DE1601550C - Kühlbare Wand mit Porosität, insbesondere für Schaufeln oder Leitflächen in einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kühlbare Wand mit über ihrer Fläche verteilter vorherbestimmter Porosität, insbesondere für Schaufeln oder Leitflächen in einer Gasturbine, bestehend aus parallel zur Wand angeordneten Schichten mit labyrinthartigen Poren.

Aus der britischen Patentschrift 619 634 ist es bekannt, ein Kühlmittel durch von Poren gebildete Wege strömen zu lassen.

Weiterhin ist es aus der USA.-Patentschrift 067 982 sowie aus der französischen Patentschrift 730 bekannt, ein poröses Turbinenblatt dadurch herzustellen, daß Drähte wendelförmig in verschiedenen Schichten auf einen Dorn aufgewickelt werden, wobei aufeinanderfolgende Schichten der Wicklung unterschiedliche Steigungen aufweisen.

Anschließend müssen die einzelnen Schichten verschweißt werden. Dabei bilden die zwischen den Drähten verbleibenden Ausnehmungen Kühlkanäle, welche von einem Kühlfluid durchströmt werden.

Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 3 159 012 grundsätzlich bekannt, einen durchlässigen Werkstoff bei der Herstellung der Umhüllung von Gasturbinenschaufeln mit Transpirationskühlung zu verwenden.

Schließlich ist es aus der USA.-Patentschrift 2 853 271 bekannt, bei aus Schichten aufgebauten gekühlten Turbinenschaufeln reliefartige Eindrücke zwecks Bildung von Kühlkanälen zwischen den Schichten vorzusehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kühlbare Wand der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich bei einfacher Fertigung durch besonders günstige Festigkeitseigenschaften auszeichnet und eine strömungstechnisch vorteilhafte Fluidkühlung gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Wand wenigstens zwei Schichten aufweist, deren Poren einander nicht gegenüberstehen und daß mindestens eine Schicht an jeder Berührungsfläche Ausnehmungen aufweist, welche Verbindungskanäle zwischen den Poren bilden.

Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ein wesentlicher gemäß der Erfindung erzielbarer technischer Fortschritt besteht darin, daß die erfindungsgemäße kühlbare Wand sich besonders gut für eine vollautomatisierte Fertigung eignet, was im Hinblick auf die in großen Stückzahlen benötigten Turbinenschaufeln zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen führt.

Weiterhin ist eine erhöhte Kühlwirkung dadurch erreichbar, daß die Durchlässigkeit des porösen Materials in verschiedenen Bereichen sehr leicht variiert werden kann, so daß die Porosität und damit der Wirkungsgrad der Kühlung auf einer Turbinenschaufel abschnittsweise den jeweiligen strömungstechnisch bedingten Erwärmungen angepaßt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Turbinenstrahltriebwerks, welche die einzelnen unter besonders hohen Temperaturen stehenden Teile zeigen soll,

F i g. 2, 3 und 4 zeigen stark vergrößerte Ansichten einer Metallschicht, wobei die F i g. 2 und 4 Ansichten der gegenüberliegenden Flächen sind und F i g. 3 einen Querschnitt darstellt,

F i g. 5 zeigt eine ähnliche Ansicht einer Schicht von unterschiedlicher Gestalt,

F i g. 6 eine auseinandergezogene axonometrische vergrößerte Ansicht eines Bleches, das aus drei Schichten zusammengesetzt ist, die von denen der vorhergehenden Figuren verschieden sind,

Fig. 7 eine auseinandergezogene Ansicht eines Turbinenblattes,

F i g. 8 eine ähnliche Ansicht des zusammengesetzten Blattes,

Fig. 9, 10 und 11 zeigen Draufsichten, welche die innere, die Zwischen- bzw. die äußere Schicht eines Dreischichtenbleches zeigt, das insbesondere für ein Turbinenblatt, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, geeignet ist,

Fig. 12 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Leitkante eines Blattes, das aus einem Blech nach den Fig. 9, 10 und 11 gebildet ist, und

Fig. 13 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer weiteren Abwandlung einer Schichtenan-Ordnung.

In Fig. 1 ist ein typisches Turbostrahltriebwerk schematisch dargestellt. Das Triebwerk umfaßt einen Axialkompressor 16, eine Verbrennungseinsätze 17 mit Übergangsquerschnitten aufweisende Verbrennungseinrichtung und eine Turbine 18. Die Turbine umfaßt Leitschaufeln 19 und Laufschaufeln 21. Eine Welle 22 kuppelt die Turbine mit dem Kompressor. Ein Kanal 23 nimmt die Abgase aus der Turbine auf, und ein Nachbrenner 25 kann in dem Abgaskanal angeordnet sein. In einem derartigen Triebwerk sind die Verbrennungseinsätze und die Übergangsquerschnitte, die Leitschaufeln mit ihren Ummantelungen, die Laufschaufeln und die Bauteile in dem Ab-' gaskanal alle relativ hohen Temperaturen ausgesetzt, die gewöhnlich bei etwa 700 bis 1000° C liegen.

Poröse Wände gemäß der Erfindung können leicht in Gasturbinen eingesetzt werden. Jedoch muß das Material für die Laufschaufeln so fest sein, daß es der Zentrifugalkraft und den Gasbelastungen standhalten kann. Außerdem muß es genügend biegsam oder formbar sein, um die Leitkanten-Radien zu biegen.

In der F i g. 6 sind die Außenschicht 29, die Zwischensicht 30 und die Innenschicht 31 dargestellt. In einer Ausführungsform ist die Schicht 29 etwa 0,12 mm stark, während die beiden anderen Schichten eine Stärke von etwa 0,24 mm aufweisen. Die durchgehenden Löcher oder Poren 33, 34 und 35 in der jeweiligen Schicht haben Durchmesser in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm. Die äußeren und inneren Schichten haben ebene Flächen. Die Zwischenschicht ist mit parallelen Rillen 37 auf ihrer Außenfläche und 38 auf ihrer Innenfläche versehen. Die Rillen auf jeder Fläche verlaufen im rechten Winkel zu denen der anderen Fläche. Die Löcher und Rillen in den Schichten können durch Fotoätzung oder durch elektrochemische Bearbeitung gebildet werden. Die Rillen 37 und 38 können bis zu einer Tiefe von etwa 0,15 mm herausgeätzt werden, so daß sie ineinander einschneiden und die Poren 34 bilden. Ein zusammengesetztes Blech wird aus den drei Schichten nach Fig. 6 dadurch hergestellt, daß die Schichten aneinandergelegt und miteinander verbunden werden. Die Schichten werden so gestapelt, daß die Poren 33, 34 und 35 nicht miteinander fluchten. Zum Beispiel können die Löcher 35 etwa auf der Hälfte zwischen den Löchern 34 liegen, während diese etwa auf dem halben Weg zwischen den Löchern 33 angeordnet sind. Somit kann von der Innenfläche her zu dem Blech geführte Luft durch die Löcher 35, entlang den Rillen 38, durch die Löcher 34, entlang den Rillen 37 und durch die Löcher 33 heraus zu der Oberfläche des Bleches fließen. Durch die Rillen innerhalb des Materials und aus diesen zahlreichen Poren fließende Luft kann das Material stark kühlen. Der Abstand zwischen den Poren in jedem Blech kann in einem solchen Falle gewöhnlich zwischen ungefähr 0,75 mm bis ungefähr 1,25 mm variieren.

Die F i g. 2, 3 und 4 zeigen eine Form der Schicht, welche als vorteilhaft anzusehen ist. Diese Figuren veranschaulichen einen Typ eines Loch-Vorsprung-Musters, welches auch durch Verwendung der Fotoätz- oder chemischen Ätztechnik bei der Herstellung des Bleches erhalten werden kann. Ausgehend von einem Blech 39 geeigneter Stärke wird das Material von einer Seite her geätzt, um Vertiefungen 41 zu bilden und von der anderen Seite, um Vertiefungen 42 zu schaffen, welche mit den Vertiefungen 41 fluchten und mit diesen in Verbindung stehen, um die Poren oder die durchgehenden Kanäle 43 zu bilden. Eine Oberfläche der Schicht ist zusätzlich geätzt, um eine Anzahl von eng benachbarten kreisförmigen Vorsprüngen oder Stegen 45 zu belassen, welche ein Netz von Kanälen durch die Ausnehmungen 46 zwischen den Stegen bilden.

Wenn zwei Schichten mit Vorsprüngen wie 45 aufeinandergelegt werden, sind die Vorsprünge zueinander ausgerichtet, so daß eine Kraft, die an das zusammengesetzte Blech beim Formen angelegt wird, direkt durch das feste Material übertragen werden kann. Jedoch sind die Poren, wie die Poren 43, in aufeinanderfolgenden Schichten versetzt angeordnet. Die richtige Ausrichtung kann durch Registerlöcher in den Rändern der Schicht gewährleistet werden.

Ein weiteres Merkmal ist in Fig. 5 dargestellt, welche eine Draufsicht auf eine Schicht der gleichen Art wie in den F i g. 2 bis 4 darstellt. Der Hauptunterschied liegt in der Verteilung der Poren. Die Schicht 50 nach Fig. 5 ist nach einem Netzmuster ausgelegt, von dem beispielsweise ein Quadrat, wie es durch die Klammern A und B angedeutet ist, die Grundeinheit eines Gitters ist. Acht derartige Grundeinheiten, nämlich die Quadrate 51, sind in der Figur dargestellt.

Jede Einheit 51 trägt sechs Reihen von Stegen oder Vorsprüngen 52 in jeder Richtung, wobei die Vorsprünge schachbrettartig angeordnet sind, so daß in diesem Falle achtzehn Stege in jeder Einheit vorliegen. Die Spalten 53 zwischen den Stegen sorgen für einen seitlichen oder quer verlaufenden Luftstrom. Die Poren oder durchgehenden Löcher, wie sie bei 55 angedeutet sind, sind in jeder Einheit nicht an derselben Stelle, sondern sind in einem beliebigen Muster angeordnet. Dieses Muster weist insofern einen Vorteil auf, da es nun nicht erforderlich ist, die übereinanderliegenden Schichten auszurichten. Mit dem einheitlichen Lochmuster nach den F i g. 2 bis 4 könnte ein Fehler bei der Ausrichtung der Schichten zur Folge haben, daß alle Poren in den verschiedenen Schichten miteinander ausgerichtet sind und somit gerade Löcher durch das zusammengesetzte Blech hindurch vorliegen. Auf diese Weise wäre der Qderfluß durch das Blech beseitigt, und die Durchlässigkeit des Bleches wäre ebenfalls beträchtlich erhöht. Das Ergebnis wäre eine weniger wirksame Kühlung und ein beträchtlich größerer Verbrauch an Kühlmittel. Bei den Schichten, in denen die Löcher innerhalb von Einheitsflächen zufällig verteilt sind, besteht hingegen keine Möglichkeit, daß mehr als gelegentlich ein Paar von Löchern miteinander fluchtet. Somit ist das Ausrichtungsproblem nicht mehr akut. Ein wichtiges Merkmal des porösen Materials ist seine Durchlässigkeit für die Strömung, welche als Gewicht der Luftströmung durch die Einheitsfiäche des Bleches unter dem Einheitsdifferentialdruck ausgedrückt werden kann. In jedem Falle ist es erwünscht, durch die gewundenen Kanäle des Bleches die genaue Menge an Luft oder anderem Strömungsmittel strömen zu lassen, welche die erforderliche Kühlwirkuna schafft.

Es ist unerwünscht, zu hohe Drücke zum Durchdrükken des Strömungsmittels zu verwenden, und gewöhnlich wird in einer Gasturbine Luft mit dem Kompressorausgangsdruck verwendet. Abhängig von dem Druck am Äußeren der Schaufel oder eines anderen gekühlten Teiles kann die Strömung zu der Schaufel dadurch beeinflußt werden, daß eine bestimmte Durchlässigkeit irgendeiner Fläche des Bleches gewählt wird, welche eine Funktion der Größen und Abstände der Poren in den verschiedenen Schichten und der Charakteristiken der Strömungskanäle parallel zu der Fläche des Bleches zwischen den Poren ist. Die Strömung für einen gegebenen Druck kann in weiten Grenzen dadurch verändert werden, daß diese Konstanten des Bleches geändert werden. Bei einem ungekühlten Turbinenblatt sind z. B. die Leitkante und die Druckseite des Blattes relativ heiß, während die Saugseite beträchtlich kühler ist.

Eine Anwendung einer kühlbaren Wand gemäß der Erfindung auf eine Turbinenschaufel ist in den F i g. 7 bis 8 veranschaulicht, wobei F i g. 7 die beiden Teile der Schaufel in auseinandergezogener Darstellung und Fig. 8 die vervollständigte Schaufel zeigt. Die Schaufel 56 umfaßt eine Wurzel 57, einen Schaft 58, eine Plattform 59 und einen Kern 61, der in eine Stirnkappe 62 mündet. Weiter umfaßt die Schaufel eine Fläche 64, welche aus einem Blech aus durchlässigem Material besteht, das zu einer geeigneten Stromlinienfläche mit einer Eintrittskante 65 und einer Austrittskante 66 geformt und gefaltet ist. Die Fläche kann elektronenstrahlgeschweißt oder sonstwie an dem Kern, an den Rändern der Kappe 62, um den sich von der Plattform erstreckenden Vorsprung 67 und außerdem entlang der Rippen 68 des Kernes befestigt sein. Kühlluft kann zu dem Blatt durch eine Öffnung 69 in dem Schaft zugeführt werden, welche mit Öffnungen 70 verbunden ist, die Luft zu den Räumen zwischen dem Kern 61 und der Fläche zuführen. Diese Luft passiert dann durch die versetzten Poren und Querkanäle in der Fläche und strömt von der Schaufel durch die Vielfachporen 73 in der Außenschicht der Fläche.

Die Fig. 9 bis 12 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform, weiche auf eine Turbinenschaufel angewandt ist. Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen jeweils die innere Schicht 75, die Zwischenschicht 76 und die Außenschicht 77. Die Innenschicht weist mit Abstand zueinander angeordnete Poren 78, die Zwischenschicht 76 Poren 79 und die Außenschicht Poren 81 auf. Der Porenabstand in den Schichten ist so gewählt, daß ein gewünschter Luftstromweg gegeben ist. Die Außenflächen beider Schichten 76 und 75 haben ein Stegmuster, welches ähnlich dem Muster der Stege 45 nach F i g. 2 oder 55 nach F i g. 5 ist. Der Maßstab der Fig. 9 und 10 gestattet es nicht, dieses Muster darzustellen, welches die Querkanäle zwischen den Schichten 75 und 76 und zwischen den Schichten 76 und 77 schafft. Die Außenschicht 77 ist in eine äußere Zone und eine innere Zone entlang der Grenzlinie geteilt, die durch die gestrichelten Linien C und D in Fig. 11 angedeutet ist. Die Poren 82 in dem der Wurzel am nächsten liegenden Teil sind in einem größeren Abstand voneinander angeordnet als die Poren 81 im oberen Teil. Die Schichten 75, 76 und 77 sind miteinander verbunden und gefaltet, wie es in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Die sich ergebende Verkleidung kann auf eine Basis oder Unterlage montiert werden, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Beim Anbringen der Verkleidung wird das sich quer über die Basis des Streifens erstreckende undurchlöcherte Basisteil 83 verwendet, um die Halterung zur Anbringung der Schaufelverkleidung zu befestigen. Somit ist die Schaufelverkleidung mit Bereichen verschiedener Porosität versehen, und

ίο zwar durch die Veränderung des Porenabstandes.

Ein weiteres Merkmal der Anordnung nach den Fig. 9 bis 12 besteht in der besonderen Ausbildung der Eintrittskante, um eine Filmkühlung durch einen großen Luftstrom von der Eintrittskante der Schaufel zu schaffen. In diesem Zusammenhang haben die Schichten 75 und 76 durchgehende Schlitze 86 und 87 in einer Reihe in einer Mulde 88 oder 89 entlang der Faltung zur Bildung der Führungskante verteilt. Die Außenschicht 77 ist mit drei Reihen von sehr kleinen Löchern 91 im gleichen Bereich versehen. Wenn die drei Schichten miteinander verbunden werden, liegen die kleinen Löcher 88 über den relativbreiten Schlitzen 86 und 87 und den Mulden 88 und 89. Somit wird zu der Innenseite der Schaufel gelieferte Luft durch die beiden inneren Schichten und aus den kleinen Löchern 88 in der Leitkante der Außenschicht der Schaufelverkleidung strömen. Diese Luft wird über die Fläche der Schaufel durch das bewegte Strömungsmittel nach hinten getragen, um eine Luftschicht für Filmkühlung der Schaufel zu bilden. Zusätzlich strömt zum Inneren der Schaufel gelieferte Luft durch Kanäle 78, um Stege 92 auf der Innenschicht 75, durch Poren 79, um Stege 93 an der Außenfläche der Schicht 76 und durch Poren 81 in der Außenschicht 77.

Der Aufbau an der Eintrittskante, wie er eben beschrieben wurde, ist ebenfalls im Hinblick darauf vorteilhaft, daß relativ kleine Eintrittskantenradien geformt werden können, ohne eine schädliche Verzerrung oder Verschließung der Poren und Kanäle zu befürchten.

Eine weitere Ausbildung eines permeablen Bleches ist in Fig. 13 dargestellt. Hier ist die äußere Schicht bei 101, die Zwischenschicht bei 102 und die Innenschicht bei 103 dargestellt. Das Material ist auf der Basis von Modularquadraten wie 105 ausgelegt, und die Ätzung des Metalls ist innerhalb der Modularflächen im allgemeinen ausgeführt, wie es mit Bezug auf F i g. 5 beschrieben wurde. In diesem Falle hat die Außenschicht 101 jedoch Poren 107 in ihrer Außenfläche und Rillen 108 in der Innenfläche, welche mit den Poren fluchten. Die Zwischenschicht 102 besitzt Rillen 109 in ihrer Außenfläche und diese zur Bildung von Poren 112 schneidende Rillen 111 in ihrer Innenfläche. Die innere Schicht 103 ist mit Rillen 113 auf ihrer Außenfläche versehen, welche durch Poren 114 von der Innenfläche der Schicht versorgt werden. Die Rillen 108 und 111 sind in einer Richtung orientiert, während die Rillen 109 und 113 quer zu diesen verlaufen. Alle Rillen und Löcher sind willkürlich verteilt. Rillenlänge, Abstand und Modulabmessung sind so gewählt, daß der Schnitt der Rillen gewährleistet ist. Das poröse Material ist auch zur Kühlung durch Flüssigkeiten verwendbar und auch auf Metalle anwendbar, welche nicht hochtemperaturbeständig sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kühlbare Wand mit über ihrer Fläche verteilter vorherbestimmter Porosität, insbesondere S für Schaufeln oder Leitflächen in einer Gasturbine, bestehend aus parallel zur Wand angeordneten Schichten mit labyrinthartigen Poren, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand wenigstens zwei Schichten (29, 30, 31) aufweist, deren Poren (33, 34, 35) einander nicht gegenüberstehen und daß mindestens eine Schicht (30) an jeder Berührungsfläche Ausnehmungen (37) aufweist, welche Verbindungskanäle zwischen den Poren (33, 34, 35) bilden.

2. Kühlbare Wand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (37) als Rillen ausgebildet sind, welche im wesentlichen parallel zueinander in der Schicht (30) angeordr net sind.

3. Kühlbare Wand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (30) eng benachbarte nicht aneinanderstoßende Stege (45) aufweist.

4. Kühlbare Wand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren (33, 34, 35) in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.

5. Kühlbare Wand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren (33, 34, 35) in verschiedenen Bereichen der Schicht (30) in unterschiedlicher Dichte vorgesehen sind.

6. Kühlbare Wand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Schicht (30) vorgesehenen Ausnehmungen im wesentlichen senkrecht zu den unmittelbar benachbarten Ausnehmungen verlaufen.

7. Kühlbare Wand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (37) in bestimmten Bereichen der Schicht (30) statistisch verteilt sind.

8. Kühlbare Wand für eine Gasturbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Löcher oder Schlitze (86, 87, 91) im Bereich der Schaufelvorderkante vorgesehen sind.