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Schaufel für Axialströmungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen Die
Erfindung befaßt sich mit dem Problem der Kühlung von Schaufeln für Axialströmungsmaschinen,
insbesondere Gasturbinen, z. B. für Gasturbinenstrahltriebwerke. Die Kühlung derartiger
Schaufeln wird im allgemeinen dadurch bewirkt, daß Kühlluftstrahlen aus Öffnungen
der ganz oder teilweise hohl ausgebildeten Schaufeln ausgeblasen werden. Diese Luftausblasöffnungen
bedingen eine Schwächung der mechanischen Festigkeit der von ihnen durchsetzten
Schaufeloberfläche. Ihre Zahl und Größe ist daher aus Festigkeitsrücksichten begrenzt.
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Die aus den Öffnungen der Schaufeloberfläche austretenden Kühlluftstrahlen
können weiter schwerwiegende Gefahren hinsichtlich einer störenden Beeinflussung
der Arbeitsmittelströmung ergeben.
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Bei Turbinenschaufeln, die z. B. in Gasturbinenstrahltriebwerken mit
sehr hohen Temperaturen beaufschlagt werden und daher aus hochtemperaturfesten Legierungen
hergestellt sein müssen, ergeben sich weitere Schwierigkeiten dadurch, daß aus verfahrenstechnischen
Gründen keine kompliziert gestalteten oder angeordneten Öffnungen herstellbar sind.
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Man hat auf verschiedene Art und Weise dieses Problem der Kühlung
zu lösen versucht. So wird z. B. bei einer bekannten Turbinenschaufel das Kühlmittel
aus einer Kammer im Inneren der Schaufel nach Öffnungen in der Nähe der Vorderkante
geführt, derart, daß die Kühlluftströmung mit dem Arbeitsmittel nach der Hinterkante
geführt wird. Dabei bleibt zwar die Festigkeit im wesentlichen erhalten, jedoch
kann eine wirksame Kühlung der Schaufelhinterkante, d. h. jener Stelle, an der die
höchste Temperaturbeanspruchung auftritt, nicht bewirkt werden.
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.Es ist zwar auch bekannt, das Kühlmittel aus innerhalb der Schaufel
angeordneten Kammern über Schlitze an der Hinterkante austreten zu lassen. Da jedoch
an der stark beanspruchten Hinterkante aus Festigkeitsgründen Größe und Abstand
der einzelnen Kühlmittelöffnungen begrenzt sind, konnte die Bildung heißer Punkte
an der Schaufelhinterkante zwischen jeweils zwei definierten Kühlmittelbändern nicht
verhindert werden.
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Die Erfindung geht aus von einer derartigen Schaufel für Axialströmungsmaschinen,
insbesondere Gasturbinen, die einen mit einem Kühlmittel versorgten Innenraum und
eine Reihe von Bohrungen aufweist, die entlang und benachbart zur Schaufelhinterkante
angeordnet sind und sich von der Schaufeloberfläche aus nach diesem Innenraum erstrecken
und mit ihren Achsen schräg zur Normalen an die Schaufeloberfläche an der Mündungsstelle
angestellt sind.
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Bei einem bekannten Leitschaufelkranz für von Heißgasen beaufschlagte
Axialturbomaschinen sind mehrere solche Bohrungen in Gruppen vorgesehen, wobei sich
die Bohrungen einer Gruppe parallel zueinander nach Stellen des Schaufelrückens
in der Nähe der Schaufelhinterkante erstrecken. Obgleich hierbei durch die Schrägstellung
der Bohrungsachse an der Schaufeloberfläche längliche Auslässe entstehen, die eine
zusätzliche Richtwirkung ergeben können, konnte jedoch auch hierdurch nicht die
angestrebte Temperaturverteilung an der Hinterkante erreicht werden.
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Ziel der Erfindung ist es, bei einer mit hohen Temperaturen beaufschlagten
Gasturbinenschaufel, deren Hinterkante zur Vermeidung von Beschädigungen durch Temperatureinwirkungen
wirksam unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile zu kühlen.
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Zu diesem Zweck sind gemäß der Erfindung bei einer Schaufel für Axialströmungsmaschinen
der genannten
Bauart die Achsen der Bohrungen oberhalb und unterhalb
der Schaufelhöhenmitte derart angeordnet, daß sie stromab zueinander konvergieren,
Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß über die an der äußeren Oberfläche als
längliche Auslässe in Erscheinung tretende kreisrunde Bohrungen einzelne Kühlmittelströme
bevorzugt nach der am meisten durch Temperatur beanspruchte Schaufelmitte geführt
werden, wobei die einzelnen konvergierenden diskreten Strömungsbänder infolge gegenseitiger
Beeinflussung längs der gesamten Hinterkante ablaufen, ohne heiße Stellen zwischen
Einzelströmungsbändern zu bilden, und zwar auch dann, wenn aus Festigkeitsgründen
die Bohrungen in verhältnismäßig großem Abstand zueinander angeordnet werden und
ihr Querschnitt verhältnismäßig klein ist.
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Die Achsen der Bohrungen können oberhalb bzw. unterhalb der Schaufelhöhenmitte
jeweils untereinander im wesentlichen parallele Richtung aufweisen, wodurch die
Bearbeitung erleichtert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Bohrungen
derart angeordnet, daß sie auf der Schaufelbauchseite münden, wie dies an sich bei
anderen Kühlmittelauslässen bereits bekannt ist.
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Die Kühlmittelversorgung des Innenraumes erfolgt nach einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung durch einen sich in Schaufellängsrichtung erstreckenden
Kanal über in der Nähe der Schaufelhöhenmitte in Richtung auf die Schaufelvorderkante
angeordnete Öffnungen, so daß das Kühlmittel die Vorderkante von innen wirksam kühlen
kann, bevor eine Oberflächenkühlung nach Austritt aus den Schlitzen erfolgt. Eine
solche Innenkühlung der Schaufelvorderkante ist zwar bei einer Gasturbinenschaufel
mit Luftfilmkühlung bereits bekannt. Bei dieser sind jedoch die Luftaustrittsöffnungen
ebenfalls in der Nähe der Schaufelvorderkante angeordnet, so daß eine wirksame Kühlung
der am stärksten beanspruchten Hinterkante nicht möglich ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung
zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht eines Zweikreisgasturbinenstrahltriebwerkes mit
Einlaßleitschaufeln gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform
einer Turbineneinlaßleitschaufel gemäß F i g. 1, teilweise im Schnitt, F i g. 3
einen Querschnitt durch die in F i g. 2 dargestellte Einlaßleitschaufel in größerem
Maßstab, F i g. 4 bis 8 Seitenansichten verschiedener Ausgestaltung von Turbinenrotorschaufeln
gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt, F i g. 9 einen Schnitt durch einen Teil
einer Turbine, F i g. 10 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel entsprechend
F i g. 2 und 3.
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F i g. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk, das einen Niederdruckkompressor
10, einen Hochdruckkompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12, eine Turbine
13 und ein Schubrohr 14 aufweist. Der Eimaß des Nebenschlußkanales 15 liegt zwischen
dem Niederdruckkompressor und dem Hochdruckkompressor. Durch eine Brennstoffringleitung
16 wird der Brennstoff der Verbrennungseinrichtung 12 zugeführt. Die der Turbine
13 aus der Verbrennungseinrichtung 12 zugeführten Verbrennungsgase werden mittels
der Einlaßleitschaufeln z. B. durch die im einzelnen in den F i g. 2, 3 und 10 dargestellten
Einlaßleitschaufeln 17 auf die in der Zeichnung nicht dargestellten Turbinenschaufeln
gerichtet.
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Eine jede dieser Einlaßleitschaufeln 17 ist hohl ausgebildet und weist
eine Außenwand auf, die von gekrümmten Wandflächen 18, 19 gebildet wird. Die Wandflächen
18, 19 sind außer an der Schaufelvorderkante 20 und der Schaufelhinterkante 21 der
Schaufel 17 im Abstand zueinander angeordnet. Die Wandflächen 18, 19 sind mittels
einer Rippe 22 miteinander verbunden, die die Schaufel in zwei Räume 23 und 24 aufteilt.
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Innerhalb des Raumes 23 ist in der Nähe der Rippe 22 ein Rohr 25 befestigt,
welches sich in Radialrichtung zu der Schaufel 17 erstreckt. Das Rohr 25 weist einen
trichterartigen Lufteinlaßteil 26 auf, der außerhalb der Schaufel liegt. Die Kühlluft
wird von den Kompressoren des Triebwerkes geliefert.
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Jede Schaufel 17 weist einen Schaufelfuß 27 und eine Ummantelung 28
auf, die auf dem dem Wurzelteil der Schaufel entgegengesetzten Ende angeordnet ist.
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Die den Schaufelbauch bildende Wand 18 weist mehrere Bohrungen 29
auf, die entlang und benachbart zur Schaufelhinterkante 21 mit ihren Achsen schräg
zur Normalen angestellt sind und oberhalb und unterhalb der Schaufelhöhenmitte stromab
zueinander konvergieren (vgl. insbesondere F i g. 10). Infolge der Schrägstellung
gegenüber der Normalen ergeben sich die insbesondere aus F i g. 10 erkennbaren länglichen
Auslässe, die eine bevorzugte Strömungsrichtung nach der Hinterkante an der Schaufelmitte
unterstützen. Durch gegenseitige Beeinflussung vermischen sich die durch die Bohrungen
29 hindurchtretenden Einzelkühlluftströmungen längs der Hinterkante der Schaufel,
so daß eine wirksame Kühlung der gesamten Hinterkante der Schaufel mit bevorzugter
Kühlwirkung der Schaufelmitte bewirkt wird.
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Das Rohr 25 ist mit einer Öffnung 30 ausgestattet, welche
dazu dient, einen Kühlluftstrahl auf die innere Oberfläche der Schaufel 17 auf einen
Punkt 31 zu richten, an welchem die Spitzentemperaturen auftreten. Dies kann, wie
in der Zeichnung dargestellt, in der Nähe der Mitte der Vorderkante 20 sein. Die
Einrichtung ist dabei so getroffen, daß die gesamte, dem Rohr 25 zugeführte Kühlluft
zuerst auf den Punkt 31 gerichtet wird und daß dann die Kühlluft von diesem Punkt
über die Abschirmung 28 nach der Kammer 24 und über die Schlitze 29 nach der Schaufelaußenseite
nach deren Hinterkante strömt.
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Als Ergebnis der Schlitze 29 wird das Auftreten heißer Stellen oder
Streifen zwischen benachbarten Schlitzen vermieden. Außerdem wird dadurch, daß die
gesamte Kühlluft auf den mit den Spitzentemperaturen belasteten Punkt 31 gerichtet
wird, erreicht, daß dieser Punkt wirksam gekühlt wird.
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In den F i g. 4 bis 8 sind mehrere verschiedene Turbinenrotorschaufeln
gemäß der Erfindung dargestellt, die in dem Triebwerk gemäß F i g. 1 benutzt werden
können.
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Die Turbinenrotorschaufel 33 gemäß F i g. 4 hat ein Tannenbaum-Schaufelfußprofil34
mit einem
Loch 35, durch welches Kühlluft in eine Mittelführung
36 eintreten kann. Die letztere erstreckt sich von der Wurzel 34 nach der Schaufelspitze
37. Die Spitze 37 ist mit einem geschlossenen Ende ausgestattet, das die durch die
Mittelführung 36 hindurchtretende Luft in Führungen 38, 39 ableitet. Die Führung
38 verläuft in der Nähe der Vorderkante 40. Öffnungen 41 ermöglichen
es, daß die Luft in der Führung 38 aus dieser austreten kann, um die Vorderkante
40 zu kühlen. Die Führung 39 verläuft in der Nähe der Hinterkante 42 der
Schaufel. Den Schlitzen 29 entsprechende Schlitze 43 ermöglichen es, daß Kühlluft
aus der Führung 39 über die Hinterkante 42 in Form mehrerer Luftströme fließt,
die sich miteinander vermischen.
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In der in F i g. 5 dargestellten Rotorschaufel 44 ist ein Loch
45 im Wurzelteil der Schaufel vorgesehen, durch welche eine Kühlluftströmung
in eine Führung 46 eintreten kann. Die Führung 46 verläuft in der
Nähe der Vorderkante der Schaufel und steht an der Spitze der Schaufel mit einer
Führung 47 in Verbindung, die in der Nähe der Hinterkante der Schaufel verläuft
und mit den Schlitzen 43 der F i g. 4 entsprechenden Schlitzen 48 ausgestattet ist.
Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel strömt die gesamte Kühlluft
anfänglich an der Vorderkante der Schaufel entlang und bewirkt dadurch in diesem
Bereich eine maximale Kühlung. Außerdem bewirkt wie bei den anderen Konstruktionen
der Turbinenrotorschaufeln das Einschießen der Kühlluft über die Schlitze
48 nicht nur eine Kühlung der Hinterkante, sondern macht es auch überflüssig,
komplizierte Verfahren zur Lufteinführung an der Wurzel oder an der Spitze der Schaufel
durchzuführen. Als Ergebnis wurde bei einem praktischen Ausführungsbeispiel gemäß
F i g. 5 gefunden, daß es möglich ist, nicht nur eine ausgezeichnete Kühlung der
Vorder-und Hinterkanten, sondern auch eine im wesentlichen gleichmäßige Kühlung
beider Flächen zu erhalten.
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Bei der in F i g. 6 dargestellten Turbinenrotorschaufel
50 ist im Wurzelteil ein Loch 51 vorgesehen, durch welches Kühlluft
in eine Führung 52 und dann über eine Führung 53 in eine Führung 54 eintreten kann.
Jede dieser Führungen 52, 53, 54 verläuft zwischen dem Wurzelteil und dem
Spitzenteil der Schaufel. Die Führungen 52, 54 verlaufen in der Nähe der Vorderkante
bzw. der Hinterkante der Schaufel. Die Führung 54 ist mit Schlitzen
55 ausgestattet, die den Schlitzen 43, 48 entsprechen.
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Die in F i g. 7 dargestellte Turbinenrotorschaufel 56 weist im Wurzelteil
ein Loch 57 auf, durch welches Kühlluft nach einer Mittelführung 58 gelangen kann.
Diese verläuft nach dem Spitzenteil der Schaufel, wo sie mit einer Führung 59 in
Verbindung steht, die in der Nähe der Hinterkante der Schaufel verläuft und mit
den Schlitzen 43, 48, 55 entsprechenden Schlitzen 60 ausgestattet
ist. Die Führung 58 hat mit der Führung 62 eine gemeinsame Wand 61. Die Führung
62 verläuft in der Nähe der Vorderkante der Schaufel von dem Wurzelteil nach dem
Spitzenteil. Die Wand 61 weist Schlitze 63 auf, die als Düsen wirken, durch welche
Kühlluft aus der Führung 58 in Form von Strahlen auf die Oberfläche der Führung
62 in der Nähe der Vorderkante gerichtet wird. Aus der Führung 62 kann die Luft
an der Schaufelspitze und über ein Loch 64 in dem Schaufelfuß austreten. Der Schaufelfuß
weist außerdem ein Loch 65 auf, durch welches ein Teil der der Führung 59 zugeführten
Kühlluft strömt.
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Das in F i g. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen
dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 gleich, unterscheidet sich jedoch von diesem
dadurch, daß die Führungen 58', 59' nicht miteinander verbunden sind. Die in die
Führung 58' über das Loch 57' eingeführte Kühlluft wird deshalb nur der Führung
62' zugeführt, so daß eine Kühlung der Vorderkante der Schaufel bewirkt wird. Die
Zuführung der Luft zur Kühlung der Hinterkante der Schaufel erreicht die Führung
59' ausschließlich über das Loch 65'.
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Die in F i g. 9 dargestellte Turbine, die einen Teil des Triebwerkes
gemäß F i g. 1 bilden kann, weist Düsenleitschaufeln 66, Turbinenrotorschaufeln
67, 68 und Statorschaufeln 69 auf. Jede der Schaufeln 66, 69 ist mit einer Mittelführung
66' bzw. 69' ausgestattet, deren einander entgegengesetzt gerichtete Enden mit Kühlluft
gespeist werden. Die Kühlluft strömt aus den Schaufeln 66, 69 in die Hauptringführung
70 des Triebwerkes über Schlitze 66" bzw. 69" ein, die ebenso wie
die Schlitze 29 dafür sorgen, daß die hindurchströmende Luft sich an der Ablaufseite
der Schaufeln untereinander mischt.
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Die Turbinenrotorschaufeln 67, 68 weisen Durchtrittsöffnungen 67',
68' auf, durch welche die Kühlluft hindurchströmen kann. Die Durchtritte 67', 68'
sind gemäß der Zeichnung in der Weise ausgebildet, daß sie am Schaufelfuß mit Luft
gespeist werden Die Luft strömt aus den Schaufelspitzen aus. Es ist jedoch klar,
daß die Schaufeln 67, 68 auch mit den Schlitzen 66", 69" entsprechenden Schlitzen
ausgestattet sein könnten, um die Kühlwirkung der Schaufelhinterkanten zu erhöhen.