DE1247072B - Hohlschaufel, insbesondere fuer Gasturbinen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F02c

Deutsche Kl.: 46 f-8/03

Nummer: 1247 072

Aktenzeichen: G 389301 a/46 f

Anmeldetag: 15. Oktober 1963

Auslegetag: 10. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlschaufel, insbesondere für Gasturbinen, mit in ihrem Hohlraum liegenden, schräg auf ihre Eintrittskante und ihre Austrittskante gerichteten Düsen für Kühlluft.

Bei einer bekannten Hohlschaufel dieser Art (deutsche Patentschrift 939 782) ist keine Abstützung zwischen den Schaufelwänden vorgesehen, so daß die erforderliche Festigkeit durch entsprechende Bemessung der Schaufelwände erzielt werden muß. Bei einer anderen Bauart (deutsche Patentschrift 853 534) ist zwar eine derartige Abstützung durch einen schraubenförmigen Einsatz vorhanden, der jedoch die Herstellung der Hohlschaufel als einteiliges Gußstück verbietet oder zumindestens äußerst erschwert. Nachteilig bei beiden bekannten Bauarten ist, daß die Kühlluft längs der Schaufelwandung zum Schaufelkopf strömt, so daß sie am Schaufelkopf bereits in erhitztem Zustand ankommt. Die Kühlung der Schaufelköpfe ist daher unzureichend.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine wirksamere Kühlung der Hohlschaufel bei geringen Fertigungskosten für die Hohlschaufel zu erhalten.

Die Erfindung besteht darin, daß die Düsen durch je eine im Abstand in der Eintrittskante und der Austrittskante angeordnete Reihe von zu den Kanten geneigten, die gegenüberliegenden Schaufelwände verbindenden Leitflächen gebildet werden, die einen zentralen Zuströmkanal für Kühlluft freilassen. Durch diese Ausbildung werden nicht nur eine wirksame Kühlung der Schaufelkanten bewirkende Düsen gebildet, sondern zusätzlich durch die Leitflächen eine Verstärkung der Schaufelkonstruktion erreicht. Die Kühlluft aus dem zentralen Kanal wird in der Hohlschaufel fortschreitend längs der Schaufelkanten in gesteuerter Weise zugeleitet. Auf diese Weise erhalten die Schaufelköpfe Kühlluft, die zuvor durch den zentralen Kanal geflossen ist und dort nicht durch Berührung mit den Schaufelwänden erwärmt wurde. Die Leitwände haben ferner eine Lage innerhalb der Hohlschaufel, die deren Herstellung als einteiliges Gußstück ermöglicht. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, die sich auf die Anordnung und die Ausgestaltung der Leitflächen beziehen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands dargestellt. Es ist

F i g. 1 die Seitenansicht einer Turbinenhohlschaufel,

F i g. 2 die Draufsicht auf die Hohlschaufel, in Richtung der Pfeile 2-2 der F i g. 1 gesehen, F i g. 3 der Schnitt nach Linie 3-3 der F i g. 2,

Hohlschaufel, insbesondere für Gasturbinen

Anmelder:

General Motors Corporation,

Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. K. Walther, Patentanwalt,
ίο Berlin 19, Bolivarallee 9

Als Erfinder benannt:

Robert Hilton Aspinwall, Indianapolis, Ind.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. Dezember 1962
(242416)

F i g. 4 der Schnitt nach Linie 4-4 der F i g. 2 mit as zum Teil fortgebrochenen Teilen,

F i g. 5 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Hohlschaufel nach einer anderen Ausführungsform, F i g. 6 der Schnitt nach Linie 6-6 der F i g. 5,
F i g. 7 der Schnitt nach Linie 7-7 der F i g. 5,
F i g. 8 die geschnittene Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Turbinenhohlschaufel und F i g. 9 der Schnitt nach Linie 9-9 der F i g. 8.
Die F i g. 1 bis 4 veranschaulichen eine Ausführungsform einer Turbinenlaufschaufel nach der Erfindung. Die Erfindung ist in gleicher Weise aber auch auf Leitschaufeln einer Turbine anwendbar. Wie F i g. 1 zeigt, besteht die Schaufel aus einem Schaufelblatt 10, einer Grundplatte 12, einem Schaft 14 und einem Fuß 16. Das Schaufelblatt 10 ist, wie F i g. 2 zeigt, hohl und wird aus einer konkaven Wand 18 und einer konvexen Wand 20 gebildet, die in einer Eintrittskante 22 und einer Austrittskante 24 der Schaufel zusammentreffen. Die Wände 18 und 20 des Schaufelblatts umgeben einen inneren Kanal 26, der unmittelbar mit einem Querkanal 28 im Schaft der Schaufel in Verbindung steht. Zwischen den Wänden 18 und 20 sind Leitbleche vorgesehen, die die Wände 18 und 20 gegeneinander abstützen, so daß diese während des Betriebs nicht zusammengedrückt werden können. Diese Leitbleche sind so angeordnet, daß der aus dem Querkanal 28 und dem Kanal im Schaufelblatt fließende Kühlmittelstrom gegen die

709 620/137

3 4

Eintrittskante 22 und die Austrittskante 24 gerichtet 45° zur Mittellängsachse der Schaufel aufweisen und

wird, wobei ein Düseneffekt erzielt wird. Durch die Umlenkung des Kühlmittelstroms gegen die Ein-

diesen wird die Geschwindigkeit des Kühlmittels im trittskante bzw. Austrittskante unterstützen. Bereich der Eintrittskante und der Austrittskante er- Die beschriebene Schaufel wird zweckmäßig im

höht, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird. 5 Wachsausschmelzverfahren hergestellt. Hierzu wird

Wie F i g. 3 zeigt, erstrecken sich verhältnismäßig ein keramischer Kern gebildet, der die Form des

lange Leitbleche 30 in Längsrichtung der Schaufel, Kanals 26 im Schaufelblatt und des Querkanals 28

jedoch gegen die Austrittskante 24 geneigt, und lei- im Schaft 14 der Schaufel hat. Auf diesen Kern wird

ten das Kühlmittel gegen diese. Ferner sind zwischen eine Wachsschablone aufgebracht, die die äußere

den langen Leitblechen 30 und der Austrittskante 24 io Gestalt der Turbinenschaufel gemäß F i g. 1 hat.

Paare von kürzeren Leitblechen 32 vorgesehen. Die Dann erfolgt ein Einbetten in feuerfesten Werkstoff,

Leitbleche werden vorzugsweise mit den Wänden des der anschließend gebrannt wird, wobei das Wachs

Schaufelblatts zusammengegossen. Die kürzeren Leit- ausgeschmolzen oder ausgebrannt wird. Es entsteht

bleche 32 sind in einem stärkeren Winkel zur Aus- dann eine Form mit einem Hohlraum, der die Außen-

trittskante geneigt als die größeren Leitbleche 30. Die 15 kontur der Schaufel hat und den ersterwähnten Kern

beiden kürzeren Leitbleche 32 bilden einen Kanal 31. enthält. Diese Form wird sodann ausgegossen und '

Da sich die Dicke des Schaufelprofils in Richtung auf der Kern, der vorzugsweise aus einem kaustischen

die Austrittskante verringert, nimmt der Querschnitt lösbaren keramischen Werkstoff besteht, ausge-

des Kanal 31 zwischen den kürzeren Leitblechen 32 waschen und die damit fertiggestellte Schaufel aus

allmählich ab und bildet somit eine Düse, in der 20 der Form entfernt. Druck in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 und 6

Versuche haben gezeigt, daß eine befriedrigende sind an jeder Seite der Schaufelkanten Reihen von

Kühlwirkung erreicht wird, wenn das Querschnitts- Leitblechen vorgesehen. Diese leiten das Kühlmittel

verhältnis zwischen dem Einlaß 33 und dem Auslaß gegen die Kanten der Schaufel und stützen zugleich

35 des Kanals ungefähr 2:1 beträgt. Es werden je- 25 die Wände der Schaufeln ab. Diese Leitbleche sind doch auch schon dann bessere Kühlergebnisse er- mindestens in einem Winkel von 45° gegenüber der zielt, wenn der Einlaßquerschnitt 33 größer als der zugeordneten Kante der Schaufel geneigt. Neben der Austrittsquerschnitt 35, wenn auch weniger als dop- Austrittskante 80 der Schaufel ist eine Reihe von pelt soviel ist. Die längeren Leitbleche 30 dienen nicht Leitblechen 44, 46, 48, 50 und 52 angeordnet, die in nur als Versteifung für die Wände des Schaufel- 30 einem Winkel von vorzugsweise 45° gegen die Ausblatts, sondern leiten auch den Kühlmittelfluß in den trittskante 80 geneigt sind. Zwischen diesen Leit-Einlaß 33 der durch die kürzeren Leitbleche 32 ge- blechen ist eine Reihe von Leitblechen 54, 56, 58 bildeten Düse. Vorzugsweise sind die längeren Leit- und 60 dreieckigen Querschnitts angeordnet. Die bleche 30 in einem Winkel von etwa 20° zur Längs- Leitbleche dreieckigen Querschnitts verbreitern sich achse der Schaufel geneigt, während die kürzeren 35 in Richtung auf die Austrittskante 80 zu, so daß zwi-Leitbleche32 etwa in einem Winkel von 45° zur sehen den benachbarten Leitblechen Kanäle düsen-Längsachse der Schaufel geneigt sind, so daß der förmiger Gestalt gebildet werden. Im Bereich der Kühlmittelfluß allmählich umgelenkt wird. gegenüberliegenden Eintrittskante 42 sind ähnliche

Wenn auch in der Zeichnung die kürzeren Leit- Reihen von Leitblechen 62, 64, 66, 68 und 70 rechtbleche 32 parallel zueinander gezeichnet sind, so 40 eckigen Querschnitts mit einer dazwischen liegenden können sie auch in einem Winkel zueinander an- Reihe von Leitblechen 72, 74, 76 und 78 dreieckigen geordnet werden, um das Verhältnis zwischen dem Querschnitts vorgesehen. Die Wirkungsweise ist die Einlaß 33 und dem Auslaß 35 des Kanals 31 zu gleiche wie bei den Leitblechen an der Austrittskante ändern und damit eine gewünschte Düsenwirkung zu 80. Der Kühlmittelstrom wird von der Längsrichtung erzielen. Ebenso ist es möglich, den Winkel der lan- 45 der Schaufel auf die Kanten der Schaufel abgelenkt geren Leitbleche 30 in bezug auf die kürzeren Leit- und bewirkt eine intensive Kühlung der Kanten der bleche 32 zu ändern, um die gewünschte Wirkung zu _ Schaufel. Die Leitbleche rechteckigen Querschnitts erzielen. jeder Reihe weisen ebenso wie die Leitbleche drei-

Stromabwärts der Leitblechgruppe 30 und 32 ist eckigen Querschnitts eine in Richtung auf das freie eine gleiche Gruppe von Leitblechen vorgesehen, die 50 Ende der Schaufel zunehmende Länge auf. Im mittaus einem längeren Leitblech 30' und einem Paar leren Teil zwischen der Eintrittskante 42 und der kürzerer Leitbleche 32' besteht. Die gleichen Leit- Austrittskante 80 sind in Längsrichtung liegende blecharten liegen hierbei in Längsrichtung der Schaufel Kühlrippen 82 und 86 vorgesehen, die an den Wänzueinander ausgerichtet. Die Wirkung dieser zweiten den 84 bzw. 88 der Schaufel sitzen. Bei dieser AusGruppe von Leitblechen ist die gleiche wie die der 55 führungsform wird durch die sich fortschreitend verersten Gruppe. längernden Leitbleche trotz des geringer werdenden

Im Bereich der Eintrittskante 22 der Schaufel sind Kühlmittelvolumens gleichmäßige Kühlwirkung über

Leitbleche in gleicher Weise wie im Bereich der Aus- die ganze Schaufellänge erzielt, trittskante 24 vorgesehen. Es sind dort längere Leit- Die Ausführungsform nach F i g. 8 und 9 ist der

schaufeln 34 und 34' vorgesehen, die zur Längsrich- 60 nach F i g. 5 und 6 sehr ähnlich. Unterschiedlich ist,

tung der Schaufel um 20° geneigt sind. Diesen länge- daß die innen liegenden Kühlrippen 90 und 91 im

ren Leitblechen sind Paare von kürzeren Leitblechen gleichen Winkel zur Längsachse der Schaufel gezeigt

36 und 36' zugeordnet, die in einem Winkel von 45° sind wie die Leitbleche 92 rechteckigen Querschnitts, zur Längsrichtung der Schaufel geneigt sind. Es tritt Diese Rippen unterstützen die Ablenkung des Kühlhier eine gleiche Umlenkung des Kühlmittelstroms 65 mittels aus dem zentralen Kanal in Richtung auf die unter Düsenwirkung ein. Nahe dem offenen Ende des Eintritts- und Austrittskanten der Schaufel. Am Schaufelblatts sind längere Leitbleche 38 und 40 vor- freien Ende der Schaufel sind parallel zur Längsrichgesehen, die vorzugsweise einen Winkel von etwa tung der Schaufel liegende Kühlrippen 94 vorgesehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 ist der im mittleren Teil des Kühlkanals 26 fließende Kühlstrom größer als bei der Ausführungsform nach Fig. 8 und 9.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Hohlschaufel, insbesondere für Gasturbinen, mit in ihrem Hohlraum liegenden, schräg auf ihre Eintrittskante und ihre Austrittskante gerichteten Düsen für Kühlluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen durch je eine im Abstand in der Eintrittskante (22) und der Austrittskante (24) angeordnete Reihe von zu den Kanten gneigten, die gegenüberliegenden Schaufelwände (18,20) verbindenden Leitflächen (32, 32' und 36, 36') gebildet werden, die einen zentralen Zuströmkanal (26) für Kühlluft freilassen.

2. Hohlschaufel nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (32, 32' und 36, 36') jeder Reihe paarweise angeordnet und in ao einem Winkel von mindestens 45° zur zugeordneten Schaufelkante (24, 22) in Richtung auf das offene freie Schaufelende hin geneigt sind.

3. Hohlschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Leitflächen (32,32' und as 36, 36') näher bei der Mittellängsachse der Schaufel liegende Leitflächen (30, 30' und 34, 34') vorgeschaltet sind, welche die Kühlluft aus der Längsrichtung der Schaufel in die durch die ersten Leitflächen gebildeten Düsen lenken.

4. Hohlschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Leitflächen (30,30' und 34, 34') zur Mittellängsachse der Schaufel in einem Winkel von 20° in Richtung auf das freie Schaufelende hin geneigt sind.

5. Hohlschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nahe dem freien Schaufelende liegende dritte Leitflächen (38, 40) in einem Winkel von 45° zur Mittellängsachse der Schaufel in Richtung auf das freie Schaufelende hin geneigt sind.

6. Hohlschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd Leitflächen (44, 46, 48, 50, 52 und 62, 64, 66, 68, 70) rechteckigen Querschnitts und Leitflächen (54, 56, 58, 60 und 72, 74, 76, 78) etwa dreieckigen Querschnitts mit nach innen gerichteter Spitze vorgesehen sind (Fig. 5, 6, 7, 9).

7. Hohlschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen rechteckigen Querschnitts und die Leitflächen dreieckigen Querschnitts zum freien Ende der Schaufel hin fortschreitend eine größere Länge aufweisen.

8. Hohlschaufel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise im zentralen Durchströmkanal (26) an jeder Wand (84,88) der Schaufel in Längsrichtung der Schaufel liegende Kühlrippen (82, 86) vorgesehen sind (F i g. 5, 6, 7).

9. Hohlschaufel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im zentralen Durchströmkanal (26) jeder Schaufelwand (84, 88) Kühlrippen (90, 92) vorgesehen sind, die im gleichen Winkel wie die Leitflächen rechteckigen Querschnitts geneigt sind (F i g. 8, 9).

10. Hohlschaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende der Schaufel eine Reihe von an sich bekannten in Längsrichtung der Schaufel liegenden Kühlrippen (94) vorgesehen sind (F i g. 8, 9).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 939 782, 853 534;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 097 212,
092 255;

USA.-Patentschriften Nr. 2 966 331, 2 894 719.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 620/137 7.67 © Bundesdruckerei Berlin