DE1911942A1 - Gekuehlte Turbinenschaufel - Google Patents

Description

• Gekühlte Turbinenschaufel Eine vollständige schaufelähnliche Turbinenlaufschaufel besitzt eine innere Rippe, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden der Schale benachbart der Strömungseintrittskante der Schaufel befindet und die die Schaufel in eine Nasenkammer und eine Kühlluftkammer teilt. Die Kühlluft strömt durch Öffnungen in den Rippen in die Nasenkammer und bewirkt durch den Aufprall eine Kühlung der äußersten Strömungseintrittskante der Schaufel. Die Luft strömt dann von der Nasenkammer durch-kleine Öffnungen, die unter einem Winkel in Abstromrichtung weisen, um eine Konvektions- und Filmkühlung der Eintrittskantenteile zu bewirken. In den Eintrittskantenteilen der Schaufeln befinden sich vor den Rippen Schlitze, so daß die Rippe als ein Stützelement dienen kann, ohne durch verschiedene thermische Ausdehnungen zwischen derselben und dem Nasenteil beeinflußtzu werden. Die Schlitze enden in bestuten schmaleren Öffnungen, die auch dazu dienen, die Beanspruchung zu verringern. Die schmaleren Öffnungen sind-so angeordnet, um einen minimalen thermischen Gradienten in den die Belastung tragenden Strukturrippen aufzunehmen. Eine andere Ausführungsform der Erfindung gibtéine verschieden ausgebildete Form der sehr schmalen Schlitze zur Beanspruchungsentlastung wieder.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von Turbinenschaufeln oder Laufschaufeln, und besonders auf solche Schaufeln, die bei extrem hohen Temperaturen arbeiten, so daß eine innere Kühlung vorgesehen sein muß.
• Es ist seit langem bekannt, daß Turbinenschaufeln, die einem Gasstrom hoher Temperatur ausgesetzt sind, eine innere Kühlung besitzen müssen'und es wurden auch bereits viele Vorschläge gemacht, um eine solche Kühlung vorzusehen. Es ist in Gasturbinen allgemein üblich, den Luftstrom aus dem Kompressor abzuleiten und ihn durch denturbinenrotor in das Innere der Schaufeln zu führen, wobei verschiedene Arten von Kühlkanälen vorgesehen werden, um die Schaufeln durch Konvektion, Beaufschlagung mit einem Luftstrahl oder durch Beeinflussung der Grenzschichten zu kühlen.
• Während einige dieser Vorschläge recht Erfolg versprechend waren, so wurde doch mit keiner dieser Maßnahmen die erstrebte Wirkung, die Eintrittskantenteile der Schaufeln während des Betriebes bei extremen Temperaturen zu kühlen, erreicht. Die Eintrittskantenteile der Schaufel müssen die höchste Temperatur aushalten und müssen der stärksten Belastung widerstehen, die sich durch die Gasbeaufschlagung des Stromlinienkörpers ergibt. Eines der Probleme, -das mit der Kühlung eines Stromlinienkörpers zusammenhängt, besteht darin, daß die Öffnunge'n~ und Kanäle für die Kühl luft die Nasenteile wesentlich schwäche.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine strukturell stärkere Turbinenschaufel zu schaffen, die einen KUhlmechanismus besitzt, der unter extremen Temperaturbedingungen arbeiten kann.
• Im weitesten Sinne besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen langgestreckten Stromlinienkörper zu schaffen, der, wenn er einem heißen Gasstrom ausgesetzt ist, außerordentliche Festigkeitseigenschaten besitzt und der seine Stromlinienform, insbesondere an den Eintrittskanten, beibehält.
• Die Lösung dieser Aufgaben besteht darin, daß bei einem langgestreckten Stromlinienkörper, der durch ein dünnes Wandgehäuse gebildet wird, die gegenüberliegenden Seiten derartig zusammenlaufen, daß sie an den Eintrittskanten einen Nasenteil bilden.
• Eine einteilige Rippe befindet sich dabei zwischen den Wänden des Gehäuses der Eintrittskante benachbart, ist im wesentlichen so lang wie der Stromlinienkörper und bildet eine innere Stromlinienkörperkammer und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Kammer, die mit einem Kühlungsmittel beaufschlagt wird.
• Das Kühlungsmittel wird durch Öffnungen geführt, die sich in den Rippen befinden, um durch den auftreffenden Kühlmittelstrahl für die äußersten Eintrittskanten der Schaufel eine Kühlung zu bewirken. Mehrere relativ kleine Öffnungen erstrekken sich durch die Wände der Nasenteile und besitzen unter einem gewissen Winkel eine solche Richtung, die der heiße Gasstrom einnimmt, so daß das Kühlmittel von der Nasenkammer zum äußeren Teil der Schaufel fließen kann, so daß eine Konvektions-und Filmkühlung der Nasenteile-erreicht wird.
• Das Nasenteil ist über seine Länge bis zu den Rippen reichend mit Schlitzen versehen. Die Schlitze sind außerordentlich schmal, damit die thermische Beanspruchung in den Rippen, die sich durch die verschiedene tbermische Ausdehnung der Rippsa und der äußeren Eintrittskanten der Schaufel ergikt, geringgehalten oder sogar eliminiert werden kann Durch die Schlitze fließt wenig oder sogar kein KAhlmittel. Das Nasenteil der Schaufel wirkt somit allein als ein Stromlinienghrper hr*nd die Rippe als ein Strukturelement der Schaufel wirkt. BeßtkR$e Kühlöffnungen dienen auch dazu, um eine Spannungsbeanspruchung an den Enden der Schlitze, die bis zu diesen Öffnungen reichen, zu verhindern.
• Die Kühlöffnungen befinden sich darüber hinaus stromaufwärts zu den Rippen und sind so angeordnet, daß sie entlang der Rippenlänge, die sich von den Rippenöffnungen im gleichen Massenabstand befinden, einen minimalen thermischen Gradienten aufnimmt.
• Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert: Es zeigen: Figur 1 eine Turbinenlaufschaufel oder eine Schaufel mit der vorliegenden Erfindung; Figur 2 einen Ausschnitt einer Seitenansicht im vergrößerten Maßstab eines Teiles der Schaufel, die in Figur 1 dargestellt ist; Figur 3 einen Schnitt III-III aus Figur 2; Figur 4 einen Schnitt IV-IV aus Figur 3; Figur 5 einen Schnitt V-V aus Figur 2; Figur 6 einen Schnitt VI-VI aus Figur 5; Figur 7 eine Abwicklung bezogen auf den Schnitt VII -VII aus Figur 5; Figur 8 eine Teilansicht ähnlich der Figur 2 eines anderen Ausführungsbe ispie les der Erfindung; Figur 9 einen Schnitt IX-IX aus Figur 8; Figur 10 einen Schnitt X-X aus Figur 8.
• Figur 1 gibteine Turbinenschaufel 10 wieder, die mit einem stromlinienförmigen Teil 12 an e-inem Ende in herkömmlicher Weise hergestellt sein kann und die an ihrem inneren Ende zur Befestigung an einem Rotor einen Schaft 14 besitzt. Die Schaufel 10 kann ferner als eine Hohlschale ausgebildet sein, so daß Kühlluft in das Innere derselben und durch Kanäle in den Schaft eindringen kann, der mit einer Kühlluftversorgung über den Turbinenrotor-in bekannter Weise in Verbindung steht.
• Wie aus den Figuren 2 bis 5 besser entnommen werden kann, gehen die gegenüberliegenden Wände 16 und 18 der stromlinienförmigen Schale an der Eintrittskante der Schaufel in einen Nasenteil über. Eine einteilige nippe 20-ist mit den Seitenwänden 16 und 18 verbunden (Figuren 2 und 3) und befindet sich neben und räumlich hinter dem Nasenteil der Schaufel. Die Rippe 20 erstreckt sich vorzugsweise über die volle radiale Länge der Schaufel und legt so eine Kühlkammer 22 und eine Nasenkammer 23 fest, wobei beide Kammern an den äußeren Enden der Schaufel durch einen Haubenteil 25 geschlossen sind. Die Kammer 22 ist mit einer'Druckluftuersorgung zur Kühlung, wie oben bereits ausgeführt wurde, verbunden.
• Die Kühlluft strömt durch Öffnungen 24, die entlang der nippe 20 vorhanden sind. Diese Kühlluft strömt in die Nasenkammer 23 und prallt gegen die innere Oberfläche des Nasenteiles, um so eine wirksame Kühlung zu erreichen. Die Kühlluft strömt dann, nachdem sie auf die innere Oberfläche des Nasenteiles auf geprallt ist, durch die Vielzahl der Öffnungen 26 (die durch Indizes entsprechend fortlaufend bezeichnet sind), die zur äußeren Oberfläche des Stromlinienkörpers einen Winkel einschließen und die sich in Richtung stromabwärts zur römungsrichtung der heißen Gase erstrecken. Die aus den Öffnungen 26 entströmende Luft wird der sich relativ langsam bewegenden laminaren Grenzschicht der heißen Gase, die her den Strömungjt körper fließt, zugeführt. Durch ein derartiges Einführen der Kühlluft in die Grenzschichten wird eine wirksamyhnd leistungsfähige Kühlung der Schaufel unmittelbar abströmseitig zum Nasenteil erreicht. Man kann der Grenzschicht in Abstromrichtung zum Nasenteil auch weitere Luft zuführen; ebenso kann auch ein anderer Kühlmechanismus verwendet werden, um die abströmseitigen Teile der Schaufel in Richtung zu ihrer Hinterkante zu kühlen. Es ist auch ersichtlich, daß das Nasenteil der Schaufel mit extrem engen Schlitzen 28 versehen ist, die in das Nasenteil eingeschnitten sind und bis zur hintersten Kühlöffnung 26 c reichen. Diese Schlitze besitzen vorzugsweise eine Weite in der Größenordnung von 7,6 x 10-3 cm (0,003 inch) für Zwecke, die im folgenden erläutert werden.
• Der Nutzeffekt der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die Nasenteile der Schaufel, d.h. die Teile der Schaufel, die sich stromaufwärts zur'Rippe 20 befinden in einfacher Weise als ein aerodynamisches Teil wirken, das durch einen anströmenden Luftstrahl und durch das Vorhandensein einiger Offnungen 2G, die eine Konvektionskühlung ermöglichen, angemessen gekühlt werden kann. Die Rippe 20 bewirkt die strukturmäßige Verstärkung, die ursprünglich durch die Eintrittskanten der Schaufel gegeben waren. Dies ist durch die unterbrochenen Linien in der Figur 5 angedeutet. Es ist ersichtlich, daß die Bander 29 die Rippen 20 mit den Wänden 16 und 18 der Schale verbindent, so daß ein entsprechendes Stützelement in nahezu gleicher Weise wirken und belastet werden kann, wie die Eintrittskante einer konventionellen Schaufel. Die Schlitze 28 verhindern, daß die stromlinienförmige Schale stromaufwärts zu den Rippen 20- als eine radiale Stütze wirkt, die aerodynamisch hauptsächlich in Richtung des Pfeiles A in Figur 5 belastet werden wQ-rde-.-Eine solche Belastung wird durch die Rippen 20 aufgenommen Es muß auch bemerkt werden, daß das entsprechende Strukturelement, nämlich die Rippe 20, bei'einer relativ niedrigee'-Temperatur gehalten wird, so daß sie höher belastet werden~Eann.~Forner wird es durch den Nasenteil gegen Erosion geschützt, so-dàß~' eine größere Lebensdauer erwartet werden kann. Die Schlitze 28 dienen nicht dazu, die Nasenteile der Schaufeln mit Kühlluft zu versorgen. Stattdessen dienen sie dazu, die thermische Beanspruchung, die sich durch eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen der äußersten Eintrittskante des Nasen teiles und der Rippe 20 ergibt, in einfacher Weise zu verringern. Aus diesem Grunde sind die Schlitze außerordentlich schmal und 'zwar in der Größenordnung von 7,6x 10-³ cm (0,003 inch). Tatsächlich sind die Schlitze bei solchen Dimensionen wegen der Ausdehnung des Metalles nahezu geschlossen, wenn die Schaufel sich in einem heißen Gasstrom auf Betriebstemperatur befindet. Dadurch, daß die Schlitze 28 nur auf diese eine Funktion begrenzt sind, kann eine wirksamere Kühlung der Eintrittsteile oder der Kanten der Nasen durch einen au£-prallenden Kthlmittelstrahl erreicht werden, die die Luft bewirkt, die durch die Öffnungen 24 strömt. Die restlichen Nasenteile werden durch Konvektions-und Filmkühlung gekühlt und zwar durch die Luft, die durch die Öffnungen 24 strömt. Dieser kombinierte Kühlmechanismus ist viel wirksamer und verläßlicher als irgendein Versuch, die Schlitze 28 in die Külilfunktion mit einzubeziehen. In Verbindung mit dem Kühlmechanismus, der durch den Aufprall eines Kühlstrahles bewirkt wird, ist es besonders vorteilhaft, die Vorderfront der Rippe 20 von der inneren Oberfläche der äußersten Eintrittskante in einem Abstand anzuordnen, der dem doppelten wirksamen Durchmesser der Öffnung 24, wie in Figur 3 dargestellt, entspricht. Es muß darauf hingewiesen werden, daß die Öffnungen 26 c eine doppelte Wirkung ausüben, nämlich die Beanspruchung an den Enden der Schlitze 28 möglichst gering zu halten, oder sogar zu elimin-ieren und auch eine Konvektions- und Filmkthlung vorzusehen.
• Die Anordnung der Öffnungen 26 ist auch für die Verringerung des thermischen Gradienten in der Strukturrippe 20, die der Belastung standzuhalten hat, von Bedeutung, wodurch folglich die thermische Beanspruchung darin verringert wird, die die wirksame Stärke reduzieren würde. Das in Längsrichtung kälteste Teil der Rippe 20 ist der Öffnung 24 benachbart angeordnet, durch die die Kühlluft hinduchströmt, um durch den KUhlmittelstrahl eine Kühlung der äußersten Eintrittskanten der Nasenteile zu erreichen. Es ist ersichtlich, daß die Öffnungen 26 c, durch die die Kühlluft ebenfalls strömt, angenähert in der Mitte zwischen den Öffnungen 24 angebracht sind. Die dazwischen befindlichen Öffnungen 26 b sind stromaufwärts dazu angeordnet und die einfachen Öffnungen 26 a befinden sich noch weiter stromaufwärts und liegen im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Öffnungen 24. Betrachte man die Abwälzung gemäß Figur 7, so ist zu entnehmen, daß die verschiedenen Öffnungen 26 stromaufwärts und im allgemeinen konzentrisch zu den Öffnungen 24 angebracht sind, um eine angemessene Verteilung der dazwischen liegenden Massen zu erreichen, damit sich in der Rippe 20 ein minimaler Temperaturgradient ergibt.
• Diese räumliche Anordnung bewirkt eine angenähert gleiche Massenverteilung zwischen den Öffnungen 26 und 24, die sie umgeben. Diese Beziehung zu den Öffnungen 26 mindert auch den örtlichen Temperaturgradienten entlang der Länge der Schaufel in Richtung des heißen Gasstromes.
• Dieser vorteilhafte strukturelle Aufbau der Schaufeln insgesamt wird noch dadurch verstärkt, daß die geschlitzten Nasenteile nur durch die Hitze und die Erosionswirkung des Gasstromes einer Verschlechterung unterworfen sind, während die Rippen die strukturellen Belastungen an den Eintrittsteilen der Schaufeln aufnehmen.
• Die Figuren 8 bis 10 geben eine andere Ausführungsform der Erfindung wieder, die eine Schlitzform 28' besitzen, welche sich besonders bei der Herstellung der Schaufeln als vorteilhaft erweisen. Die Schlitze 28' können mit einem Schneiddraht hergestellt werden, der in dießchaufel parallel zu den Achsen der Löcher 26 c auf den Seiten der Schaufeln abwechselnd eingezogen wird. Auf diese Weise bewirken die abwechselnd angeordneten Öffnungen 26 c (entlang der Länge der Schaufel) eine Verringerung der Belastung an einem Ende der Schlitze und die Öffnungen 32 bewirken eine Verringerung der Belastung an den gegenüberliegenden Enden der Schlitze, wie aus den Figuren 9 und 10 ersichtlich ist. Während die Luft, die aus den Öffnungen 30 austritt, nicht so wirksam für die Kühlung der äußeren Flächen der Schaufel ist, ist die Gesamtkombination dennoch sehr vorteilhaft. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt.

Claims (8)

Ansprüche

1. Gekühlte Turbinenschaufel, d a d u r c h g e k e n n -e e i c h n e t, daß sie aus einem langgestreckten stromlinienförmigen Teil besteht, das einem heißen Gasstrom ausgesetzt ist und mit seiner Eintritts- und Austrittskante hauptsächlich in Richtung des heißen Gasflusses weist, wobei dieses Teil aus einer dünnwandigen Schale besteht und die gegenüberliegenden Seiten zu einem Nasenteil an der Eintrittskante zusammenlaufen und eine einteilige Rippe sich zwischen den Wänden der Schale benachbart zur genannten Eintrittskante befindet, wobei die Rippe sich mindestens über wesentlicheTeile der Lange des genannten stromlinienförmigen Teiles erstreckt, und einen iang ren Nasenkammerteil auf einer Seite der Rippe und eiN>zweite Kammer auf der gegenüberliegenden Seite bildet, die mit einem Kühlungsmittel beaufschlagt werden kann, wobei die Rippe dort durchgehende Öffnungen besitzt, die sich auf der ganzen Lange befinden und zu den Eintrittskanten ausgerichtet sind, daß eine Vielzahl relativ kleiner Öffnungen vorhanden ist, die durch die Wände der Nasenteile führen und unter einer Winkel zum heißen Gasstrom gerichtet sind, wobei die Öffnungen in bestimmter Weise in Stromrichtung angeordnet sind, und sich in einem angenähert gleichen Massenabstand konzentrisch zu den Rippenöffnungen befinden, um den thermischen Gradienten in den Rippen geringzuhalten.

2. Gekühlte Turbinenschaufel, d a d u r c h g e k'e n n -z e i c h n e t, daß sie aus einem langgestreckten stromlinienförmigen Teil besteht, das einem helmen Gasstrom ausgesetzt ist und mit seint Eintritts- und Austrittskante zum heißen Gas strom gerichtet ist, wobei dieses Teil eine dünnwandige Schale besitzt, deren gegenüberliegende Seiten an der Eintrittskante zu einem Nasenteil zusammenlaufen, daß eine innere Rippe vorhanden ist, dte sich zwischen den Wänden der Schale benachbart zur Eintrittskante' befindet und diese Rippe-sich mindestensüber einen wesentlichen Teil der Länge des stromlinienförmigen Teiles erstreckt und einen inneren Nasenkammerteil auf der einen Seite der Rippe und eine zweite Kammer auf der gegenUbeF liegenden Seite davon bildet, die mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden können, wobei die Rippe dort durchgehende Öffnungen besitzt, die über die ganze Länge angebracht sind und zur Eintrittskante hin gerichtet sind, damit eine Kühlung durch einen Kühlmittelstrahl bewirkt werden kann und daß das Nasenteil eine Vielzahl relativ kleiner Öffnungen besitzt, die von der Nasenkammer aus durch die Wände führen, um eine Konvektionskühlung zu erreichen wobei ferner die Nasenteile eine Vielzahl schmaler Schlitze besitzen, die über die ganze Länge angeordnet sind und welche die Rippe von den Belastungen isolieren, die sich aus den relativen thermischen Ausdehnungen zwischen der Rippe und dem Nasenteil ergeben.

3. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schlitze einWeite von angenähert 7,6 x 10 3 cm (0,003 inch) besitzen und in ausgewählten relativ schmalen Öffnungen enden, um in den Wänden der Nasenteile eine Belastung zu vermeiden.

4. Gekühlte lurbinenschaufel nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i'c h n e t, daß ein langgestrecktes stromlinienförmiges Teil als ein gewölbtes Reaktionsteil ausgebildet und mit relativ schmalen Öffnungen versehen ist, die unter einem bestimmten Winkel zum heißen Gasstrom gerichtet sind, in einem bestimmten Muster stromaufwärts angeordnet sind und sich in einem angenäherten massengleichen Abstand konzentrisch zu den Rippenöffnungen befinden, um den thermischen Gradienten in der Rippe geringzuhalten.

5. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schlitze eine Weite von angenähert 7,6 x 10 cm (0,003 inch) aufweisen und in ausgewählten unter einem stromabwärts gerichteten Winkel angeordnete Öffnungen enden und daß die Rippen einteilige Bänder besitzen, die mit den Wänden der Schale der zweiten Kammer verbunden sind, um ein wirksames Strukturelement zu bilden, das in gleicher Weise gewölbt ist, wie die Eintrittskante der Schaufel.

6. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die innere Rippe vom Inneren der äußersten Eintrittskante des stromlinienförmigan Teiles einen Abstand besitzt, der angenähert dem mittleren Durchmesser der Rippenöffnungen entspricht.

7. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schlitze in der Mitte zwischen den Rippenöffnungen angeordnet sind und bis zu den unter einemWinkel austretenden Öffnungen reichen, die am weitesten abstromseitig angebracht sind.

8. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e- i c h n e t, daß die Schlitze abwechselnd enden und zwar über die ganze Länge der Schaufel, in den am weitesten abströmseitig angeordneten Öffnungen auf den gegenüberliegendenSeiten zu Seite der Schaufel und daß die Öffnungen in einer Linie zu den unter einem Winkel austretenden Öffnungen, in denen die Schlitze enden, angeordnet sind.

L e e r s e i t e