DE1476921B1

DE1476921B1 - Schaufel fuer axial beaufschlagte Stroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE1476921B1
Application number: DE1965U0012303
Authority: DE
Inventors: John Chamberlain
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1964-12-22
Filing date: 1965-12-22
Publication date: 1970-03-26
Also published as: GB1075030A; US3301526A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel für einer etwa bei der halben Scheibenlänge liegenden

axial beaufschlagte Strömungsmaschinen mit einem Stelle verlaufen, wo sie durch den Scheibenrand Schaufelblatt, das durch mehrere aufeinander- durchtreten. Weiterhin kann eine mittlere Vertiefung liegende, parallel zur Schaufelquerachse angeordnete vorgesehen sein, die von der Hinterkante der Scheibe und mit mindestens einem Ausschnitt zur Aufnahme 5 aus zumindest teilweise auf die Enden der am einer Stützvorrichtung versehene Scheiben gebildet Scheibenrand verlaufenden Vertiefungen gerichtet ist ist, wobei ein Kühlmittel zur Kühlung der Schaufel und in einen weiteren Ausschnitt einmündet, durch die Ausschnitte in den Scheiben und von dort Gemäß einer anderen Weiterbildung können die

über die Zwischenräume zwischen den Auflage- am Scheibenrand verlaufenden Vertiefungen an den flächen der Scheiben an die Außenseite des Schaufel- io Enden, wo sie aus dem Scheibenrand heraustreten, blattes geleitet wird. Eine derartige Schaufel ist aus mit einer Verengung versehen sein, der USA.-Patentschrift 2 853 271 bekannt. Eine andere Weiterbildung der Erfindung kann

Zur Kühlung der bekannten Schaufel strömt hier- darin bestehen, daß die Spannvorrichtungen etwa in bei das Kühlmittel von den Ausschnitten durch Zwi- der Mitte der Ausschnitte angeordnet sind und daß schenräume zwischen den Auflageflächen der 15 die Durchbrechungen in den Spannvorrichtungen von Scheiben an die Außenseite des Schaufelblattes. Da quer zu ihrer Längsrichtung vorgesehenen Durchdiese in einem Abstand voneinander angeordneten bohrungen gebildet sind.

Scheiben an den Rippen der Stützvorrichtung ange- Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erlötet oder angeschweißt werden müssen, damit sich findung an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt ein starrer Aufbau ergibt, ist der Zusammenbau einer 20 F i g. 1 in einer Schnittansicht eine aus Scheiben derartig ausgebildeten Schaufel sehr umständlich. gebildete Leitschaufel zusammen mit der zugehörigen Diese Anordnung bietet auch keine Möglichkeit, be- Halterung zwischen dem Austritt des Verbrennungssonders hoch beanspruchte Abschnitte der Schaufel raumes und der Turbine,

stärker zu kühlen, insbesondere ergeben sich bei der F i g. 2 eine Ausführungsform der in der Anord-

Kühlung der Schaufelnase Schwierigkeiten, da das 25 nung gemäß F i g. 1 gezeigten Scheiben, ankommende Arbeitsmittel dem zwischen den F i g. 3 die Ansicht der Anordnung aus F i g. 2 als

Scheiben austretenden Kühlmittel entgegenströmt. Schnitt längs der gekrümmten Mittellinie,

Es liegt die Aufgabe vor, eine Turbinenleitschaufel F i g. 4 den Schnitt 4-4 der Anordnung aus F i g. 2,

mit einfachem Aufbau zu schaffen, die gegenüber den F i g. 5, 6 und 8 eine zweite, dritte und vierte Aushohen Temperaturen von aus einer Brennkammer 30 führungsform der in F i g. 1 gezeigten Scheiben, austretenden Gasen unempfindlich ist, jedoch auch F i g. 7 den Schnitt 7-7 der Anordnung aus F i g. 6.

für andersartige Arbeitsmittelströmungen verwendet I_n Fig. 1 ist die äußere kreisrunde Wandung 16a

werden kann. _emes Verbrennungsraumes zusammen mit der inne-

Diese Aufgabe wird bei Schaufeln der eingangs _ren kreisrunden Wandung 16 b dargestellt. An den angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, 35 rückwärtigen Enden dieser Wandungen sind mehrere daß die Zwischenräume durch Vertiefungen in den Leitschaufeln 34 befestigt. Jede Leitschaufel wird Auflageflächen der ohne Abstand aufeinanderliegen- _{durch eine} Anzahl von ohne Abstand aufeinanderden Scheiben gebildet sind. liegenden Scheiben 50 gebildet, die bis zur erwünsch-

Gegenüber bekannten Schaufeln hat die erfin- _ten Höhe übereinandergeschichtet sind. Diese dungsgemäß ausgebildete Schaufel den Vorteil, daß 40 Scheiben sind aus einem geeigneten, sehr hitzebestänkein separat zuzuführendes Kühlmittel erforderlich digen und wärmeleitfähigen Material hergestellt. Im ist und eine Einrichtung zur Abführung des erhitzten Hinblick auf die gute Wärmeleitung und den geringen Kühlmittels entfällt. Das Kühlmittel kann ohne den Abstand zwischen Oberfläche und Kühlmittelkanal Aufwand einer zusätzlichen Pumpe hinter dem Korn- kann der Temperaturgradient in der jeweiligen pressor entnommen und durch die Leitschaufeln ge- 45 Scheibe niedrig gehalten werden. Jede aus Scheiben führt werden. Hierbei kann jede Stelle des Schaufel- geschichtete Leitschaufel ist zwischen einem inneren blattes vom Kühlmittel erreicht und gegebenenfalls _un(j einem äußeren Abschlußteil 52 bzw. 54 mittels auch an Stellen höherer Aufwärmung stärker gekühlt _ei_ner spannvorrichtung in der Form zweier Bolzen werden. _{56 und 58} befestigt. Die Abschlußteile 52 und 54

Die erfindungsgemäße Schaufel kann derart weiter- 50 _si_nd _an ihren Seiten derart ausgebildet, daß sie mit gebildet sein, daß an der Innenwandung einer an der weiteren Teilen zu einem Ring verbunden werden Vorderkante der jeweiligen Scheibe verlaufenden können. Die Abschlußteile 52 sind jeweils mit einem Vertiefung eine Nase vorgesehen ist, die zur Strö- Flansch 60 versehen, der sich nach innen erstreckt, mungsteilung in diese Vertiefung nach rückwärts hin- _und die Abschlußteile 54 haben einen jeweils nach einragt und auf die Mitte einer Öffnung gerichtet ist. 55 außen gerichteten Flansch 70. Beim Zusammenbau

Weiterhin kann zur Führung des Kühlmittel- der Turbinenschaufelanordnung wird diese ringförstromes jeweils ein Vorsprung zwischen der Nase und _mig_e Anordnung mit den Flansch 60 durch Befestiden beiden Seitenkanten der Öffnung vorgesehen _gung am Flansch 62 am Ende der inneren kreissei¹¹· runden Wandung 16 b in ihrer Lage gehalten. Ein

Eine andere Weiterbildung der Erfindung kann 60 kleiner Flansch 64 am anderen Ende eines jeden Abdarin bestehen, daß die einzelnen Scheiben durch Schlußteiles 52 ist gleichfalls an einem Endflansch mindestens eine Spannvorrichtung dicht zusammen- 66 der inneren kreisrunden Wandung 16 b befestigt, gehalten werden, die durch die hintereinander- Der Flansch 70 eines jeden Abschlußteiles 54 der liegenden Ausschnitte geführt und mit Durch- Anordnung ist mit dem Flansch 72 am Ende der brechungen versehen ist, die ein Durchströmen des 6₅ äußeren kreisrunden Wandung 16 a verbunden. Eine Kühlmittels ermöglichen. Anzahl von Bolzen 74 verbindet den Flansch 60 mit

Die Vertiefungen können auch von der Scheiben- dem Flansch 62. Ebenso dienen die Bolzen 76 zur Vorderkante aus längs des Scheibenrandes bis zu Befestigung des Flansches 70 am Flansch 72.

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Mit den Bolzen 74 ist außerdem ein Ring 82 be- schwindigkeit sind an diesen Stellen Verengungen

festigt, der eine Dichtung bildet und die rückwärtigen 215 und 217 vorgesehen.

Enden der Brennkammern 22 miteinander verbindet. im vorderen Teil einer jeden Scheibe ist an deren Ein ähnlicher Ring 84 ist durch die Bolzen 76 be- dickster Stelle ein Ausschnitt 214 vorgesehen, der zur festigt. 5 Bildung einer Sammelleitung für das Kühlmittel im Eine ringförmige Sammelleitung kann am inneren Scheibenstapel dient. In jeder Scheibe ist eine öff- und äußeren Umfang der Abschlußteile 52 bzw. 54 nung 216 angeordnet, durch die der Ausschnitt 214 gebildet werden. In F i g. 1 ist die Sammelleitung 100 mit dem vorderen Teil der Vertiefung 210 verbunden am Umfang der Abschlußteile 54 dargestellt. Die ist. Ein zweiter breiter Ausschnitt 220 befindet sich in äußere Wandung 16 a ist mit einem nach hinten her- io jeder Scheibe hinter dem jeweiligen Ausschnitt 214. ausragenden Vorsprung 90 versehen, der einen Ring Sein vorderes Ende liegt nahe den Enden 211 und 213. 92 trägt. Dieser bildet eine Dichtung mit den Spitzen Zum Zusammenbau der Scheiben zu einer Schaufel der Laufschaufeln 94 der Turbine 18. Der Vorsprung sind zwei Bolzen der Spannvorrichtung in Längsrich-90 ist mit dem Ende der äußeren Wandung 16a tung durch die Ausschnitte 214 bzw. 220 geführt, durch die Bolzen 76 verbunden. Weiterhin ist ein 15 Diese Bolzen sind mit dem durch die Abschlußteile Satz Leitschaufeln 96 mit dem Außenumfang seines 52 gebildeten Innenring und dem durch die AbTragringes am Vorsprung 90 befestigt. Ein Flansch schlußteile 54 gebildeten Außenring verbunden. Die 102 ragt vom Vorsprung 90 aus nach innen und bil- Bolzen 222 und 224 der Spannvorrichtung sind durch det mit dem Abschlußteil 54 eine Dichtung. die fluchtenden Ausschnitte 214, die Bolzen 226 und Über die Leitung 104 wird ein Kühlmittel unter 20 228 der Spannvorrichtung durch die fluchtenden Aus-Druck in die Sammelleitung 100 geführt. Die Leitung schnitte 220 geführt. Jeder dieser vier Bolzen wird 104 ist zur Kühlmittelversorgung mit ihrem vorderen durch Passungen in den Seiten der Ausschnitte geEnde mit dem Austritt des Kompressors verbunden. halten. In den Bolzen 222 sind Durchbrechungen 218 In F i g. 1 können die inneren ringbildenden Ab- vorgesehen, so daß eine Strömung zu den Öffnungen schlußteile 52 als durchgehende Flächen gegenüber 25 216 möglich ist. In den Bolzen 226 und 228 sind dem jeweils anliegenden Ende einer jeden Leit- Durchbrechungen 230 und 232 vorgesehen, so daß schaufel ausgebildet sein. Die äußeren ringbildenden eine Strömung von der Vorderseite des Bolzens 226 Abschlußteile 54 müssen jedoch mit Öffnungen für zu dem Teil des Ausschnittes 220 zwischen den BoI-den Durchgang des Kühlmittels von der Sammellei- zen 226 und 228 und von dort aus zu den Enden 212 tung in das Innere der Schaufeln versehen sein. 30 möglich ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Scheibe 50 ist mit Ver- Die in Fig. 6 gezeigte Scheibe 50B ist mit drei tiefungen 110 versehen, die sich längs ihrer Außen- Ausschnitten 314, 320 und 330 versehen, die hinterkante nahe dem Umfang erstrecken und an ihrem einander in Längsrichtung der Scheibe angeordnet äußeren Ende 112 am Scheibenumfang austreten. Die sind und drei Sammelleitungen für das Kühlmittel breite t der Vertiefung 110 kann zur Änderung der 35 durch die aus Scheiben zusammengesetzte Schaufel örtlichen Kühlkapazität und zur Anpassung an die hindurch bilden. Der Ausschnitt 314 befindet sich im örtlich benötigte Kühlung variiert werden. Im vor- vorderen Teil der Scheibe, während sich der Ausderen Teil einer jeden Scheibe ist an deren dickster schnitt 320 an deren Mittelpunkt und der Ausschnitt Stelle ein Ausschnitt 114 vorgesehen, der beim Über- 330 in der Mitte zwischen dem Ausschnitt 320 und einanderschichten der Scheiben als Sammelleitung 40 dem hinteren Ende der Scheibe befindet. Bei diesem für das Kühlmittel in Längsrichtung der so gebildeten Ausführungsbeispiel sind auf der einen Seite der Schaufel dient. In jeder Scheibe ist eine geeignete Scheibe eine Anzahl Vertiefungen nach einem beÖffnung 116 vorgesehen, die den Ausschnitt 114 mit stimmten Muster gebildet, die jeweils von den Ausdem vorderen Teil der Vertiefung 110 verbindet. schnitten 314, 320 und 330 ausgehen und auf der Zum Zusammensetzen der Scheiben zu einer 45 Scheibenaußenkante münden. Die aus den Vertie-Schaufel ist in jeder Scheibe eine kleine Bohrung fungen 310 gebildeten Kühlmittelkanäle haben ein zwischen dem hinteren Teil des Ausschnittes 114 und sehr großes Verhältnis von Länge zu Durchmesser, der Stelle, an der die beiden Teile der Vertiefung 110 so daß das Kühlmittel vor seinem Austritt aus der zusammenlaufen, angeordnet. Diese Bohrung dient Scheibe die Wärme wirksam aufnimmt,
zur Durchführung eines Bolzens 58 der Spannvor- 5° Das Kühlmittel bewegt sich in einer nach außen richtung, nachdem die Scheiben bis zur gewünschten gerichteten Strömung und bewirkt außer der inneren Höhe gestapelt sind. Der Bolzen 56 der Spannvor- Kühlung durch Wärmeleitung auch eine Kühlung richtung ist durch den mit den fluchtenden Aus- durch den Kühlmittelfilm. Das Ende einer jeden Verschnitten 114 gebildeten Kühlmittelkanal nach unten tiefung bildet mit dem Außenrand der Scheibe einen geführt und wird in den Passungen 130 an den Seiten 55 spitzen Winkel, wodurch die austretende Strömung des jeweiligen Ausschnittes 114 gehalten. In den zwangläufig nach rückwärts über das aerodynamische Bolzen 56 der Spannvorrichtung sind Durch- Profil geleitet wird. Die Anzahl der Kühlmittelkanäle brechungen 118 vorgesehen, so daß eine Strömung zu und die Strömung des Kühlmittels kann auf die den Öffnungen 116 möglich ist. Die Weite einer jeden beste Kühlung und größte Wärmeübertragung oder Öffnung kann so gewählt werden, daß durch jeden 60 im Falle einer geringer benötigten Kühlung auf gezwischen aneinander anliegenden Scheiben gebildeten ringere Wärmeübertragung eingestellt werden. Da-Kanal die geeignete Strömung fließt. durch kann man eine relativ gleichmäßige Scheiben-Die in Fig. 5 gezeigte Scheibe 5OA ist mit einer temperatur und damit auch eine gleichmäßige Schaufel-Vertiefung 210 versehen, die sich längs ihrer Außen- temperatur erreichen. Einige Kühlmittelkanäle sind kante nahe dem Umfang von ihrer Vorderkante bis 65 mit scharfen Biegungen oder Verengungen versehen, zu den Enden 211 und 213 kurz hinter ihrer Mitte um den Druck zur Begrenzung der Strömung für den erstreckt, wo sie sich zur Außenseite der Schaufel jeweiligen Kühlmittelkanal genügend abzusenken, hin öffnet. Zur Erzeugung einer hohen Austrittsge- Dabei werden große Unterschiede des statischen

Außendruckes an verschiedenen Punkten der Schaufel außer acht gelassen.

Diese Scheiben werden zu einer Schaufel zusammengesetzt und durch Verwendung der vier Bolzen 322, 324, 326 und 328 der Spannvorrichtung miteinander verbunden. Ähnlich wie bei den anderen Ausführungsbeispielen halten sie die gewünschte Zahl von Scheiben an den einzelnen Stellen zwischen dem aus den Abschlußteilen 52 bzw. 54 gebildeten Innen- und dem Außenring.

Die in Fig. 8 gezeigte Scheibe5OC ist mit einem großen Ausschnitt 414 versehen, der sich im breitesten Teil der Scheibe von deren Vorderteil aus nach rückwärts erstreckt. In den Ausschnitten 414 der zusammengesetzten Scheiben ist eine Stützvorrichtung 422 angeordnet. Diese ist an jedem Ende der Schaufel an einem Abschlußteil 52 bzw. 54, wie es auch bei den anderen Ausführungsbeispielen verwendet wird, befestigt. Mit einem dieser Abschlußteile kann die Versteifung ein Bauelement bilden. Die so Ausschnitte 414 sind derart geformt, daß sie mit der Stützvorrichtung 422 dicht abschließen. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind kleine Ausschnitte 414 a und 414 b am vorderen und hinteren Ende der Scheibe nicht ausgefüllt.

Die Stützvorrichtung 422 ist mit drei länglichen Aussparungen 420, 421 und 423 versehen. Diese Aussparungen leiten das Kühlmittel von der Sammelleitung 100 durch die Schaufel. Zwischen der Aussparung 420 und dem Ausschnitt.414 des Scheibeninnenraumes verlaufen Durchbrechungen 418 ebenso wie Durchbrechungen 430 bzw. 432 zwischen den Aussparungen 421 und 420 bzw. 423 und 421. Die Aussparungen 420, 421 und 423 ermöglichen eine Strömung des Kühlmittels zur Profilvorderkante. Die Aussparung 423 ist mit dem Ausschnitt 414 b des Scheibeninnenraumes durch Kanäle 425 verbunden.

Von einem Punkt an der Profilvorderkante einer jeden Scheibe erstreckt sich längs der konvexen und der konkaven Kante der jeweiligen Scheibe eine Vertiefung 410 bis zu einem Punkt nahe dem hinteren Ende des Ausschnittes 414. Eine Öffnung 416 ist im Vorderteil einer jeden Scheibe vorgesehen, um den Ausschnitt 414 a mit dem Vorderteil einer jeden Vertiefung 410 zu verbinden. Von der Profilvorderkante nach innen in Richtung der öffnung 416 ragt eine Nase 440 zur Teilung der Strömung und Abzweigung des Kühlmittels von der Öffnung 416. Am Anfangspunkt der Vertiefung 410 ist zwischen der Nase 440 und der Seite der Öffnung 416, an der sich der Kanal zur konkaven Seite der Scheibe hin erstreckt, ein kleiner Vorsprung 442 angeordnet. Ein ebensolcher Vorsprung 444 befindet sich in der Vertiefung 410, an deren Anfangspunkt zwischen der Nase 440 und der Seite der öffnung 416, die zur konvexen Scheibenseite hinführt.

Am Endpunkt der Vertiefungen 410 nahe dem hinteren Ende des Ausschnittes 414 ist eine mittlere Vertiefung 450 vorgesehen. Bei 455 ist das Ende der Scheibe abgeschnitten, um die aerodynamische Strömung an der Schaufelhinterkante zu verbessern.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufel für axial beaufschlagte Strömungsmaschinen mit einem Schaufelblatt, das durch mehrere aufeinanderliegende, parallel zur Schaufelquerachse angeordnete und mit mindestens einem Ausschnitt zur Aufnahme einer Stützvorrichtung versehene Scheiben gebildet ist, wobei ein Kühlmittel zur Kühlung der Schaufel durch die Ausschnitte in den Scheiben und von dort über die Zwischenräume zwischen den Auflageflächen der Scheiben an die Außenseite des Schaufelblattes geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume durch Vertiefungen (110, 210, 410) in den Auflageflächen der ohne Abstand aufeinanderliegenden Scheiben gebildet sind.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwandung einer an der Vorderkante der jeweiligen Scheibe (50 C) verlaufenden Vertiefung (410) eine Nase (440) vorgesehen ist, die zur Strömungsteilung in diese Vertiefung (410) nach rückwärts hineinragt und auf die Mitte einer Öffnung (416) gerichtet ist.

3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Kühlmittelstromes jeweils ein Vorsprung (442, 444) zwischen der Nase (440) und den beiden Seitenkanten der öffnung (416) vorgesehen ist.

4. Schaufel nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Scheiben (50) durch mindestens eine Spannvorrichtung (56) dicht zusammengehalten werden, die durch die hintereinanderliegenden Ausschnitte (114) geführt und mit Durchbrechungen (118) versehen ist, die ein Durchströmen des Kühlmittels ermöglichen.

5. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vertiefungen (210) von der Scheibenvorderkante aus längs des Scheibenrandes bis zu einer etwa bei der halben Scheibenlänge liegenden Stelle verlaufen, wo sie durch den Scheibenrand durchtreten, und daß eine mittlere Vertiefung (212) vorgesehen ist, die von der Hinterkante der Scheibe (50A) aus zumindest teilweise auf die Enden (211, 213) der am Scheibenrand verlaufenden Vertiefungen (210) gerichtet ist und in einen weiteren Ausschnitt (220) einmündet.

6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die am Scheibenrand verlaufenden Vertiefungen (210) an den Enden (211, 213), wo sie aus dem Scheibenrand heraustreten, mit einer Verengung (215, 217) versehen sind.

7. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtungen (56) etwa in der Mitte der Ausschnitte (114) angeordnet sind und daß die Durchbrechungen (118) in den Spannvorrichtungen von quer zu ihrer Längsrichtung vorgesehenen Durchbohrungen gebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen