DE1024754B - Gekuehlte Laufschaufel fuer heiss betriebene Turbinen oder Verdichter - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Beanspruchbarkeit metallischer Laufschaufeln von heiß betriebenen Turbokraft- oder Arbeitsmaschinen mit Arbeitsmitteltemperaturen über 500° C wird durch die Zeit-Dehngrenze des jeweiligen Schaufelwerkstoffes bestimmt, d. h. innerhalb einer vorgegebenen Zeit (z. B. 10 000 Stunden) darf ein bestimmter Verformungsgrad (Dehnung) nicht überschritten werden. Die Zeit-Dehngrenze, die ein Maß für die Dehngeschwindigkeit des Werkstoffes darstellt, ist abhängig von der Belastung und von der Temperatur; nehmen diese Werte zu, dann wird auch die Dehngeschwindigkeit größer.

Üblicherweise ist man bemüht, die statische Spannung in dem dem Schaufelfuß unmittelbar benachbarten Profilquerschnitt bei günstigsten hydraulischen und dynamischen A'erhältnissen möglichst klein zu halten. Man erhält so eine »Schaufel üblicher Auslegung«, die sowohl querschnittsmäßig als auch in ihrer räumlichen Gestalt festgelegt ist. So kann man beispielsweise die unteren Querschnitte einer »Schaufel üblicher Auslegung« nicht mehr verdicken, da sonst der freie Kanalquerschnitt an dieser Stelle zu eng werden und z. B. bei Turbinen eine Rückverdichtung des durchströmenden Mediums verursachen würde. Dieses Manko kann auch durch eine Verringerung der Schaufelzahl nicht kompensiert werden, weil diese schon mit Rücksicht auf den Stufenwirkungsgrad optimal gewählt wurde. Aber auch durch eine Verkleinerung der weiter radial auswärts liegenden Profilquerschnitte, sei es in ihrer Länge oder in ihrer Dicke, kann man jenen untersten Querschnitt nicht entlasten, weil dadurch das Schwingungsverhalten bzw. der hydraulische Wirkungsgrad ungünstig verändert wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der maximal gefährdete Querschnitt eines Schaufelblattes erst dann optimal ausgenutzt wird, wenn er in allen Punkten die gleiche Zeitdehnung erfährt, was nur dann möglich ist, wenn die Punkte höherer Temperatur entsprechend geringer belastet werden.

Bekanntlich treten schon bei einer ungekühlten Schaufel an der Profilnase und am Profilende höhere Temperaturen auf als im übrigen Umfangsbereich. In Anwendung der bekannten Schleierkühlung, bei der aus längs der Profilnase angeordneten Bohrungen oder Schlitzen gasförmiges Kühlmittel entweicht und die Seitenflächen der Schaufel einhüllt, ändern sich diese Verhältnisse nur insofern, als am S chaufel en de eine Temperaturerniedrigung eintritt, wogegen an der Profilnase die Temperaturspitze nicht abgebaut wird. Die Kühlschleier können wohl den Wärmeübergang zu den weiter stromabwärts liegenden Wandflächenteilen der Schaufel vermindern, sie können jedoch die Profilnase nicht ausreichend schützen. Bei gleicher

Gekühlte Laufschaufel für heiß betriebene Turbinen oder Verdichter

Anmelder:

Maschinenfabrik

Augsburg-Nürnberg A. G.,

Augsburg 2, Stadtbachstr. 7

Dipl.-Ing. Albrecht Mann und Dipl.-Ing. Gustav Ziegler,

Augsburg,
sind als Erfinder genannt worden

mechanischer Belastung, jedoch infolge der höheren Temperaturen, tritt in diesen heißeren Werkstoffasern der Profilnase eine höhere Dehngeschwindigkeit auf. Da sie in stofflicher Verbindung mit den weniger heißen Schaufelteilen stehen, müssen sich die heißeren Fasern an die kälteren »anhängen« und diese wiederum mechanisch höher belasten.

Die Erfindung beseitigt diesen Mangel dadurch, daß in dem Schaufelabschnitt mit den maximalen Spannungen die Schaufelquerschnitte durch Profilverlängerung vergrößert sind, und daß durch Anpassung der radialen Erstreckung des die Ouerschnittsvergrößerung bildenden Teils sowie durch xA.nordnung von nur diesen Abschnitt bedeckenden Kühlschleiern eine größtmögliche Angleichung der Zeitdehnung im Verstärkungsteil und im Hauptteil des Schaufelblattes erreicht wird. Die Erfindung wirkt sich besonders bei Gasturbinen sehr vorteilhaft aus, da mit geringster Gewichtszunahme der Schaufel und mit geringstem Aufwand an gas- oder dampfförmigem Kühlmittel die Arbeitsmitteltemperatur gesteigert und damit der thermische Wirkungsgrad verbessert wird. Zudem wird der Dehnungsausgleich im gefährdeten Teil der Schaufel ohne Störung der hydraulischen Verhältnisse erzielt.

Die Verstärkung kann in Form eines das Profil verlängernden Nasenansatzes mit der zuvor erläuterten radialen Erstreckung ausgebildet sein. Es ergibt sich so eine an ihrer Eintrittskante abgestufte Schaufel, deren vorderer Ansatz zwar hohen thermischen, seiner geringen radialen Erstreckung wegen jedoch nur geringen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, während der dahinterliegende Teil durch die Kühlschleier thermisch entlastet, dafür aber durch den äußeren Blatteil mechanisch höher belastet wird.

709 880/228

minderung allein würde nicht ausreichen, eine Überschneidung zu verhindern, denn auch die Kurve B₉ schneidet noch die Kurve A₃ in den Punkten P_s und P₁. Ferner ist aus der Überschneidung der Kurven B._} 5 und A₂ zwischen den Punkten P₅ und P₆ zu folgern, daß die Kühlung allein nicht ausreicht, um die vorgeschriebene Mindestdehnung einzuhalten. Dies wird erst durch die Vereinigung beider Maßnahmen erreicht, die einen Spannungsverlauf gemäß Linie B₂

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind an Hand schematischer Darstellungen erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 a eine Laufschaufel nach der Erfindung im Seitenriß, in den zwecks Vergleich die Schaufelkontur üblicher Auslegung mit gestricheltem Linienzug eingetragen ist; die Diagramme in den Fig. Ib und Ic geben den Temperatur- bzw. Spannungsverlauf längs der Schaufel wieder;

Fig. 2, 3 und 4 zeigen Profilschnitte durch den ver- io und den Verlauf der Dehngrenze nach Linie B₃ erstärkten Schaufelteil etwa in halber Höhe des ver- gibt.

stärkten Schaufelteils, und ^ Fig. 1 c läßt ferner erkennen, daß nach der Schaufel-

Fig. 5 zeigt einen Radialschnitt längs Linie V-V spitze hin die Differenz zwischen Zeit-Dehngrenze und der Fig. 4. tatsächlicher Spannung größer wird. Man könnte also

In Fig. 1 bezeichnet 1 den Schaufelträger und 2 15 im Bereich ν höhere Werkstofftemperaturen und damit eine an ihm befestigte Laufschaufel mit freiem auch höhere Arbeitsmitteltemperaturen zulassen, etwa Schaufelende, bestehend aus dem Blatt 3 und dem derart, daß die Linien B₂ und B₃ unter Einhaltung Fuß 4, der in einer axialen Nut des Trägers 1 aufge- eines Sicherheitsabstandes äquidistant verlaufen, nommen ist. Die Eintrittskante üblicher Lauf- Erwähnt sei noch, daß insbesondere bei Gasturbinen

schaufeln würde etwa nach der gestrichelten Linie 5 20 hauptsächlich die Gesamtdehnung, bezogen auf die verlaufen. Demgegenüber ist die Schaufel nach der S chaufel länge, interessiert, so daß also eine BeErfindung mit einem das Schaufelprofil verlängern- rührung oder eine geringfügige Überschneidung der den, am Fuß ebenfalls angewachsenen Ansatz 6 ver- Linien B₂ und B₃ zugelassen werden kann, sofern dasehen, an dem zu beiden Seiten Schlitze angeordnet durch keine unzulässig große Veränderung im sind, denen Kühlluft zur Bildung eines Kühlschleiers 25 radialen Spalt zwischen der äußeren Laufradbegrenvon der Breite χ entströmt. Der äußere Schaufel- zung und dem feststehenden Gehäuse hervorgerufen abschnitt ist mit ν bezeichnet. Die eingetragenen wird.

Pfeile geben die Strömungsrichtung des Treibmittels Die Fig. 2 bis 4 geben Profilschnitte durch einige

und der Kühlluft an. Schaufeln mit verschiedener Kühlmittelzuführung

Im Diagramm der Fig. Ib sind in Abszissen- 3° wieder. Der durch hydraulische, statische und dynarichtung die mittleren Werkstofftemperaturen in den mische Erfordernisse bedingte Querschnitt des Profils einzelnen Schaufelquerschnitten . aufgetragen, und
zwar zeigt die gestrichelte Linie A₁ den Temperaturverlauf in einer ungekühlten Schaufel üblicher Bauart und die volle Linie B₁ den Verlauf bei einer erfin- 35
dungsgemäß gekühlten Schaufel. Die strichpunktierte
Gerade t_x zeigt die über die Schaufelhöhe konstant
angenommene Treibmitteltemperatur (z. B. 750° C)
an. Infolge der Energieumsetzung in der Grenzschicht
des angeströmten Profils liegen im Abschnitt y die 4°
Schaufeltemperaturen etwas höher als die Temperatur
des Arbeitsmittels; in der Nähe des Fußes sinkt dagegen die Temperatur unter die des Arbeitsmittels ab.
In Fig. 1 c ist in Abszissenrichtung die in den einzelnen Querschnitten auftretende Spannung ο in 45 Bohrung 10 über die Öffnung 12 den Schaufelbauch kg/mm² aufgetragen. Die gestrichelte Linie A₂ gibt und die Bohrung 11 über die Öffnung 13 den Schaufel -

rücken mit Kühlmittel versorgt.

Die Öffnungen bzw. Schlitze, aus denen das Kühlmittel zur Bildung der Kühlschleier entweicht, können

infolge der Querschnittsvergrößerung im Abschnitt .v 5° auch zu Nuten erweitert sein, wie es die Fig. 4 zeigt, ■die Spannungen der verstärkten Schaufel geringer wo nur der nicht gezeigte Schaufelfuß von Bohrungen

14,15 durchbrochen ist, während im Schaufelblatt tiefe Nuten 16,17 angeordnet sind.

Um die Dicke des Kühlschleiers zu vergrößern,

Diagramm der Fig. 1 c sind außerdem noch die den 55 kann ferner das Schaufelprofil hinter den Ausström-Temperaturverläufen nach Linien A₁ und B₁ der Fig. Ib Öffnungen eingezogen bzw. unterschnitten sein, wie es

in Fig. 4 gezeigt ist. Das vollständige aerodynamische Profil ist hier mit gestricheltem Linienzug 18 eingezeichnet. Bei dieser Ausbildung werden nicht nur starke Kühlmittelkeile 19 und 20 erzeugt, sondern es wird in den Nuten 16,17 je nach dem Ausmaß der Unterschneidung Unterdruck erzeugt, der das Kühlmittel durch die Bohrungen 14,15 ansaugt. Mit der Unterschneidung kann also der Kühlmittelfluß den

ohne Verstärkung zwischen den Punkten P₁ und P₂, 65 verschiedenen Bedürfnissen auf den beiden Schaufeldas bedeutet, daß in diesem Bereich die als zulässig seiten angepaßt werden.

angenommene Dehnung von 1% in 10 000 Stunden Trotzdem kann es vorteilhaft sein, die Zuführung

überschritten wird. Die Schaufel würde sich also in des Kühlmittels zu den Bohrungen 14 und 15 getrennt diesem Bereich stärker verformen. Aber auch die durch vorzunehmen, um zu verhindern, daß die Seite höheren die Querschnittsvergrößerung bewirkte Spannungsver- 7° Druckes (Bauchseite) der Schaufel unzureichend ver

einer ungekühlten Schaufel üblicher Auslegung ist in allen Zeichnungen durch den strichpunktierten Linienzug 7 sichtbar gemacht.

Bei der Schaufel nach Fig. 2 wird das Kühlmittel, z. B. Luft, durch eine längs der Eintrittskante verlaufende Bohrung 8 zugeführt und über einen diese mit der Eintrittskante verbindenden Schlitz 9 auf die Rücken- und Bauchseite der Schaufel verteilt.

Um jedoch eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf beide Schaufelseiten sicherzustellen, empfiehlt es sich, zwei Durchbrüche längs der Eintrittskante anzuordnen. In der Schaufel nach Fig. 3 z. B. sind zwei Bohrungen 10,11 vorgesehen, von denen die

den Spannungsverlauf in der Schaufel üblicher Auslegung tind die volle Linie B.₂ den einer erfindungs gemäß verstärkten Schaufel wieder. Man erkennt, daß

sind als die der anderen, während sie im Schaufelfuß infolge der durch die unvermeidliche Verbreitung bedingten Gewichtszunahme etwas größer sind. Im

entsprechenden Zeit - Dehngrenzen eingetragen, und zwar entspricht der Zeit-Debngrenzenverlauf gemäß Kurve A₃ dem Temperaturverlauf nach Linie A₁ und der der Kurve B₃ dem Temperaturverlauf nach Link JS₁. Die Zeit-Dehngrenze sei hier angenommen in kg/mm² für l°/o Dehnung in 10⁴ Stunden.

Fig. Ic zeigt eine starke Überschneidung der Kurven A.₂ und A₃ der Schaufel ohne Kühlung und

sorgt wird oder gar ein Überströmen von dieser Seite zum S chaufel rücken eintritt. Eine solche Zuführung zeigt Fig. 5, in der die den Fig. 4 bzw. Fig. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Schaufel 3' ist mit einem Tannenbaumfuß 4' in einer axialen Nut gehalten. Am Übergang vom Schaufelfuß 4' zum Schaufelblatt 3' sind auskragende Ansätze 21, 22 angeordnet, welche kleine Ausnehmungen 23,24 am Umfang des Schaufelträgers radial nach außen abdecken. Die Ausnehmungen 23, 24 sind nach einer Stirnseite des S chaufel trägers 1 offen, so daß die hier beispielsweise durch Anblasen des Radkranzes eindringende Kühlluft durch die Bohrungen 14,15 in die Nuten 16., 17 gelangt. Diese Nuten 16,17 werden vorteilhaft konisch gestaltet, so daß die Kühlluft gleichmäßig über die Seitenflächen der Schaufel verteilt wird.

Der besondere Vorteil der in Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsform besteht darin, daß man hier in der Wahl der Mittel für die Schaufelbefestigung völlig frei ist und daß man hierfür auch schwer oder nicht bearbeitbare Werkstoffe, wie Sinterlegierungen, verwenden kann, wobei dann die Nuten und Bohrungen bereits bei der Formung eingeformt werden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Gekühlte Laufschaufel für heiß betriebene Turbinen, insbesondere für Gasturbinen, deren Schaufelwände von durch gas- oder dampfförmige Kühlmittel gebildeten Kühlschleiern eingehüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Schaufelabschnitt (x) mit den maximalen Spannungen die Schaufelquerschnitte durch Profilverlängerung vergrößert sind und daß durch Anpassung der radialen Erstreckung des die Ouerschnittsvergrößerung bildenden Teils sowie durch Anordnung von nur diesen Abschnitt bedeckenden Kühlschleiern eine größtmögliche Angleichung der Zeitdehnung im Verstärkungsteil und im Hauptteil des Schaufelblattes erreicht wird.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung als Ansatz (6) an der Profilnase angebracht und so bemessen ist, daß er annähernd die gleiche Zeitdehnung erfährt wie der übrige Schaufelteil.

3. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Durchbrüche (z. B. 10,11) für die Kühlmittelzuführung angeordnet sind, von denen einer mit der Bauchseite, der andere mit der Rückenseite des Schaufelblattes verbunden ist, und daß den Durchbrüchen das Kühlmittel unter Berücksichtigung der an den Ausströmöffnungen (12,13) vorhandenen Druckunterschiede getrennt zugeführt wird.

4. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausströmöffnungen Schlitze angebracht sind.

5. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche in radiale, konisch verlaufende Nuten (16,17) auslaufen.

6. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelprofil hinter den Ausströmöffnungen gegenüber dem aerodynamischen Profil eingezogen ist.

7. Laufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang vom Schaufelfuß (4') zum Schaufelblatt (3') auskragende Ansätze (21,22) angebracht sind, die mit Bohrungen (14,15) für die Kühlmittelzuführung versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 891639, 718 939;
deutsche Patentanmeldung B8010Ia/46f;
schweizerische Patentschrift Nr. 209 009;
britische Patentschrift Nr. 655 304.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709 880/228 2.58