DE1031056B

DE1031056B - Kuehlanordnung fuer die Kuehlung von einem heissen Gasstrom ausgesetzten Teilen

Info

Publication number: DE1031056B
Application number: DEP14767A
Authority: DE
Inventors: Ernest John Cole; Vincent Walker; Jack Donald Wells
Original assignee: PAMETRADA RES STATION; Parsons and Marine Engineering Turbine Research and Development Association
Current assignee: PAMETRADA RES STATION; Parsons and Marine Engineering Turbine Research and Development Association
Priority date: 1954-10-18
Filing date: 1955-09-05
Publication date: 1958-05-29
Also published as: CH338057A; GB778672A; FR1130996A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft die Kühlung von Teilen, die einem heißen Gasstrom ausgesetzt sind. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf die Kühlung von Turbinenschaufel!! anwendbar.

Es ist an sich bekannt, Turbinenschaufeln oder andere einem heißen Gasstrom ausgesetzte Teile mittels der sogenannten Ausströmkühlung zu kühlen. Dieses Verfahren ist jedoch insofern nachteilig, als dabei auftretende statische Druckspitzen und bemerkenswerte Schwankungen der Wärmeübertragungskoeffizienten, die beide an der Eintrittskante der Schaufeln vorkommen und je nach Auftreffwinkel des heißen Gases verschieden sind, die gleichmäßige Kühlung dieser Stellen schwer erreichen lassen.

An der Austrittskante sind die Druck- und Wärme-Übergangsbedingungen von geringerer Bedeutung, aber die Herstellung dünner, poröser Austrittskanten genügender Festigkeit bietet hier eine erhebliche Schwierigkeit.

Es ist auch bekannt, Turbinenschaufeln od. dgl. durch die sogenannte Innenkühlung zu kühlen, bei der also ein Kühlfluidum in in die Schaufeln eingeformten Kanälen umläuft. Die reine Innenkühlung einer Turbinenschaufel ist jedoch ziemlich wirkungslos, da die wirksame Oberfläche der inneren Kühlkanäle immer geringer sein muß als die eines porösen Materials und folglich das Kühlmittel mit verhältnismäßig geringer Temperatur abgeführt wird. Weiter fehlt der Film kühler Luft oder eines anderen Kühlmittels, der im Falle einer Ausströmkühlung einen Isoliereffekt hervorruft.

Die Erfindung beseitigt die vorstehend angegebenen Nachteile und geht von der Erkenntnis aus, daß diese überwunden werden können, wenn man die Innenkühlung allein auf die Ein- und Austrittskanten der zu kühlenden Teile beschränkt, während die Ausströmkühlung für die zwischen den Kanten verbleibenden Bereiche angewendet wird.

Demnach geht die Erfindung aius von einer Turbinenschaufel oder einem sonstigen einem heißen Gasstrom ausgesetzten Teil mit einer mindestens teilweise die äußere Oberfläche zur Ausströmkühlung bedeckenden Abdeckung aus porösem Material und besteht darin, daß die Eintritts- und Austrittskanten eine an sich bekannte Innenkühlung aufweisen, die mittels eines in den Eintritts- und Austrittskanten in Leitungen strömenden Kühlmediums vorgenommen ist.

Das Erfinderische und Fortschrittliche wird also darin gesehen, daß eine Schaufel od. dgl. Teil geschaffen wird, die trotz hoher Kühlleistung dennoch keine Einbuße an Festigkeit und Stabilität erleidet. Sie trägt insbesondere den Verhältnissen an den Eintritts- und Austrittskanten Rechnung und vermeidet dadurch die den bisherigen Systemen anhaftenden Kühlanordnung für die Kühlung

von einem heißen Gasstrom

ausgesetzten Teilen

Anmelder:

The Parsons and Marine Engineering

Turbine Research and Development

Association, Pametrada Research Station, Wallsend, Northumberland

(Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. C-H. Huss, Patentanwalt,
Garmisch-Partenkirchen, Rathausstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 18. Oktober 1954 und 11. August 1955

Ernest John CoIe₁ Gosforth, Newcastle-upon-Tyne,

Vincent Walker, Monkseaton, Northumberland,
und Jack Donald Wells, Tynemouth, Northumberland

(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

Nachteile, insbesondere Schwankungen des Wärmeübergangskoeffizienten an der Eintrittskante, die vor allem deshalb nachteilig sind, weil sie mit dem Auftreffwinkel der heißen Gase variieren und die gleichmäßige Kühlung sehr erschweren, ferner Schwierigkeiten bei der Herstellung dünner, poröser Austrittskanten ausreichender Festigkeit.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal sind für die Ausströmkühlung in den Schaufelkörper Kühlkanäle eingeformt und von einer Abdeckung aus porösem Material abgedeckt, ohne daß diese Abdeckung sich bis in den Bereich der innengekühlten Kanten erstreckt. Die Innenkühlleitungen an den Kanten können dabei mit den Außenkühlleitungen in Verbindung stehen.

Die Erfindung ist schematisch und beispielsweise am Beispiel einer Turbinenschaufel in den Zeichnungen dargestellt und an Hand dieser nachfolgend näher beschrieben.

Ein mittels Kaltpressen oder eines anderen Herstellungsverfahrens hergestellter Grundkörper α mit Eintritts- und Austrittskanten b und c weist ein-

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geformte innere Kühlkanäle d und e auf, die im Bereich der Eintritts- bzw. Austrittskante liegen.

Ein Blech oder eine Abdeckung f aus porösem Material bedeckt die äußeren Oberflächen der Schaufel zwischen der Eintritts- und Austrittskante derselben und ist mittels elektrischer Sinterschweißung oder eines anderen geeigneten Verfahrens mit dem Grundkörper verbunden.

Weitere Kanäle g sind zwischen der porösen Abdeckung und dem inneren Grundkörper vorgesehen, durch die ein Kühlmittel für die Kühlung der Schaufeloberfläche zugeführt werden kann.

Die Luft oder ein anderes geeignetes Kühlmittel kann in jedem Kanal je nach den besonderen, an der Oberfläche des Teiles in den verschiedenen Lagen vorherrschenden Druck- und AVärmeübergangsbedingungen zugemessen werden.

Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt, in der Mündungen η verschiedener Ouerschnittsabmessungen in den Zuführungen ο vorgesehen sind, die zu den einzelnen Kanälen führen.

Nach einer Alternativausführung gemäß Fig. 3 ist eine poröse Abdeckung / veränderlicher Stärke vorgesehen.

Anstatt einer Platte veränderlicher Stärke kann auch eine solche veränderlicher Durchlässigkeit des porösen Materials vorgesehen sein. Bei den Anordnungen nach den Fig. 2 und 3 sind getrennte Kanäle nicht notwendig, falls sie nicht aus mechanischen Festigkeitsgründen notwendig sein sollten.

Wenn gewünscht, kann das an der Spitze einer Schaufel an den inneren Kühlkanälen d austretende Kühlmittel in die Kühlkanäle g, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Deckplatte, zurückgeführt werden, so daß auf diese Weise ein weiterer Anstieg der Temperatur des Kühlmittels, ehe es in den Gasstrom zurückgeführt wird, erzielt wird, wodurch sich auch die Gesamtmenge des Kühlstromes reduzieren läßt.

Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Das Kühlmittel wird hier am äußeren Ende der Führungen d mittels Übergänge i und kalibrierter Öffnungen h veranlaßt, in die anschließenden Kanäle g· zu strömen, und das Kühlmittel aus den Kanälen e wird ebenso veranlaßt, in die anschließenden Kanäle mittels der Öffnungen /, k zu strömen.

Die Kanäle g bringen das Kühlmittel von der Schaufelwurzel zu der porösen Wand f und der Deckplatte JK, durch welche es durchzusickern vermag.

Die durch eine Konstruktion nach der Erfindung erzielbaren Vorteile sind folgende:

1. Eine angemessene Kühlung der Eintrittskante kann unter allen auftretenden Bedingungen erzielt werden.

2. Die Austrittskante der Schaufel oder eines anderen zu kühlenden Teiles kann zur Verhinderung hoher aerodynamischer Verluste dünn gehalten werden und wird dennoch wirksam gekühlt.

3. Der zentrale Grundkörper einschließlich der Eintritts- und Austrittskanten bildet ein Teil genügend großen Widerstandes, während die Stärke des porösen Materials von untergeordneter Bedeutung ist.

4. Die Herstellung einer Schaufel oder eines anderen zu kühlenden Teiles nach der Erfindung ist verhältnismäßig einfach.

5. Die Wirksamkeit der inneren Kühlung an den Eintritts- und Austrittskanten kann durch Überführung der Luft in die angrenzenden Kanäle für eine weitere Kühlung der Schaufelfläche erhöht werden.

Claims

Patentansprüche:

!.Turbinenschaufel oder sonstiger einem heißen Gasstrom ausgesetzter Teil mit einer mindestens teilweise die äußere Oberfläche zur Ausströmkühlung bedeckenden Abdeckung aus porösem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittskanten Qj, c) des Teiles oder der Schaufel (α) eine an sich bekannte Innenkühlung aufweisen, die mittels eines in den Eintritts- und Austrittskantan in Leitungen (d, e) strömenden Kühlmediums vorgenommen ist.
2. Schaufel od. dgl. Teil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (σ) mit ihm aus einem Stück bestehende Eintrittsund Austrittskantenbereiche Qj und c) aufweist, zwischen denen, jedoch ohne sie zu bedecken, sich eine poröse Abdeckung (/) erstreckt, und der von der Abdeckung erfaßte Teil des Grundkörpers Kanäle (g) für die Zufuhr des Ausströmkühlmittels in das Innere der porösen Abdeckung aufweist.
3. Schaufel od. dgl. Teil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium aus den Innenkühlleitungen (d, e) den Ausströmkühlkanälen (g) zuführbar ist.
4. Schaufel od. dgl. Teil nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckplatte (m) zur Abdeckung eines der Enden der Innenkühlleitungen (d oder e) und eine oder mehrere kalibrierte Öffnungen Qi, j, k) für die Verbindung mit einem oder mehreren der Kanäle (g) vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 821 881; schweizerische Patentschrift Nr. 225 232; französische Patentschrift Nr. 1022 398; britische Patentschrift Nr. 680 581; USA.-Patentschrift Nr. 2 405 785; »Engineering«, Bd. 176, Heft 4577 vom 16. Oktober 1953, S. 492, 493.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen