DE1601561B2

DE1601561B2 - Gekühlte Schaufel mit Tragflächenprofil für eine Axialströmungsmaschine

Info

Publication number: DE1601561B2
Application number: DE1601561A
Authority: DE
Inventors: David Robert Davis; Armando Joseph Quinones
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-02-26
Filing date: 1967-07-29
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE1601561A1; GB1188382A; US3528751A; DE1601561C3

Description

50

Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Schaufel mit Tragflächenprofil für eine bei hohen Temperaturen betriebene Axialströmungsmaschine, mit einem hohlen Schaufelkörper, in dessen Innenraum ein Kühlmittel eingeführt wird, einer der Vorderkante der Schaufel benachbarten Trennwand, die mit dem Vorderkantenabschnitt des Schaufelkörpers eine Kammer begrenzt, und mit in der Trennwand angebrachten Drosselöffnungen, welche die Kammer mit der Kühlmittelzuführung verbinden und so bemessen sind, daß sie die Kühlmittelströmung durch Drosselung beschleunigen und dadurch Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit erzeugen, die zur Erzeugung einer Aufprallkühlung auf die Innenfläche des Schaufelkörpers im Vorderkantenbereich auftreffen.

Bekanntlich sind die Leistung und der Wirkungsgrad von bei hohen Temperaturen betriebenen Axialströmungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen, um so größer, je höher die Betriebstemperatur ist. Da die Temperaturfestigkeit der Bestandteile der Turbine begrenzt ist, werden die den höchsten Temperaturen ausgesetzten Teile, insbesondere die feststehenden Leitschaufeln und die umlaufenden Laufschaufeln, gekühlt. Als Kühlmittel wird gewöhnlich Druckluft verwendet, die vom Kompressor abgezweigt wird. Die durch diese Druckluftentnahme bedingte Verringerung der Leistung der Maschine muß natürlich kleiner sein als die Kühlung bewirkte Leistungszunahme, da sonst die Kühlung nutzlos wird. Die Kühlung muß daher mit möglichst geringem Verbrauch an Kühlluft erfolgen.

Ein weiteres Problem bei der Kühlung von Turbinenschaufeln besteht darin, daß die Vorderkanten am meisten durch die hohen Temperaturen beeinträchtigt werden und daher am stärksten gekühlt werden müssen, daß aber eine ausreichende Kühlung der Vorderkanten besonders schwierig ist.

Die Kühlung kann eine Konvektionskühlung sein, die im einfachsten Fall dadurch erfolgt, daß die in den hohlen Schaufelkörper eingebrachte Kühlluft die Wärme von der Innenfläche der Schaufelwand aufnimmt. Diese Kühlung ist im allgemeinen unzureichend und vor allem ungleichmäßig, weil von den heißesten Stellen, insbesondere der Vorderkante der Schaufel, nicht wesentlich mehr Wärme aufgenommen werden kann als von den weniger heißen Stellen. Ferner hängt die Kühlwirkung der Konvektionskühlung von einer Reihe von schwierig zu kontrollierenden Faktoren ab, wie der Wanddicke des Schaufelkörpers, die oft gerade an den heißesten Stellen am größten ist.

Eine bessere Kühlwirkung wird durch die Aufprallkühlung erzielt, bei der Kühlluftstrahlen gezielt auf die zu kühlenden Stellen gerichtet werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, die heißesten Stellen stärker zu kühlen als weniger heiße Stellen.

Häufig wird auch die Filmkühlung angewendet, bei welcher Kühlluft aus dem hohlen Inneren des Schaufelkörpers durch Kühlkanäle nach außen geleitet wird, so daß sie in Form eines dünnen Films oder Schleiers an der Außenfläche der Schaufel entlangstreicht und diese vor den heißen Gasen schützt. Mit der Filmkühlung können insbesondere die Seitenwände der Schaufel wirksam gekühlt werden. Eine Filmkühlung der Vorderkante der Schaufel ist dagegen mit vertretbarem Kühlluftverbrauch praktisch nicht möglieh; da die Kühlluft entgegen dem Strom der heißen Gase austreten muß, kann sich in dem am stärksten beanspruchten Bereich kein zusammenhängender wirksamer Kühlluftfilm bilden. Ein weiteres Problem bei der Filmkühlung besteht darin, daß die erforderlichen Durchbrüche der Schaufelwand die mechanische Festigkeit beeinträchtigen können.

Bei einer aus F i g. 7 der DE-AS 12 04 021 bekannten gekühlten Schaufel der eingangs angegebenen Art ist die die Kammer im Vorderkantenbereich begrenzende Wand des Schaufelkörpers nicht durchbrochen; die Kammer ist nur an den radial außen und innen liegenden Schaufelenden offen. Die Kühlung erfolgt durch den Aufprall der von den Drosselöffnungen erzeugten Kühlmittelstrahlen auf der Innenfläche des Schaufelkörpers, und das umgelenkte Kühlmittel strömt radial nach außen und innen ab. Diese Aufprallkühlung ist zwar wirksamer als eine Konvektionskühlung, ihre Wirksamkeit wird aber dadurch beeinträchtigt, daß das abgelenkte Kühlmittel eine an der Innenfläche entlangstreichende Querströmung bildet. Die näher bei den Enden der Kammer gelegenen Kühlmittelstrahlen

treffen auf die Querströmung auf, die von den mehr in der Mitte gelegenen Kühlmittelstrahlen stammt, wodurch sie abgelenkt werden, bevor sie auf die zu kühlende Innenfläche auftreffen. Da die abgelenkten Kühlmittelstrahlen ihrerseits zu der Querströmung beitragen, wird dieser Effekt zu den beiden Enden der Kammer hin zunehmend stärker. Das Kühlmittel wird daher nur schlecht ausgenutzt, so daß die Kühlung mit vertretbarem Kühlmittelaufwand unbefriedigend ist. Außerdem ist die Kühlwirkung ungleichmäßig, da sie zum Schaufelfuß und zur Schaufelspitze hin abnimmt.

Bei einer in Fig.4 der gleichen DE-AS 12 04 021 dargestellten Schaufel sind in der Schaufelvorderkante mehrere Kühlluftkanäle angebracht, die von einer im Anschluß an den Vorderkantenbereich im Innern des Schaufelkörpers gebildeten Kammer senkrecht zur Schaufelvorderkante nach außen führen. Kühlluft wird an dem radial außen liegenden Ende in die Kammer eingeführt und strömt in dieser radial nach innen, um die Vorderkante durch Konvektion zu kühlen. Die Kühlluftkanäle ermöglichen es, daß die Luft in der Kammer.aus dieser austreten kann, um die Vorderkante zu kühlen. Sie ergeben aber keine wesentliche Verbesserung gegenüber einer reinen Konvektionskühlung, da sich unmittelbar an der Schaufelvorderkante kein Kühlschleier ausbilden kann.

Aus der US-PS 28 66 618 ist eine Schaufel bekannt, bei der im Vorderkantenbereich zu beiden Seiten der Vorderkante öffnungen oder radial verlaufende Kühlschlitze angebracht sind. Auch in diesem Fall durchströmt die Kühlluft eine im vorderen Teil des Schaufelkörpers gebildete Kammer radial von außen nach innen, wobei sie durch die Kühlschlitze austritt. Die Kühlung der Schaufelvorderkante erfolgt ausschließlich durch Konvektion mittels der an der Innenfläche entlangstreichenden Kühlluft. Die aus den Kühlschlitzen austretende Kühlluft ergibt zwar eine Filmkühlung der Schaufelseitenwände, beeinträchtigt aber die Konvektionskühlung der Schaufelvorderkante durch den Kühlluftentzug. Reine Konvektionskühlungen der Schaufelvorderkante ohne Luftauslaß nach außen sind aus der Zeitschrift »Luftfahrttechnik-Raumfahrttechnik« 12 (1966), Seite 330, bekannt. Zusätzlich wird eine Filmkühlung der Seitenwände und der Hinterkante angewendet.

Bei einer aus der DE-AS 10 24 754 bekannten Schaufel erfolgt eine Filmkühlung des Schaufelfußes durch Ausströmöffnungen, die an der Vorderkante oder auf beiden Seiten einer Profilverlängerung angebracht sind, wobei die seitliehen Ausströmöffnungen in einem spitzen Winkel zur Außenfläche an der konvexen und an der konkaven Seitenwand der Schaufel münden. Eine Kühlung der eigentlichen Vorderkante der Schaufel ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer gekühlten Schaufel der eingangs angegebenen Art, die mit sehr geringem Kühlmittelverbrauch eine wirksame Kühlung der Schaufelvorderkante in Verbindung mit einer gleichmäßigen Kühlung der ganzen Schaufel ergibt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem die Kammer begrenzenden Vorderkantenabschnitt des Schaufelkörpers mehrere Reihen von radial im Abstand voneinander angeordneten Kühlkanälen angebracht sind, die aus der Kammer durch die Wand des Schaufelkörpers nach außen geführt sind, daß die Kühlkanäle von wenigstens einer ersten Reihe an der Außenfläche der konvexen Seitenwand derart münden, daß ihre Achsen einen spitzen Winkel mit dieser Außenfläche bilden, daß die Kühlkanäle von wenigstens einer zweiten Reihe an der Außenfläche der konkaven Seitenwand derart münden, daß ihre Achsen einen spitzen Winkel mit dieser Außenfläche bilden, und daß die Kühlkanäle von wenigstens einer dritten Reihe an der Vorderkante der Schaufel münden und derart radial nach außen geneigt sind, daß ihre Achsen einen spitzen Winkel mit der Vorderkante bilden.

Bei der Schaufel nach der Erfindung erfolgt die Kühlung des Vorderkantenbereichs in erster Linie durch die Aufprallkühlung mittels der aus den Drosselöffnungen austretenden Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit. Da das auf die Innenfläche auftreffende Kühlmittel durch die Kühlluftkanäle sofort nach vorn und seitlich abgeführt wird, kann sich keine Querströmung in der Kammer ausbilden, so daß die Aufprallkühlung über die ganze radiale Höhe der Schaufel gleichmäßig voll wirksam wird. Das durch die seitlichen Kühlkanäle austretende Kühlmittel ergibt zusätzlich eine Filmkühlung der Seitenwände. Das durch die zur Vorderkante führenden Kühlkanäle gehende Kühlmittel ergibt eine zusätzliche Konvektionskühlung der Vorderkante, die dadurch besonders wirksam gemacht wird, daß infolge der Neigung dieser Kühlkanäle die Wärmeübertragungsflache vergrößert wird. Das gesamte Kühlmittel wird also doppelt ausgenutzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen die Durchmesser der Kühlkanäle in der Größenordnung von 0,125 bis 0,635 mm. Die Kühlkanäle mit so kleinem Querschnitt ergeben eine wirksame Konvektions- bzw. Filmkühlung bei sehr kleiner Kühlmittelströmung, und sie beeinträchtigen die mechanische Festigkeit der Schaufel nicht wesentlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerks, welches einen Turbinenleitkranz mit gekühlten Schaufeln nach der Erfindung aufweist,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils des in Fig. 1 dargestellten Turbinenleitkranzes,
Fig.3 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer der Schaufeln des Turbinenleitkranzes,

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

F i g. 5 eine Querschnittansicht der Schaufel gemäß der Schnittlinie 5-5 in F i g. 3 und

Fig.6 eine Schnittansicht eines Teils der Schaufelvorderkante längs der Linie 6-6 in F i g. 5.

In Fig. 1 ist der hohen Temperatur ausgesetzte Abschnitt eines Axialströmungs-Gasturbinentriebwerks 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 13 ausgebildet. Eine ringförmige Brennkammerauskleidung 14 ist zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und der inneren Wandung 13 im Brennkammerraum 12 angeordnet. Die 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 Verbrennungsgase innerhalb der Brennkammerauskleidung 14 verhältnismäßig kühl ist, wird in einer gesteuerten Weise dem Inneren der Brennkammer zugeführt, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und um eine Kühlung in der Brennkammer zu bewirken. Außerdem wird diese verhältnismäßig kühle Luft zur Kühlung bestimmter Turbinenteile verwendet, welche heißen Verbrennungsprodukten ausgesetzt sind.

Ein ringförmiger Leitkranz 20 ist in F i g. 1 am stromab gelegenen Ende der Brennkammerauskleidung 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 einem zweiten Turbinenrad 24, welches Schaufeln 25 aufweist, auf einer Welle 23 befestigt ist, die koaxial zur Triebwerksachse 26 in einem Lager 27 drehbar* gelagert ist. Der aus den Turbinenrädern 22 und 24 und der Welle 23 bestehende rotierende Turbinenteil treibt den nicht dargestellten Kompressor des Triebwerkes 10 an. Zwischen den beiden Turbinenrädern 22 und 24 ist ein zweiter Leitkranz 28 angeordnet.

Die Gesamtströmung der Verbrennungsprodukte geht durch die ringförmigen Leitkränze 20 und 28 hindurch und durchströmt die Turbinenschaufeln 21 und 25. Wenn das Gasturbinentriebwerk 10 mit dem Wirkungsgrad und mit der Leistung betrieben werden soll, die in modernen Gasturbinentriebwerken gefordert werden, müssen die Verbrennungsprodukte von der Brennkammer 14 mit Temperaturen abgegeben werden, die höher sind als diejenigen, denen Schaufeln, die aus gegenwärtig erhältlichen Materialien hergestellt sind, ohne Kühlung widerstehen können. Diese hohe Leistung wird dadurch ermöglicht, daß eine wirksame Kühlung für alle Schaufelteile geschaffen wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Kühlung lediglich für die Schaufeln 30 des Leitkranzes 21 vorgesehen. Die gleiche Kühlung kann aber auch beim Leitkranz 28 und bei den Turbinenschaufeln 21 und 25 angewendet werden.

Ehe darauf eingegangen werden soll, wie eine Kühlmittelströmung durch das Innere und über die äußere Oberflächen der Schaufeln 30 geleitet und gerichtet wird, sei kurz der allgemeine Aufbau des Leitkranzes 20 beschrieben. Der Leitkranz 20 wirkt wie ein einheitlicher ringförmiger Bauteil, der eine Anzahl von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander so angeordneten Schaufeln 30 aufweist, die ein Tragflächenprofil haben und die sich radial zwischen einem inneren Ring 31 und einem äußeren Ring 32 erstrecken; in Wirklichkeit ist der Leitkranz 20 jedoch aus einer Anzahl von miteinander verbundenen Abschnitten hergestellt. Jeder Abschnitt ist als getrennte Baueinheit hergestellt, die einen Schaufelkörper 33, einen inneren Ringabschnitt 34 und einen äußeren Ringabschnitt 35 aufweist. Die Ringabschnitte 34, 35 bilden zusammen mit dem Schaufelkörper ein einstückiges Bauteil, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Ein Tragflanschsegment 36 ist ebenfalls an diesem Bauteil angeformt. Wenn diese Bauteile zusammengebaut sind, greifen benachbarte Ringabschnitte 34 und 35 mittels Zungen 37 in entsprechende Nuten ein, wie in F i g. 2 dargestellt ist, um so den vollständigen ringförmigen Leitkranz zu bilden, der in F i g. 1 dargestellt ist. Die Tragflanschsegmente 36 bilden zusammen einen ringförmigen Trag-Hansch, der mittels Schraubenbolzen 39 an einem Tragkonus 40 befestigt werden kann. Wenn der ringförmige Tragflansch am Tragkonus 40 befestigt ist, liegt der äußere Ring 32 an einem ringförmigen Gehäuse 41 an, welches die Turbinenschaufeln 21 umgibt. Dadurch wird der ringförmige Leitkranz 20 in einer festen Lage gehalten, denn die Druckkräfte, die während des Betriebes auf den Leitkranz einwirken, drücken den äußeren Ring 32 gegen das Gehäuse 41.

Der Schaufelkörper 33 einer jeden Schaufel 30 ist ein Bauteil mit Tragflächenprofil, der eine konvexe Seitenwandfläche 45 und eine konkave Seitenwandfläche 46 hat. Diese Seitenwandflächen 45 und 46 sind durch eine Vorderkante 47 und durch eine Hinterkante 48 miteinander verbunden. Wie Fig. 5 zeigt, ist die aerodynamische Form des Schaufelkörpers 33 an der Vorderkante 47 abgerundet und ziemlich stumpf, während der Hinterkantenbereich sich verjüngt und verhältnismäßig dünn ist. Um diese kritischen Hinterkanten- und Vorderkantenbereiche sowie den Mittelabschnitt zu kühlen, weist jeder Schaufelkörper 33 Kühlkanäle auf, die in den Fig. 3 bis 6 dargestellt sind. Der hohle Innenraum des Schaufelkörpers 33 ist durch innere Trennwände 52, 57, 58 unterteilt. Eine erste Kammer 50 liegt unmittelbar hinter der Vorderkante 47 des Schaufelkörpers 33, und eine zweite Kammer 51 liegt unmittelbar stromab hinter der ersten Kammer 50. Die beiden Kammern 50 und 51 sind durch die radial verlaufende Trennwand 52 voneinander getrennt, und die zweite Kammer 51 ist an dem radial außen liegenden Ende durch eine Endplatte 53 abgeschlossen. Ein serpentinenförmiger Kanal ist stromab von der zweiten Kammer 51 durch die radialen Trennwände 57 und 58 gebildet, welche den Innenraum des Schaufelkörpers 33 in einem ersten radialen Kanalabschnitt 60 und einen zweiten radialen Kanalabschnitt 61 unterteilen. Die Endplatte 53 verschließt auch die radial äußeren Enden der Kanalabschnitte 60 und 61. Um den serpentinenartigen Kanal auszubilden, erstreckt sich die Trennwand 57 nicht vollständig bis zum inneren Ringabschnitt 34. so daß ein Durchlaß 62 besteht, der den Kanalabschnitt 60 mit der zweiten Kammer 51 verbindet. Die Trennwand 58 erstreckt sich nicht vollständig bis zur äußeren Endplatte 53, so daß ein Durchlaß 63 zwischen den Kanalabschnitten 60 und 61 besteht. Damit Druckluft aus dem Ringraum 16 zur Kühlung in den Schaufelkörper 33 eintreten kann, ist eine Einlaßöffnung 55 im inneren Ring 34 vorgesehen, die mit der zweiten Kammer 51 in Verbindung steht.

Im Bereich der Vorderkante 47 des Schaufelkörpers 33 ist eine Anzahl von Kühlkanälen 70a, 70ό, 70p, vorgesehen. Eine Reihe von radial im Abstand voneinander angeordneten Kühlkanälen 70a führt von der ersten Kammer 50 nach außen zur der konvexen Seitenwandfläche 45. Eine zweite Reihe von radial im Abstand voneinander angeordenten Kühlkanälen 706 führt von der ersten Kammer 50 nach außen zu der konkaven Seitenwandfläche 46. Weiterhin sind drei Reihen von radial im Abstand voneinander angeordneten Kühlkanälen 70c vorgesehen, welche von der ersten Kammer 50 nach außen zu der Vorderkante 47 führen. Alle Kühlkanäle 70a, 70b, 70c haben sehr kleine Querschnittsflächen; die Durchmesser der Kühlkanäle liegen in der Größenordnung von 0,125 mm bis zu 0,635 mm. Ferner sind alle Kühlkanäle längs Achsen angeordnet, die spitze Winkel mit den Außenwandflächen bilden. Beim dar gestellten Ausführungsbeispiel bilden die Achsen der Kühlkanäle 70a einen spitzen

Winkel θι, der vorzugsweise kleiner als 30° ist, mit der konvexen Seitenwandfläche 45. Die Achsen der Kühlkanäle 706 bilden einen ähnlichen spitzen Winkel 02, der vorzugsweise kleiner ist als 30°, mit der konvexen Seitenwandfläche 46. Außerdem sind die Kühlkanäle 70a und 70b derart angeordnet, daß die aus der Kammer 50 durch die Kühlkanäle austretende Kühlluft axial stromab längs der Seitenflächen 45 und 46 zur Hinterkante 48 hin strömt. Wie F i g. 6 zeigt, bilden die Achsen der Kühlkanäle 70c mit der Vorderkante 47 einen spitzen Winkel Θ3 von etwa 45°, so daß die aus den Kühlkanälen 70c austretende Kühlluft radial längs der Vorderkante 47 nach außen strömt. Die Funktionsweise der Kühlkanäle 70a, 70Z>, 70c und die Gründe für deren spezielle Orientierung sollen später noch dargelegt werden.

Eine Anzahl von Kühlkanälen 72 ist auch in dem sich verjüngenden, dünnen Hinterkantenabschnitt 48 vorgesehen. Die radial im Abstand voneinander angeordneten Kühlkanäle 72 erstrecken sich axial von dem radialen Kanalabschnitt 61 durch die gesamte Hinterkante 48. Diese in dichtem Abstand voneinander angeordneten Kühlkanäle 72 haben ebenfalls einen sehr kleinen Durchmesser. Es sei bemerkt, daß die radiale Trennwand 52 eine Anzahl von verhältnismäßig kleinen Drosselöffnungen 74 aufweist, durch die eine Verbindung von der zweiten Kammer 51 zur ersten Kammer 50 hergestellt wird.

Im Betrieb tritt unter hohem Druck stehende, verhältnismäßig kühle Luft aus dem Raum 16 durch die Einlaßöffnung 55 im inneren Ringabschnitt 34 in die zweite Kammer 51 ein. Die Kühlluft füllt die zweite Kammer 51 und strömt von dort durch die Drosselöffnung 74 in der radialen Trennwand 52 in die erste Kammer 50. Außerdem strömt Kühlluft durch den Durchlaß 62 zum serpentinenförmigen Kanal 60,61. Aus der ersten Kammer 50 tritt die Kühlluft durch die Kühlkanäle 70a, 70b, 70c aus, und aus dem serpentinenförmigen Kanal 60, 61 wird die Kühlluft durch die Kühlkanäle 72 abgeführt.

Durch den beschriebenen Aufbau wird ein außerordentlich leistungsfähiges Kühlsystem geschaffen. Beispielsweise wird im Vorderkantenabschnitt, in welchem die Kühlprobleme bisher am einschneidensten waren, sowohl eine Konvektionskühlung als auch eine Filmkühlung mit dem gleichen Kühlmittel erzeugt. Zusätzlich wird die Konvektionskühlung an der Vorderkante ganz erheblich durch eine Aufprallkühlung und eine vergrößerte Wärmeübertragungsoberfläche verstärkt. Die öffnungen 74 in der radialen Trennwand 52 sind Drosselöffnungen, da sie so bemessen sind, daß sie die Kühlmittelströmung drosseln. Wenn das Kühlmittel aus der zweiten Kammer 51 in die erste Kammer 50 strömt, wird es beschleunigt. Dies führt dazu, daß beschleunigtes Kühlmittel im Vorderkantenabschnitt auf die Innenfläche des Schaufelkörpers in Form einer Anzahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit auftrifft, wodurch eine Außerordentlich starke Durchwirbelung erzeugt wird und wodurch ferner hohe Wärmeübertragungskoeffizienten an der Vorderkante erreicht werden. Diese sogenannte Aufprallkühlung führt zu hohen Konvektionswärmeübertragungsraten an der Vorderkante. Aus der Kammer 50 tritt die Kühlluft durch die Kühlkanäle 70a, 706,70c aus, die wegen ihrer Winkelanordnung eine viel größere Konvektionswärmeübertragungsoberfläche bilden als sie mit senkrecht zu den Wandflächen verlaufenden Kühlkanälen erhalten würde. Diese außerordentlich wirksame Konvektionskühlung wird durch eine Film- oder Grenzschichtkühlung ergänzt, da die Winkelorientierung der Kühlkanäle 70a, 706. 70c bewirkt, daß das abgegebene Kühlmittel in der Grenzschicht eingefangen bleibt und deshalb in einer dünnen Schicht auf der äußeren Schaufeloberfläche im Vorderkantenbereich verbleibt. Dadurch wird der Schaufelkörper 33 gegen die heißen Verbrennungsprodukte isoliert.

Im Mittelabschnitt, in welchem der Kühlmittelfilm beginnt, sich von den konvexen und konkaven Seitenwandflächen 45 und 46 abzutrennen, wird eine ausreichende Kühlung durch eine Konvektionswärmeübertragung auf das Kühlmittel erreicht, welches durch die zweite Kammer 51 und die radialen Kanalabschnitte 60 und 61 des serpentinenförmigen Kanals hindurch strömt. Diese spezielle Ausbildung der Mittelabschnittskühlung ist vom Standpunkt der Leistung her gesehen außerordentlich zufriedenstellend, da das gleiche Kühlmittel anschließend zur Kühlung der Vorderkantenbereiche und der Hinterkantenbereiche verwendet wird.

Im kritischen Hinterkantenabschnitt wird eine Konvektionskühlung dadurch erzeugt, daß das Kühlmittel durch die Kühlkanäle 72 mit kleinem Durchmesser hindurch strömt, welche sich axial von dem radialen Kanalabschnitt 61 des serpentinenförmigen Kanals zur Hinterkante 48 erstrecken. Wie im Fall der Kühlkanäle 70a, 70b, 70c im Vorderkantenabschnitt bilden die Kühlkanäle 72 eine Konzentration von Wärmeaustauschoberflächen, so daß ein außerordentlich wirksamer Konvektionswärmeaustausch stattfinden kann.

Um die wirkungsvolle Ausnutzung des Kühlmittels sicherzustellen, ist es wesentlich, daß die Kühlkanäle 70a, 70b, 70c im Vorderkantenabschnitt und die Kühlkanäle 72 im Hinterkantenabschnitt eine ausreichende, jedoch nicht übermäßig große Strömung durch die verschiedenen Teile des Schaufelkörpers 33 hindurch erlauben. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß die Anzahl und die einzelnen Strömungsquerschnitte der Kühlkanäle entsprechend bemessen werden und daß selbstverständlich die Druckunterschiede zwischen den inneren Bereichen des Schaufelkörpers und dem statischen Druck der heißen Gase auf den äußeren Schaufeloberflächen entsprechend eingestellt werden. Dadurch kann mit einer minimalen Kühlmittelmenge eine ausreichende Kühlung aller Schaufelabschnitte erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 541/3

Claims

Patentansprüche:

1. Gekühlte Schaufel mit Tragflächenprofil für eine bei hohen Temperaturen betriebene Axialströmungsmaschine, mit einem hohlen Schaufelkörper, in dessen Innenraum ein Kühlmittel eingeführt wird, einer der Vorderkante der Schaufel benachbarten Trennwand, die mit dem Vorderkantenabschnitt des Schaufelkörpers eine Kammer begrenzt, und mit in der Trennwand angebrachten Drosselöffnungen, welche die Kammer mit der Kühlmittelzuführung verbinden und so bemessen sind, daß sie die Kühlmittelströmung durch Drosselung beschleunigen und dadurch Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit erzeugen, die zur Erzeugung einer Aufprallkühlung auf die Innenfläche des Schaufelkörpers im Vorderkantenbereich auftreffen, d a durch gekennzeichnet, daß in dem die Kammer (50) begrenzenden Vorderkantenabschnitt des Schaufelkörpers (33) mehrere Reihen von radial im Abstand voneinander angeordneten Kühlkanälen· (70a, 70ό, 7Oc^ angebracht sind, die aus der Kammer (50) durch die Wand des Schaufelkörpers (33) nach außen geführt sind, daß die Kühlkanäle (70a,) von wenigstens einer ersten Reihe an der Außenfläche der konvexen Seitenwand (45) derart münden, daß ihre Achsen einen spitzen Winkel (Θι) mit dieser Außenfläche bilden, daß die Kühlkanäle (70b) von wenigstens einer zweiten Reihe an der Außenfläche der konkaven Seitenwand (46) derart münden, daß ihre Achsen einen spitzen Winkel (Θ2) mit dieser Außenfläche bilden, und daß die Kühlkanäle (70c,) von wenigstens einer dritten Reihe an der Vorderkante (47) der Schaufel münden und derart radial nach außen geneigt sind, daß ihre Achsen einen spitzen Winkel (Θ3) mit der Vorderkante (47) bilden.

2. Gekühlte Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (θι, Θ2), welche die Achsen der an den Außenflächen der konvexen und konkaven Seitenwände (45,46) mündenden Kühlkanäle (70a, 70b) mit diesen Außenflächen bilden, kleiner als 30° sind, und daß der Winkel (Θ3), welcher die Achsen der an der Vorderkante (47) mündenden Kühlkanäle (70c) mit der Vorderkante bilden, etwa 45° beträgt.