DE19634237A1

DE19634237A1 - Kühlbare Schaufel

Info

Publication number: DE19634237A1
Application number: DE19634237A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Hall; Bernhard Weigand
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 1998-02-26
Also published as: CN1177676A; CZ267997A3; JPH1089007A; EP0825333B1; US5934874A; DE59703585D1; JP4152458B2; CN1105228C; EP0825333A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer kühlbaren Schaufel nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Derartige kühlbare Schaufel sind bekannt aus GB 2 165 315. Dort wird Kühlfluid über durch Trennwände gebildete Windungen vom Hinterkantenbereich der Schaufel zum Vorderkantenbereich geleitet und dann über Öffnungen im Schaufelkopf ausgeblasen. Um den Hinterkantenbereich der Schaufel ausrei chend zu kühlen, bläst man Luft aus der Hinterkante der Schaufel aus. Diese Methode kann jedoch bei Hinterkanten mit kleinen Radii aus Fertigungs gründen nicht angewendet werden. Um eine Kühlung der Hinterkante zu errei chen, ist zudem eine große Anzahl von Filmkühlungslöchern notwendig, was die Herstellung der Schaufel sehr aufwendig macht. Weiter kann die Hinterkanten ausblasung zu einer Verringerung des aerodynamischen Wirkungsgrades der Schaufel führen, da ein größerer Hinterkantenradius benötigt wird.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer kühlbaren Schaufel der ein gangs genannten Art die Kühlung des Hinterkantenbereiches der Schaufel zu verbessern und einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad der Schaufel zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, daß im Hinterkantenbereich ein im wesentlichen radial verlaufender, divergierender Kühlkanal angeordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß das durch den Kühlkanal geleitete Kühlfluid im Bereich des Schaufelkopfes aus der Schaufel ausgeblasen wird und somit keinen Einfluß auf die Aerodynamik der Schaufel nimmt. Weiter lassen sich kleine Hinterkantenradien verwirklichen, da nicht an der Hinterkante der Schaufel ausgeblasen werden muß. Durch die divergente Aus gestaltung des Kühlkanales wird eine effektive Kühlung des Hinterkantenberei ches der Schaufel erzielt. Durch die Ausgestaltung des divergenten Kanals läßt sich die Kühlung lokaler Gebiete gut einstellen. Zudem kann bei Laufschaufeln mit Deckplatten der stark kriechgefährdete obere Bereich zum Schaufelkopf hin besonders gut gekühlt werden.

Unter Verwendung des divergierenden Kühlkanales wird deutlich weniger Kühlluft benötigt als beispielsweise bei einer Filmkühlung der Hinterkante. Schaufeln mit dem divergierenden Kühlkanal können zudem im Gußverfahren hergestellt wer den.

Es ist vorteilhaft, den Kühlkanal mit dem Hohlraum über mindestens einen Ver bindungskanal zu verbinden. Die Verbindungskanäle zwischen dem Hohlraum und dem Kühlkanal wirken als Absaugstellen für Kühlluft aus dem Hohlraum und intensivieren die Wärmeübertragung im Hinterkantenbereich des Hohlraumes. Durch die Verbindungskanäle tritt das Kühlfluid strahlförmig in den Kühlkanal ein und erzeugt extrem hohe Wärmeübergangszahlen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weite ren Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer sche matischen Darstellung einer Schaufel einer Strömungsmaschine dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch die Schaufel;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Schaufel entlang der Linie II-II in Fig. 1

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch die Schaufel entlang der Linie III-III in Fig. 1

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Schaufel;

Fig. 5 einen Teillängsschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Schaufel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 und 2 ist eine Schaufel 10 einer Strömungsmaschine dargestellt, beste hend aus einem Schaufelblatt 1 und einem Schaufelfuß 11, mit dem die Schaufel 10 montiert werden kann. Zwischen Schaufelblatt 1 und Schaufelfuß 11 ist übli cherweise eine Plattform 12 angeordnet, welche den Schaufelfuß von den das Schaufelblatt umströmenden Fluiden abschirmt. Das Schaufelblatt 1 weist einen Vorderkantenbereich 3, einen Hinterkantenbereich 4, eine saugseitige Wand 5 und eine druckseitige Wand 6 auf, wobei die saugseitige und die druckseitige Wand im Bereich der Vorderkante 3 und der Hinterkante 4 miteinander verbunden sind, wodurch ein Hohlraum 2 gebildet wird. Der Vorderkantenbereich 3 wird je weils von den das Schaufelblatt 1 umströmenden Fluiden zuerst beaufschlagt. Der Hohlraum 2 verläuft im wesentlichen in radialer Richtung durch die Schaufel 10 und dient als Kühlfluiddurchlaß für ein Kühlfluid 20.

Im Bereich der Hinterkante 4 ist ein radial verlaufender Kühlkanal 7 angeordnet, der in Strömungsrichtung zu einem Schaufelkopf 13 der Schaufel 10 hin diver giert. Der divergierende Kühlkanal 7 kann dabei insbesondere als Diffusor aus gestaltet sein. Der Kühlkanal 7 ist über Verbindungskanäle 8 und eine Eintrittsöff nung 9 in einem Schaufelblattmittenbereich 14 mit dem Hohlraum 2 verbunden. Nicht dargestellt ist, daß die Eintrittsöffnung 9 des Kühlkanales auch an beliebi gen Orten angeordnet werden kann, beispielsweise näher beim Schaufelfuß oder im Schaufelfuß. Üblicherweise wird der Kühlkanal 7 jedoch im stromabwärtigen Teil der Schaufel ungefähr ab der Mitte 14 des Schaufelblattes angeordnet, da dort die Belastung und Kriechgefährdung am größten ist.

Kühlfluid 20 strömt durch den Hohlraum 20 und über die Eintrittsöffnung 9 und die Verbindungskanäle 8 in den Kühlkanal 7. Dadurch wird die Strömungszirkulation im Bereich der Hinterkante im Hohlraum 2 angeregt. Erhitztes Kühlfluid, welches die Tendenz hat im Bereich der Hinterkante wegen der örtlich erhöhten Reibung hängenzubleiben, wird dadurch mit kühlerem Kühlfluid gemischt, speziell auch mit dem in den Kühlkanal 7 eintretenden Kühlfluid.

Der Hinterkantenbereich wird durch das durch den Kühlkanal 7 geleitete Kühlfluid gekühlt, wobei der Wärmeübergangskoeffizient im Kühlkanal 7 von der Schaufel blattmitte zum Schaufelkopf hin zunimmt. Dies aufgrund des ansteigenden Kühl fluidmassenflusses im Kühlkanal 7 durch die weitere Einspeisung von Kühlfluid über die Verbindungskanäle 8. Dies verbessert die Kühlung des Schaufelblattkop fes 13.

Durch die Auslegung des Kühlkanales, der Eintrittsöffnung sowie der Verbin dungskanäle kann die Strömungszirkulation im Hinterkantenbereich des Hohl raumes sowie die Kühlleistung des Hinterkantenbereiches eingestellt werden. Zu dem wird der Divergenzwinkel des Kühlkanales mit der Anzahl der Verbindungs kanäle vom Hohlraum so angepaßt, daß die Kühlung der Schaufel optimal ist.

In Fig. 3 ist die Zunahme der Querschnittsfläche des Kühlkanales 7 zum Schaufel kopf 13 hin sowie der Verbindungskanal 8 dargestellt.

In Fig. 4 sind im Hohlraum 2 an der saugseitigen Wand 5 V-förmige Rippen 30 mit einer Spitze 31 und Schenkeln 32, 33 angeordnet. Die Schenkel der Rippen sind dabei in einem Winkel 34 zur Hauptströmungsrichtung des Kühlfluides 20 ange winkelt. Der Winkel 34 beträgt dabei 30 bis 60°, vorzugsweise 40 bis 50° und ins besondere 45°. Das Verhältnis von Rippenhöhe zu Hohlraumhöhe ist an jeder Stelle der Rippe im wesentlichen gleich und liegt zwischen 5 bis 50%. Die Spitze der Rippe 30 ist an der Stelle angeordnet, wo die Rippenhöhe maximal ist. In den Bereichen wo der Hohlraum 2 in den Vorder- und Hinterkantenbereich übergeht, verjüngt sich die Rippe 30, um den Durchtritt des Kühlfluides in diesen Bereichen nicht zu hemmen.

Die nicht dargestellten, auf der Innenseite der druckseitigen Wand 6 angeordne ten Rippen sind ebenfalls V-förmig. Die Spitze liegt ebenfalls an der Stelle wo die Rippenhöhe maximal ist. Die Rippen sind auf der druck- und der saugseitigen Wand gegeneinander in Strömungsrichtung versetzt angeordnet, so daß die Strömung nacheinander auf eine Rippe 30 der Saugseite 5 und eine Rippe der Druckseite trifft. Vorteilhafterweise werden die Rippen jeweils in der Mitte zwi schen den Rippen der gegenüberliegenden Wand angeordnet. Durch die Rippen in Kombination mit dem Kühlkanal 7 wird eine Kühlung der Schaufel gewährleis tet, die zu einer gleichmäßigen Wandtemperaturverteilung führt.

In Fig. 5 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung des Hohlraumes 2 dargestellt, wie sie beispielsweise aus der eingangs erwähnten GB 2 165 315 bekannt ist. Das Kühlfluid 20 wird hier über durch Trennwände 40, 41 gebildete Windungen vom Hinterkantenbereich der Schaufel zum Vorderkantenbereich geleitet und dann über eine Öffnung 42 im Schaufelkopf 13 ausgeblasen. Auch hier ist im Hinterkantenbereich ein divergierender Kühlkanal 7 zur Kühlung des Hinterkan tenbereiches angeordnet.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Ausgestaltung des Hohlraumes und damit des Kühlfluiddurchlasses kann auch anders erfolgen als dargestellt, beispielswei se als mehrere einzelne Kühlkanäle. Wesentlich ist die Ausbildung des divergie renden Kühlkanales.

Bezugszeichenliste

1 Schaufelblatt
2 Hohlraum
3 Vorderkantenbereich
4 Hinterkantenbereich
5 saugseitige Wand
6 druckseitige Wand
7 Kühlkanal
8 Verbindungskanal
9 Eintrittsöffnung
10 Schaufel
11 Schaufelfuß
12 Plattform
13 Schaufelkopf
14 Schaufelblattmittenbereich
20 Kühlfluid
30 Rippe
31 Spitze
32, 33 Schenkel
34 Anstellwinkel
40, 41 Trennwand
42 Öffnung

Claims

1. Kühlbare Schaufel (10), im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelfuß (11) und einem Schaufelblatt (1), welches aus einer druckseitigen (6) und einer saugseitigen Wand (5) aufgebaut ist, die im wesentlichen über einen Hinterkantenbereich (4) und einen Vorderkantenbereich (3) so mit einander verbunden sind, daß mindestens ein als Kühlfluiddurchlaß ver wendeter Hohlraum (2) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Hinterkantenbereich (4) ein im wesentlichen radial verlaufender, divergierender Kühlkanal (7) angeordnet ist.

2. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (7) mit dem Hohlraum (2) über mindestens einen Ver bindungskanal (8) verbunden ist.

3. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der divergierende Kühlkanal (7) ein Diffusor ist.

4. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kühlkanal (7) mindestens von einem Mittenbereich (14) des Schaufelblattes (1) bis zu einem Schaufelkopf (13) erstreckt.

5. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (2) mindestens eine Rippe (30) so ausgestaltet ist, daß sie eine Spitze (31) und zwei Schenkel (32, 33) aufweist und daß die Schenkel der Rippe in einem spitzen Winkel (34) gegenüber der Haupt strömungsrichtung eines Kühlfluides (20) angewinkelt sind.