DE1097212B - Mit Kuehlkanaelen versehene Schaufel, insbesondere fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Kühlkanälen versehene Schaufel, die vorzugsweise für Verdichter und Laufräder von Gasturbinentriebwerken verwendet werden soll.

Es ist bekannt, Turbinenschaufeln zum Durchleiten eines Kühlmittels mit inneren Kanälen zu versehen oder hohl auszubilden. Um die Kühlwirkung durch einen langen Strömungsweg der Luft in der hohlen Schaufel zu verbessern, ist es ferner bekannt, mit Kühlluft gespeiste Hohlschaufeln für Dampf- oder Gasturbinen am Schaufelfuß mit einem in die Hohlschaufel ragenden schraubenförmigen Leitgang zu versehen, der eine schraubenförmige Strömung der Kühlluft in der Hohlschaufel erzeugen soll. Bei dem normalerweise länglichen Schaufelquerschnitt bricht sich der Drall der von dem Einsatzkörper erzeugten Luftströmung jedoch an den Kanten der Hohlschaufel und ist an diesen Stellen, an denen die Wärmebeanspruchung besonders stark ist, nur wenig wirksam.

Es ist ferner bekannt, Turbinenschaufeln aus einem Blechmantel und einem darin angeordneten Kern herzustellen, der an seiner Außenfläche Nuten aufweist, die vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze reichen und zusammen mit dem Schaufelmantel achsparallele Kühlkanäle bilden. Hierbei ist es weiterhin bekannt, zur Erzielung einer bestimmten Verteilung der Kühlwirkung über die Länge der Schaufel die Nuten so auszubilden, daß sie über ihre Länge einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen. Um trotz steigender Kühllufttemperatur auf dem ganzen Strömungsweg der Kühlluft vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze eine gleichbleibende Kühlwirkung zu erzielen, ist es im Sinne dieses Vorschlages auch bekannt, die achsparallelen Kühlluftkanäle so auszubilden, daß sie bei gleichbleibender Breite vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hin flacher werden.

Schließlich ist es bekannt, eine mit achsparallelen Kühlluftkanälen versehene Turbinenschaufel so einzurichten, daß die Kühlluft zunächst die an den Schaufeikanten befindlichen Kanäle durchströmt und dann nach ihrer Wärmeaufnahme an den Schaufelkanten in die an den Hauptflächen der Schaufel befindlichen Kanäle übergeleitet wird. Zwar kommt hierbei die Kühlluft zunächst an den am höchsten durch Wärme beanspruchten Schaufelkanten vorbei, doch haben die an den Schaufelkanten befindlichen Luftkanäle nur ein geringes Fördervolumen, wobei es überdies nachteilig ist, daß durch die anschließende Weiterleitung der an den Schaufelkanten erwärmten Kühlluft in die an den Hauptflächen der Schaufel befindlichen Kühlkanäle der Strömungswiderstand erhöht und demgemäß die Luftförderung durch die Kantenkanäle vermindert wird.

Mit Kühlkanälen versehene Schaufel,
insbesondere für Gasturbinen

Anmelder:

Her Majesty the Queen in the Right

of Canada, vertreten durch den Minister of National Defence of Canada,

Ottawa, Ontario (Kanada)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46

Robert Stephen Pollock, East Dearborn, Mich.

(VStA.),
ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine mit Kühlkanälen versehene Schaufel für Turbinen oder Verdichter so auszubilden, daß sie bei gleichmäßiger Speisung aller Kühlkanäle an den durch Wärmeaufnahme besonders hoch beanspruchten Schaufelkanten stärker gekühlt wird als an den Hauptflächen der Schaufel, wobei die gesamte Menge des durch die Kühlkanäle der Schaufel geleiteten Kühlmittels sowohl mit den Schaufelkanten als auch mit den Hauptflächen der Schaufel in Berührung kommt. Die Schaufel besteht hierbei in der bekannten Weise aus einem Blechmantel und einem darin angeordneten Kern, der an seiner Außenfläche mit vom Blechmantel abgedeckten, die Kühlkanäle bildenden Nuten versehen ist. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Nuten bei an sich bekannter schraubenförmiger Führung des Kühlmittels über ihre ganze Länge vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze in mehrgängiger Windung als geschlossene Kanäle um die beiden Schaufelkanten herumgeführt und an den Schaufelkanten flacher als an den beiden Seitenflächen der Schaufel sind. Bei dieser Ausführung der Nuten muß die gesamte Menge des Kühlmittels durch eine Vielzahl von geschlossenen Kanälen in Querrichtung an den Schaufelkanten vorbeiströmen, wobei es durch die Abflachung der Leitkanäle im Bereich der Schaufelkanten in dünner Schicht mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit durch die Kanäle fließt und mit den hoch wärmebelasteten Schaufelkanten besonders innig in Berührung kommt.

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In bevorzugter Ausführung der Erfindung sind die in mehrgängiger schraubenförmiger Windung um die Schaufelkanten verlaufenden Nuten des Schaufelkerns so ausgebildet, daß sie in ihrer Tiefe von der Mitte der Seitenflächen der Schaufel auf der einen Schaufelseite zu den Schaufelkanten hin allmählich abnehmen und auf der anderen Schaufelseite zur Schaufelmitte hin wieder allmählich zunehmen. Hierdurch ist ein gleichmäßiger Wechsel zwischen Beschleunigung und Verzögerung der Strömung des Kühlmittels auf seinem Strömungsweg um die Schaufelkanten gesichert.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinenschaufel, bei der der Mantel teilweise aufgeschnitten ist, damit man die Ausbildung des Kerns erkennen kann, "

Fig. 2 eine entsprechende Ansicht der zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 bis 8 verschiedene Schnitte durch diese Schaufeln nach den Linien 3-3 bis 8-8 in Fig. 1 bzw. 2.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, besteht die darin gezeigte Schaufel aus einem hohlen Kern 10, dessen Seitenwände mit 11 und 12 bezeichnet sind, und einem über den Kern geschobenen Mantel 17. Der Kern hat as Stromlinienprofil und ist an seinem äußeren Ende durch einen Deckel 13 abgeschlossen. Dieses Ende kann aber auch offen bleiben, während das innere, dem Schaufelfuß zugewendete Ende aus einem noch zu erwähnenden Grunde abgeschlossen sein muß. Die Außenflächen des Kerns sind mit einer größeren Zahl schraubenförmig um den Kern gewundener paralleler Rippen 14 versehen, die von dem einen Ende des Kerns ausgehen und am anderen Ende auslaufen. Zwisehen den Rippen verbleiben dadurch schraubenförmige Nuten 15., die ebenfalls von dem einen zum anderen Ende des Kerns verlaufen.

Die Rippen 14 weisen abgeflachte Außenflächen 16 auf, die alle in einer gemeinsamen Fläche liegen und mit denen sich die Rippen bei übergeschobenem Schaufelmantel 17 in ihrer gesamten Ausdehnung von innen gegen diese anlegen. In dieser Lage werden die beiden Teile über die gesamte Länge aller Rippen miteinander verlötet, wodurch sich eine außerordentlich feste und steife Schaufel ergibt. Der Mantel 17 bildet zusammen mit je zwei Rippen und dem Kern einen rundum geschlossenen und nur an den Enden offenen Kanal, durch den ein Kühlmittel strömen kann. Der Mantel ist am Schaufelfuß mit einer Fußplatte 18 verbunden, die so ausgebildet ist, daß die Schaufel durch sie leicht in der Maschine befestigt werden kann. Die Fußplatte ist in der Mitte mit einer Öffnung 19 versehen, durch die das Kühlmittel in das Innere der Schaufel eingeführt werden kann.

Da, wie bereits erwähnt wurde, das innere Ende des Schaufelkerns 10 abgeschlossen ist, kann das durch die Öffnung 19 zugeführte Kühlmittel nicht in das Innere des Kerns gelangen, sondern muß in seiner Gesamtheit durch die schraubenförmigen Kanäle 15 strömen. Man erkennt also, daß der Teil des Kühlmittels, der beispielsweise in die Nut 15 α eintritt, nach kurzer Strecke an die hintere Kante der Schaufel gelangt, hier um die entsprechende Kante des Kerns herum und dann schräg aufwärts nach vorn gewendet wird. Er strömt dann auf der konvexen Seite der Schaufel schräg nach vorn und außen, bis er an die vordere Kante der Schaufel gelangt, hier wiederum um die entsprechende Kante des Kerns herumgeführt wird und schließlich noch ein Stück auf der konkaven Seite der Schaufel schräg nach hinten und außen strömt, bis er am Ende der Nut 15 α in der Nähe des äußeren Endes der Schaufel ausströmt.

Wie schon erwähnt wurde, hat eine solche Schaufel oftmals heißere und weniger heiße Stellen. Die heißeren Stellen befinden sich im allgemeinen in der Nähe der vorderen und der hinteren Kante der Schaufel. Man wird daher bemüht sein, an diesen Stellen einen stärkeren Wärmeübergang und an den weniger heißen Stellen einen geringeren Wärmeübergang zu erzielen, damit eine im wesentlichen gleichmäßige Schaufeltemperatur erreicht wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Tiefe der Nuten an den heißeren Stellen geringer und an den weniger heißen Stellen größer gewählt wird. An den heißeren Stellen ergibt sich dadurch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels als an den weniger heißen Stellen, wodurch dort auch ein höherer Wärmeübergang stattfindet. Diese Ausbildung der Nuten ist aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Nut 15 & in dem Teil, in dem die Nut auf der konkaven Seite der Schaufel von der vorderen Kante schräg nach außen und hinten zur hinteren Kante verläuft. Man erkennt, daß die Nut an der vorderen Kante LE wesentlich flacher als im mittleren Teil MC ist und von dort bis zur hinteren Kante TE allmählich wieder flacher wird. Ebenso erkennt man aus Fig. 4, daß die Nut 15 α von ihrem etwa in der Mitte der Schaufelseitenfläche liegenden Einströmende bis zur hinteren Kante TE allmählich flacher wird, während Fig. 5 zeigt, daß das letzte Ende dieser Nut 15α von der vorderen Kante LE der Schaufel bis zum Austrittsende allmählich tiefer wird. Dadurch wird außerdem noch eine diffusorartige Wirkung erzielt.

Bei der in Fig. 2 und 6 bis 8 dargestellten zweiten Schaufelbauart ist ein massiver Schaufelkern 110 vorgesehen, der auf seiner Oberfläche Rippen 114 mit dazwischenliegenden Nuten 115 aufweist. Abgesehen von dem größeren Abstand der Rippen ist ihre Führung sonst die gleiche wie beim ersten Beispiel. Am Einströmende sind die Rippen aber in die axiale Richtung umgebogen, so daß das durch in der Fußplatte 118 befindliche Löcher 119 einströmende Kühlmittel beim Eintritt in die Zwischenräume zwischen den Enden 114a der Rippen 114 allmählich in die schräge Richtung der durch die Rippen, den Kern 110 und den Schaufelmantel 117 gebildeten Kanäle umgelenkt wird.

Die Tiefe der Nuten verändert sich, wie Fig. 6 bis 8 erkennen lassen, in der gleichen Weise wie beim ersten Beispiel, ist also an der vorderen und hinteren Kante LE bzw. TE gering und dazwischen größer.

Im Betrieb strömt die Kühlluft unter einem Überdruck, der beispielsweise durch die Zentrifugalkraft der umlaufenden Schaufeln entsteht, vom Fußende durch die Löcher 19 bzw. 119 in das Innere der Schaufeln und dort in die schraubenförmig gewundenen Kanäle 15 bzw. 115. Infolge dieser Führung der Kanäle entsteht in ihnen eine starke Turbulenz der Kühlluft und damit ein wesentlich besserer WärmeÜbergang als bei den bekannten Schaufeln, bei denen die Kanäle parallel zu der Schaufelachse verlaufen und gerade sind, so daß Umlenkungen nicht stattfinden. An den Verengungen der Kanäle tritt eine Beschleunigung der Kühlluft auf, so daß an diesen Stellen infolge der höheren Geschwindigkeit der Kühlluft ein weiter gesteigerter Wärmeübergang, also eine bessere Kühlung stattfindet. Infolge der größeren Länge der Nuten im Vergleich zu achsparallelen Nuten ist der Strömungswiderstand der Nuten größer, so daß der Querschnitt im Durchschnitt nicht so klein gehalten zu werden

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braucht, wie bei jenen, die Herstellung der Schaufel daher einfacher und die Gefahr eines Zusetzens der Nuten durch Lötmetall geringer ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mit Kühlkanälen versehene Schaufel, insbesondere für Gasturbinen, bestehend aus einem Blechmantel und einem darin angeordneten Kern, der an seiner Außenfläche mit vom Blechmantel abgedeckten, vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze reichenden, die Kühlkanäle bildenden Nuten versehen ist, die über ihre Länge bei gleicher Breite eine unterschiedliche Tiefe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (15, 115) bei an sich bekannter schraubenförmiger Führung des Kühlmittels über ihre ganze Länge vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze als mehrgängige, geschlossene Kanäle um die beiden Schaufelkanten herumgeführt und an den Schaufelkanten flacher als an den beiden Seitenflächen der Schaufel sind.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in mehrgängiger schraubenförmiger Windung um die Schaufelkanten verlaufenden Nuten (15, 115) in ihrer Tiefe von der Mitte (M, C) der Seitenflächen der Schaufel auf der einen Schaufelseite zu den Schaufelkanten hin allmählich abnehmen und auf der anderen Schaufelseite zur Schaufelmitte hin wieder allmählich zunehmen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 853 534;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 031 056;
schweizerische Patentschrift Nr. 329 868;
britische Patentschrift Nr. 738 213;
deutsche Auslegeschrift B 36 530 I a/14 c (bekanntgemacht am 27. 12. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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