DE1157432B

DE1157432B - Schaufel fuer Stroemungsmaschinen, insbesondere fuer Axialgasturbinen

Info

Publication number: DE1157432B
Application number: DER29257A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bowmer
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1959-12-09
Filing date: 1960-12-09
Publication date: 1963-11-14
Also published as: US3094310A; GB895077A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel für Strömungsmaschinen, insbesondere für Axialgasturbinen, mit einem inneren Kanal für die Kühlmittelströmung und mit mehreren inneren sich rechtwinkelig zur Sehne der Schaufel über den Kanal erstreckenden Ablenkteilen, die in mehreren Reihen rechtwinkelig zur mittleren Strömungsrichtung des Kühlmittels über den Kanal angeordnet sind, wobei die Reihen nach unten progressiv gegeneinander versetzt sind und die Ablenkteile jeder Reihe gegenüber den Ablenkteilen der unmittelbar folgenden Reihe so versetzt sind, daß eine wesentliche Turbulenz in dem Kühlströmungsmittel erzeugt wird, wenn dieses durch dein Kanal hindurchströmt. Durch die Turbulenz in dem Kühlmittel wird dabei die Wärmeübergangsgeschwindigkeit von den Wänden der Kühlmittelkanäle auf das Kühlmittel erhöht. Bisher wurden nun die die Turbulenz erzeugenden Ablenkteile als Einsätze ausgebildet, die in den Kühlmittelkanal eingefügt wurden.

Bei einer bekannten Schaufel wurden die Alenkteile z. B. als scheibenförmige Drahtnetzeinsätze ausgebildet, die sich quer über den Kühlmittelkanal erstrecken.

Bei einer andexen bekannten Schaufel dieser Art waren die Ablenkteile als Vertiefungen ausgebildet, die aus gegenüberliegenden Seiten eines Blecheinsatzes ausgeprägt waren, wobei der Blecheinsatz sich in Sehnenrichtung der Schaufel erstreckte und die Vertiefungen rechtwinkelig zur Mittelsehne der Schaufel verliefen. Derartige Bleche wurden in mehreren Reihen rechtwinkelig zur mittleren Strömungsrichtung des Kühlmittels im Kanal angeordnet, wobei die Reihen nach unten progressiv bezüglich des Abstandes gestaffelt waren und die Vertiefungen jeder Reihe gegenüber den Vertiefungen der unmittelbar vorhergehenden Reihe versetzt lagen.

Bei diesen bekannten Anordnungen ist es schwierig, den sich bietenden Vorteil der Ablenkteile zur Verstärkung der Schaufel und zur Wärmeübertragung von den Wandungen des Kühlmittelkanals auf das Kühlmittel voll auszunutzen, da sich nicht alle Ablenkteile in Berührung mit den Wänden befinden können.

Diese Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die Ablenkteile als massive Stäbe ausgebildet sind, die bei der Herstellung der Schaufel zusammen mit dieser gegossen werden.

Hierdurch wird gewährleistet, daß jeder einzelne Ablenkteil mit der Wandung des Kühlmittelkanals in Wärmeaustauschbeziehung steht und infolge seiner Schaufel für Strömungsmaschinen,
insbesondere für Axialgasturbinen

Anmelder:

Rolls-Royce Limited,
Derby, Derbyshire (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 9. Dezember 1959 (Nr. 41 933)

Thomas Bowmer, Wollaton, Nottinghamshire

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

starren Verbindung mit dieser Wand eine Versteifung bewirkt.

Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Stabreihen in der mittleren Schaufelhöhe dichter aneinanderliegend angeordnet als an anderen Stellen des Kanals. Für diese Art der Abstandswahl an sich wird kein selbständiger Schutz begehrt, da es bereits bekannt ist, Ablenkteile anderer Ausbildung auf diese Weise anzuordnen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der. Innenkanal in Längsrichtung der Schaufel in der Nähe der Vorder- oder/und Hinterkante und es ist außerdem ein in Längsrichtung verlaufender Kühlmittelzuführungskanal vorgesehen, an dessen einer oder beide Seiten die Innenkanäle angeordnet sind, wobei zweckmäßigerweise erne Verbindung zwischen den Kanälen der mittleren Schaufelreihe vorgesehen ist. Auch für diese Einzelmerkmale wird ein selbständiger Schutz nicht angestrebt, da auch diese Einzelmerkmale für sich bereits bekannt sind.

Schließlich wird kein selbständiger Schutz begehrt für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, gemäß welcher das Kühlmittel beim Übertritt vom Zuführungskanal in den Vorder- oder Hinterkantenkanal gegen die Innenwand der Kanten auftrifft.

Der in der Beschreibung benutzte Ausdruck »Schaufel« ist im weitesten Sinn aufzufassen, und er

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soll auch schaufelähnliche Teile, wie z. B. Düsenleitschaufeln u. dgl., umfassen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eiae schematische perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäß der Erfindung, wobei die Schaufel teilweise aufgebrochen ist, um ihnen inneren Aufbau zu zeigen,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht

ί.2·: Spannweite der Schaufel angeordnet. Der Kanal erstreckt sich in Sehnenrichtung nur über einen Mittelabschnitt der Düsenleitschaufel 20.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung beträgt der Durchmesser der Stäbe 21 der Schaufel 20 etwa 0,635 mm; die Abstände ihrer Mittellinien betragen 3,8 mm. Es hat sich gezeigt, daß die mittlere Kühlung an dem Mittelabschnitt der Schaufel 20 nahezu zweimal so groß wie im Falle

einer^Düsenleitschäufel gemäß der Erfindung, wobei io einer gleichartigen Düsenleitschaufel20 ist, bei der die Schaufel teilweise aufgebrochen ist, um ihren in- die Stäbe 21 fehlen. Die Stäbe 21 fördern darüber neren Aufbau zu zeigen, hinaus die Kühlung in den besonderen Bereichen, wo

Fig. 3 den Querschnitt der Düsenleitschaufel nach sie angeordnet sind.

Fig. 2, Nach den Fig. 4 und 5 weist eine gegossene Hoch-

Fig. 4 den Querschnitt einer weiteren Turbinen- 15 druck-Turbinenschaufel 23 eines Gasturbinentriebschaufel gemäß der Erfindung, wobei der Schnitt ent- Werkes einen Tannenbaumfuß 24 und ein oberes lang der Linie 4-4 von Fig. 5 ausgeführt ist, und Ende 25 mit einem Abdichtungsflansch 26 auf.

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Aufsicht der in Die Schaufel 23 weist einen in der Mitte angeord-

Fig. 4 dargestellten Turbinenschaufel, wobei der neten sich in Längsrichtung erstreckenden Kanal 29 Schnitt entlang der Linie 5-5 von Fig. 4 ausgeführt 20 auf. Der Kanal 29 kann durch eine Öffnung 27 in wurde. dem Fußteil 24 mit Kühlluft gespeist werden. Ein

In Fig. 1 ist eine für die Verwendung in einem Teil dieser Luft entweicht durch ein kleines Loch 28 Gasturbinentriebwerk geeignete gegossene Turbinen- hi dem oberen Ende 25.

schaufel 10 dargestellt. Die Schaufel 10 weist an In der Mitte seiner Länge ist der Kanal 29 mit

ihrem Fuß ein tamnenbaumartiges Teil 11 auf, 25 zwei diametral gegenüberliegenden großen Öffnungen welches innerhalb eines radialen Befestigungsschlitzes 30 und mit zwei diametral gegenüberliegenden kleinen im Rand der nicht dargestellten Turbinenscheibe auf- Öffnungen 31 versehen. Die letzteren dienen dazu, genommen werden kann. An ihrem Ende ist die einen Teil der durch den Kanal 29 strömenden Kühl-Schaufel 10 mit einer Plattform 12 versehen, die luft auf die in mittlerer Höhe liegenden Bereiche der einen Flansch 13 aufweist, welcher in abgedichteter 30 Innenwandungen 32, 33 der Schaufel 23 zu richten. Verbindung mit dem nicht dargestellten Stator- Die Wandungen 32, 33 sind in der Nähe der Vordexgehäuse steht.

Die Schaufel 10 enthält einen inneren Längskanal 14, der sich von der Wurzel bis zum Ende der Schaufel erstreckt. Durch eine Öffnung 15 im Fuß der Schaufel kann Kühlluft (z. B. von dem Kompressor des Motors) in den Kanal 14 einströmen. Sie kann den Kanal 14 durch eine Öffnung 16 in dem Ende der Schaufel verlassen.

Der Kanal 14 weist gegenüberliegende innere 40 vorgesehen.

Wände 17, 18 auf, die in der Nähe der Vorder- bzw. Quer über die Kanäle 34, 35 sind Ablenkstäbe 38

Hinterechaufelkanten angeordnet sind. In Querrich- angeordnet, die sich zwischen den Wänden 32, 33 tung längliche Ablenkstäbe 19 erstrecken sich zwi- erstrecken. Die Stäbe 38 sind in versetzten Reihen schien den Wandungen 17, 18. Die Stäbe 19 sind aus angeordnet. Die Reihen befinden sich in der Nähe einem Stück mit der Schaufel gegossen und erstrecken 45 der Öffnungen 30 in relativ geringem Abstand und in sich quer zu dem Kanal 14. Die Stäbe 19 sind in ver- der Nähe des Fußes und des oberen Endes der setzten Reihen angeordnet. Schaufel in relativ großem Abstand. Demgemäß wird

Die Stäbe 19 rufen eine Turbulenz in der Kühlluft- die durch die Kanäle 34, 35 strömende Luft in dem strömung durch den Kanal 14 hindurch hervor. Das Mittelteil der Schaufel, der am heißesten wird, am führt zum Abreißen der Grenzschiehtströmung, wo- 50 meisten in Turbulenz versetzt. Ihre Kühlwirkung ist durch der Wärmeübergang zwischen den Wänden 17 dort also am größten.

bzw. ablaufenden Kanten der Schaufel angeordnet. Auf diese Weise werden Kühlluftstrahlen auf die im Betrieb heißesten Teile der Schaufel gerichtet.

Der größere Teil der durch den Kanal 29 strömenden Luft gelangt durch die Löcher 30 in zwei sich in Längsrichtung erstreckende innere Kanäle 34, 35. In jedem der Kanäle 34, 35 sind an den Fuß- bzw. Endteilen der Schaufel Luftaustrittsöffnungen 36 bzw. 37

und 18 und der Kühlluft gefördert wird. Weiter wird der Wärmeübergang dadurch gefördert, daß die Stäbe 19 den für den Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Flächenbereich vergrößern.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaufel kann durch Präzisionsguß hergestellt werden. Die Stäbe 19 können — wenn das erwünscht ist — in einem solchen Abstand angeordnet werden, daß die Strömung durch den Kanal auf einen gewünschten Wert beschränkt wird und/oder daß eine erhöhte Turbulenz an bestimmten heißen Stellen hervorgerufen wird, so daß dort eine bevorzugte Kühlung erfolgt.

Die Fig. 2 und 3 stellen die Anwendung der Erfindung auf eine Düsenleitschaufel 20 mit mehreren 6g (z. B. neun) versetzten Reihen von Abtenkstäben 21 dar, die sich quer über einen inneren Längskanal 22 erstrecken. Diese Stäbe 21 sind etwa entlang 40%

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaufel für Strömungsmaschinen, insbesondere für Axialgasturbinen, mit einem inneren Kanal für die Kühlmittelströmung und mit mehreren inneren sich rechtwinkelig zur Sehne der Schaufel über den Kanal erstreckenden Ablenkteilen, die in mehreren Reihen rechtwinkelig zur mittleren Strömungsrichtung des Kühlmittels über den Kanal angeordnet sind, wobei die Reihen nach unten progressiv gegeneinander versetzt sind und die Ablenkteile jeder Reihe gegenüber den Ablenkteilen der unmittelbar folgenden Reihe so versetzt sind, daß eine wesentliche Turbulenz in dem Kühlströmungsmittel erzeugt wird, wenn dieses durch den Kanal hindurchströmt, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abtenkteile als massive

Stäbe (19, 21 oder 38) ausgebildet sind, die bei der Herstellung der Schaufel zusammen mit dieser gegossen werden.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabreihen in der mittleren Schaufelhöhe dichter aneinanderliegend angeordnet sind als an anderen Stellen des Kanals.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkanal (34 oder 35) sich in Längsrichtung der Schaufel erstreckt und in der Größe derart beschränkt ist, daß er sich nur in der Nähe der Vorder- oder Hinterkante dar Schaufel erstreckt, und daß die Schaufel einen in Längsrichtung verlaufenden Kühlmittelzuführungskanal (29) aufweist, der mit den Kanälen in der mittleren Schaufelhöhe in Verbindung steht.

4. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkanal (34 oder 35) in dem Bereich, in dem er mit dem Kühlmittelkanal in Verbindung steht, keine Ablenkstangen aufweist, so daß das aus dem Kühlmittelkanal eintretende Kühlmittel gegen die Innenwand der Vorder- oder Hinterkante der Schaufel trifft, bevor das Strömungsmittel durch die Ablenkstangen im übrigen Teil des Kanals hindurchtritt.

5. Schaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei in Längsrichtung verlaufende Innenkanäle (34, 35) aufweist, die an beiden Seiten des Kühlmittelzuführungskanals (29) und in der Nähe der Vorder- bzw. Hinterkante der Schaufel angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 853 534, 848 883;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 056 427;

schweizerische Patentschrift Nr. 322 022;

französische Patentschrift Nr. 1 022 398;

französische Zusatzpatenitschrift Nr. 66 874;

USA.-Patentschriften Nr. 2 873 944, 2 801 073, 750 147;

»The Oil Engine and Gas Turbine«, 25. Band, Heft 294 (Februar 1958), S. 396 bis 398;

H. Hausen, »Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom«, Springer-Verlag,
Berlin, 1950, S. 243.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen