the blockage body abuts in the second position. In addition to such a stop, the blocking body may preferably not be moved radially outwardly; Thus, the blockade body can be secured in the cooling channel system even in the event that, for example, a possibly provided attachment of the blockage body to the spring dissolves or breaks the spring itself.

Ein Anschlag kann wenigstens ein Anschlagselement umfassen, das beispielsweise aus einer Wandung des Kühlungskanalsystems herausragen kann.A stop may comprise at least one stop element, which may protrude, for example, from a wall of the cooling channel system.

Das Federelement und/oder der Blockadekörper können/kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ganz oder teilweise im Schaufelfuß angeordnet sein. Aufgrund des im Vergleich zum Schaufelblatt relativ dicken Schaufelfußes erlaubt eine derartige Ausführungsvariante einen relativ großen Blockadekörper, so dass auf einfache Weise ein großer Unterschied zwischen erstem und zweitem Strömungsquerschnitt realisiert werden kann. Die Ausführungsform ist zudem vorteilhaft, wenn sich das Kühlungskanalsystem in vorgesehener Durchflussrichtung hinter dem Blockadekörper verzweigt, weil der Durchfluss damit zentral gesteuert werden kann. Schließlich ist der Schaufelfuß im Betrieb des Rotors thermisch weniger belastet als das Schaufelblatt, so dass Federelement bzw. Blockadekörper bei einer solchen Variante geschont werden.The spring element and / or the blocking body can / can be arranged wholly or partly in the blade root according to a preferred embodiment. Because of the relatively thick blade root relative to the blade leaf, such an embodiment variant allows a relatively large blockage body, so that a large difference between the first and second flow cross-section can be realized in a simple manner. The embodiment is also advantageous if the cooling channel system branches in the intended flow direction behind the blockade body, because the flow can thus be centrally controlled. Finally, the blade root during operation of the rotor is thermally less stressed than the blade, so that spring element or blockage body are spared in such a variant.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Federelement einteilig mit dem Blockadekörper ausgebildet. Der Blockadekörper kann beispielsweise am Federelement befestigt sein, oder Federelement und Blockadekörper können als integrales, monolithisches Bauteil hergestellt sein (insbesondere einen kontinuierlichen Materialübergang ineinander aufweisen). Die Anordnung ist damit besonders robust.According to an advantageous embodiment of the present invention, the spring element is formed integrally with the blockage body. The blockade body can be fastened, for example, to the spring element, or spring element and blockage body can be produced as an integral, monolithic component (in particular have a continuous material transition into one another). The arrangement is thus particularly robust.

Das Federelement kann an einer Wandung des Kühlungskanalsystems befestigt, beispielsweise zwischen verschiedenen Elementen oder Wandbereichen eingeklemmt sein, oder es kann monolithisch (beispielsweise in einem generativen Herstellungsverfahren) mit einem das Kühlungskanalsystem begrenzenden Wandabschnitt ausgebildet sein.The spring element may be fastened to a wall of the cooling channel system, for example clamped between different elements or wall regions, or it may be monolithic (for example in a generative manufacturing process) with a wall section delimiting the cooling channel system.

Das Federelement kann beispielsweise mindestens eine Spiralfeder und/oder mindestens eine Blattfeder (z.B. in Form eines elastisch nachgiebigen Blechstreifens) umfassen. Es kann dazu eingerichtet sein, den Blockadekörper in dessen erster Position gegen eine Anschlagseinrichtung im Kühlungskanalsystem zu drücken; insbesondere kann bei einer solchen Ausführungsform das Federelement auch dann eine Spannung aufweisen, wenn der Blockadekörper in der ersten Position ist. Der Blockadekörper ist dann nur bei Überschreitung einer Mindestkraft aus der ersten Position zu bewegen.The spring element may, for example, comprise at least one spiral spring and / or at least one leaf spring (for example in the form of an elastically yielding sheet-metal strip). It may be adapted to press the blockade body in its first position against a stop means in the cooling channel system; In particular, in such an embodiment, the spring element may also have a voltage when the blockage body is in the first position. The Blockadekörper is then only to move when exceeding a minimum force from the first position.

Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine Strömungsmaschine umfasst eine oder mehrere Laufschaufeln gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen. Ein erfindungsgemäßes Flugtriebwerk umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Rotor. Es kann insbesondere ein Flugzeugtriebwerk sein.An inventive rotor for a turbomachine comprises one or more blades according to one of the embodiments disclosed in this document. An aircraft engine according to the invention comprises at least one rotor according to the invention. It may in particular be an aircraft engine.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung ist ein erfindungsgemäßes Flugtriebwerk für einen vorgesehenen Betrieb (insbesondere einen Reiseflugbetrieb) ausgelegt; in diesem Bereich hat das Flugtriebwerk vorzugsweise die höchsten Wirkungsgradanforderungen. Mindestens eine erfindungsgemäße Laufschaufel eines Rotors des Flugtriebwerks weist dabei ein Federelement auf, dessen Federkraft einen zugehörigen Blockadekörper bei Betrieb des Flugtriebwerks im vorgesehenen Betriebsbereich in der ersten Position hält (in der sich vorzugsweise unter allen möglichen Positionen des Blockadekörpers die kleinste Querschnittsfläche ergibt). Erst bei Betrieb oberhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs reicht die Fliehkraft dazu aus, dass das der Blockadekörper entgegen der Federkraft des Federelements hin zur zweiten Position bewegt wird. Erst bei derartigen Laststeigerungen werden somit die jeweiligen Querschnittsflächen und damit Kühlluftdurchsätze erhöht.According to an advantageous embodiment, an aircraft engine according to the invention is designed for intended operation (in particular cruising operation); In this area, the aircraft engine preferably has the highest efficiency requirements. At least one rotor blade according to the invention of a rotor of the aircraft engine in this case has a spring element whose spring force holds an associated block body during operation of the aircraft engine in the intended operating range in the first position (in which preferably the smallest cross-sectional area results under all possible positions of the blockage body). Only when operating above the intended operating range, the centrifugal force is sufficient that the blockade body is moved against the spring force of the spring element towards the second position. Only with such increases in load thus the respective cross-sectional areas and thus cooling air flow rates are increased.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt. Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente sind figurenübergreifend verwendet und werden ggf. nicht für jede Figur neu beschrieben.In the following preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to drawings. It is understood that individual elements and components can be combined differently than shown. Reference numerals for corresponding elements are used across figures and may not be rewritten for each figure.

Es zeigen schematisch und im Querschnitt:

  • 1a: einen Abschnitt einer exemplarischen erfindungsgemäßen Laufschaufel in einer ersten Situation;
  • 1b: den in der 1a dargestellten Abschnitt in einem anderen Querschnitt;
  • 1c: den in der 1a dargestellten Abschnitt in einer zweiten Situation; und
  • 2: einen Abschnitt einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufel in einer ersten Situation.
It shows schematically and in cross section:
  • 1a a portion of an exemplary blade according to the invention in a first situation;
  • 1b : in the 1a shown portion in another cross section;
  • 1c : in the 1a presented section in a second situation; and
  • 2 FIG. 2: a section of an alternative embodiment of a moving blade according to the invention in a first situation. FIG.

In 1a ist ein Abschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laufschaufel in einem Querschnitt dargestellt. Im Inneren der Laufschaufel verläuft ein Kühlungskanalsystem 100 zum Hindurchführen von Kühlungsgas K (beispielsweise Kühlluft); eine vorgesehene Durchflussrichtung ist in der Figur durch Pfeile angegeben. In der 1a ist nur ein einzelner Kanal des Kühlungskanalsystems dargestellt, dieses kann jedoch auch weitere Kanäle umfassen.In 1a a section of an embodiment of a blade according to the invention is shown in a cross section. Inside the bucket runs a cooling channel system 100 for passing cooling gas K (for example cooling air); an intended direction of flow is indicated in the figure by arrows. In the 1a only a single channel of the cooling channel system is shown, but this may also include other channels.

Im Kühlungskanalsystem 100 (bzw. in dessen gezeigtem Kanal) sind ein Blockadekörper 110 und ein Federelement 120 angeordnet; das Federelement 120 ist dabei an eine Wandung 101 des Kühlungskanalsystems angeformt.In the cooling duct system 100 (or in the channel shown) are a blockade body 110 and a spring element 120 arranged; the spring element 120 is on a wall 101 the cooling channel system formed.

In 1b ist der in der 1a gezeigte Abschnitt in einem anderen Querschnitt dargestellt, nämlich entlang der in 1a mit A-A markierten Linie.In 1b is the one in the 1a shown section in another cross-section, namely along the in 1a With AA marked line.

Aus der Zusammenschau der 1a und 1b ist zu erkennen, dass das Federelement 120 vorliegend als eine streifenartige Blattfeder und der Blockadekörper 110 als ein im Wesentlichen rotationssymmetrischer Block realisiert ist; im dargestellten Beispiel weist der Block einen kreiszylindrischen und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt auf. Blockadekörper 110 und Federelement 120 sind miteinander verbunden, vorliegend sogar monolithisch ausgebildet, beispielsweise im Wege eines generativen Herstellungsverfahrens, mit dem die Laufschaufel gefertigt sein kann.From the synopsis of 1a and 1b it can be seen that the spring element 120 present as a strip-like leaf spring and the blockage body 110 is realized as a substantially rotationally symmetric block; In the example shown, the block has a circular cylindrical and a frusto-conical portion. blocking body 110 and spring element 120 are interconnected, in this case even formed monolithic, for example by way of a generative manufacturing process, with which the blade can be made.

Der Blockadekörper 110 befindet sich in der in 1a gezeigten Situation in einer ersten Position P1 . In dieser Position P1 verengt der Blockadekörper 110 einen ihm zugehörigen Bereich 130, bewirkt also einen vergleichsweise (insbesondere im Vergleich zu der in 1c gezeigten Situation) kleinen Strömungsquerschnitt, so dass der Durchfluss von Kühlungsgas K reduziert ist.The blockade body 110 is located in the 1a shown situation in a first position P 1 , In this position P 1 narrows the blockade body 110 an area associated with it 130 , thus causes a comparatively (in particular compared to in 1c shown situation) small flow area, so that the flow of cooling gas K is reduced.

Dabei ist der Blockadekörper 110 von der Position P1 gegen die Federkraft F des Federelements in eine Richtung beweglich, die im vorgesehenen Einbauzustand der Laufschaufel radial nach außen weist. Bei Rotation der Laufschaufel an einem zugehörigen Rotor wirkt die Fliehkraft auf den Blockadekörper 110 somit der Federkraft F entgegen, so dass der Blockadekörper 110, wenn eine ausreichende Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit erreicht wurde, in eine zweite Position P2 bewegt wird: In der 1c ist eine Situation dargestellt, in welcher der Blockadekörper 110 demgemäß in die zweite Position P2 bewegt wurde.Here is the blockade body 110 from the position P 1 against the spring force F the spring element in a direction that points radially outward in the intended installation state of the blade. Upon rotation of the blade on an associated rotor, the centrifugal force acts on the blockage body 110 thus the spring force F contrary, so that the blockade body 110 when a sufficient rotational speed has been reached, to a second position P 2 is moved: In the 1c a situation is shown in which the blockage body 110 accordingly in the second position P 2 was moved.

In dieser Position P2 schlägt der Blockadekörper 110 im gezeigten Ausführungsbeispiel an einem Anschlag 102 an, der an der Wandung 101 des Kühlungskanalsystems 100 ausgebildet ist; im vorliegenden Beispiel ist der Anschlag als lokaler Vorsprung in der Wandung 101 monolithisch mit dieser realisiert.In this position P 2 the blockade body hits 110 in the illustrated embodiment of a stop 102 on the wall 101 the cooling duct system 100 is trained; In the present example, the stop is a local projection in the wall 101 realized monolithically with this.

Wenn der Blockadekörper 110 sich in der zweiten Position P2 befindet, weist das Kühlungskanalsystem 100 im Bereich 130 einen größeren Strömungsquerschnitt auf, als wenn der Blockadekörper in der Position P1 ist. So kann mit der gezeigten Vorrichtung die Kühlung abhängig von der jeweiligen Drehzahl erfolgen. Insbesondere kann eine übermäßige Kühlung im Teillastbetrieb des Rotors vermieden und damit der Wirkungsgrad der zugehörigen Strömungsmaschine verbessert werden.When the blockage body 110 in the second position P 2 located, points the cooling duct system 100 in the area 130 a larger flow area than when the blockage body in position P 1 is. Thus, the cooling can be done depending on the respective speed with the device shown. In particular, excessive cooling in the partial load operation of the rotor can be avoided and thus the efficiency of the associated turbomachine can be improved.

Vorzugsweise ist die auf den Blockadekörper wirkende Federkraft F in der Position P1 stärker als seine Gewichtskraft (auf der Erde), so dass der Blockadekörper 110 insbesondere bei einem Stillstand eines die Laufschaufel umfassenden Rotors auch dann im Wesentlichen in der Position P1 ist, wenn die Laufschaufelspitze nach unten weist (was durch eine Spiegelung des in der 1a gezeigten Abschnitts an einer Horizontalen dargestellt würde). Die Position des Blockadekörpers 110 im Kühlungskanalsystem und damit der Grad der zu erreichenden Kühlung ist auf diese Weise zumindest im Wesentlichen unabhängig von der Ausrichtung der Laufschaufel.Preferably, the force acting on the blockage body spring force F in the position P 1 stronger than its weight (on earth), so that the blockade body 110 especially at a standstill of a rotor comprising the rotor then also substantially in the position P 1 is when the blade tip points downwards (as indicated by a reflection in the 1a section shown on a horizontal would be shown). The position of the blockage body 110 in the cooling channel system and thus the degree of cooling to be achieved is in this way at least substantially independent of the orientation of the blade.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der in den 1a - 1c gezeigte Abschnitt der Laufschaufel ganz oder teilweise in deren Schaufelfuß angeordnet.According to a preferred embodiment variant is in the 1a - 1c portion of the blade shown wholly or partially disposed in the blade root.

In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufschaufel in einem Abschnitt gezeigt. Es umfasst ein Kühlungskanalsystem 200 zum Hindurchführen von Kühlungsgas K (beispielsweise Kühlluft). Im Kühlungskanalsystem 200 sind ein in diesem Beispiel als Spiralfeder realisiertes Federelement 220 und ein vorliegend als Kugel ausgebildeter Blockadekörper 210 angeordnet.In 2 an alternative embodiment of a blade according to the invention is shown in a section. It includes a cooling duct system 200 for passing cooling gas K (for example cooling air). In the cooling duct system 200 are a realized in this example as a coil spring spring element 220 and a presently formed as a ball blockade body 210 arranged.

Der Blockadekörper 210 ist in der dargestellten Situation in einer ersten Position P1 angeordnet, in der er einen Durchfluss in einem ihm zugehörigen Bereich 230 reduziert. Er ist dazu eingerichtet, gegen die Federkraft F des Federelements 220 in eine Position P2 bewegt zu werden (nicht gezeigt), die vorliegend durch zwei oder mehr aus der Wandung 201 des Kühlungskanalsystems hervorragende Anschläge 202a, 202b für den Blockadekörper definiert ist und - in einem vorgesehenen Einbauzustand der Laufschaufel in einem Rotor - radial weiter außen liegt als die erste Position P1 . In dieser Position gibt der Blockadekörper 210 den Bereich 230 frei, so dass der Strömungsquerschnitt des Kühlungskanalsystems durch eine solche Bewegung von der Position P1 in die Position P2 vergrößert wird. Wie oben beschrieben kann auf diese Weise eine von der Drehzahl und damit der Last des Rotors abhängige Kühlung der Laufschaufel bewirkt werden.The blockade body 210 is in a first position in the situation shown P 1 disposed in which he has a flow in an area associated with it 230 reduced. He is set up against the spring force F of the spring element 220 in a position P 2 to be moved (not shown), the present by two or more out of the wall 201 the cooling duct system outstanding strokes 202a . 202b is defined for the Blockadekörper and - in a planned installed state of the blade in a rotor - radially outward than the first position P 1 , In this position gives the blockade body 210 the area 230 free, so that the flow cross-section of the cooling duct system by such a movement from the position P 1 in the position P 2 is enlarged. As described above, can be effected in this way dependent on the speed and thus the load of the rotor cooling the blade.

Das Kühlungskanalsystem 200 der in der 2 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Verzweigung 205 auf, in der sich ein Kanal des Kühlungskanalsystems der vorgesehenen Durchflussrichtung folgend aufteilt. Das Federelement 220 ist - wie auch der Blockadekörper 220 in beiden Positionen P1 und P2 - in der genannten Durchflussrichtung betrachtet vor der Verzweigung 205 angeordnet. So kann vermöge des Blockadekörpers 210 abhängig von der Drehzahl zentral der Durchfluss von Kühlungsgas durch mehrere Kanäle des Kühlungskanalsystems variiert werden.The cooling duct system 200 the Indian 2 shown embodiment of the present invention has a branch 205 in which a channel of the cooling duct system divides the intended flow direction following. The spring element 220 is - as well as the blockade body 220 in both positions P 1 and P 2 - viewed in said flow direction before branching 205 arranged. So can by virtue of the blockade body 210 Depending on the speed centrally, the flow of cooling gas through several channels of the cooling duct system can be varied.

Die Verzweigung 205 kann ganz oder teilweise im Schaufelblatt oder im Schaufelfuß angeordnet sein.The branch 205 may be arranged wholly or partly in the blade or in the blade root.

Offenbart ist eine Laufschaufel für einen Rotor, in deren Innerem ein Kühlungskanalsystem (100, 200) zum Hindurchführen von Kühlungsgas verläuft. Innerhalb des Kühlungskanalsystems sind ein Blockadekörper (110, 210) und ein Federelement (120, 220) angeordnet. Zur Vergrößerung eines Strömungsquerschnitts des Kühlungskanalsystems kann der Blockadekörper gegen eine Federkraft (F) des Federelements von einer ersten Position (P1 ) in eine zweite Position (P2 ) bewegt werden. Die zweite Position (P2 ) liegt in einem vorgesehenen Einbauzustand der Laufschaufel am Rotor radial weiter außen als die erste Position.Disclosed is a blade for a rotor, in the interior of which a cooling duct system ( 100 . 200 ) for passing cooling gas. Within the cooling channel system are a blockade body ( 110 . 210 ) and a spring element ( 120 . 220 ) arranged. To increase a flow cross-section of the cooling channel system, the blocking body can be moved against a spring force (FIG. F ) of the spring element from a first position ( P 1 ) into a second position ( P 2 ) are moved. The second position ( P 2 ) is in a planned installed state of the blade on the rotor radially outward than the first position.

Offenbart sind ferner ein Rotor mit einer Laufschaufel und ein Flugtriebwerk mit einem Rotor.Also disclosed are a rotor with a blade and an aircraft engine with a rotor.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

110, 210110, 210
Blockadekörper;Blockade body;
120, 220120, 220
Federelement;Spring element;
130, 230130, 230
zum Blockierungskörper gehöriger Bereich; part belonging to the blocking body;
100, 200100, 200
Kühlungskanalsystem;Cooling duct system;
101, 201101, 201
Wandung;wall;
102, 202a, 202b102, 202a, 202b
Anschlag;Attack;
205205
Verzweigung; Branch;
FF
Federkraft;Spring force;
KK
Kühlungsgas;Cooling gas;
P1 P 1
erste Position;first position;
P2 P 2
zweite Position.second position.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102010049541 B4 [0005]DE 102010049541 B4 [0005]

Claims (12)

Laufschaufel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, wobei im Inneren der Laufschaufel mindestens ein Kühlungskanalsystem (100, 200) zum Hindurchführen von Kühlungsgas (K) ausgebildet ist, wobei in dem Kühlungskanalsystem ein Blockadekörper (110, 210) und ein Federelement (120, 220) angeordnet sind, und wobei der Blockadekörper zur Vergrößerung eines Strömungsquerschnitts des Kühlungskanalsystems gegen eine Federkraft (F) des Federelements von einer ersten Position (P1) in eine zweite Position (P2) beweglich ist, die in einem vorgesehenen Einbauzustand der Laufschaufel am Rotor radial weiter außen liegt als die erste Position.Blade for a rotor of a turbomachine, wherein inside the blade at least one cooling channel system (100, 200) for passing cooling gas (K) is formed, wherein in the cooling channel system, a blockade body (110, 210) and a spring element (120, 220) are, and wherein the blockade body for increasing a flow cross section of the cooling channel system against a spring force (F) of the spring element from a first position (P 1 ) to a second position (P 2 ) is movable radially in an intended mounting state of the blade on the rotor outside is as the first position. Laufschaufel gemäß Anspruch 1, wobei das Federelement (120, 220) und/oder der Blockadekörper (110, 210) ganz oder teilweise im Schaufelfuß angeordnet sind/ist.Blade according to Claim 1 , Wherein the spring element (120, 220) and / or the blockade body (110, 210) is wholly or partly arranged in the blade root / is. Laufschaufel gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Federelement (120, 220) einteilig mit dem Blockadekörper (110, 210) ausgebildet ist und/oder an eine Wandung (101) des Kühlungskanalsystems (100) angeformt ist.Blade according to one of Claims 1 or 2 wherein the spring element (120, 220) is formed integrally with the blockage body (110, 210) and / or is formed on a wall (101) of the cooling channel system (100). Laufschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Kühlungskanalsystem (100, 200) mindestens einen Anschlag (102, 202a, 202b) für den Blockadekörper in dessen zweiter Position (P2) ausgebildet ist.A blade according to one of the preceding claims, wherein in the cooling channel system (100, 200) at least one stop (102, 202a, 202b) is formed for the blockage body in its second position (P 2 ). Laufschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungsquerschnitt des Kühlungskanalsystems (100, 200) bei an der ersten Position (P1) befindlichem Blockadekörper (110, 210) höchstens 50%, höchstens 20%, höchstens 10% oder sogar höchstens 5% des Strömungsquerschnitts bei an der zweiten Position (P2) befindlichem Blockadeträger beträgt.A moving blade according to one of the preceding claims, wherein the flow cross-section of the cooling channel system (100, 200) at blockade body (110, 210) located at the first position (P 1 ) is at most 50%, at most 20%, at most 10% or even at most 5% of Flow cross-section is at the second position (P 2 ) located blockade carrier. Laufschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Federelement (120, 220) mindestens eine Blattfeder oder mindestens eine Spiralfeder umfasst.Blade according to one of the preceding claims, wherein the spring element (120, 220) comprises at least one leaf spring or at least one coil spring. Laufschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlungskanalsystem (200) mindestens eine Verzweigung (205) aufweist und wobei die erste Position (P1) oder beide Positionen (P1, P2) in vorgesehener Durchflussrichtung des Kühlungsgases (K) vor der Verzweigung angeordnet ist/sind.The blade according to one of the preceding claims, wherein the cooling channel system (200) has at least one branch (205) and wherein the first position (P 1 ) or both positions (P 1 , P 2 ) in the intended flow direction of the cooling gas (K) before the branch is / are arranged. Laufschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlungskanalsystem eine oder mehrere Verzweigungen (205) aufweist, in denen sich jeweils ein Kanal in zwei oder mehr Teilkanäle aufteilt, wobei der Blockadekörper (110, 210) einer von einer Mehrzahl an Blockadekörpern und das Federelement (120, 220) eines von einer Mehrzahl an Federelementen der Laufschaufel sind und wobei einer oder mehrere Blockadekörper der Mehrzahl an Blockadekörpern und/oder eines oder mehrere Federelemente der Mehrzahl an Federelementen in vorgesehener Durchflussrichtung des Kühlungsgases (K) stromab einer Verzweigung (205) angeordnet ist/sind.A blade according to any one of the preceding claims, wherein the cooling channel system has one or more branches (205) in each of which a channel is divided into two or more sub-channels, wherein the blockage body (110, 210) of one of a plurality of blockage bodies and the spring element (120, 220) is one of a plurality of spring elements of the blade and wherein one or more blockage bodies of the plurality of blockage bodies and / or one or more spring elements of the plurality of spring elements in the provided flow direction of the cooling gas (K) downstream of a branch (205) is / are arranged. Laufschaufel gemäß Anspruch 8, wobei der eine bzw. die mehreren Blockadekörper (110, 210) und/oder das eine bzw. die mehreren Federelemente (120, 220) bezogen auf eine vorgesehene Durchflussrichtung des Kühlungsgases (K) in einem letzten Fünftel, einem letzten Zehntel oder sogar einem letzten Zwanzigstel eines jeweiligen Kanals angeordnet ist/sind.Blade according to Claim 8 wherein the one or more blockage bodies (110, 210) and / or the one or more spring elements (120, 220) in relation to a provided flow direction of the cooling gas (K) in a last fifth, a last tenth or even a last twentieth of a respective channel is / are. Rotor für eine Strömungsmaschine, der eine oder mehrere Laufschaufel/n gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.Rotor for a turbomachine, the one or more blades / n according to one of Claims 1 to 9 includes. Flugtriebwerk mit mindestens einem Rotor gemäß Anspruch 9.Aircraft with at least one rotor according to Claim 9 , Flugtriebwerk gemäß Anspruch 11, das für einen vorgesehenen Betriebsbereich ausgelegt ist, wobei mindestens ein Federelement einer der Laufschaufeln einen zugehörigen Blockadekörper bei Betrieb des Flugtriebwerks im vorgesehenen Betriebsbereich in der ersten Position (P1) hält und sich fliehkraftbedingt erst bei Betrieb oberhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs zur zweiten Position hin bewegt.Aircraft according to Claim 11 , which is designed for a designated operating range, wherein at least one spring element of the blades holding an associated Blockadekörper during operation of the aircraft engine in the intended operating range in the first position (P 1 ) and centrifugal force moves only when operating above the intended operating range to the second position ,
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