DE1601613A1

DE1601613A1 - Turbinenschaufel,insbesondere Turbinenleitschaufel fuer Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE1601613A1
Application number: DE19671601613
Authority: DE
Inventors: Dr Hermann Hagen; Karl-Heinz Michalewicz
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1967-08-03
Filing date: 1967-08-03
Publication date: 1970-12-17
Also published as: AT289474B; FR1575301A; GB1222565A

Description

TURBO GHBH

München, den 25. Juli 1967

Turbinensehauf-el,- insbesondere Turbinenleitsehaufel für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ixirbinerischaufel insbesondere Turbinenleitschaufel für G-asturbinentriebwerlce,· wölche-zur Durchströmung mittels eines kühlenden Mediums, vorzugsweise Luft, innen hohl ausgebildet ist und innerhalb ihres Hohlraumes im Bereich der S.chaufelinnenwandungen Kühikanäle aufweist.

Gekühlte Turbinenschaufeln für Lauf- und Leiträder werden bei Gas* turbineritriebwerken angewandt, um bei einer gegebenen Turbineneintrittstemperatur die lebensdauer einzelner Teile des Triebwerks zu erhöhen oder um bei gegebener Lebensdauer die Turbinerieintrittstemperatur zu erhöhen, um so zu besseren speziflachen Verbrauchen und erhöhter Leistung zu gelangen.

Als Kühlmittel der Turbinenschaufeln dient in den meisten Anwendungsfällen Luft, welche an einer zweckmäßigen Stelle des Verdichters des Gasturbinentriebwerks entnommen wird» Die Kühlluft wird durch in den Leitschaufeln befindliche Kühlkanäle geleitet> wobei sie von dem Schaufelwerkstoff überwiegend durch Konvektion Wärme aufnimmt;* Dabei spielen die Form und die Anordnung der Kühlkanälie für den Wärmeübergang eine wesejitlißhe Hollö» .

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Es sind Turbinenschaufel bekannt, die innen einen einsigen Hohl-;..,., raum besitzen, durch, v/eic hen. die Kühlluft in Längsrichtung.-atröci.t. Diese Ausführung ist_ .aber-nur-wenig· wirksam,-'da die Kühlluft untor-i-Berücksichtigung der wirtschaftlich zulässigen Kühlluftmenge hier nur mit relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit gleichmäßig.an . den Innenwänden der Schaufel entlang strömen kann, so daß damit nicht der unterschiedliche Wärmeübergang an der Schaufelaußenwand berücksichtigt wird. Der Hauptmangel der bekannten AusfUhrungsformen von Turbinenschaufel ist jedoch, bedingt durch die Oeojiietrie der Schaufeln, die ungenügende Kühlung der meist gefährdeten Zonen der Schaufeln, beispielsweise an deren Eintrittskanten. Diese Stellen bestimmen somit immer wieder die Grenzen der Temperaturbelastbarkeit oder der Lebensdauer»

Es ist weiter bekannt, in einer hohl ausgeführten Turbinenschaufel einen Blecheinsatz so zu befestigen, daß zwischen der Schaufel-. innenwand und dem Einsatz ein Spalt entsteht, durch welchen dann die Luft radial oder axial (bezogen auf die Achse des Grasturbinentriebwerkes) strömt. Abgeführt wird die Kühlluft durch Bohrungen an der Schaufelhinterkan:,e, wodurch diese besonders gefährdete Stelle teilweise gekühlt wird* Diese Maßnahme hat sich jedoch als nicht ausreichend erwiesen, so daß es bei in Betrieb befindlichen Gasturbinentriebwerken immer wieder zur Zerstörung der Turbinenschaufeln, besonders im Bereich deren Schaufelhinterkanten kommt» Die weaentliehe Forderung an die Turbinenschaufelkühlung, eine für die'festigkeit günstige, möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung an· der Schaufelaußenflache zu erzielen,., .ist-mit döö. bisherigen ' struktionen nicht ausreichend erfüllt worden* ■ ■■-./-:■ ■-■■;■-

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Die Aufgabe.der'Erfindung ist es daher, die Nachteile der bekannten Turbinenschaufelkühlsysteme zu vermeiden und ein Kühlsystem, insbesondere für Turbinenleitschsufein zu schaffen, welches mit kleinen Kühlluftmengen eine große Temperaturabsenkung an den gefährdeten Zonen einer Turbinenleitschauf'el, insbesondere an deren Schaufelnasenkante und Schaufelhinterkante erzielt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß_r dadurch gelöst, daß die Kühlkanäle in Richtung des Profiles der Schaufel verlaufend, in dichter Folge übereinander,, an oder innerhalb deren inneren Wandungen angeordnet sind, wobei die Kühlkanäle mit dem Hohlraum der Turbinenschaufel in Verbindung stehende Lufteintrittsöffnungen aufweisen, mit deren Hilfe die Kühlluft in die Kühlkanäle und von dort in Rich-/ tung der Hinterkante der Schaufel strömt.

Gegenüber dem bisher bekannten Kühlverfahren, ergibt sich bei der Turbinenschaufel nach der Erfindung durch die Anordnung von in Schaufelprofilrichtung durchströmten Kühlkänälen der wesentliche Vorteil, daß die Kühlluft bei gegebener wirtschaftlich zulässiger Kühlluftmenge eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht, wodurch sich eine intensive Abführung der Wärme von den besonders temperaturgefährdeten Stellen der Turbinenschaufel erzielen läßt.

Um eine gezielte Kühlung der Turbinenschaufel zu erreichen, schlägt die Erfindung weiter>.vor, eine oder mehrere Lufteintrittsöffnungen, welche den Hohlraum der Turbinenschaufel mit einem Kühlkanal ver-

£■■ binden, vorzugsweise den temperaturgefährdeten Zonen der Turbinenschaufel zuzuordnen.

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Die aus den Lufteintrittsöffnungen in die Kühlkanäle strömenden Luftstrahlen werden durch Umlenkung-beim Anprall an die Wandung des Kühlkanals bzw. an die innere Wandung der Schaufel zusätzlich beschleunigt. Zum anderen wird die Turbinenschaufel an der Stelle des Auftreffens der Luftstrahlen auf die SchauifSLinnenwandung örtlich gekühlt.

Die LufteintrittsÖffnungen können hierbei so verteilt werden, daß insbesondere die temperaturgefährdete Hasenkante sowie die Hinterkante der Turbinenschaufel durch eine entsprechende Vielzahl von Öffnungen im Bereich dieser Kanten mehr gekühlt werden als beispielsweise Teile- der SeitenfJanken der Turbinenschaufel, welche nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Um die Kühlkanäle an den inneren.Wandungen der Turbinenschaufel entlangzuführen, schlägt die Erfindung weiter vor, die Kühlkanäle innerhalb eines den inneren Hohlraum der Schaufel in deren Längsrichtung ganz oder teilweise durchsetzenden Einsatzes anzuordnen, welcher auf die Innenwandungen der Schaufel aufgebracht und mit dem Schaufelwerkstoff wärmeleitend verbunden ist.»

Es können hierbei auch mit Kühlkanälen versehene Einsatzteile an den Innenwandungen der Schaufel im Bereich der besonders temparaturgefährdeten Stellen aufgebracht sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Einsatz zur Bildung der Kühlkanäle in der Richtung vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hin wellenförmig ausgebildet.

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Durch, die wellenförmige Prägung des Einsatzes und die damit verbundene Bildung einer Yielzahl von Strömungskanälen wird eine große Wärmeaustauschoberfläche zur Abführung der Wärme des erhitzten Schaufelwerkstoffes an die Kühlluft gebildete Ferner ermöglicht die wellenförmige Prägung des Einsatzes einen einfachen Herstellungsprozeß der Kühlkanäle.

Ein gezielter Wärmeübergang von der Turbinenschaufel an die Kühlluft ergibt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung des'Erfindungsgedankens dadurch., daß die Querschnitte der einzelnen Kühlkanäle an Stellen geringeren Wärmeüberganges verändert sind, so, daß der Wärmeübergang an die Kühlluft dem Wärmeübergang an den Schaufelwerkstüff angepaßt ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die von Kühlluft beströmte Oberfläche der Kühlkanäle größer ist als die heißgasseitige Oberfläche der Schaufel.

Die Lösung dieses Merkmals kann durch entsprechende Querschnittsprofilgebung der Kühlluftkanäle erzielt werden.

Um die besonders hitzegefährdete Hinterkante der Turbinenschaufel intensiv abzukühlen, schlägt die Erfindung weiter vor, daß die aus dem inneren Hohlraum in die ..Kühlkanäle strömende Kühlluft durch eine im Bereich der Hinterkante der Turbinenschaufel sich in der gesamten Höhe der Schaufel oder eines Teiles davon erstreckende Austrittsöffnung abströmt.

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Eine besonders geeignete Lösung hierfür besteht darin, daß das eine Ende des Mantels der Turbinenschaufel über das benachbarte andere Ende des Mantels der Turbinenschaufel hinausragt, wobei das eine oder beide Enden des wellenförmigen Einsatzes oder das eine oder beiden Enden der in den Schaufelmantel eingebetteten Kühlkanäle aus dem Hohlraum und der hinteren Öffnung der Turbinenschaufel heraus, an deren längerem hinteren Mantelende zumindest teilweise entlanggeführt sind ο

Ausführungsformen der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen beispielsweise dargestellt; in. den Zeichnungen ist

fig. 1 ein Querschnitt einer Turbinenschaufel in einer ersten Ausführungsform in der Ansicht von oben,

Pig. 2 eine Schnittansicht nach der Linie H-II der Mg. 1,

Mg. 3 ein Teil des wellenförmigen Einsatzes, von der Seite gesehen,

Mg* 4 ein Querschnitt einer Turbinenschaufel in einer zweiten Ausfünrungsform in der Ansicht von oben,

Mg. 5 vein Teillängsschnitt einer Turbinenschaufel in einer dritten Ausführungsform,

Mg. 6 ein Teillängsschnitt einer Turbinenschaufel in einer vierten Ausfünrungsform,

Mg. 7 ein Teillängsschnitt einer Turbinenschaufel in einer fünften Ausführungsform,

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Figo 8. ein Tei.llängsschnitt einer T-UrMiIeIiSOhLaUf el la einer sechsten Ausführungsform,

Fig. 9 ein Teillängsschnitt einer Turbinenschaufel in einer si eilten Ausführungsform,

Fig. 1o* ein Teillängsschnitt einer Turbinenschaufel in einer achten Ausführungsform,

Fig. 11 ein Teillängsschnitt einer Turbinenschaufel in einer neunten Ausführungsform, \

Fig. 12 ein Teillängsschnitt einer Turbinenschaufel in einer zehnten Ausführungsform.

In der hohl ausgeführten Turbinenleitschaufel 1 befindet sich ein ^ Einsatz .2, welcher im wesentlichen der inneren Kontur der Turbinenleitschauf el angepaßt ist6 Von dem in den Zeichnungen nicht dargestellten Verdichter eines G-asturbinentrlebwerks wird Luft abgezapft und zur Kühlung der Turbinenleitschaufel 1 zunächst in den Hohlraum 3 des in der Turbinenschaufel befindlichen Einsatzes 2 eingeführt. Der Einsatz 2 weist entlang der.gesamten Höhe des Schaufelhohlraumes wellenförmige Einprägungen auf (Fig. 3), deren äussere Bogen mit der Innenwandung der Turbinenschaufel 1 wärmeleitend verbunden sind,.wodurch die in Fig. 2 dargestellten Kühlkanäle gebildet werden, welche entsprechend der Pfeilrichtung F (Fig. 3) von Kühlluft durchströmt werden, wobei die Kühlluft aus däem Hohl*

^ raum 3 des Blecheinsatzes 2 über an dessen gesamten Umfang verteil-

O3 . ■■--■,■.-. ·

cn te Luftaustrittsöffnungen 5 in die Kühlkanäle 4 gelangt, entspre-

"^ chend dem Verlauf der Pfeile F in Fig. 1. Die Größe und Lage der ^ Öffnungen 5 können dabei so gewählt werden, daß damit die Wärmeübertragung von der Turbinenschaufel an die Kühlluft geziehlt steuerbar ist» Da durch die Wellungen des Einsatzes 2 gebildeten Kühlkanäle 4 können in ihren Querschnitten verändert werden, um den

Kühlluftdurchsatz und damit die Wärmeübergangsverhältnisse in den einzelnen Zonen der Turbinenschaufel der Erfordernissen entspre*" chend zu steuern.

Aus der Schnittansicht der Turbinenleitschaufel nach Figo 2 ist ersichtlich, daß die von den Wellungen des Einsatzes 2 gebildete Querschnitte der Kühlkanäle 4 (links) kleiner sind, als diejenigen rechts davon.

Wie aus Figo 1 weiter zu entnehmen ist, weist die Turbinenleitschaufel im Bereich ihrer Hinterkante eine sich über die gesamte Höhe.der Schaufel erstreckende Öffnung 6 auf. Über diese Öffnung 6 hinaus ist das eine Mantelende 7 der Turbinenleitschaufel verlängert und zur intensiven Abkühlung der hinteren Schaufelkante ist ein Ende 8 des Einsatzes 2 aus der Schaufelöffnung 6 heraus an der Mantelkante 7 der Turbinenleitschaufel entlanggeführt» Die aus dem Schaufelinneren durch das Wellblechende 8 hindurch abströmende Kühlluft gelangt in den Heißgaskanal'des hier nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerks.

Die in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsform einer Turbinen— leitschaufel weicht von derjenigen nach Fig. 1 lediglich dahingehend ab, daß beide Enden 8, 9 des wellenförmigen Einsatzes aus der hinteren Öffnung 6 der Schaufel herausgeführt' sind und an dem hinteren Mantelende 7 der Turbinenleitschaufel in intensiven Kühlung deren Hinterkante entlanggeführt sind«. Für die Ausführungsform nach Fig. 4 gelten die gleichen Bezugszeichen der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.

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In den folgenden Figuren'5 bis 12 sind verschiedene zweckmäßige ■■Querschnitte für- die Kühlkanäle.,- sowie Ausführungsformen für die Gestaltung von mit Kühlkanälen versehenen Einsätzen dargestellt.

die in den figuren 5 Ms 12 dargestellten Ausfuhrungsbeispiele gelten im wesentlichen die: gleichen Bezugszeichen der in.den Figuren 1 Ms 4 dargestellten Ausführungsheispiele,

Bei den in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Suhlkanäle 4 innerhalb der Einsätze-.2 angeordnet* Die Einsätze 2 sind mit ihrer ganzen länge fest und wärmeleitend auf die Innenwandungen der iurbi-aealeitsöhaaifel 1 aufgebracht* Mit 5 sind die ÜiufteiatrittsSffnungen bezeichnet, mit deren BlIfe-die Kühlluft aMS €<em Hohlraiiaia 3 einer Jeden furbinenleitsiehaufe! in die JOühlkaamle 4 stromt%

in 4en Mgureii 5 bis 7 dargestellten Ausföhrungisbeispiele un-

a sieh lediglieh hinsichtlich *der ^:QuerseJpiittspr©fil8 der 4| dieise sind beisjpielsweiae in Fig* 5 elliiptiscma, in 6 €reieöksf©"i?mig^ in WIg* f linsenförmig»

4 sind ^eöigneifes, unter MldiiMg si&er mb'glärme

Bei den in den Figuren8,9 und 1o dargestellten Ausführungsbeispielen sieh die Kühlkanäle 4 direkt innerhalb der Wandungen der Turbinenleitschaufel 1 angeordnet* Entsprechend der Querschnifctsprofile der Kühlkanäle 4 ist die Struktur der Schaufelinnenwandungen mehr oder weniger wellenförmig ausgebildet.

Figur 11 zeigt auf die Innenwandungen einer Turbinenleitsehaufel 1 aufgebrachte Einsatzteile 1o. Auch diese Maßnahme kann ausreichen, besonders temperaturgefährdete Zonen einer Turbinenleitschaufel intensiv zu fühlen» · .

Bei dem in Fig* 12 .dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Küiilkanäle 4 innerhalb der Sehaufelwandungen angeordnet, erstrecken sieh jedoch nur über einen Teil der Schaufelinnenraumhöhe.

lie im Falle der Äusfuhrungsbeispiele nach den Figuren 1 vmä 4 kennen €ie KCäJhlkanäle 4 in der Anordnung nach den Figuren 5 bis 12 aus der hinteren Öffnung 6, {.Wig.. 1), der Turbinenleitsehaufel 1 her-* ausgefiüfert mein* um die besonders tempera tür gefährde te Bßhwnt el«- hinterkante intensiv zu fühlen* Ebenso kann die Anordnung der JJiifteiaatirittsö'ffnimgen 5 in den Wandung en der Kühlkasiiäle 4 na.ch den li— gurem t iuiad 4 .sinngemä-ß auf die Aiisfüihrungsformen v©a smch dsm iigiiireai 5 bis 12 WbeFkr&gem. werden*

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Claims

sr/kn Jti

MoA·N. Turbo GmbHc

München, den 25β Juli 1967 Patent ans ρ r ü ehe

r- 1 ·^Turbinenschaufel-, insbesondere Turbinenleitschaufel für Gasturbinentriebwerke, welche zur. Durchströmung mittels eines kühlenden Mediums, vorzugsweise Luft, innen hohl ausgebildet ist und innerhalb ihres Höhlraumes im Bereich der■Schaufelinnenwandungen Kühlkanäle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl-' kanäle (4) in Richtung des Profiles der Schaufel verlaufend, in dichter Folge übereinander, an oder innerhalb deren inneren Wandungen angeordnet sind, wobei die Kühlkanäle, mit dem Hohlraum (3) 3er Turbinenschaufel in Verbindung stehende Lufteintrittsöffnungen (5) aufweisen, mit deren Hilfe die Kühlluft in die Kühlkanäle . und von dort in Richtung, der Hinterkante der Schaufel strömt·

2ο Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder-mehrere Lufteintrittsöffnungen (5), welche den Hohl* raum (3) der Turbinenschaufel mit einem Kühlkanal verbinden, vor-, zugsweise den temparaturgefährdeten Zonen der Turbinenschaufel, beispielsweise der Schaufelnasenkante spwie der Schaufelhinterkante zugeordnet sind.

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3. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, mit an den inneren Wandungen der Schaufel entlanggeführten Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die .Kühlkanäle innerhalb eines den inneren Hohlraum der Schaufel in deren Längsrichtung ganz oder teilweise • durchsetzenden Einsatzes (2) angeordnet sind, welcher auf die Innenwandung der Schaufel aufgebracht und mit dem Schaufelwerkstoff wärmeleitend verbunden ist.

4· Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1, 2 und 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz zur Bildung der Kühlkanäle in der Rieh«, tung vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hin wellenförmig ausgebildet ist (Fig. 2).

5· Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der einzelnen Kühlkanäle (4) an Stellen geringeren Wärmeüberganges verändert sind, so, daß der Wärmeübergang an die Kühlluft dem Wärmeübergang an den Schaufelwerkstoff angepaßt ist·

6. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die von Kühlluft beströmte Oberfläche der Kühlkanäle größer ist als die heißgasseitige Oberfläche der Schaufel. .-.."■'.

7. Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem inneren Hohlraum (3) in die Kühlkanäle strömende Kühlluft durch eine im Bereich der Hinterkante der Turbinenschaufel sich in der gesamten Höhe der Schaufel oder eines Teiles davon erstreckende Austrittsöffnung (6) abströmt.

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8«, ÜJürtonensöhaüfel naeh den Ansprüchen 1 fels 7* dadureh
zeiehnet* daß das eine lade (?) des Mantels der
über das benaöhbartö andere lüde des Mantels der
fei hinausragt j wolsei das eine öder "beide luden (8 ₁§) des wel
lenförmigem Einsatzes oder das eine oder feeide Indea der in ^ iehaufelittäntel eingebeiiiieteii Künlkanäle "(4) aus &§& Höhlrauffl (3 und der hint or en Öffnimg (6) der iurtiinenaöhaufel heraus an deren längerem hinteren Mantelende'Zumindest teilsweise entlangge führt Sind♦.

L e e r s e i t e