DE1601553B2 - Tragflächenförmige gekühlte Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine tragflächenförmige gekühlte Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die einen hohlen Bauteil aufweist, in den hinein ein Kühlmittel geleitet und derart verteilt wird, daß dieses auf die innere Schaufeloberfläche der Vorderkante auftrifft und längs der Innenseiten der Schaufel verteilt und durch die Hinterkante teilweise abgelassen wird, wobei ein hohler dünnwandiger Einsatz innerhalb der Schaufel angeordnet ist und im Abstand von dieser Schaufel gehalten ist, so daß ein erster Kanal zwischen diesen Teilen entsteht, und wobei der Einsatz Öffnungen aufweist, die so ausgerichtet sind, daß Kühlmittel aus einer vorderen Kammer auf die innere Schaufeloberfläche der Vorderkante gerichtet wird und sich so verteilt, daß es durch die ersten Kanäle zur Hinterkante strömt, wobei zweite Öffnungen am hinteren Ende des Einsatzes vorgesehen sind, um eine gewisse Menge des Kühlmittels aus den ersten Kanälen in eine hintere Kammer zu führen.

Eine derartige Schaufel ist aus der GB-PS 7 84 196 bekannt.

Bei dieser bekannten Schaufel tritt im Kühlmittelstrom in der vorderen Kammer sowie in der hinteren Kammer ein Druckabfall auf, so daß die Kühlung der gesamten Schaufel wegen der unterschiedlichen Kühlmittelströmungen sehr ungleichmäßig ist, was nachteilig ist, da an gewissen Stellen die gewünschte Kühlung erfolgen und an anderen Stellen eine Überhitzung eintreten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ge-

is kühlte Schaufel zu schaffen, bei der eine gleichförmige Kühlung über die Schaufeloberfläche erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Schaufel der eingangs angegebenen Art dadurch erreicht, daß eine geneigte Trennwand sich im wesentlichen von einem

ίο Ende zum anderen innerhalb des Einsatzes erstreckt und eine vordere und hintere Kammer bildet, in denen konstante statische Drücke herrschen und daß jede Kammer einen breiten Querschnitt an einander gegenüberliegenden Enden aufweist.

Durch diese Ausbildung wird in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Kühlmittelströmung über die gesamte Innenoberfläche der Schaufel verteilt, so daß eine gleichmäßige Kühlung stattfinden kann.

Durch diese Ausbildung wird somit maximal die Wärmeübertragungskapazität des Kühlmittels ausgenutzt, ehe es für andere Zwecke verwendet wird. Dies führt zu einem geringstmöglichen Verbrauch an Strömungsmittel für Kühlzwecke und dadurch wird ein besserer Triebwerkswirkungsgrad erzielt, wenn diese An-Ordnung in einer Gasturbine verwendet wird, da die geringste Strömungsmittelmenge dem Arbeitszyklus entnommen wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel eines Turbinenleitkranzes,

F i g. 2 eine Schnittansicht der Schaufel und F i g. 3 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 3-3 der F i g. 2.

Es sei zuerst auf F i g. 1 Bezug genommen. Es ist eine einzelne Schaufel eines Turbinenleitkranzes dargestellt, der einen äußeren Ring 10 und einen inneren Ring 12

so aufweist, und zwischen diesen Ringen ist eine Leitschaufel 14 angeordnet. Die Schaufel 14 ist ein Leitelement mit Tragflächenprofil.

Für eine ausreichende Abkühlung der einzelnen Schaufeln unter die Brenngastemperatur ist es erforderlich, die Schaufeln mit einem Kühlmittel, wie beispielsweise mit Kompressorabzapfluft einer Gasturbine oder anderen geeigneten, zur Verfugung stehenden Kühlmitteln zu kühlen, die geringere Temperaturen haben als die Brenngase.

Es sei nunmehr auf F i g. 3 Bezug genommen, die einen Querschnitt einer hohlen tragflächenförmigen Schaufel 14 darstellt. Beim üblichen Leitkranzaufbau hat die Schaufel 14 die Form einer Tragfläche und weist eine Vorderkante 20 und eine Hinterkante 22 auf.

(•S Diese Tragflächenform hat eine konvexe Oberfläche 24 und eine konkave Oberfläche 26. Bei normalem Turbinenbetrieb wird die Oberfläche 24 höheren Außenseitentemperaturen ausgesetzt als die Oberfläche 26, und

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es ist deshalb eine erhöhte innere Kühlung erforderlich.

Kühlmittel wird von einer Quelle, wie beispielsweise von einer Kompressorabzapfstelle, in üblicher Weise den einzelnen Schaufeln zugeführt. Um nun die Kühlmittel innerhalb der dünnwandigen Schaufel in richtiger Weise zu verteilen, ist ein Einsatz 28 vorgesehen. Wie F i g. 2 zeigt, wird die eintretende Kühlmittelströmung in den Einsatz 28 hineingeführt, um eine Kühlung mit höchstem Wirkungsgrad bei einem minimalen Luftbedarf zu erreichen, wie es noch erläutert werden soll. Der Einsatz 28 kann geschweißt oder als einteiliger Bauteil über die ganze Schaufellänge eingebaut sein. Das Kühlmittel wird zur Kühlung der Schaufeln 14 dadurch verteilt, daß der Einsatz 28 von den Oberflächen 24 und 26 im Abstand gehalten wird, so daß Kanäle 30 längs der inneren Seite der Schaufeloberflächen zwischen der Schaufel und dem Einsatz ausgebildet werden, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Um den Einsatz in einem vorbestimmten Abstand zu halten und um die Größe der Kanäle 30 zu bestimmen, sind im Abstand voneinander angeordnete Ausbuchtungen 32 des Einsatzes vorgesehen, die knopfförmig oder rippenförmig ausgebildet sein können.

Da das eintretende Kühlmittel einen höheren Druck aufweist als das Kühlmittel in den Kanälen 30, ist es erforderlich, den Einsatz gegen Verwerfungen zu halten und die Ausbuchtungen 32 bestimmen nicht nur die Größe der Kanäle 30, sondern bilden auch diese Halterung. Diese Ausbuchtungen dienen deshalb dem mehrfachen Zweck, die gewünschte Tiefe der Kanäle 30 aufrechtzuerhalten und dazu, dem Einsatz eine gewisse Festigkeit zu erteilen und den Einsatz 28 axial in seiner Lage zu halten. Falls Rippen verwendet werden, bilden diese ebenfalls eine Führung für das Kühlmittel. Es wurde gefunden, daß eine Stoßbeaufschlagungskühlung längs der heißen Vorderkante 20 wirksamer ist als eine Kühlung, die durch eine Strömung parallel zu dieser Kante erreicht werden kann, und zu diesem Zweck ist die Vorderkante des Einsatzes 28 mit einer Reihe von öffnungen 34 versehen, die derart gerichtet sind, daß das gesamte Kühlmittel aus dem Einsatz herausgeführt wird und auf die innere Schaufeloberfläche der Vorderkante der Schaufel aufprallt, so daß sie sich verteilt und nach hinten durch die Kanäle 30 zur Hinterkante hinströmt, wie es in F i g. 3 dargestellt ist.

Bei einer derartigen Kühlung treten Schwierigkeiten auf, wenn man versuchen will, eine im wesentlichen konstante Kühlmittel-Strömung durch die öffnung über die Länge der Vorderkante zu erzielen, und zwar wegen des Druckabfalls im Kühlmittel innerhalb des Einsatzes. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist im Einsatz eine sich von oben bis zum Boden erstrekkende geneigte Trennwand 36 vorgesehen, welche eine einzelne vordere Kammer 38 und eine ähnliche hintere Kammer 40 bildet. Durch die Neigung dieser Trennwand ist es möglich, innerhalb der beiden Kammern einen konstanten statischen Druck aufrechtzuerhalten. Wie F i g. 2 zeigt, weisen die beiden Kammern einen breiten Querschnitt an gegenüberliegenden Enden auf. Das Kühlmittel tritt an diesem breiten Querschnitt in der vorderen Kammer 38 ein und in der hinteren Kammer 40 aus. Es sind Leiteinrichtungen 42 und 44 für den Eintritt und den Austritt vorgesehen. Die Leiteinrichtungen 42 und 44 können derart gestaltet sein, daß diese die Kühlmittel-Strömung auf die gewünschte Menge einstellen oder drosseln.

Um das Kühlmittel in richtiger Weise zu führen und um dieses aus den Kammern herauszudrücken, weist jede der Kammern Abdichtungen, wie Kappen 46 und 48, an den schmalen Enden auf. Innerhalb der vorderen

ίο Kammer 38 herrscht im wesentlichen ein konstanter statischer Druck, und zwar wegen der geneigten Trennwand 36, damit ist die Strömung des Kühlmittels aus jeder der öffnungen 34 längs der Vorderkante der Schaufel gleich stark.

Wenn die Strömung auf die innere Schaufeloberfläche der Vorderkante 20 auftrifft und nach hinten durch die Kanäle 30 hindurchströmt, wird eine gleichförmige Kühlung aller Teile der Schaufel erzielt, und zwar wegen des konstanten statischen Druckes in der Kammer 38 und der sich daraus ergebenden konstanten Strömung. Der Rest der Schaufel wird durch die Strömung durch die Kanäle zur Hinterkante hin gekühlt. Um Kühlungsmittel in die hintere Kammer 40 einzuführen, ist eine zweite Reihe von gegenüberliegend angeordne-

ten Öffnungen 50 und 52 vorgesehen. Diese Öffnungen sind derart bemessen, daß durch ihre Größe die Strömung des Kühlmittels durch die Kanäle 30 bestimmt wird. Zusätzlich können die Kanäle 30 auf der Saugseite größer gemacht werden, um die Strömung zu erhö-

hen, falls dieses erwünscht ist. Die öffnungen 50 und 52 bestimmen die Strömung durch die Kanäle 30, und auf diese Weise kann die Kühlmittelströmung in gewünschter Weise in Abhängigkeit von den gewünschten Temperaturen verteilt werden. Diese öffnungen sind derart ausgebildet, daß sie einen Teil des Kühlmittels aus den Kanälen 30 aufnehmen und der Rest des Kühlmittels kann in die Hinterkantenschlitze 54 eintreten, um die Hinterkante zu kühlen. Der Teil des Kühlmittels aus den Kanälen 30, der in die hintere Kammer 40 eingeführt wird, wird anschließend durch die Leitvorrichtung 44 abgeführt und dann zu einer weiteren Verwendungsstelle geführt. Es sei bemerkt, daß die einzelne geneigte Trennwand wirksam ist, um einen konstanten statischen Druck in jeder der Kammern auszubilden, woraus sich eine konstante Strömung ergibt. Durch die einzelne Trennwand wird der breite Querschnitt der Kammer 38 gegenüber dem schmalen Querschnitt der Kammer 40 angeordnet und umgekehrt, und dies führt zu einem gleichmäßigen Abzapfen des Kühlmittels durch die Öffnungen 50 und 52, so daß mit einem konstanten geringeren statischen Druck in der hinteren Kammer die Einströmung in diese Kammer ebenfalls gleichmäßig ist.

Durch eine Vorbestimmung der Strömungsmenge durch die Kanäle 30 kann das Kühlmittel zu der Stelle geleitet werden, an der es am meisten benötigt wird Eine entsprechende Kühlung des Mittelabschnittes der Oberfläche 24 ergibt einen geringeren Kühlungsbedarf an der Hinterkante und deshalb können kleinere Hinterkantenkanäle 54 bzw. weniger Hinterkantenkanäle 54 verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

16 Ol 553 Patentansprüche:

1. Tragflächenförmige gekühlte Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die einen hohlen Bauteil aufweist, in den hinein ein Kühlmittel geleitet und derart verteilt wird, daß dieses auf die innere Schaufeloberfläche der Vorderkante auftrifft und längs der Innenseiten der Schaufel verteilt und durch die Hinterkante teilweise abgelassen wird, wobei ein hohler dünnwandiger Einsatz innerhalb der Schaufel angeordnet und im Abstand von dieser Schaufel gehalten ist, so daß ein erster Kanal zwischen diesen Teilen entsteht, und wobei der Einsatz Öffnungen aufweist, die so ausgerichtet sind, daß das Kühlmittel aus einer vorderen Kammer auf die innere Schaufeloberfläche der Vorderkante gerichtet wird und sich so verteilt, daß es durch die ersten Kanäle zur Hinterkante strömt, wobei zweite Öffnungen am hinteren Ende des Einsatzes vorgesehen ,sind, um eine gewisse Menge des Kühlmittels aus den ersten Kanälen in eine hintere Kammer zu führen, dadurch gekennzeichnet, daß eine geneigte Trennwand (36) sich im wesentlichen von einem Ende zum anderen Ende innerhalb des Einsatzes (28) erstreckt und eine vordere und hintere Kammer (38, 40) bildet, in denen konstante statische Drucke herrschen, und daß jede Kammer (38, 40) einen breiten Querschnitt an einander gegenüberliegenden Enden aufweiiit.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Kammer (38) und die hintere Kammer (40) im wesentlichen gleiche Volumina haben.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei Kappen für jede Kammer am Einsatz vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappen (46, 48) am schmalen Ende einer jeden Kammer (38, 40) zum Abschluß dieses schmalen Endes vorgesehen sind.

4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (28) im Abstand zueinander angeordnete Ausbuchtungen (32) in seinen Wandungen aufweist, um den Einsatz in einem vorbestimmten Abstand gegenüber der Schaufel (14) zu halten.