DE19859785A1 - Mehretagen-Turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen­ triebwerke und insbesondere auf die Kühlung von Turbinenlauf- und -leitschaufeln.

Ein Gasturbinentriebwerk enthält einen Verdichter, der Luft verdichtet, die zu einer Brennkammer geleitet wird, wo sie mit Brennstoff gemischt und zum Erzeugen von Verbrennungsgasen gezündet wird. Die Verbrennungsgase strömen stromabwärts durch eine oder mehrere Turbinenstufen, die daraus Energie entziehen, um den Verdichter anzutreiben und zusätzliche Ausgangsleistung zu erzeugen zum Antreiben eines Fans bzw. Bläsers, um bei­ spielsweise ein Flugzeug im Flug anzutreiben.

Eine Turbinenstufe enthält eine Reihe von Turbinenlauf­ schaufeln, die an dem äußeren Umfang von einer Rotorscheibe be­ festigt sind, wobei eine stationäre Turbinendüse mit mehreren Leitschaufeln stromaufwärts davon angeordnet sind. Die Verbren­ nungsgase strömen zwischen den Leit- und Laufschaufeln hin­ durch, um Energie zum Drehen der Rotorscheibe zu entziehen.

Da die Verbrennungsgase heiß sind, werden die Turbinen­ leit- und -laufschaufeln üblicherweise mit einem Teil von Ver­ dichterluft gekühlt, die zu diesem Zweck von dem Verdichter ab­ gezapft wird. Das Ableiten von irgendeinem Teil der Verdichter­ luft von der Verwendung in der Brennkammer verkleinert notwen­ digerweise den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks. Demzufolge ist es erwünscht, die Leit- und Laufschaufeln mit möglichst we­ nig Verdichterabzapfluft zu kühlen.

Turbinenleit- und -laufschaufeln enthalten einen strom­ linienförmigen Abschnitt, über den die Verbrennungsgase strö­ men. Der stromlinienförmige Abschnitt enthält üblicherweise einen oder mehrere serpentinenförmige Kühlkanäle darin, durch die die Verdichterabzapfluft geleitet wird, um den stromlinien­ förmigen Abschnitt zu kühlen. Der stromlinienförmige Schaufel­ abschnitt kann verschiedene Verwirbler bzw. Turbulatoren ent­ halten, um die Wirksamkeit der Kühlung zu verstärken, und die Kühlluft wird aus den Kanälen durch verschiedene Filmkühllöcher ausgestoßen, die um die äußere Oberfläche des stromlinienför­ mige Abschnitts herum angeordnet sind.

Die äußere Schaufelfläche wird durch eine im allgemei­ nen konkave Druckseite und eine gegenüberliegende, im allgemei­ nen konvexe Saugseite begrenzt, die sich radial zwischen einem Fuß und einer Spitze von dem stromlinienförmige Abschnitt und axial zwischen ihren Vorder- und Hinterkanten erstrecken. Die Temperaturprofile der Verbrennungsgase, die über den stromlini­ enförmige Abschnitt geleitet werden, variieren signifikant über den Druck- und Saugseiten. Dies beeinflußt wiederum sowohl die Kühlerfordernisse über dem stromlinienförmigen Abschnitt als auch die Wirksamkeit der Kühlung. Eine stärkere Kühlung wird gewünscht, wo die Wärmezufuhr am größten ist, und die Rückströ­ mungsgrenze und das Blasverhältnis müssen über den Filmkühllö­ chern kontrolliert bzw. gesteuert werden. Filmkühllöcher soll­ ten geeignete Blasverhältnisse aufweisen, um auf wirksamste Weise eine Schutzschicht aus Filmkühlluft über der Schaufel­ oberfläche ohne Strömungsablösung und mit einer geeigneten Rückströmungsgrenze zu erzeugen.

US-Patent 5 591 007 beschreibt eine Mehretagen-Turbi­ nenschaufel zum Verbessern der Kühlleistung von internen ser­ pentinenförmigen Kühlkanälen. Durch Anordnen von zwei oder mehr serpentinenförmigen Kanälen in unabhängigen Kreisen in radialer Richtung über der Schaufelspanne kann Kühlluft direkt zu dem Mittelspannenabschnitt von dem stromlinienförmigen Abschnitt geleitet werden, der die größte Wärmezufuhr von den Verbren­ nungsgasen hat. Da die Temperatur der Kühlluft in jedem serpen­ tinenförmigen Kreis ansteigt, da sie den schaufelförmigen Ab­ schnitt kühlt, richten die serpentinenförmigen Mehretagen- Kreise die Kühlluft zu speziellen Bereichen des stromlinien­ förmigen Abschnittes, um dessen Kühlung gegenüber konventio­ nellen radialen serpentinenförmigen Kreisen zu verbessern, die sich vollständig zwischen dem Fuß und der Spitze des strom­ linienförmigen Abschnittes erstrecken.

Um jedoch den serpentinenförmigen Mehretagenkreis her­ beizuführen, müssen radial verlaufende Spannenrippen notwendi­ gerweise unterbrochen sein, um eine trennende Etagenrippe be­ reitzustellen, die sich in axialer Richtung erstreckt. Da eine Turbinenlaufschaufel eine wesentliche Zentrifugalkraft während des Betriebs erfährt, unterbricht die Unterbrechung der Span­ nenrippe den Lastpfad zum Führen von Zentrifugalbelastungen des stromlinienförmigen Abschnittes zum Schwalbenschwanz und von dort zur Rotorscheibe, die den stromlinienförmigen Abschnitt trägt.

Die zentrifugalen Belastungen müssen dann allein durch entsprechende Abschnitte von den Druck- und Saugseiten des stromlinienförmigen Abschnittes geführt werden, die im Bypass um die Spannenunterbrechung herumführen, was lokale Spannungs­ konzentrationen zur Folge hat, die die nutzbare Lebensdauer des stromlinienförmigen Abschnittes beeinträchtigen. Weiterhin führt eine axial verlaufende Etagentrennrippe effektiv mehr to­ tes Gewicht ohne signifikante Lastabstützung ein, und die dar­ aus entstehenden zentrifugalen Belastungen müssen ebenfalls durch die benachbarten Abschnitte des stromlinienförmigen Abschnittes abgeführt werden.

Obwohl also die Mehretagen-Turbinenschaufel für eine Verbesserung ihrer Kühlung sorgt, ändert sie auch die Lastfüh­ rungsstruktur des stromlinienförmigen Abschnittes sowohl für Zentrifugalkräfte als auch das Schwingungsverhalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Mehretagen-Turbinen­ schaufel so auszugestalten, daß sowohl ihre Lastführungsvermö­ gen als auch ihre Kühleffektivität verbessert wird.

Erfindungsgemäß enthält eine Turbinenschaufel mehrere Innenrippen, die durch seitlich gegenüberliegende erste und zweite Seitenwände verbunden sind, um einen serpentinenförmigen Kühlkreis darin auszubilden. Eine Spannenrippe erstreckt sich longitudinal zwischen einem Fuß und der Spitze der Schaufel. Weiterhin verläuft eine Schrägrippe mit Neigung zu der Spannen­ rippe, um entsprechende Abschnitte von dem serpentinenförmigen Kreis longitudinal oberhalb und unterhalb der Schrägrippe zu bilden.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vor­ teilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein axialer Schnitt von einem Ausführungs­ beispiel von einer Turbinenschaufel für ein Gasturbinentrieb­ werk mit einem stromlinienförmigen Abschnitt, der serpentinen­ förmige Mehretagen-Kühlkreise darin verwendet.

Fig. 2 ist ein Lateralschnitt durch die in Figur dargestellte Schaufel entlang der Linie 2-2.

Fig. 3 ist ein radialer Schnitt durch die in Figur dargestellte Schaufel und entlang der Linie 3-3.

Fig. 4 ist ein axialer Schnitt von einer Turbinen­ schaufel mit einem stromlinienförmigen Abschnitt, der einen serpentinenförmigen Mehretagen-Kühlkreis gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.

Fig. 5 ist ein Lateralschnitt durch die in Fig. 4 dargestellte Schaufel und entlang der Linie 5-5.

Fig. 6 ist eine isometrische Ansicht von dem äußeren Spannenabschnitt des in Fig. 4 dargestellten stromlinienförmi­ gen Abschnittes, der teilweise im Schnitt gezeigt ist.

Fig. 7 ist ein axialer Schnitt von einer Turbinen­ schaufel mit einem stromlinienförmigen Abschnitt, der serpenti­ nenförmige Mehretagen-Kühlkreise gemäß einem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung enthält.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel von einer Turbi­ nenrotorschaufel 10 für ein Gasturbinentriebwerk dargestellt. Die Schaufel 10 enthält einen stromlinienförmigen Abschnitt 12 und einen üblichen Schwalbenschwanzfuß 14, der dazu verwendet wird, die Schaufel 10 in üblicher Weise an einer Rotorscheibe (nicht gezeigt) des Triebwerks zu befestigen. Ein Querschnitt des stromlinienförmigen Abschnittes 12 ist in Fig. 2 darge­ stellt und zeigt eine erste oder Druckseitenwand 16 und eine zweite oder Saugseitenwand 18, die entlang einer stromaufwärti­ gen Vorderkante 20 und einer stromabwärtigen Hinterkante 22 miteinander verbunden sind, die in axialer oder Sehnenrichtung im Abstand davon angeordnet ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich der stromli­ nienförmige Abschnitt 12 auch longitudinal entlang einer longi­ tudinalen oder radialen Achse 24 in der Richtung der Spanne des stromlinienförmigen Abschnitts 12 von einem radial inneren Fuß 26 zu einer radial äußeren Spitze 28. Der Fuß 26 ist an einer üblichen Plattform 30 gebildet, der die innere Strömungsbegren­ zung des stromlinienförmigen Abschnittes 12 bildet und unter dem sich der Schwalbenschwanzfuß 14 erstreckt.

Während des Betriebs der Schaufel 10 werden Verbren­ nungsgase 32 durch eine Brennkammer (nicht gezeigt) erzeugt und strömen stromabwärts über beide Schaufelseitenwände 16 und 18. Das radiale oder longitudinale Temperaturprofil der Verbren­ nungsgase 32 hat üblicherweise eine Mittelspitze nahe dem Mit­ telspannenbereich des stromlinienförmigen Abschnitts von etwa 50% bis etwa 80% seiner Spanne. Sekundäre Strömungsfelder zwi­ schen benachbarten stromlinienförmigen Abschnitten 12 können bewirken, daß sich das Temperaturprofil radial nach außen über die Druckseitenwand 16 verschiebt radial nach außen über einen Bereich von etwa 70% bis etwa 85% der radialen Höhe oder Spanne des stromlinienförmigen Abschnitts 12. Dementsprechend erfährt die Druckseitenwand 16 ihre größte Wärmezufuhr oder Belastung über dem Mittelspannenbereich in der 70% bis 85% Spannenhöhe.

Gemäß der Erfindung wird eine bevorzugte radiale oder spannenweise Kühlung des stromlinienförmigen Abschnittes 12 herbeigeführt, um die Verteilung seiner Wärmebelastung von den Verbrennungsgasen 32 besser anzupassen. Obwohl in den Figuren als Beispiel eine Laufschaufel 10 von einer Gasturbine darge­ stellt ist, ist die Erfindung in gleicher Weise auf Turbinen­ leitschaufeln mit ähnlichen stromlinienförmigen Abschnitten an­ wendbar, die gemäß der Erfindung in ähnlicher Weise gekühlt werden können.

Genauer gesagt, sind die ersten und zweiten Seitenwände 16, 18 in Umfangsrichtung oder lateral im Abstand zueinander angeordnet zwischen den Vorder- und Hinterkanten 20, 22 und einstückig miteinander verbunden durch mehrere interne Spannen- und Schrägrippen, die durch ihre Bezugszahlen 34, 36 darge­ stellt sind. Diese Rippen bilden wenigstens einen und vorzugs­ weise zwei oder mehr unabhängige serpentinenförmige Kühlkanäle oder -kreise 38, die teilweise in unterschiedlichen longitudi­ nalen Decks oder Etagen angeordnet sind, wobei ein äußerer ser­ pentinenförmiger Etagenkreis 38a teilweises longitudinal oder radial über einem inneren serpentinenförmigen Etagenkreis 38b angeordnet ist, um den stromlinienförmigen Abschnitt 12 longi­ tudinal unterschiedlich zu kühlen, um die ausgeübten Wärmebela­ stungen von den Verbrennungsgasen 32 besser anzupassen. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein mittlerer serpentinenförmiger Etagenkreis 38c longitudinal zwischen den äußeren und inneren Etagen in einer Dreietagenkonfiguration angeordnet.

Jeder der drei serpentinenförmigen Kreise 38a-c ent­ hält einen unabhängigen radial verlaufenden Einlaßkanal 40a-c, der sich durch den Schwalbenschwanzfuß 14 radial nach innen erstreckt. Kühlluft 42 wird in üblicher Weise von einem Ver­ dichter (nicht gezeigt) zu den Einlässen 40a-c geleitet, um den stromlinienförmigen Abschnitt zu kühlen. Die in Fig. 1 darge­ stellten serpentinenförmigen Mehretagenkreise 38a-c erzielen die Kühlvorteile, die in dem US-Patent 5 591 007 beschrieben sind, und können vorzugsweise konfiguriert werden, um unter­ schiedliche Teile von dem stromlinienförmigen Abschnitt lokal zu kühlen, um die Wirksamkeit und den Wirkungsgrad der von dem Verdichter abgeleiteten Kühlluft 42 zu maximieren.

Da die Mehretagen-Kühlkreise 38 notwendigerweise in der Längsspanne des stromlinienförmigen Abschnittes 12 unterbrochen sind, unterbrechen sie dementsprechend lokal das Lastführungs­ vermögen des stromlinienförmigen Abschnitts 12. Wenn die Schau­ fel 10 während des Betriebs auf der Scheibe rotiert, wird in dem stromlinienförmigen Abschnitt eine wesentliche Zentrifugal­ kraft erzeugt, deren Größe von der Spitze zum Fuß des stromli­ nienförmigen Abschnitts zunimmt, wobei die gesamte Zentrifugal­ kraft, die durch die rotierende Schaufel erzeugt wird, über den Schwalbenschwanzfuß 14 in die Rotorscheibe übertragen wird. Die zentrifugalen Belastungen, die von unterschiedlichen Teilen des stromlinienförmigen Abschnitts geführt werden, rufen zentrifu­ gale Beanspruchungen darin hervor, die umgekehrt proportional zu seiner effektiven lastführenden Querschnittsfläche ist. Die Zentrifugalkraft wird teilweise durch die durchgehenden ersten und zweiten Seitenwände 16, 18 und durch zusammenarbeitende In­ nenrippen geführt.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, bilden die radial verlau­ fenden Spannenrippen 34 interne Brücken zwischen den ersten und zweiten Seitenwänden 16, 18 und sorgen für eine zusätzliche Querschnittsfläche zum Führen der zentrifugalen Belastungen mit verminderter Beanspruchung. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, verlaufen die Schrägrippen 36 im allgemeinen entlang der Sehne des strom­ linienförmigen Abschnittes, sind aber schräg geneigt zu den entsprechenden Spannenrippen 34 unter einem geneigten Schräg­ winkel A, der kleiner als oder größer als 90° ist, was von der Neigungsorientierung der Schrägrippen 36 abhängt.

Jede Schrägrippe ist vorzugsweise gerade und hat einen gleichförmigen Querschnitt und hat eine longitudinale Mittel­ achse, die unter dem Neigungswinkel A angeordnet ist. Der Nei­ gungswinkel A liegt in dem bevorzugten Bereich von 30° bis 60°, um das Überbrückungsvermögen für zentrifugale Belastungen von den Schrägrippen zu maximieren, während eine verstärkte Serpen­ tinen-Kühlwirkung damit erhalten wird.

Die Schrägrippen 36 bilden entsprechende Abschnitte von den serpentinenförmigen Kreisen 38 longitudinal oberhalb und unterhalb der Schrägrippen 36, während auch für ein zusätzli­ ches Zentrifugallast-Führungsvermögen in dem stromlinienförmi­ gen Abschnitt in Zusammenarbeit mit den Seitenwänden 16, 18 ge­ sorgt wird. Eine Orientierung der Schrägrippen 36 senkrecht zu den Spannenrippen 34 mit einem Winkel A von 90° ist nicht be­ vorzugt, weil diese Orientierung lediglich für ein zusätzliches totes Gewicht sorgt, das allein durch das angrenzende Material getragen werden muß. Durch Neigen der Schrägrippen 36 über einen ausgedehnten longitudinalen Bereich sorgen sie für eine zusätzliche strukturelle Stütze zwischen den Seitenwänden 16, 18, um das Zentrifugallast-Führungsvermögen des stromlinienför­ migen Abschnitts 10 zu verbessern.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind mehrere Spannenrippen 34 in Sehnenrichtung im Abstand angeordnet und mehrere Schrägrippen 36 sind longitudinal im Abstand angeord­ net. Die Schrägrippen 36 gehen einstückig von entsprechenden Spannenrippen 34 aus. Weiterhin verlaufen die mehreren Schräg­ rippen 36 unter einer Neigung zu den mehreren Spannenrippen 34 und sind im wesentlichen parallel zueinander. In dieser Anord­ nung wird das Zentrifugallast-Führungsvermögen des stromlinien­ förmigen Abschnitts 12 longitudinal unterbrochen durch die Schrägrippen 36, aber durch das schräge Neigen der Schrägrippen 36 in der radialen Richtung wird ein Teil des unterbrochenen Lastführungsvermögens beibehalten.

Die in Fig. 1 dargestellten mehreren Spannenrippen enthalten vorzugsweise eine erste Spannenrippe 34a, die neben der Schaufelvorderkante 20 angeordnet ist und longitudinal von wenigstens dem Fuß 26 des stromlinienförmigen Abschnitts aus­ geht und neben der Spitze 28 des stromlinienförmigen Abschnitts endet. Das Oberteil von der ersten Spannenrippe 34a ist unmit­ telbar unter der Spitze 28 angeordnet, um die erste Strömungs­ umkehr des ersten Kreises 38a zu bilden. Die erste Spannenrippe 34a erstreckt sich zur Unterseite des Schwalbenschwanzfußes 14 in einem durchgehenden Teil, um für ein durchgehendes Zentrifu­ gallast-Führungsvermögen in den Schwalbenschwanzfuß 14 zu sor­ gen.

Eine zweite Spannenrippe 34b ist neben der Hinterkante 22 angeordnet und geht longitudinal von der Spitze 28 aus und endet neben dem Fuß 30. Die zweite Spannenrippe 34b ist durch­ gehend von der Spitze 28 des stromlinienförmigen Abschnittes zu dessen dickerem Fuß 26, um diesem zentrifugale Belastungen zu­ zuführen.

Dementsprechend geht eine erste oder obere Schrägrippe 36a einstückig von der ersten Spannenrippe 34a unterhalb ihrer äußeren Spitze aus und erstreckt sich in Richtung auf die Hin­ terkante 22. Eine zweite oder untere Schrägrippe 36b geht von der zweiten Spannenrippe 34b in Richtung auf die Vorderkante 20 aus und ist in Sehnenrichtung im Abstand von der ersten Span­ nenrippe 34a angeordnet, um dazwischen einen Teil des serpenti­ nenförmigen Kreises zu bilden.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine mittlere oder dritte Spannenrippe 34c in Sehnenrichtung zwischen den ersten und zweiten Spannenrippen 34a, b angeordnet und arbeitet mit den ersten und zweiten Schrägrippen 36a, b zu­ sammen, um entsprechende Teile von den mehreren serpentinenför­ migen Kreisen 38 zu bilden. Die mittlere Spannenrippe 34c er­ streckt sich kontinuierlich nach oben von der Unterseite des Schwalbenschwanzfußes 14 zum Fuß 26 und endet etwa in Spannen­ mitte unterhalb der oberen Schrägrippe 36a. Die unteren Teile von der ersten und mittleren Spannenrippe 34a, c bilden ent­ sprechende Teile von den Einlaßkanälen 40a-c innerhalb des Schwalbenschwanzfußes 14.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ar­ beiten die zwei Schrägrippen 36a, b allein mit verschiedenen Spannenrippen 34 zusammen, um drei unabhängige und serpentinen­ förmige Mehretagenkreise 38a-c zu bilden, die alle von entspre­ chenden Einlaßkanälen 40a-c innerhalb des Schwalbenschwanzfußes 14 gespeist werden. Jeder Einlaßkanal liefert deshalb frische Kühlluft direkt zu dem getrennten serpentinenförmigen Kreis, um die Kühleffektivität an jedem der Teilspannenbereiche des stromlinienförmigen Abschnittes zu verbessern, die durch die entsprechenden serpentinenförmigen Kreise 38 überdeckt werden Zusätzliche, mittlere Spannenrippen 34 sind durch die Schräg­ rippen 36 gegabelt, während einige der mittleren Spannenrippen einstückig mit den Schrägrippen 36 sind.

In dieser Anordnung werden zentrifugale Belastungen durch die mehreren Spannenrippen 34 und die Seitenwände 16, 18 des stromlinienförmigen Abschnittes radial nach unten zu dem Schaufelfuß 14 geleitet. Wo einige der Spannenrippen 34 durch die Schrägrippen 36 gegabelt sind, werden die zentrifugalen Be­ lastungen um die Spannenrippenunterbrechungen herum und zu den überbrückenden Seitenwänden 16, 18 abgeleitet. Die zentrifuga­ len Belastungen werden auch zu den Schrägrippen 36 in der lon­ gitudinalen Richtung geführt aufgrund ihrer longitudinalen Nei­ gung, um die Spannenrippenunterbrechungen zusätzlich zu über­ brücken.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 dargestellt ist, ist die erste Schrägrippe 36a an ihren beiden gegenüberliegenden axialen Enden einstückig mit entsprechenden Spannenrippen 34 verbunden, um für einen durchgehenden Lastpfad von der Schaufelspitze 28 zur Unterseite des Schwalbenschwanz­ fußes 14 zu sorgen. In ähnlicher Weise ist die zweite Schräg­ rippe 36b an ihren gegenüberliegenden axialen Enden einstückig mit den zweiten und dritten Spannenrippen 34b, c in einem weiteren durchgehenden Lastpfad zwischen der Schaufelspitze 28 und dem Schwalbenschwanzfuß 14 verbunden. Die mehreren mitt­ leren Spannenrippen 34 führen entsprechende Teile von der zen­ trifugalen Belastung durch die Seitenwände 16, 18, um die Span­ nenunterbrechungen zu überbrücken und ihrerseits die zentrifu­ gale Belastung durch die entsprechenden Schrägrippen 36 und in die integralen ersten und dritten Spannenrippen 34a, c zum Schwalbenschwanzfuß 14 zu leiten.

Dementsprechend arbeiten die Schrägrippen 36 mit den Seitenwänden 16, 18 und den mehreren Spannenrippen 34 zusammen, um das Zentrifugallast-Führungsvermögen des stromlinienförmigen Abschnittes 12 zu verbessern, wenn dieser in einer serpentinen­ förmigen Mehretagen-Kreisanordnung aufgebaut ist. Die Schräg­ rippen 36 vergrößern auch die Torsionssteifigkeit des strom­ linienförmigen Abschnittes 12, um dessen Torsionsschwingungen einzuschränken.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ar­ beitet die Spannenrippe 34 mit der ersten Schrägrippe 36a zu­ sammen, um einen fünf Durchgänge aufweisenden ersten serpenti­ nenförmigen Kreis 38a als den Kreis der äußersten Etage zu bil­ den. Die zweite Schrägrippe 36b arbeitet mit entsprechenden Spannenrippen 34 zusammen, um einen weiteren, fünf Durchgänge aufweisenden serpentinenförmigen Kreis 38b als den radial in­ nersten Etagenkreis zu bilden. Weiterhin arbeiten die ersten und zweiten Schrägrippen 36a, b mit entsprechenden Spannenrippen 34 zusammen, um noch einen weiteren, fünf Durchgänge aufweisen­ den serpentinenförmigen Kreis 38c als einen mittleren Etagen­ kreis zu bilden. Der äußere Etagenkreis 38a ist zum größten Teil longitudinal über dem mittleren Etagenkreis 38c angeord­ net, der seinerseits zum größten Teil longitudinal oberhalb des inneren Etagenkreises 38b angeordnet ist.

Jeder der getrennten, fünf Durchgänge aufweisenden Kreise enthält vier entsprechende 180° Umkehrbögen oder -biegungen, durch die die Kühlluft 42 ihre Richtung mit signi­ fikanter Turbulenz und verbesserter Kühleffektivität ändert. Die äußeren Enden von den ersten, dritten und vierten Spannen­ rippen 34a, c, d arbeiten mit der Spitze 28 und ersten und zwei­ ten Schrägrippen 36a, b zusammen, um die entsprechenden ersten Kehrtwendungen zu bilden. Somit werden durch die drei getrenn­ ten serpentinenförmigen Kreise 38 zwölf Kehrtwendungen gebil­ det, was wesentlich mehr als die Anzahl von Kehrtwendungen ist, die in einem üblichen serpentinenförmigen Kreis ohne mehrere Etagen möglich ist.

Die verbesserte Kühleffektivität der serpentinenförmi­ gen Mehretagenkreise 38 steht nun mit einer verbesserten Fe­ stigkeit des stromlinienförmigen Abschnittes 12 selbst aufgrund der geneigten Rippen 36 zur Verfügung. Die Kühlluft 42 kann aus jedem der serpentinenförmigen Kreise 38 durch übliche Filmkühl­ löcher 44a abgegeben werden, die sich durch eine oder beide Seitenwände 16, 18 erstrecken, oder sie kann durch übliche Kühllöcher 44b an der Hinterkante ausgestoßen werden oder sie kann durch übliche Spitzenkühllöcher 44c abgegeben werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 arbeitet der obere serpentinenförmige Kreis 38a mit einem üblichen Prall­ kühlkreis zusammen, der die Filmkühllöcher an der Vorderkante des stromlinienförmigen Abschnitts speist. Der untere Kreis 38b arbeitet mit einem konventionellen Hinterkanten-Kühlkreis zu­ sammen, der die Kühllöcher an der Hinterkante speist. Auf Wunsch kann ein Auffrischloch am Ende des unteren Kreises 38b und am Beginn des Hinterkantenkreises hinzugefügt sein, um dem Letzteren zusätzliche Kühlluft direkt von dem Einlaß 40b zuzu­ führen. Weiterhin können die Kreise auch mit den Spitzenkühllö­ chern 44c zusammenarbeiten, die in einer üblichen Spitzenkap­ penkonfiguration für den stromlinienförmigen Abschnitt gefunden werden.

Die serpentinenförmigen Kreise 38 können auch in jeder geeigneten Kombination mit konventionellen Kühlmaßnahmen für Turbinenschaufeln verwendet werden, wozu verschiedene Formen von Innenrippen oder andere Verwirbler bzw. Turbulatoren gehö­ ren, die sich von der Innenseite der Seitenwände 16, 18 teil­ weise in den serpentinenförmigen Kreis erstrecken. Aufgrund der erhöhten Kühleffektivität der viele Kehrtwendungen aufweisenden Serpentinenkreise 38 können diese zusätzlichen, die Kühlung verstärkenden Merkmale reduziert oder eliminiert werden, was von dem speziellen Design abhängt.

In den Fig. 4 bis 6 ist die Turbinenschaufel 10 mit den Spannen- und Schrägrippen 34, 36 dargestellt, die in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung konfiguriert sind. In diesem Ausführungsbeispiel gehen mehrere erste Schrägrippen 36a von der ersten Spannenrippe 34a neben der Vorderkante aus und sind longitudinal im Abstand angeordnet und verlaufen parallel zueinander. Die erste Spannenrippe 34a erstreckt sich über die volle longitudinale Ausdehnung von dem Unterteil des Schwalben­ schwanzfußes 14 bis zur Basis der vertieften Schaufelspitze 28 in einem durchgehenden Lastpfad.

Die ersten Schrägrippen 36a arbeiten mit mehreren zwei­ ten Schrägrippen 36b zusammen, die von der zweiten Spannenrippe 34b ausgehen und die ebenfalls longitudinal im Abstand angeord­ net sind und parallel zueinander verlaufen, um dazwischen ent­ sprechende erste Schrägrippen 36a aufzunehmen und entsprechende Teile von den zwei serpentinenförmigen Kreisen 38a, b zu bilden.

Die ersten Schrägrippen 36a, die in den Fig. 4 und 6 gezeigt sind, verlaufen schräg nach oben von der Vorderkanten­ seite des stromlinienförmigen Abschnitts zu seiner Hinterkan­ tenseite zwischen seinem Fuß und seiner Spitze unter einem ge­ neigten Schrägwinkel A, der ebenfalls in dem bevorzugten Be­ reich von 30° bis 60° liegt. Abgesehen von der gemeinsamen Schrägrippe 36b, die einstückig mit den zweiten und dritten Spannenrippen 34b, c gebildet ist, um die zwei Kreise zu tren­ nen, sind die übrigen Schrägrippen 36a, b allein mit einer der Spannenrippen verbunden und enden kurz vor einer damit zusam­ menarbeitenden Spannenrippe, um entsprechende Strömungswendun­ gen zu bilden.

Genauer gesagt, enden die ersten Schrägrippen 36a vor der zweiten Spannenrippe 34b, und die zweiten Schrägrippen 36b enden hinter der ersten Spannenrippe 34a, um entsprechende 180° Kehrtwendungen oder Biegungen in den serpentinenförmigen Krei­ sen zu bilden. Die zweiten Schrägrippen 36b sind vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den ersten Schrägrippen 36a und verlaufen deshalb ebenfalls schräg nach oben von der Vorderkan­ tenseite des stromlinienförmigen Abschnitts zu seiner Hinter­ kantenseite.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist das Ober­ teil von der dritten Spannenrippe 34c einstückig mit dem Vorde­ rende von der gemeinsamen Schrägrippe 36b ausgebildet, um eine axiale Trennwand zwischen den zwei serpentinenförmigen Kreisen 38a, b zu bilden, die zum größten Teil in einer Mehretagen-Lon­ gitudinalanordnung angeordnet sind. Die vierte Spannenrippe 34d weist zusätzliche Schrägrippen auf, die mit zusätzlichen Schrägrippen am unteren Ende von der zweiten Spannenrippe 34b zusammenarbeiten. Eine zusätzliche Schrägrippe ist unterhalb der Schaufelspitze 28 vorgesehen.

Auf diese Weise verwendet jeder der serpentinenförmigen Kreise 38a, b entsprechende Schrägrippen 36, um getrennte, fünf Durchgänge aufweisende serpentinenförmige Kühlkreise mit je­ weils vier 180° Kehrtwendungen darin zu bilden. In dem oben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die Luft­ strömung 42 entweder radial nach oben oder radial nach unten ohne eine axiale Komponente zwischen den entsprechenden Kehrt­ wendungen geleitet.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird die Luft­ strömung 42 schräg geleitet mit sowohl axialen als auch radia­ len Komponenten zwischen den entsprechenden Kehrtwendungen. In beiden Ausführungsbeispielen vergrößern die zahlreichen Kehrt­ wendungen in signifikanter Weise die turbulente Strömung inner­ halb der serpentinenförmigen Kreise und ihre Kühleffektivität. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 leitet der erste ser­ pentinenförmige Kreis 38a die Luftströmung 42 von dem Einlaß 40c radial nach oben für einen Austritt durch die Schaufel­ spitze 28. Im Gegensatz dazu führt der zweite serpentinen­ förmige Kreis 38b die Luftströmung 42 zunächst von dem Einlaß 40b zu der Spannenmitte des stromlinienförmigen Abschnitts, von wo sie radial nach innen zurück zum Fuß 26 des stromlinienför­ migen Abschnitts geleitet wird, von wo sie in den Kühlkreis an der Hinterkante eintritt.

Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 enthält das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 eine gemeinsame zweite Schrägrippe 36b, die sich von der zweiten Spannenrippe 34b zur Mittelspannenrippe 34c erstreckt, um eine Trennwand zu bilden, die die unabhängigen ersten und zweiten serpentinenförmigen Kreise 38a, b trennt. Weiterhin ist der Kreis 38a der äußeren Etage in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ebenfalls zum größten Teil longitudinal oberhalb des inneren Etagenkreises 38b angeordnet, um den stromlinienförmigen Abschnitt 12 longi­ tudinal unterschiedlich zu kühlen.

Fig. 7 stellt die Turbinenschaufel 10 in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, das zum größten Teil dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ähnlich ist, außer daß die Schrägrippen 36a, b von den Vorder- zu den Hinterkanten und zwi­ schen der Spitze 28 und dem Fuß 26 schräg nach unten verlaufen anstatt nach oben, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Auf diese Weise sind wiederum zwei serpentinenförmige Kühlkreise 38a, b mit fünf Durchgängen gebildet, die jeweils vier 180° Kehrtwen­ dungen darin enthalten.

Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 leitet der obere Etagenkreis 38a die Kühlluft 42 zu der Schaufelspitze 28, die dann durch ein Spitzenloch 44c abgegeben werden kann. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist das Spitzenloch 44c benachbart zu der ersten Spannenrippe 34a auf der Vorderkanten­ seite des stromlinienförmigen Abschnittes angeordnet, wogegen in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 das Spitzenloch 44c benachbart zu der zweiten Spannenrippe 34b nahe der Hinterkan­ tenseite des stromlinienförmigen Abschnitts angeordnet ist. Durch Abgeben der Kühlströmung 42 nahe der Schaufelhinterkante 22 wird der kleinere externe Gasdruck in diesem Bereich die Ef­ fektivität der Kühlluft vergrößern, die durch den oberen Kreis 38a geleitet wird. Der untere Kreis 38b ist in beiden Ausfüh­ rungsbeispielen, die in den Fig. 4 und 7 dargestellt sind, ähnlich, abgesehen von der Rippenneigung.

Die Erfindung wurde zwar in bezug auf das Beispiel ei­ ner Turbinenschaufel 10, die in den Figuren dargestellt ist, beschrieben, sie kann aber auch für Turbinendüsenschaufeln verwendet werden, die ähnliche stromlinienförmige Abschnitte haben, die Nutzen ziehen können aus ihrer bevorzugten spannen­ weisen Kühlung für eine bessere Anpassung der radial ausgeübten Temperaturverteilung von den Verbrennungsgasen 32.

Die oben beschriebenen serpentinenförmigen Schrägeta­ gen-Kühlanordnungen sorgen für Vorteile der bevorzugten span­ nenweisen Kühlung, um die Ausnutzung von Kühlluft zu optimieren und eine wünschenswertere Metalltemperaturverteilung des strom­ linienförmigen Abschnitts 12 zu erzielen. Obwohl zwei oder drei serpentinenförmige Etagenkreise beschrieben worden sind, können auch andere Konfigurationen verwendet werden, was von dem De­ sign und dem verfügbaren Kühlluftdruck abhängt. Die serpenti­ nenförmigen Mehretagen-Kühlkreise 38 können auf einfache Weise gefertigt werden unter Verwendung üblicher Gießtechniken, wie sie für übliche serpentinenförmige Kanäle mit mehreren Durch­ gängen verwendet werden.

Claims (16)

1. Turbinenschaufel enthaltend:
erste und zweite Seitenwände (16, 18), die an in Seh­ nenrichtung im Abstand angeordneten Vorder- und Hinterkanten (20, 22) miteinander verbunden sind und sich longitudinal von einem Fuß (26) zu einer Spitze (28) erstrecken, wobei die Sei­ tenwände zwischen den Vorder- und Hinterkanten (20, 22) im Ab­ stand angeordnet und durch mehrere innere Rippen miteinander verbunden sind, die einen serpentinenförmigen Kühlkreis (38) bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen eine Spannen­ rippe (34), die sich longitudinal zwischen dem Fuß (26) und der Spitze (28) erstreckt, und eine Schrägrippe (36) aufweisen, die schräg zu der Spannenrippe (34) verläuft und entsprechende Ab­ schnitte von dem serpentinenförmigen Kreis (38) longitudinal oberhalb und unterhalb der Schrägrippe (36) bildet.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Schrägrippen (36) longitudinal im Ab­ stand zueinander angeordnet sind und schräg zu der Spannenrippe (34) verlaufen und im wesentlichen parallel zueinander sind.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der Schrägrippen (36a) einstückig von der Spannenrippe (34a) ausgeht.

4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, wobei eine zweite Schrägrippe (36b) im Abstand von der Spannenrippe (34a) angeordnet ist und dazwischen einen Abschnitt von dem serpenti­ nenförmigen Kreis (38) bildet.

5. Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Spannenrippen (34) in Sehnenrichtung im Abstand angeordnet sind und mehrere Schrägrippen (36) ein­ stückig von entsprechenden Spannenrippen (34) ausgehen.

6. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine erste der Spannenrippen (34a) von dem Fuß (26) longitudinal verläuft und benachbart zu der Spitze (28) endet, und eine zweite der Spannenrippen (34b) longitudinal von der Spitze (28) ausgeht und benachbart zu dem Fuß (30) endet.

7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Spannenrippe (34a) benachbart zur Vorderkante (20) angeordnet ist, wobei die erste Schrägrippe (36a) sich von ihr in Richtung auf die Hinterkante (22) er­ streckt, und die zweite Spannenrippe (34b) benachbart zur Hinter­ kante (22) angeordnet ist, wobei sich die zweite Schrägrippe (36b) von ihr in Richtung auf die Vorderkante (20) erstreckt.

8. Turbinenschaufel nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den ersten und zweiten Spannenrippen (34a, b) mittlere Spannenrippen (34c) angeordnet sind, die mit den ersten und zweiten Schrägrippen (36a, b) zusammenarbeiten und entsprechende Abschnitte von dem serpentinenförmigen Kreis (38) bilden.

9. Turbinenschaufel nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mittleren Spannenrippen (34) durch die Schrägrippen (36) gegabelt sind und einige einstückig damit ausgebildet sind.

10. Turbinenschaufel nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die zweite Schrägrippe (36b) von der zweiten Spannenrippe (34b) zu einer dritten Spannenrippe (34c) erstreckt, die im Abstand zwischen den ersten und zweiten Span­ nenrippen (34a, b) angeordnet ist und zwei unabhängige serpenti­ nenförmigen Kreise (38a, b) bildet.

11. Turbinenschaufel nach Anspruch 10, wobei die zwei serpentinenförmigen Kreise einen äußeren Etagenkreis (38a) aufweisen, der teilweise longitudinal über einem inneren Eta­ genkreis (38b) angeordnet ist für eine longitudinal unter­ schiedliche Kühlung der Schaufel.

12. Turbinenschaufel nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere erste Schrägrippen (36a) von der er­ sten Spannenrippe (34a) ausgehen und longitudinal im Abstand angeordnet sind, und mehrere zweite Schrägrippen (36b) von der zweiten Span­ nenrippe (34b) ausgehen und longitudinal im Abstand angeordnet sind und dazwischen entsprechende erste Schrägrippen (36a) auf­ nehmen zur Bildung entsprechender Abschnitte von dem serpenti­ nenförmigen Kreis (38).

13. Turbinenschaufel nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die zweite Schrägrippe (36b) von der zweiten Spannenrippe (34b) zu einer dritten Spannenrippe (34c) erstreckt, die im Abstand zwischen den ersten und zweiten Span­ nenrippen (34a, b) angeordnet ist und zwei unabhängige serpenti­ nenförmige Kreise (38a, b) bildet.

14. Turbinenschaufel nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zwei serpentinenförmigen Kreise einen äu­ ßeren Etagenkreis (38a) aufweisen, der teilweise longitudinal über einem inneren Etagenkreis (38b) angeordnet ist für eine longitudinal unterschiedliche Kühlung der Schaufel.

15. Turbinenschaufel nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die ersten und zweiten Schrägrippen (36a, b) von der Vorderkante (20) schräg nach oben zur Hinter­ kante (22) zwischen dem Fuß (26) und der Spitze (28) erstrec­ ken.

16. Turbinenschaufel nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die ersten und zweiten Schrägrippen (36a, b) von der Vorderkante (20) schräg nach unten zur Hinter­ kante (22) zwischen der Spitze (28) und dem Fuß (26) er­ strecken.