DE1092255B - Method for cooling machine parts, in particular hollow gas turbine blades - Google Patents
Method for cooling machine parts, in particular hollow gas turbine bladesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Maschinenteilen sowie eine durch dieses Verfahren gekühlte Gasturbinenschaufel.The invention relates to a method for cooling machine parts and to a method using this method cooled gas turbine blade.
Verfahren zur Kühlung von Maschinenteilen, insbesondere von hohlen Gasturbinenschaufeln, mittels Luft oder eines anderen gasförmigen Strömungsmittels, das in das Innere des Teiles geleitet und gegen die Wandungen gerichtet wird, wobei das Gas unter Druck in einen inneren Mantel eingeführt wird, den es durch kleine öffnungen wieder verläßt, die dazu dienen, die Entspannung des Gases herbeizuführen und Strahlen großer Geschwindigkeit zu erzeugen, sind bekannt.Method for cooling machine parts, in particular hollow gas turbine blades, by means of Air or some other gaseous fluid that is passed into the interior of the part and against the walls is straightened, wherein the gas is introduced under pressure into an inner jacket, the it leaves again through small openings which serve to bring about the expansion of the gas and producing jets of great velocity are known.
Ein derartiges, an einer beweglichen Turbinenschaufel verwirklichtes Kühlverfahren arbeitet folgendermaßen: Innerhalb der Schaufel erstreckt sich ein aus zwei wellblechartigen, gewölbten Teilen zu in Längsrichtung der Schaufel nebeneinander verlaufenden Röhren verschiedenen Querschnitts zusammengesetzter Mantel, in den vom Fuße der Schaufel her Kühlmittel unter Druck eingepreßt wird. Die Mantelröhren weisen über ihren gesamten Umfang in bestimmten Längsabständen verteilte, in gleicher Höhe liegende Löcher auf, durch die das Kühlmittel in allen Richtungen in einer Ebene senkrecht zum Mantel aus diesem austritt und unter verschiedenen Auftreffwinkeln gegen die Innenfläche der Turbinenschaufel geführt wird. Dabei durchkreuzen sich jedoch die Bahnen der einzelnen Kühlmittelstrahlen zum Teil mehrfach, so daß die Kühlwirkung durch die auftretende Turbulenz stark vermindert wird. Außerdem wird bei dieser Ausführungsform der vorderen und hinteren Kante der Turbinenschaufel, die erfahrungsgemäß am meisten durch Wärme beansprucht werden, nicht unmittelbar Kühlmittel zugeführt.Such a cooling method implemented on a movable turbine blade works as follows: Inside the blade, one of two corrugated sheet-like, arched parts extends to in In the longitudinal direction of the blade, tubes running next to one another and of different cross-sections are composed Jacket into which coolant is injected under pressure from the base of the blade. The jacket tubes have distributed over their entire circumference at certain longitudinal distances, at the same height lying holes through which the coolant in all directions in a plane perpendicular to the Shell emerges from this and at different angles of incidence against the inner surface of the turbine blade to be led. In doing so, however, the paths of the individual coolant jets cross each other Partly several times, so that the cooling effect is greatly reduced by the turbulence that occurs. aside from that in this embodiment, the front and rear edges of the turbine blade, which experience has shown are most exposed to heat, not directly supplied with coolant.
Bei einem anderen, ebenfalls an einer Turbinenschaufel verwirklichten Kühlverfahren wird Kühlmittel in einen in der Schaufel verlaufenden Mantel von ovalem, gegenüber der Schaufel sehr viel kleinerem Querschnitt eingeleitet. Der Mantel hat in Richtung zur vorderen Schaufelkante hin einen Längsschlitz, durch den das vom Schaufelende kommende Kühlmittel mit einer starken Komponente in Längsrichtung des Schaufelblattes und des Mantels und dadurch unter einem mehr oder weniger spitzen Auftreffwinkel gegen den vorderen, vor der vorderen Mantelkante liegenden Bereich der Innenfläche der Schaufel geführt wird. Es tritt an der hinteren Kante der Schaufel wieder aus. Die erreichbare Kühlwirkung wird auch bei diesem Verfahren durch die völlig ungeregelte Art des Kühlmittelaustritts aus dem Mantel, verbunden mit entsprechenden Turbulenzerscheinungen, stark herabgesetzt.In another cooling method, also implemented on a turbine blade, coolant is used into an oval jacket running in the shovel, which is much smaller than the shovel Cross-section initiated. The jacket has a longitudinal slot in the direction of the front blade edge, due to the coolant coming from the blade end with a strong component in the longitudinal direction of the blade and the jacket and thus at a more or less acute angle of incidence guided against the front area of the inner surface of the blade located in front of the front jacket edge will. It exits at the rear edge of the shovel. The achievable cooling effect is also in this process through the completely unregulated nature of the coolant outlet from the jacket with corresponding turbulence phenomena, greatly reduced.
Gegenüber diesen und anderen, im wesentlichen Verfahren zur KühlungCompared to these and other, essentially methods for cooling
von Maschinenteilen, insbesondereof machine parts, in particular
von hohlen Gasturbinenschaufelnof hollow gas turbine blades
Anmelder:
Societe Nationale d'EtudeApplicant:
Societe Nationale d'Etude
et de Construction de Moteurs d'Aviation, Pariset de Construction de Moteurs d'Aviation, Paris
Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41Representative: Dr.-Ing. H. Negendank, patent attorney,
Hamburg 36, Neuer Wall 41
Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 28. Mai 1957Claimed priority:
France, May 28, 1957
Otto Arthur David, Foch-Dammarie-les-LysOtto Arthur David, Foch-Dammarie-les-Lys
(Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden(France),
has been named as the inventor
gleichen bekannten Verfahren mit den angegebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kühlung von Maschinenteilen zu schaffen, das durch gesteigerte, bevorzugte, durch einander nicht beeinflussende Kühlmittelstrahlen bewirkte Kühlung der besonders gefährdeten Stellen und ausreichende Kühlung der übrigen Maschinenteile wirkungsvoller und gleichzeitig wirtschaftlicher arbeitet. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeder der aus den Öffnungen tretenden Strahlen in den der größten Wärmebeanspruchung unterworfenen Abschnitten im wesentlichen senkrecht auf die Wandungen trifft.The same known method with the stated disadvantages, the invention is based on the object to create a method for cooling machine parts, which by increased, preferred, by each other non-influencing coolant jets brought about cooling of the particularly endangered areas and sufficient Cooling of the other machine parts works more effectively and at the same time more economically. This object is achieved in that each of the rays emerging from the openings in the Sections subjected to the greatest thermal stress are essentially perpendicular to the walls meets.
Erfindungsgemäß wird durch senkrechtes Auftreffen einzelner Kühlmittelstrahlen auf heiße Maschinenteile eine erheblich größere Kühlwirkung erzielt als durch schräges Auftreffen oder durch Bestreichen der zu kühlenden Flächen. Demzufolge sieht das Verfahren für das zu kühlende Maschinenteil einen Mantel vor, dessen Wand zumindest im Bereich der größten Wärmebeanspruchung in möglichst kleinem Abstand von der Innenfläche des zu kühlenden Maschinenteils parallel zu ihr verläuft. In diesem Bereich ist der Mantel mit kleinen öffnungen versehen, aus denen das Kühlmittel in feinen Strahlen ausgepreßt wird.According to the invention, individual coolant jets hit hot machine parts vertically a significantly greater cooling effect is achieved than by striking it at an angle or by brushing the too cooling surfaces. Accordingly, the method provides a jacket for the machine part to be cooled, its wall at least in the area of the greatest thermal stress at the smallest possible distance runs parallel to it from the inner surface of the machine part to be cooled. In this area is the Provide the jacket with small openings from which the coolant is squeezed out in fine jets.
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Dadurch wird erreicht, daß die Kühlmittelstrahlen Weitere Vorteile und Eigenschaften des erfindungssenkrecht auf die unmittelbar gegenüberliegende In- gemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßenIt is thereby achieved that the coolant jets. Further advantages and properties of the invention perpendicular to the directly opposite method according to the invention and to the method according to the invention
nenfläche des zu kühlenden Maschinenteils aufprallen. Turbinenschaufel gehen aus der Beschreibung im Zu-Weiterhin wird erreicht, daß die Strahlen sich ein- sammenhang mit den Zeichnungen eines Ausführungsander nicht beeinflussen und die Kühlwirkung her- 5 beispiels hervor.the inner surface of the machine part to be cooled. Turbine blades are based on the description in the appendix it is achieved that the rays are related to the drawings of an embodiment do not affect and the cooling effect is shown for example.
absetzende Turbulenzerscheinungen hervorrufen. Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt einer Leit-cause settling turbulence phenomena. Fig. 1 is a schematic section of a guide
Schließlich bedeutet die unmittelbare Zufuhr des schaufel der Turbine eines TurbostrahltriebwerksFinally, the direct supply of the blade means the turbine of a turbojet engine
Kühlmittels zu den am meisten gefährdeten Teilen längs der Linie I-I der Fig. 2;Coolant to the most vulnerable parts along line I-I of Figure 2;
und die anschließende Benutzung desselben Kühl- Fig. 2 ist ein Seitenriß dieser Schaufel unter Fortmittels
zur Kühlung der übrigen, weniger gefährdeten io lassung eines Teils ihrer Unterseite;
Maschinenteile eine größere Wirtschaftlichkeit gegen- Fig. 3 zeigt eine Einzelheit der Form eines in einer
über den bisherigen Verfahren. derartigen Schaufel unterzubringenden Innenmantels.and the subsequent use of the same cooling Figure 2 is a side elevation view of this vane under means for cooling the remaining, less endangered io leave part of its underside;
Machine parts a greater economic efficiency compared to- Fig. 3 shows a detail of the form of one in one over the previous method. such a blade to be housed inner jacket.
Zwar ist es bekanntgeworden, daß man zur Küh- Die Fig. 1 und 2 zeigen eine hohle Schaufel 1 aus
lung von Maschinenteilen versucht hat, punktweise Blech, welche durch einen inneren Luftumlauf geaus
Öffnungen tretende Strahlen auf die zu kühlenden 15 kühlt werden soll. Sie ist längs der Hinterkante mit
Wandungen im wesentlichen senkrecht aufzuspritzen. Leiste 2 verschweißt, in welcher öffnungen 3 ange-Die
mit Wasser als Kühlmedium durchgeführten Ver- bracht sind, durch die die Kühlluft nach ihrer Besuche
erwiesen sich jedoch wegen der Bildung von nutzung aus der Schaufel austritt und sich mit dem
Dampfpolstern und damit verbundener Korrosionen Strom der heißen Gase mischt,
der Wandungen als unbrauchbar. 20 Ein Mantel 4 ist innerhalb dieser Schaufel angeord-Although it has become known that one has tried to cool the Fig. 1 and 2 show a hollow blade 1 from development of machine parts, point-wise sheet metal which is to be cooled by an internal air circulation geaus openings exiting rays on the 15 to be cooled. It is to be sprayed on along the rear edge with walls essentially perpendicular. Welded bar 2, in which openings 3 are brought out with water as the cooling medium, through which the cooling air after their visits, however, emerges from the shovel due to the formation of usefulness and flows with the steam cushion and the associated corrosion that mixes hot gases,
the walls as unusable. 20 A jacket 4 is arranged within this blade
Bei einer Turbinenschaufel ist es weiter auch be- net. Er hat solche Abmessungen und ein solches Pro-In the case of a turbine blade, it is also benign. He has such dimensions and such a pro-
kanntgeworden, ein gasförmiges Kühlmittel senkrecht fil, daß zwischen der Wand der Schaufel und dembecome known, a gaseous coolant perpendicular fil that between the wall of the blade and the
auf eine vor der S chaufel vorderkante angeordnete Mantel ein Raum 9 entsteht, welcher für den Umlaufa space 9 is created on a jacket arranged in front of the shovel leading edge, which is used for circulation
Maske zu richten und diese dadurch zu kühlen; jedoch der Kühlluft ausreicht. Dieser an seinem oberen EndeStraightening the mask and thereby cooling it; but the cooling air is sufficient. This one at its upper end
kamen dabei so große Öffnungen zur Anwendung, daß 25 durch einen Boden 5 verschlossene Mantel wird durchso large openings came here that 25 by a bottom 5 closed jacket is through
keine Strahlwirkung mehr zustande kommen konnte. Sicken 6 (Fig. 3) an Ort und Stelle gehalten, welcheno more radiation effect could come about. Beads 6 (Fig. 3) held in place, which
Die Gasteilchen erreichten die Maske nur noch mit sich auf der Wand 1 der Schaufel abstützen undThe gas particles only reached the mask by supporting themselves on the wall 1 of the shovel and
geringer Geschwindigkeit, so daß eine Prallkühlung, schachbrettartig angeordnet sind.low speed, so that an impingement cooling, are arranged like a checkerboard.
wie sie bei der Erfindung beabsichtigt ist, nicht erziel- Der Mantel 4 weist Löcher oder Durchlässe 8 auf,as it is intended in the invention, not achieved- The jacket 4 has holes or passages 8,
bar war, ganz abgesehen von den bei so großen öff- 30 welche den Teilen der Schaufelwand gegenüberliegen,bar, quite apart from the large opening 30 which are opposite the parts of the blade wall,
nungen und Ausnehmungen verbundenen nachteiligen die besonders gekühlt werden sollen, d. h. den Teilen,disadvantages associated with openings and recesses which are to be particularly cooled, d. H. the parts,
Schwächungen des tragenden Schaufelquerschnittes bei welchen die Gefahr einer übermäßigen ErhitzungWeaknesses in the supporting blade cross-section where there is a risk of excessive heating
und der durch die Maske hervorgerufenen Verdickung besteht. Bei dem dargestellten Beispiel sind Löcher 8and the thickening caused by the mask. In the example shown, holes are 8
des Angriffsprofils der Schaufel. in der Nähe der Vorderkante der Schaufel sowie inthe attack profile of the shovel. near the leading edge of the bucket as well as in
Darüber hinaus ist es die Aufgabe der Erfindung, 35 der Nähe ihrer Hinterkante vorgesehen. Die KühlluftIn addition, it is the object of the invention to provide 35 in the vicinity of its trailing edge. The cooling air
eine gemäß dem Verfahren zu kühlende Turbinen- kann am Eingang des Verdichters abgenommen wer-a turbine to be cooled according to the process can be taken from the inlet of the compressor
schaufel zu schaffen. den und tritt in den Mantel 4 durch den Schaufelfußto create a shovel. and enters the jacket 4 through the blade root
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Aus- in Richtung der Pfeile 7 ein. Sie tritt durch dieThis object is achieved in that the direction of the arrows 7 a. She steps through the
laßöffnungen des Mantels für das zur Kühlung be- Löcher 8 in Form von feinen Strahlen aus, welcheoutlet openings of the jacket for the cooling holes 8 in the form of fine rays, which
nutzte Gas punktförmig sind und im Bereich der Vor- 4° genau an den zu kühlenden Stellen senkrecht auf dieused gas are punctiform and in the area of the pre-4 ° exactly at the points to be cooled perpendicular to the
derkante der Schaufel und in einem der Hinterkante Wand der Schaufel treffen.the edge of the shovel and meet in one of the trailing edge wall of the shovel.
der Schaufel benachbarten Gebiet angeordnet sind, so Diese Luft strömt anschließend in dem Raum 9 in daß das aus den öffnungen austretende Gas senkrecht Richtung der Pfeile 10 und tritt schließlich durch die auf die Wandungen der betreffenden Bereiche auf- öffnungen 3 aus. Es ist zu bemerken, daß die schachtrifft und in an sich bekannter Weise nach Entlang- 45 brettartigen Sicken 6 die Wirbelbewegung der in dem streichen an den S chaufel wänden an der Hinterkante Raum 9 strömenden Luft vergrößern und den Wärmeaustritt, austausch begünstigen.the area adjacent to the blade, so this air then flows into the space 9 in that the gas emerging from the openings perpendicular to the direction of the arrows 10 and finally passes through the openings 3 on the walls of the areas concerned. It should be noted that this hits chess and in a manner known per se, along board-like beads 6, the vortex movement of the in the paint on the blade walls at the rear edge of room 9 to enlarge the flowing air and reduce the heat leakage, favor exchange.
Es hat sich erwiesen, daß die am meisten durch Die dünnen, aus den Löchern 8 austretenden undIt has been shown that the most through the thin, emerging from the holes 8 and
Einwirkung hoher Temperaturen gefährdeten Stellen die Wand der Schaufel 1 senkrecht treffenden Strah-Exposure to high temperatures endangered points the wall of the blade 1 vertically hitting jet
einer Turbinenschaufel, z. B. eines Turbostrahltrieb- 50 len erzeugen eine Prallkühlung, welche bessere Er-a turbine blade, e.g. B. a turbo jet drive 50 len generate an impingement cooling, which better er-
werks, die vordere Kante und ein Bereich kurz vor gebnisse als die einfache Luftströmung durch eineWerk, the leading edge and an area just before results as the simple air flow through a
der Hinterkante der Schaufel sind. Die Aufgabe, Schaufel liefert. Das erfindungsgemäße Kühlverfah-are the trailing edge of the bucket. The task of shovel supplies. The cooling method according to the invention
diese Bereiche besonders zu kühlen, wird erfmdungs- ren, bei welchem durch zweckmäßig ausgebildeteParticularly cooling these areas is in accordance with the invention, in which by appropriately designed
gemäß durch die angegebene Art und Lage der Aus- Durchlässe Luftstrahlen senkrecht auf die zu kühlen-according to the specified type and position of the outlets, air jets perpendicular to the
laßöffnungen in dem Mantel erreicht. Der Mantel, 55 den Teile gerichtet werden, gestattet somit die Erzie-reached openings in the jacket. The jacket, 55 to which the parts are directed, thus allows education
dessen Querschnitt dem der Schaufel ähnlich und nur lung eines besseren Wirkungsgrades, da einerseits diewhose cross-section is similar to that of the blade and only ment of better efficiency, since on the one hand the
wenig kleiner als dieser ist, ist an den Seitenwänden Luft bei dem Austritt aus den Durchlässen 8 nochis slightly smaller than this, air is still on the side walls when it emerges from the passages 8
der Schaufel durch schachbrettartig angeordnete Ver- verhältnismäßig kalt ist und da andererseits ihrethe shovel is relatively cold due to its chessboard-like arrangement and, on the other hand, yours
bindungsstücke befestigt, wodurch eine Wirbelbewe- Temperatur an den an dem Schaufelfuß und an denBinding pieces attached, creating a vortex movement temperature to the at the blade root and to the
gung der strömenden Luft und damit ein intensiverer 60 an dem Schaufelkopf liegenden Durchlässen ungefährsupply of the flowing air and thus a more intensive 60 lying on the blade head passages approximately
Wärmeaustausch in diesem Bereich der Schaufel be- die gleiche ist, weil diese Luft bei ihrer StrömungHeat exchange in this area of the blade is the same because this air is in its flow
wirkt wird. Der große Mantelquerschnitt bietet inso- durch den Mantel 4 nicht erwärmt wird, so daß deris effective. The large jacket cross-section offers inso- is not heated by the jacket 4, so that the
fern noch einen besonderen Vorteil, als sich dadurch Wärmeaustausch über die ganze Höhe der Schaufelfar from another special advantage, as this allows heat exchange over the entire height of the shovel
das in ihm enthaltene Kühlmittel auf dem Wege vom gleichmäßiger ist, wodurch die von großen Tempe-the coolant it contains is on the way of being more uniform, whereby the high temperatures
Fuß zum Kopf der Schaufel nicht wesentlich erwärmt 65 raturunterschieden herrührenden BeanspruchungenThe foot to the head of the shovel is not significantly heated
und so das durch die punktförmigen öffnungen aus- vermieden werden können.and so that can be avoided by the punctiform openings.
tretende Kühlmittel überall nahezu die gleiche Tempe- Die obige Beschreibung behandelt als Beispiel eineThe above description treats one as an example
ratur hat, wodurch zusätzliche, aus Temperaturunter- Eingangsleitschaufel einer Gasturbine. Die Erfindungrature has, whereby additional, from temperature lower inlet guide vane of a gas turbine. The invention
schieden resultierende Beanspruchungen der Schaufel kann jedoch offensichtlich auch auf beliebige andereHowever, the resulting stresses on the blade can obviously also be applied to any other
vermieden werden. 70 Maschinenteile angewendet werden, welche wirksambe avoided. 70 machine parts are used, which are effective
gekühlt werden sollen, insbesondere auf die beweglichen Schaufeln der Turbine, auf in der Strömung liegende Haltearme oder auch auf die Wände der Verbrennungskammern oder des Nachverbrennungskanals. should be cooled, in particular on the moving blades of the turbine, on in the flow lying holding arms or on the walls of the combustion chambers or the afterburning duct.
Claims (2)
Deutsche Patentschriften Nr. 949 954, 906 636;
schweizerische Patentschrift Nr. 209 009;
französische Patentschrift Nr. 1 021 265;
britische Patentschriften Nr. 753 224, 740 597;
USA.-Patentschrift Nr. 2 780 435.Considered publications:
German Patent Nos. 949 954, 906 636;
Swiss Patent No. 209 009;
French Patent No. 1,021,265;
British Patent Nos. 753 224, 740 597;
U.S. Patent No. 2,780,435.
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