DE1233658B - Schaufel fuer Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

F02c

Deutsche Kl.: 46 f-4/02

1 233 658
R 294071 a/46 f
5. Januar 1961
2. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel für Gasturbinentriebwerke mit in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlluftzu- und -abfuhrungskanälen, die über etwa in Richtung der Profilmittellinie im Bereich der heißesten Stellen der Schaufel angeordnete Kanäle miteinander so verbunden sind, daß die Kühlluft aus den an der Schaufelspitze geschlossenen Zuführungskanälen gegen die den heißen Stellen benachbarte Kanalwand der am Schaufelfuß und an der Schaufelspitze offenen Abführungskanäle bläst.

Eine bekannte Turbinenschaufel dieser Bauart für Gas- und Dampfturbinen besteht aus einem hohlen, innen vom Fuß zum Kopf hin vom Kühlmittel durchströmten Tragkörper als Zuführungskanal und einer ihn umschließenden, nach dem gewünschten Schaufelprofil geformten Hülse, wobei die Abführungskanäle von dem Raum zwischen den beiden meinanderliegenden Hohlkörpern gebildet werden. Eine solche Blechschaufel ist jedoch den mechanischen Beanspruchungen und den Temperaturbeanspruchungen, denen sie in Gasturbinenstrahltriebwerken ausgesetzt ist, nicht gewachsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schaufel mit optimalen Kühlungseigenschaften massiv so auszubilden, daß trotz der vorhandenen Kühlmittelkanäle eine hohe mechanische Festigkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Schaufel der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß

a) bei zweigeteilter massiver Ausbildung des Schaufelkörpers mit etwa in Profilmittellinie verlaufender Teilungsfläche in dieser Teilungsfläche die Zu- und Abführungskanäle nebeneinanderliegend abwechseln,

b) die Verbindungskanäle im Bereich der mittleren Schaufelhöhe angeordnet und als Schlitze ausgebildet sind,

c) bei dem zwischen jeweils zwei Zuführungskanälen liegenden Abführungskanal die von den beiden Zuführungskanälen einmündenden Verbindungskanäle so gerichtet sind, daß sich die Kühlluftstrahlen turbulenzerzeugend auf der der Schaufelfläche anliegenden Kanalwand des Abführungskanals treffen,

d) im Bereich der Zuführungskanäle parallel zu diesen verlaufende Kühlluftbohrungen zwischen Kanalwand und Schaufelfläche angeordnet sind.

Die zweigeteilte massive Ausbildung des Schaufelkörpers mit etwa in Profilmittellinie verlaufender Teilungsfläche und in dieser in beiden Schaufel-

Schaufel für Gasturbinentriebwerke

Anmelder:

Rolls-Royce Limited,

Derby, Derbyshire (Großbritannien)

Vertreter:

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

Als Erfinder benannt:

Thomas Bowmer,

Wollaton, Nottinghamshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 5. Januar 1960 (322)

hälften eingearbeiteten Kühlluftkanälen gemäß Merkmal a) ist an sich bei einer Schaufel für axial durchströmte Gasturbinen bekanntgeworden. Hierbei sind die Kanäle durchgehend über die gesamte Schaufelhöhe und dicht nebeneinanderliegend in großer Zahl angeordnet.

Es war ferner bekannt, als Schlitze ausgebildete Verbindungskanäle in Schaufelhöhenmitte gemäß dem Teilmerkmal b) anzuordnen. Bekannt war diese Maßnahme jedoch nur in Verbindung mit einer Blechschaufel, bei der der aus Blech bestehende Schaufelmantel ein hohles Verteilorgan umschließt, das im Mittelteil ausgeschnitten ist, um Durchlässe zu bilden, von denen jeder an einem Ende des Blechmantels einen Einlaß und im Bereich des Mittelteils des Blechmantels einen gegen die Vorderkante des letzteren gerichteten Auslaß aufweist.

Die Richtung der von zwei Zuführungskanälen in einen Abführungskanal einmündenden Verbindungskanäle, derart, daß sich die Kühlluftstrahlen auf der der Schaufelfläche anliegenden Kanalwand des Abführungskanals gemäß Teilmerkmal c) treffen, ist für sich bei einer Blechschaufel bereits bekannt. Hierbei ist innerhalb der hohlen Blechschaufel ein Doppelblech eingesetzt, das wellenartig geformt ist und mehrere definierte, in Längsrichtung der Schaufel verlaufende Kanäle bildet, wobei Öffnungen über die gesamte Schaufelhöhe vorgesehen sind, die das Kühlmittel auf den Blechmantel der Schaufel austreten lassen. Durch die Öffnungen

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kann mit sich vergrößerndem Abstand vom Schaufelfuß ein sich vergrößernder Anteil der Luft aus dem inneren Einsatz entweichen, und die zwischen dem inneren Einsatz und dem Blechmantel der Schaufel strömende Luft lenkt in immer größerem Maße jene Luft ab, die über die Öffnungen austritt, so daß die Kraft der Kühlluftstrahlen und ihre Kühlwirkung beeinträchtigt werden.

Durch die durch den Stand der Technik nicht nahegelegte Kombination zum Teil an sich bekannter Merkmale wird die gestellte Aufgabe in besonders zweckmäßiger Weise gelöst. Die Kühlmittelströmungen verlaufen so, wie dies aus Gründen der Wärmebeanspruchung der Schaufel am zweckmäßigsten ist, und trotzdem wird die mechanische Festigkeit infolge der massiven Ausbildung der Schaufel auf einem hohen Wert gehalten, wodurch es möglich wird, die Schaufel auch bei hochbeanspruchten Turbinen von Gasturbinenstrahltriebwerken einzusetzen. Die erfindungsgemäße Schaufel vereinigt diese Funktionstechnischen Vorteile mit herstellungstechnischen Vorteilen, denn trotz massiver Gestaltung können die erforderlichen Kanäle unter Anwendung relativ einfacher Fertigungsmethoden in die beiden Schaufelkörper (vor ihrer Zusammenfügung) eingebracht werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in der Nähe des Hinterrandes der Schaufel ein weiterer Kühlmittelkanal vorgesehen, aus dem über Öffnungen in der Schaufelhinterkante Kühlluft über einen wesentlichen Teil der Höhe der Schaufel nach hinten austreten kann. Hierdurch wird noch eine spezifische Kühlung der im hohen Maße temperaturbeanspruchten Stellen der Hinterkante der Schaufel bewirkt,

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Gasturbinentriebwerkes,

Fig. 2 einen Querschnitt einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenschaufel, die bei dem Triebwerk nach Fig. 1 Anwendung finden kann, wobei die Schnittebene in Fig. 3 durch die Linie 2-2 gekennzeichnet ist und in der mittleren Schaufelhöhe verläuft,

F i g. 3 einen Schauf ellängsschnitt nach der Linie 3-3 gemäß F i g. 2 (der Maßstab nach F i g. 3 ist kleiner als der Maßstab nach Fi g. 2).

Das Gasturbinenstrahltriebwerk 10 gemäß Fig. 1 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12 und eine mit dem Kompressor 11 über eine Welle 14 verbundende Turbine 13 auf, die nach, der Erfindung ausgebildete Rotorschaufeln 15 gemäß F i g. 2 und 3 besitzt. Der Schaufelkörper besteht aus zwei Teilen 16 und 17, die an der Profilmittellinie 18 einander berühren und, wie bei 19 und 20 angedeutet, miteinander hart verlötet sind.

Jede Schaufel 15 weist einen Kühlluftabführungskanal 21 auf, der sowohl nach dem Schaufelfuß 22 hin als auch nach der Schaufelspitze hin offen ist.

Parallel zu dem Abführungskanal 21 verlaufen beidseitig Zuführungskanäle 24 bzw. 25, die am Schaufelfuß 22 offen sind und mit einer z. B. vom Kompressor 11 gespeisten Kühlluftzuführung in Verbindung stehen. An der Schaufelspitze 23 sind die Zuführungskanäle 24, 25 geschlossen.

Auf der dem Abführungskanal 21 gegenüberliegenden Seite des Zuführungskanals 24 ist in der Nähe der Schaufelvorderkante 27 ein Abführungskanal 26 vorgesehen. Auf der dem Abführungskanal 21 entgegengesetzten Seite des Zuführungskanals 25 verläuft ein weiterer Abführungskanal 28. Die Abführungskanäle 26 und 28 verlaufen über die gesamte Schaufelhöhe und sind an beiden Enden offen.

Die Kanäle 26 und 28 sind von den Zuführungskanälen 24 bzw. 25 durch Wände 29 bzw. 30 getrennt. Zwischen den Zuführungskanälen 24 bzw. 25 und der Abführungsleitung 21 liegen Wände 31 bzw. 32. Die Wand 29 weist einen einzigen, in der Profilmittellinie verlaufenden Schlitz 29 a auf, der sich über den mittleren Teil der Schaufelhöhe erstreckt. Die Wände 30, 31 und 32 weisen paarweise angeordnete Verbindungskanäle 30 a, 30 b, 31a, 31 & und 32 a, 32 b auf, die in einem Winkel zur Profilmittellinie 18 angestellt sind (Fig. 2). Auch diese Verbindungskanäle erstrecken sich lediglich über die mittlere Schaufelhöhe. Durch die Gestaltung und Richtung der Verbindungskanäle 31a, 31 b, 22 a, 32 δ wird bewirkt, daß die aus den Zuführungskanälen 24 bzw. 25 eintretende Kühlluft einer Turbulenz unterworfen wird, wodurch die Kühlwirkung im Bereich der mittleren Schaufelhöhe erhöht wird, wo die höchste Temperaturbeanspruchung liegt.

Die Schaufelkörperhälften 16 und 17 sind mit Kühlluftbohrungen 33 im Bereich der Zuführungskanäle 24, 25 ausgestattet, um zu bewirken, daß die Temperatur der Kühlluft beim Eintritt in den Kühlluftabführungskanal möglichst niedrig ist.

Die Bohrungen 33 verlaufen über die gesamte Schaufelhöhe und sind an beiden Enden offen.

Jede Schaufel weist außerdem an der Schaufelhinterkante einen Kühlluftzuführungskanal 34 auf, der von der Kühlluftabführungsleitung 28 durch eine Wand 35 getrennt ist. Der Kanal 34 ist am Schaufelfuß offen und wird von dort mit Kühlluft gespeist. An seiner Schaufelspitze ist er geschlossen. Parallel zu ihm verläuft an der Hinterkante der Schaufel ein Abführungskanal 36, der am Schaufelfuß und auch an der Schaufelspitze geschlossen ist und von dem Kanal 34 durch eine Wand 37 getrennt ist. Die Verbindung zwischen den Kanälen 34 und 36 erfolgt über einen Verbindungskanal 37 a im Bereich der mittleren Schaufelhöhe. Die Luft strömt aus dem Kanal 36 über Öffnungen 39 an der Hinterkante 38 der Schaufel aus.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaufel für Gasturbinentriebwerke mit in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlluftzu- und -abführungskanälen, die über etwa in Richtung der Profilmittellinie im Bereich der heißesten Stellen der Schaufel angeordnete Kanäle miteinander so verbunden sind, daß die Kühlluft aus den an der Schaufelspitze geschlossenen Zuführungskanälen gegen die den heißen Stellen benachbarte Kanalwand der am Schaufelfuß und an der Schaufelspitze offenen Abführungskanäle last, dadurch gekennzeichnet, daß
a) bei zweigeteilter massiver Ausbildung des Schaufelkörpers (16, 17) mit etwa in Profilmittellinie verlaufender Teilungsfläche in dieser Teilungsfläehe die Zu- und Abführungskanäle (26, 24, 21, 25, 28) nebeneinanderliegend abwechseln,

b) die Verbindungskanäle (31 a, 31 b; 32 a, 32 b) im Bereich der mittleren Schaufelhöhe angeordnet und als Schlitze ausgebildet sind,

c) bei dem zwischen jeweils zwei Zuführungskanälen (24, 25) liegenden Abführungskanal (21) die von den beiden Zuführungskanälen (24, 25) einmündenden Verbindungskanäle (31 α, 31 δ; 32α, 32b) so gerichtet sind, daß sich die Kühlluftstrahlen turbulenzerzeugend auf der der Schaufelfläche anliegenden Kanalwand des Abführungskanals (21) treffen,

d) im Bereich der Zuführungskanäle (24, 25) parallel zu diesen verlaufende Kühlluftbohrungen (33) zwischen Kanalwand und Schaufelfläche angeordnet sind.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Schaufelhinterkante ein an sich bekannter Kühlmittelzuführungskanal (34) vorgesehen ist, der mit einem zwischen ihm und der Schaufelhinterkante (38) verlaufenden Abführungskanal (36) über einen Verbindungskanal (37 a) in der mittleren Schaufelhöhe in Verbindung steht und daß in der Schaufelhinterkante (38) Bohrungen (39) vorgesehen sind, die mit dem Kühlmittelabführungskanal (36) in Verbindung stehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 939 782, 908 975,
883;

schweizerische Patentschriften Nr. 335 301,
718, 322 622, 237 475;

britische Patentschrift Nr. 800 517;

USA.-Patentschriften Nr. 2 879 028, 2 873 944.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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