DE1601561A1

DE1601561A1 - Gekuehlte Schaufel fuer mit hohen Temperaturen arbeitendes Turbinentriebwerk

Info

Publication number: DE1601561A1
Application number: DE1967G0050764
Authority: DE
Inventors: Quinones Armando Joseph; Davis David Robert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-02-26
Filing date: 1967-07-29
Publication date: 1970-12-17
Also published as: DE1601561C3; DE1601561B2; US3528751A; GB1188382A

Description

Gekühlte Schaufel für mit hohen Temperaturen arbeitendes

Turbinentriebwerk

Die Erfindung betrifft·eine gekühlte Beschaufelung für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbinentriebwerke und insbesondere einen Turbinenschaufelaufbau, der verbesserte Einrichtungen aufweist, um die Strömung eines Kühlmittels durch äih Innenraum und über die äußeren Oberflächen der Schaufel zu steuern und zu leiten.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad von Gasturbinentriebwerken in einer Besiehung zur Betriebstemperatur der Turbine steht und daß der Wirkungsgrad theoretisch

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dadurch erhölit werden kann, daß die Betriebstemperatur erhöiit wird. In der Praxis ist die maximale Turbinenbetriebstemperatur jedoch durch die Aufnahmefähigkeit für hohe Temperaturen der verschiedenen Turbinenelemente begrenzt. Da die Turbinenleistung auf diese Weise durch Temperaturbedingungen begrenzt ist, wurden von Turbinentriebwerksherstellern beträcHLiche Anstreigingen gemacht, um die Turbinenelemente gegen hohe Temperaturen widerstandsfähig zu machen und zwar insbesondere die tragfläohenförmigen Schaufeln, auf die die Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur auftreffen. Eine gewisse Erhöhung der Triebwerksleistung wurde dadurch erzielt, dai3 neue Materialien entwickelt und verwendet wurden, die höheren Temperaturen widerstehen können. Diese neuen Materialien können jedoch ganz allgemein nicht den extrem hohen Temperaturen widerstehen, die in modernen Gasturbinentriebwerken erwünscht sind, Es wurden deshalb verschiedene Kühlanordnungen für Schaufeln entwickelt, um die obere Betriebstemperaturgrenze dadurch hinauszuschieben, daß das Schaufelmaterial auf. geringeren Temperaturen gehalten wird, denen dieses Schaufelmaterial widerstehen kann, ohne zu verbrennen. Der hier verwendete Begriff "Schaufel" bezient; sich ganz allgemein auf Elemente mit TragflU.chenpr.Ofil, die in Turbinentriebwerken verwendet werden., welcha mit hohen Temperaturen arbeiten. Der Ausdruck betrifft nicht

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nur die üblichen Rotorflügel oder Schaufeln, sondern auch andere Bauteile mit Tragflächenprofil, die auch als Flügel und dergleichen bezeichnet werden.

Das Kühlen der Schaufeln erfolgt ganz allgemein in de-r Weise, daß innere Strömungskanäle innerhalb der Schaufeln ausgebildet werden, welche die Strömung eines Kühlmittels aufnehmen. Dieses Kühlmittel ist üblicherweise DrudJLuft, die entweder vom Kompressor oder vom Brennkammerabschnitt abgezweigt wird. Es ist allgemein bekannt, daß die Triebwerksleistung theoretisch durch den Abzug von Kühlluft vermindert wird. Ss ist deshalb unbedingt erforderlich, daß die Kühlluft in wirksamster Weise ausgenutzt wird, wobei dafür Sorge getragen werden muß, daß die Leistungsabnahme, die durch den Entzug von luft bewirkt wird, nicht größer ist als die Leistungszunähme, die sich aus den höheren Turbinenbetriebstemperaturen ergibt. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß das Kühlsystem bezüglich der Herabsetzung der benötigten Kühlluftmenge sehr leistungsfähig sein muß. Es ist ferner wesentlich, daß alle Teile der Turbinenschaufeln ausreichend gekühlt werden. Insbesondere muß eine ausreichende Kühlung für die Vorder- und Hinterkanten der Schaufeln erzielt werden, da diese Teile am meisten durch die Verbrennungsgase, die hohe Temperaturen haben, beeinträchtigt werden.

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Es wurde gefunden, daß die Kühlungsaufbauten, die , bisher zur Verfügung standen, bezüglich der vorstehenden Bedingungen nicht immer vollständig zufriedenstellend waren. Kühlsysteme, die minimale Kühlluftmengen benötigen, sind im allgemeinen nicht in der lage, alle Teile der Schaufel in ausreichender Weise zu kühlen. Das führte dazu, daß an kritischen Stellen, wie beispielsweise an der Torderkante, nach einer verhältnismäßig kurzen Betriebsdauer Risse oder Verbrennungen oder Ausglühungen auftraten. Die Systeme, mit denen alle Teile der Schaufeln in ausreichender Weise gekühlt werden können, und zwar einschließlich der Vorder- und Hinterkanten, benötigen andererseits im allgemeinsn zu viel luft für einen leistungsfähigen Betrieb des Triebwerkes und der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die Kühlluft nicht wirksam genug verwendet wird. Beispielsweise kann bei einer nicht wirksamen An-r Ordnung die Kühlluft durch das Innere der Schaufel derart geführt werden, daß sich geringe Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten oder Wärmeübertragungsraten ergeben. Andere Eigenschaften, wie ungenügende Wärmeübertragungsflächen, können ebenfalls eine wirkungsvolle Verwendung der Kühlluft verhindern.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbinentriebwerke einen verbesserten

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"besserten. Schaufelaufbau zu schaffen, durch den das Kühlmittel in. einer hochwirkeamen Weise ausgenützt wird.

Bs ist ein weiteres Ziel der Erfindung, für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbinentriebwerke einen verbesserten Schaufelaufbau zu schaffen, durch den alle Seile der Schaufel in ausreichender Weise gekühlt werden.

Kurz gesagt, weist bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Schaufel für ein mit hoher Temperatur arbeitendes Turbinentriebwerk eine an der Vorderkante der Schaufel im Innern ausgebildete Kammer auf, wobei ein Einlaß vorgesehen ist, um das Kühlmittel, wie beispielsweise Luft, in diese Kammer einzulassen. Aus dieser Kammer wird das Kühlmittel durch eine Vielzahl von Kanälen abgegeben, welche die Kammer und dia äußeren Sohaufeloberflächen im Yorderkantenbereioh verbinden· Die Kanäle sind längs Jansen angeordnet, die spits« Winkel mit den äußeren Oberflächen bilden, u&d awar derart, daß das Kühlmittel» welches γοη den Kanälen abgegeben wird, eine dünne Kühlmittelsohicht auf der äußeren WandungaOberfläche bildet, um eine sogenannte Pilmkühlung durchzuführen. Insbesondere sind diese Kanäle derart angeordnet, daß das Kühlmittel, weihea entlang der konvexen und konkaven Seitenwandungen

im 009861/0805

im Vorderkantenbereich ausgestoßen wird, entlang den Wandungen zur Hinterkante der Schaufel hin gerichtet ist und derart, daß das Kühlmittel, welches an der Vorderkante ausgestoßen wird, radial entlang der Vorderkante gerichtet ist. Die Winkelanordnung der Kanäle führt weiterhin zu einer vergrößerten Konvektionswärmeübertragungsfläche im Vorderkantenbereich. Zusätzlich wird die Kühlung im kritischen Vorderkantenbereich durch eine Aufprallkühlung noch verbessert. Drosselstellen beschleunigen das Kühlmittel innerhalb der Kammer und richten das beschleunigte Kühlmittel gegen die inneren Wandungsoberflächen im Vorderkantenbereich der Schaufel. Die auf diese Weise in das Kühlmittel eingeführte Turbulenz führt zu hohen Raten oder Koeffizienten einer Konvektionswärmeübertragung an der Vorderkante.

Durch weitere Aspekte der Erfindung wird eine wirksame Kühlung ebenfalls im kritischen Hinterkantenbereich und im Mittels^hnenabschnitt der Schaufel erzeugt. Insbesondere ist ein serpentinenartiger Kanal im Sohaufelinneren zwischen der Kammer und der Hinterkante vorgesehen. Der Mittelsehnenabschnitt wird in ausreichender Weise durch eine Konvektionswärmeübertragung auf das Kühlmittel gekühlt, welches durch den Serpentinenkanal hindurch strömt. Fach der Kühlung des Mittelsehnenabsennit

wird ORIGiWAL /NSPj=CTSD

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wird das Kühlmittel durch eine Anzahl von in radialem Abstand voneinander angeordneten Kanälen abgegeben, welche den serpentinenförmigen Kanal und die Hinterkante miteinander verbinden. Die im radialen Abstand angeordneten Kanäle, welche eine Konzentration von Konvektionsoberflachen bilden, sichern eine ausreichende Kühlung des Hinterkantenabsehnittes.

Die Erfindung soll zusammen mit anderen Zielen und Merkmalen in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen;

Pig. 1 eine Schnittansicht eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes, welches einen Turbinenleitkranz aufweist, bei dem die Erfindung angewendet ist,

Pig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles des

in Pig. 1 dargestellten ringförmigen Leitkranzes,

Pig. 3 eine teilweise geschnittene perspektivische

Ansicht einer der Schaufeln, die im Leitkranz angeordnet sind,

Pig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Pig. 3» welche die Schaufel im Längsschnitt zeigt,

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Pig. 5 eine Querschnittansicht der Schaufel und

Pig. 6 eine Ansicht, genommen längs der Mnie 6-6 der Pig. 5.

In Pig. -1 ist der mit hohen !Temperaturen arbeitende Abschnitt eines Axialströmungs-Gasturbinentriebwerkes 10 dargestellt. Das Triebwerk weist ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11 auf, welches die hohen Temperaturen ausgesetzten Abschnitte umgibt. Beim dargestellten Gasturbinentriebwerk ist ein ringförmiger Brennkammerraum 12 vorgesehen. Der Brennkammerraum 12 ist zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und einer inneren Wandung 15 ausgebildet. Eine ringförmige Brennkamme rauskleidung 14 ist zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und der inneren Wandung 13 im Raum 12 ange*- ordnet. Die tatsächliche Verbrennung findet innerhalb der ringförmigen Brennkammerauskleidung 14 statt. Die Ringräume 15 und 16 zwischen der Brennkammerauskleidung 14 und dem Gehäuse 11 und der Wandung 13 sind mit unter hohem Druck stehender Luft gefüllt, die vom nicht dargestellten Kompressor abgegeben wird. Diese unter hohem Druck stehende Luft, die relativ zur hohen Temperatur der Yerbrennungsgase innerhalb der Brennkammer 14 verhältnismäßig kühl jsb, wird in einer gesteuerten Weise dem Inneren der Brennkammer zugeführt, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und um eine Kühlung in der Brennkammer

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zu bewirken, Gemäß der Erfindung wird diese verhältnismäßig kühle luft ebenfalls zur Kühlung bestimmter Turbinenelemente verwendet, welche den Verbrennungsprodukt^ mit hohen Temperaturen ausgesetzt sind«

Ein ringförmiger Leitkranz 20 ist in Fig. 1 am stromabgelegenen Ende der Brennkammer 14 dargestellt, um die heißen Verbrennungsprodukte einer Reihe von Turbinenschaufeln 21 mit der richtigen Geschwindigkeit und ^ unter dem. richtigen Winkel zuzuführen. Die Turbinenschaufeln 21 sind am Umfang eines Turbinenrades 22 montiert, welches zusammen mit der zugeordneten Welle und einem zweiten Turbinenrad 24, welches Schaufeln 25 aufweist, drehbar auf der Triebwerksachse 26 gelagert ist und zwar mittels einer Lageranordnung 27» Die Turbine weist die Räder 22 und 24 und die Welle 25 auf und diese Turbine tusLbt den nicht dargestellten Kompressor des Triebwerkes 10 an. Die Gesamtströmung der Verbrennungsprodukte geht durch die ringförmigen Iieit- ™ schaufeln 20 und 28 hindurch und strömt über die Turbinenschaufeln 21 und 25 his/eg. Wenn das Gasturbinentriebwerk 10 mit dem Wirkungsgrad und mit der Leistung betrieben werden soll, die in modernen Gasturbinentriebwerken wünschenswert sind, müssen die Verbrennungsprodttkfce von der Brennkammer 14 mit Temperaturen abgeben

werden,

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werden, die holier sind als diejenigen, denen die Schaufeln, die aus gegenwärtig erhältlichen Materialien hergestellt sind, ohne Kühlung widerstehen können. Durch die Erfindung wird diese wünschenswerte leistungsabgabe dadurch ermöglicht, daß eine ausreichende Kühlung in hochwirksamer Weise für alle Schaufelteile geschaffen wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Kühlung lediglich für die Schaufeln 30 des φ Leitkranzes vorgesehen. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch entweder beim leitkranz 28 oder bei den Turbinenschaufeln 21 und 25 angewendet werden kann.

Ehe darauf eingegangen werden soll, wie erfindungsgemäß die Strömung des Kühlmittels durch das Innere und über die äußeren Oberflächen der Schaufeln 30 geleitet und gerichtet wird, sei kurz der allgemeine Aufbau des Leitkranzes 20 beschrieben. Obwohl der Leitkranz 20 als

^ einheitlicher ringförmiger Bauteil wirksam ist, der W

eine Anzahl von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten Schaufeln 30 aufweist, die ein '.Dragflächenprofil haben und die sich radial zwischen einem inneren Ring 31 und einem äußeren Ring 32 erstrecken, ist der leitkranz tatsächlich aus einer Anzahl von miteinander verbundenen Abschnitten hergestellt. Jeder Abschnitt ist altj einzelne Baueinheit hergestellt, die eine Schaufel 33 und einen inneren und äußeren Kingabseiraitb

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und 35 aufweist, die mit der Schaufel ein Ganzes bilden, wobei einer dieser Absiinitte in I¹Ig. 3 dargestellt ist. Ein Tragflansch 36 ist ebenfalls bei diesem Bauabschnitt Torgesehen. ¥enn diese Baueinheiten zusammengebaut sind, greifen benachbarte Ringsegmente 34 und" 35 mittels Zungen 37 in entsprechende Nuten ein, wie es in 3?ig. 2 dargestellt ist, um so den Tollständigen ringförmigen leitkranz zu bilden, der in Pig. 1 dargestellt ist. Die 3?lanschsegmente 36 bilden einen ringförmigen Tragflansoh 38, der mittels Schraubenbolzen 39 an einem Triebwerktragkonus 4-0 befestigt werden kann. Wenn der ringförmige !ragflansch 38 am Halterungskonus 40 befestigt ist und wenn der äußere Ring 32 gegen ein ringförmiges Gehäuse 41 anliegt, wel-ches die Turbinenschaufeln 21 umgibt, so ist der ringförmige Iieitkranz 20 in einer festen Lage angeordnet, da die Druckkräfte, die auf diesen Xeitkranz während des Betriebes einwirken, den äußern Ring 32 gegen das G-ehäuse 41 drücken.

Das Schaufelgehäuse 33 einer jeden Schaufel 30 ist ein Bauteil mit Tragflächenprofil, der eine äußere konvexe Seitenwandungsoberfläche 45 und eine äußere konkave Seitenwandungsoberfläche 46 aufweist, wobei diese Oberflächen die in axialem Abstand voneinander angeordneten Hinter- und Torderkanten 47 und 48 miteinander verbinden. ■Wie.Eig. 5 zeigt, ist die aerodynamische Form des Schauxelkörpers 33 an der Vorderkante 47 abgerundet und nicht

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stumpf, während der Hinterkantenbereich sich verjüngt und sehr dünn ist. TJm diese kritischen Hinterkanten- und Vorderkantenbereiche sowie den Mittelabschnitt zu kühlen, weist erfindungsgemäß jedes Schaufelgehäuse 33 Wärmeaustauschkanäle auf, die in den Fig. 3 bis 6 dargestellt sindο Jeder Schaufelabschnitt weist innere Wandungsoberflächen auf, die Kammern begrenzen, wobei ein" erster Bereich 50 unmittelbar neben der Vorderkante 47 des Schaufelkörpers 33 vorgesehen ist und ein zweiter Abschnitt 51 unmittelbar stromab vom ersten Abschnitt 50. Der erste und zweite radiale Abschnitt 50 und 51 der Kammer sind durch eine radiale Trennwandung 52 voneinander getrennt und das äußere Ende des zweiten Bereiches 51 ist durch eine Endplatte 53 abgeschlossen. Ein serpentinenförmiger Kanal ist stromab vom zweiten Abschnitt 51 durch radiale Trennwandungen 57 und 58 aiagebildet, welche den Innenraum des Schaufelkörpers in einen ersten und einen zweiten radialen Kanal 60 und ) unterteilen. Die Endplatte 53 verschließt die radial äußeren Enden der Kanäle 60 und 61. Um einen serpentinenartigen Kanal auszubilden, erstreckt sich die Trennwandung 57 nicht vollständig bis zum inneren Ringabschnitt 34, um eine Öffnung 62 zu bilden, die mit dem zweiten Abschnitt 51 in Verbindung steht. Die Trennwandung 58 erstreckt sich nicht vollständig bis zur äußeren Endplatte 53» um eine Öffnung 63 zwischen den Kanälen 60 und 61 auszu

bilden.

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bilden. Um Druckluft aus dem Ringraum 16 zur Kühlung des Schaufelgehäuses 33 zuzuführen, ist eine Einlaßöffnung 55 im inneren Ring 34 vorgesehen, die mit dem zweiten Abschnitt 51 in Verbindung steht.

Eine Anzahl von Kanälen 70 ist im Yorderkantenbereich des Schaufelgehäuses 33 vorgesehen. Die dargestellte Schaufel weist eine Reihe von im radialen Abstand angeordneten Kanälen 70a auf, welche den ersten Bereich und die konvexe Seitenwandungsoberfläche 45 miteinander verbinden. Ferner ist eine Reihe von im radialen Abstand angeordneten Kanälen 70b vorgesehen, welche den ersten Abschnitt 50 und die konkave Seitenwandungsoberfläche miteinander verbinden. Weiterhin sind drei Reihen von im radialen Abstand angeordneten Kanälen 70c vorgesehen, welche den ersten Abschnitt 50 und die Vorderkante 47 miteinander verbinden. Diese Kanäle 70 weisen sehr kleine Querschnittsflächen auf und die Durchmesser der Kanäle liegen in der Größenordnung von 0,005 Zoll bis zu 0,025 Zoll und diese Kanäle sind längs Achsen angeordnet, die spitze Winkel mit den Außenwandungsoberflächen bilden. Beim dargestellten Ausf iihrungabeispiel bilden die Achsen der Kanäle 70a einen spitzen Winkel £.,, der vorzugsweise kleinen als 30^a ist, mit der konvexen Seitönwandungsoberflache 45. Die Achsen der Kanäle 7Qb bilden, einen ähnlichen spitzen Winkel Qu mit der konkaven Seiten-

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V7andungs oberfläche 46, der vorzugsweise kleiner ist als 30°. Zusätzlich sind die Kanäle 70a und 70b derart angeordnet, daß die von der Kammer durch die Fanale abgegebene Kühlluft axial stromab längs der Wutidungsoberflachen zur Hinterkante 48 hin strömt. Wie ffig. 6 zeigt, bilden die Achsen der Kanäle 70c mit der Vorderkante 47 einen spitzen Winkel Θ,, von etwa 45°. Die Kanäle sind derart angeordnet, daß die aus den Kanälen austretende Kühlluft radial längs der Vorderkante 47 nach außen strömt. Die !Funktionsweise der Kanüle 70 und die Gründe für deren spezielle Orientierung sollen in der folgenden Beschreibung noch dargelegt v/erden.

Eine Anzahl von Kanälen 72 ist ebenfalls im sich verjüngenden und dünnen Ilinterkantenabschnibt vorgesehen. Die im radialen Abstand angeordneten Kanäle 72 erstrecken sich axial zwischen dem radialen Kanal 61 und der gesamten Hinterkante 48; Diese in dichtem Abstand voneinander angeordneten Kanäle haben ebenfalls einen sehr kleinen Durchmesser. Es sei bemerkt, daß die radiale Trennwandung 52 eine Anzahl von verhältnismäßig kleinen Drosselöffnungen 74 aufweist, durch die eine Verbindung zwischen dem ersten Abschnitt 50 und dem «weiten Abschnitt 51 der Kammer hergestellt wird. ·

Bei

Bei Betrieb wird unter hohem Druck stehende, verhältnismäßig "kühle luft aus dem Raum 16 durch die Einlaßöffnung 55 im inneren Ringsegment 34 dem zweiten Bereich 51 der Kammer zugeführt. Die Kühlluft füllt den zweiten Bereich 51 und strömt von dort in den ersten radialen Bereich 50 hinein und zwar durch die Öffnungen 74 in der radialen Trennwandung 52 und weiterhin strömt die Kühlluft zum serpentinenförmigen Kanal durch die Einlaßöffnung 62. Aus dem ersten Bereich 50 m wird die Kühlluft durch die Kanäle 70 abgegeben und aus dem serpentinenförmigen Kanal wird die Kühlluft durch die Kanäle 72 abgegeben.

Durch den beschriebenen Aufbau wird ein außerordentlich leistungsfähiges Kühlsystem geschaffen. Beispielsweise wird im Torderlcantenabschnitt,'in welchem die Kühlprobleme bisher am einschneidensten waren, durch die Erfindung sowohl eine Konvektiohskühlung als auch eine lilmkühlung mit dem gleichen Kühlmittel erzeugt. Zu- ™ sätzlich wird die Konvektionskühlung an der Torderkante ganz erheblich durch eine Aufprallkühlung und eine ver-. größerte Wärmeübertragungsoberfläche verstärkt„ Es sei bemerkt, daß die Öffnungen 74 in der radialen Trennwandung 52 Drosselöffnungen sind, da diese Öffnungen derart bemessen sind, daß diese die Strömung von Kühlmittel drosseln.. Wenn das -Kühlmittel aus dem zweiten

Abschnitt

Abschnitt 51 in den ersten Abschnitt 50 strömt, so • wird dieses beschleunigt. Dies führt dazu, daß beschleunigtes Kühlmittel auf die inra?e Schaufeloberfläche im Vorderkantenabschnitt in .form einer Anzahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit auftrifft, wodurch eine außerordentlich starke Durchwirbelung erzeugt v/ird und wodurch ferner hohe Wärmeübertragungskoeffizienten an der Vorderkante erreicht werden. Diese sogenannte φ Aufprallkühlung führt zu hohen Konvektionswärmeübertragungsraten an der Vorderkante. Aus dem .Bereich _^r;0 wird die Kühlluft durch die Kanäle 70 abgegeben, die wegen ihrer Winkelanordnung eine viel größere Konvektionswärmeübertragungsoberfläche bilden als die, die vorhanden wäre, falls die Kanäle senkrecht zu den Wandungsoberflächen verlaufen. Diese außerordentlich wirksame Konvektionskühlung wird durch eine Film- oder Grenzschichtkühlung ergänzt, da die Winkelorientierung der Kanäle 70 bewirkt, daß das abgegebene Kühlmittel in der Grenzschicht eingefangen bleibt und deshalb in dünnen Schichten auf den äußeren Schaufeloberflächen im Vorderkantenbereich verbleibt. Dadurch wird das Schaufelge- · häuse 33 gegen die heißen Verbrennungsprodukte isoliert.

Im Mittelabschnitt, in welchem der Kühlmittelfilm beginnt, sieh von der kavexen und konkaven Seitenwandungsoberfläche 45 und 46 abzutrennen, wird eine ausreichende Kühlung durch eine Konvektionswärmeübertragung

auf

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auf das Kühlmittel erreicht, welches durch den, zweiten Abschnitt 51 und die radialen Kanäle 60 und 61 des serpentinenförmigen Kanals hinduroh strömt. Diese spezielle Ausbildung der Mittelabschnittskühlimg ist vom Standpunkt der Leistung her gesehen außerordentlieh zufriedenstellend _t da das gleiche Kühlmittel anschließend zur Kühlung der Vorderkantenbereiche und der Kinterkantenbereiche vawendet wird.

Im kritischen Hinterkantenabschnitt wird eine Konvektionskühlung dadurch erzeugt, daß das Kühlmittel durch die Kanäle 72 mit kleinem Durchmesser hindurch strömt, welche sich axial zwischen den radialen Kanal 61 des serpentinenförmigen Kanals und der Hinterkante 48 erstrecken. Wie im Fall der Kanäle 70 im Vorderkantenabschnitt bilden die Kanäle 74 eine Konzentration von Wärmeaustausehoberflächen, so daß ein außerordentlich wirksamer Konvektionswärmeaustausch stattfinden kann.

Um die wirkungsvolle Ausnutzung des Kühlmittels sicherzustellen, 1st es wesentlich, daß die Kanäle 70 im Vorder« kantenabschnitt und die Kanäle 72 im Hinterkantenabsohnitt eine ausreichende, jedoch nicht übermäßig große Strömung durch die verschiedenen Teile des Schaufelgehäuses 33 hindurch erlauben. Dies kann dadurch bewerkstelligt v/erden, daß die Anzahl und die einzelnen Strömungsquerschnittβ

der

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der Kanäle entsprechend eingestellt werden und daß selbstverständlich die Druckunteröchiede zwischen den inneren Bereichen des Schaufelkorpera und dem statischen Druck der heißen Gase auf den riußeren Schaufeloberflachen entsprechend eingestellt v/erden.

ViIe bereits dargelegt, ist die erfindungsgemäße Kühleinrichtung nicht auf eine Verwendung in 'Hurbinenleitkränzen beschränkt und die Erfindung kann auch mit gleicher Wirksamkeit bei Turbinenschaufeln für Gasturbinentriebwerke verwendet werden und bei Schaufeln, die in anderen, mit hohen Temperaturen arbeitenden TurbOiaaschinen verwendet werden, wie beispielsweise in Hoehäruckkompressoren. Die allgemeine Anordnung gemäß der Erfindung kann, falls gewünscht, für andere entsprechende Zwecke verwendet werden, beispielsweise zum Enteisen der Kompressoreinlaßstreben und -einlaßschaufeln. Es ist klar, daß die Erfindung auch bei Schaufeln verwendet werden kann, die anders als die dargestellte Schaufel ausgebildet sind, wobei .die dargestellte Schaufel gegossen ist. BoiapMsweise können Metallblecheinsütze verwendet v/erden, um das Kühlmittel durch das Innere des Schaufelkörpero hindurchzuleifcen. In gleicher weise kann das Kühlmittel durch das äußere Ringsegment oder durch beide llingsegmente hindurch zugeleitet werden.

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Die gemäß der Eründurig aufgebaute Schaufel "benötigt eine minimale Menge an Kühlmittel, wobei eine ausreichende Kühlung aller Schaufelabschnitte erzielt wird.

Es sei "bemerkt, daß die Erfindung nicht-auf die speziellen Konstruktionseinzelheiten und Ausbildungen des beschriebenen Ausfülirungsbeispieles beschränkt ist. Es können Abänderungen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Patentansprüche

8 5.1/0

Claims

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Patentansprüche

.J Schaufel für eine Axialströmungs-Iurboraaschine, gekennzeichnet durch ein radial sich erstreckendes Schaufelgehäuse, welches äußere Wandungsoberflächen aufweist, wobei eine konvexe und eine konkave Seitenwandungsoberfläche vorgesehen sind, die im axialen Abstand voneinander angeordnete Vorder- und Hinterkanten miteinander verbinden, Innenwandungen, welche Kammern innerhalb des Schaufelgehäuses in der Fähe der Vorderkante bilden, Einlasse, um Wärmeaustauschmittel der Kammer zuzuführen, Drosseleinrichtungen innerhalb der Kammer, um das Wärmeaustauschmittel zu beschleunigen und um das Wärmeaustausclimittel mit hoher Geschwindigkeit gegen die Innenwandungsoberflächen der Kammer im Vorderkantenbereich zu richten, um hohe Konvektionswärmeaustauschkoeffizienten an der Vorderkante zu erzeugen, Auslässe, die eine Anzahl von Kanälen im Vorderkantenbereich des Schaufelgehäuses umfassen, welche die Kammer und die Außenwan— dungsoberflächen verbinden, wobei diese Kanäle längs Achsen angeordnet sind, welche spitze Winkel mit den äußeren Wandungsoberflächen in der Weise bilden, daß das Wärmeaustauschmittel, welches aus der Kammer durch die Kanäle abgegeben wird, eine verhältnismäßig dünne Schicht auf der äußeren Wandungsoberfläche im

Vorderkantenbereich """"~""

Tarderkantenbereich des Sohaufelkörpers bildet«

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daI3 die Kanäle im Vorderkantenbereich des Schaufelkörpers wenigstens, eine Reihe von im radialen Abstand angeordneten Öffnungen in der konvexen tfandungsoberfläche bilden und wenigstens eine Reihe von im radialen Abstand angeordneten Öffnungen in der konkaven Seltenwandungsoberfläche, wobei die Achsen der Kanäle dieser Reihen derart angeordnet sind, daß das Wärmeaustauschmittel von den Kanälen stromab Bur Hinterkante der Schaufel hin abgegeben wird.

3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle im Torderkantenabschnitt weiterhin wenigstens eine Reihe von im radialen Abstand voneinander angeordneten Öffnungen an der Vorderkante bilden» wobei die Achsen der Kanäle dieser Reihe so angeordnet aind> um das von den Kanälen abgegebene Wärmeaustauschmittel radial längs der Vorderkante des Sehaufelgehäuses zu leiten.

4* Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtungen eine radial sich erstreckende perforierte Trennwandung aufweisen, welche die Kammer in einen ersten radial angeordneten Bereich

unmittelbar

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.- 22

unmittelbar neben der "Vorderkante und einen aweiten radial angeordneten Bereich axial stroiab vom ersten Bereich unterteilt, wobei der Einlaß wärmeübertragungsmittel dem zweiten Bereich zufuhrt und wobei das V/armeübertragungsmittel aus den ersten Bereich zum zweiten Bereich hin durch die Perforationen in der radialen Trennwandung beschleunigt wird.

5» Schaufel für eine >nit hoher Temperatur arbeitende Axials tröaungs-^urbornaschine, gekennzeichnet durch ein sich radial erstreckendes Schaufelgehäuse, welches äußere Wandungsoberflachen aufweist, wobei eine konvexe Seitetiwanduugsoberflache und eine konkave Seitenwandungsoberflache vorgesehen ist, welche im axialen Abstand voneinander angeordnete Vorder- und Hinterkanten verbinden, innere V/.mdungen, welche Kammern Im SeJhaufelkorper an der Vorderkante bilden und einen serpentinenförmigen Kanal zwischen den Kammern und der Hinterkante des Schaufelkorpers, Einlasse, um Kühlmittel in diese Kammern und den sarpentinenförailgen Kanal einzuleiten, Auslässe, welche eine erste Anzahl von Kanälen itn Vorderfcantenbereich des iichaufelgehäuses umfassen, welche die Kammern und die äußeren Wandungsoberflächen miteinander verbinden und eine zweite Anzahl von Kanälen iu Hinterkarifcenbereioh des ilchaufelkörpers, welche den serpentinenförmigen Kanal und die Hinterkante verbinden, um Kühlmittel aus den Kammern und aus dem

BerpentinenförmJAen

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serpentinenförmigen Kanal abzuleiten, wobei die Kanäle im Vorderkantenabschnitt längs Aohsen angeordnet sind, die mit den äußeren WandungsOberflächen derartig spitze Winkel bilden, daß das Kühlmittel, .welches von der Kammer abgegeben wird, eine relativ dünne Schicht auf den äußeren V/andungsoberflächen im Vorderkantenbereich des Schaufelgehäuses bildet.

6. Schaufel nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle im Torderkantenabschnitt des Schaufelgehäuses eine Reihe von im radialen Abstand voneinander

•„angeordneten Öffnungen in der konvexen Seitenwandungsoberfläche bilden, eine Reihe von im radialen Abstand voneinander angeordneten Öffnungen in der konkaven Seitenwandungsoberfläehe und wenigstens eine Reihe von im radialen Abstand voneinander angeordneten Öffnungen in der Vorderkante, wobei die Achsen der die Kanäle bildenden Öffnungen in der konvexen und in der konkaven Seitenwandung derart angeordnet sind, daß Kühlmittel, welches von den Kanälen abgegeben wird,

■ stromab zur Hinterkante geleitet wird und wobei die Achsen der Kanäle, welcne die Öffnungen in der Vorderkante bilden, so angeordnet sind, daß Kühlmittel, welches aus den Kanälen abgegeben wird, radial längs der Vorderkante des Schaufelkörpers strömt.

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7. Schaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern eine radial sich erstreckende perforierte Trennwandung aufweisen, welche die Kammern in einen ersten radial abgeschnittenen Bereich unmittelbar an der. Torderkante und einen ' zweiten radial angeordneten Bereich unterteilt, der stromab vom ersten Bereich angeordnet ist, wobei über den Einlaß Kühlmittel in den zweiten Bereich eingegeber^/ird und wobei das Kühlmittel, welches aus dem zweiten in den ersten Bereich strömt, durch die Perforationen in der radialen Trennwandung beschleunigt wird und mit hoher Geschwindigkeit gegen die Innenwandungsoberflächen der Kammer gerichtet wird, um hohe KonvektionsWärmeübertragungskoeffizienten an der Vorderkante des Schaufelgehäuses zu erzeugen.

8. Leitkranz für eine mit hoher Temperatur arbeitende Axialströmungsturbine, gekennzeichnet durch eine Anzahl von in Umfangsriehtung im Abstand voneinander •angeordneten, radial sich erstreckenden Schaufeln, innere und äußere Ringe, die in Umfangsrichtung die radial inneren und äußeren Enden der Schaufeln miteinander verbinden, wobei jede Schaufel ein Schaufelgehäuse aufweist, welches äußere Wandungsoberflächen hat, wobei eine konvexe und eine konkave Seitenwandungs·

oberfläche

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Oberfläche vorgesehen ist, welche im axialen Abstand voneinander angeordnete Vorder- und Hinterkanten miteinander verbinden, wobei diese Vorder- und Hinterkanten radial zwischen den inneren und äußeren Hingen angeordnet sind, Innenwandungen, welche innerhalb des Schaufelkörpers in der Bähe der Vorderkante Kammern, bilden, Einlasse, um ein Kühlmittel durch wenigstens einen Ring in diese Kammern einzuführen, Drosseleinrichtungen, welche innerhalb der Kammern angeordnet sind, um das Kühlmittel zu beschleunigen und utfl das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit gegen die Innenwandungsoberflächen der Kammern im Vorderkantenbereich des Schaufelkörpers au richten, um hohe Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Vorderkante zu erzeugen, Auslässe, die radiale Reihen von Kanälen im Vorderkantenbereich des Schaufelgehäuses aufweisen, welche die Kammern und die äußeren Wandungsoberflächen miteinander verbinden, wobei die radialen Kanalreihen Reihen von Öffnungen in der konvexen Seitenwandungsoberfläche, in der konkaven Seitenwandungsoberfläche und an der Vorderkante bilden und wobei die Kanäle, welche die Öffnungen in der konvexen tmd der konkaven Seitenwandungsoberfläche bilden, lünga kmsen angeordnet sind, die mit den Beitem/andungsoberflächen spitze Winkel bilden und die zur Hinterkante hin derart stromab gerichtet sind, daß

das 009851/0605

das Kühlmittel, das aus diesen Kanälen austritt, eine verhältnismäßig dünne Schicht auf den Seitenwandungsoberflichen im Vorderkantenbereich des Scüaufelkö'rpers bilden und wobei die Kanäle, welche Öffnungen an der Vorderkante bilden, Längsachsen angeordnet sind, die spitze Winkel mit der Vorderkante bilden und-die radial derart auswärts gerichtet sind, daß das von diesen Kanälen abgegebene Kühlmittel eine verhältnismäßig dünne Schicht bildet, die längs der Vorderkante dea Schaufelgehäuses radial nach außen strömt und wobei der Vorderkantenbereich der Schaufeln, welche den Leitkranz bilden, sowohl durch Konvektion als auch durch einen Film gekühlt werden, wobei die Konvektionskühlung weiterhin dadurch verstärkt wird, daß hohe Wärmeübertragungskoeffizienten durch einen Aufprall von Kühlmittel an der Vorderkante erzeugt werden.

9. Turbinenleitkranz nach Anspruch 8, dadurch zeichnet, daß jede Schaufel weiterhin innere Wanduhgsoberflachen aufweist, die einen serpentineriförmigen Kanal zwischen den Kammern und der Hinterkante dos Schaufelgehäuses bilden, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Kammern und den serpentinenförraigen Kanal miteinander verbinden, um Kühlmittel dem aerpentinenförmigen Kanal aus den Kammern zuzuleiten und wobei eine Anzahl von im radialen Abstand voueinandei

angeordneten ^{9 8 5 1} ' 0 6 0 5 ««„Μ. ,NSPECTEO

angeordneten axial sich erstreckenden Kanälen vorgesehen ist, welche den serpentinenförmigen Kanal und die Hinterkante der Schaufel verbinden, um Kühlmittel aus dem serpentinenförmigen Kanal .abzugeben, um dadurch die Hinterkante des Schaufelgehäuses zu kühlen.

10. Turbinenleitkranz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtungen eine radial sich erstreckende perforierte Trennwand aufweisen, welche die Kammern in einen ersten radial angeordneten • Abschnitt unmittelbar neben der Vorderkante und einen aweiten radial angeordneten Abschnitt stromab vom ersten Abschnitt unterteilen, wobei die Einlasse zu diesen Kammern Kühlmittel dem zweiten Bereich zuführen, wobei das Kühlmittel, welches vom zweiten zum ersten Bereich strömt, durch die Perforationen in der radialen Trennwandung beschleunigt wird und mit hoher Geschwindigkeit gegen die innere Wandungsoberfläche der Kammer gerichtet wird.

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