DE19859785C2 - Turbinenschaufel - Google Patents
TurbinenschaufelInfo
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- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartige
Turbinenschaufel ist aus der US-PS 4 416 585 bekannt.
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 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 gesteuert werden. Filmkühllöcher sollten geeignete Blas
verhältnisse aufweisen, um auf wirksamste Weise eine Schutz
schicht aus Filmkühlluft über der Schaufeloberfläche ohne Strö
mungsablösung 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 die Schaufellänge kann Kühlluft direkt zu dem
Mittelabschnitt 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 Spannrippen 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 Spann
rippe den Lastpfad zum Führen von Zentrifugalbelastungen des
stromlinienförmigen Abschnittes zum Schwalbenschwanz und von
dort zur Rotorscheibe, die den stromlinienförmigen Abschnitt
trägt.
Wie bei der Schaufel gemäß der eingangs genennten US-PS
4 416 585 müssen die zentrifugalen Belastungen dann allein
durch entsprechende Abschnitte von den Druck- und Saugseiten
des stromlinienförmigen Abschnittes geführt werden, die im By
pass um die Spannenunterbrechung herumführen, was lokale
Spannungskonzentrationen zur Folge hat, die die nutzbare Le
bensdauer des stromlinienförmigen Abschnittes beeinträchtigen.
Weiterhin führt eine axial verlaufende Etagentrennrippe effek
tiv mehr totes Gewicht ohne signifikante Lastabstützung ein,
und die daraus entstehenden zentrifugalen Belastungen müssen
ebenfalls durch die benachbarten Abschnitte des stromlinienför
migen 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.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden
nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs
beispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein axialer Schnitt von einer Turbinen
schaufel gemäß einem Ausführungsbeispiel für ein Gasturbinen
triebwerk mit einem stromlinienförmigen Abschnitt, der serpen
tinenförmige Mehretagen-Kühlkreise darin verwendet.
Fig. 2 ist ein Lateralschnitt durch die in Fig. 1
dargestellte Schaufel entlang der Linie 2-2.
Fig. 3 ist ein radialer Schnitt durch die in Fig. 1
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
Teil des in Fig. 4 dargestellten stromlinienförmigen Abschnit
tes, 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
nenlaufschaufel 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 in Längsrichtung oder entlang ei
ner radialen Achse 24 in der Richtung der Spanne des stromlini
enförmigen Abschnitts 12 von einem radial inneren Fuß 26 zu ei
ner radial äußeren Spitze 28. Der Fuß 26 ist an einer üblichen
Plattform 30 gebildet, die die innere Strömungsbegrenzung des
stromlinienförmigen Abschnittes 12 bildet und unter dem sich
der Schwalbenschwanzfuß 14 erstreckt.
Während des Betriebs der Schaufel 10 werden durch eine
Brennkammer (nicht gezeigt) Verbrennungsgase 32 erzeugt, die
stromabwärts über beide Schaufelseitenwände 16 und 18 strömen.
Das radiale oder in Längsrichtung verlaufende Temperaturprofil
der Verbrennungsgase 32 hat üblicherweise eine Mittelspitze
nahe dem Mittelspannenbereich des stromlinienförmigen Ab
schnitts von etwa 50% bis etwa 80% seiner Spanne. Sekundäre
Strömungsfelder zwischen benachbarten stromlinienförmigen Ab
schnitten 12 können bewirken, daß sich das Temperaturprofil ra
dial nach außen über die Druckseitenwand 16 verschiebt radial
nach außen über einen Bereich von etwa 70% bis etwa 85% der ra
dialen Höhe oder Spanne des stromlinienförmigen Abschnitts 12.
Dementsprechend erfährt die Druckseitenwand 16 ihre größte Wär
mezufuhr oder Belastung über dem Mittelspannenbereich in der
70% bis 85% Spannenhöhe.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine be
vorzugte radiale oder spannenweise Kühlung des stromlinienför
migen Abschnittes 12 herbeigeführt, um die Verteilung seiner
Wärmebelastung von den Verbrennungsgasen 32 besser anzupassen.
Obwohl in den Figuren als Beispiel eine Laufschaufel 10 von ei
ner Gasturbine dargestellt ist, können in gleicher Weise
Turbinenleitschaufeln mit ähnlichen stromlinienförmigen Ab
schnitten angewendet werden, die in ähnlicher Weise gemäß Aus
führungsbeispielen der Erfindung 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 innere Spannen-
und Schrägrippen 34, 36. Diese Rippen bilden wenigstens einen
und vorzugsweise zwei oder mehr unabhängige serpentinenförmige
Kühlkanäle oder -kreise 38, die teilweise in unterschiedlichen
Decks oder Etagen angeordnet sind, wobei ein äußerer serpen
tinenförmiger Etagenkreis 38a teilweises in Längsrichtung oder
radial über einem inneren serpentinenförmigen Etagenkreis 38b
angeordnet ist, um den stromlinienförmigen Abschnitt 12 in
Längsrichtung unterschiedlich zu kühlen, damit er besser an die
ausgeübten Wärmebelastungen durch die Verbrennungsgase 32 ange
passt ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein mittlerer serpentinenförmiger Etagenkreis 38c in Längs
richtung zwischen den äußeren und inneren Etagen in einer
Dreietagenkonfiguration angeordnet.
Jeder der drei serpentinenförmigen Kühlkreise 38a-c
enthält 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
Verdichter (nicht gezeigt) zu den Einlässen 40a-c geleitet, um
den stromlinienförmigen Abschnitt zu kühlen. Die in Fig. 1
dargestellten serpentinenförmigen Mehretagenkreise 38a-c erzie
len die Kühlvorteile, die in dem US-Patent 5 591 007 beschrie
ben sind, und können vorzugsweise konfiguriert werden, um un
terschiedliche Teile von dem stromlinienförmigen Abschnitt lo
kal 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 Spannrippen 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 Spannrippen 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 in Längsrichtung ver
laufende Mittelachse, die unter dem Neigungswinkel A angeordnet
ist. Der Neigungswinkel A liegt in dem bevorzugten Bereich von
30° bis 60°, um das Überbrückungsvermögen für zentrifugale Be
lastungen von den Schrägrippen zu maximieren, während eine ver
stärkte Serpentinen-Kühlwirkung damit erhalten wird.
Die Schrägrippen 36 bilden entsprechende Abschnitte von
den serpentinenförmigen Kühlkreisen 38 in Längsrichtung ober
halb und unterhalb der Schrägrippen 36, während auch für ein
zusätzliches Zentrifugallast-Führungsvermögen in dem stromlini
enförmigen Abschnitt in Zusammenarbeit mit den Seitenwänden 16,
18 gesorgt wird. Eine Orientierung der Schrägrippen 36 senk
recht zu den Spannrippen 34 mit einem Winkel A von 90° ist
nicht bevorzugt, weil diese Orientierung lediglich für zusätz
liches totes Gewicht sorgt, das allein durch das angrenzende
Material getragen werden muß. Durch Neigen der Schrägrippen 36
über einen ausgedehnten, sich in Längsrichtung erstreckenden
Bereich sorgen sie für eine zusätzliche strukturelle Stütze
zwischen den Seitenwänden 16, 18, um das Zentrifugallast-Füh
rungsvermögen des stromlinienförmigen Abschnitts 10 zu verbes
sern.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind mehrere
Spannrippen 34 in Sehnenrichtung im Abstand angeordnet und meh
rere Schrägrippen 36 sind in Längsrichtung im Abstand angeord
net. Die Schrägrippen 36 gehen einstückig von entsprechenden
Spannrippen 34 aus. Weiterhin verlaufen die mehreren Schräg
rippen 36 unter einer Neigung zu den mehreren Spannrippen 34
und sind im wesentlichen parallel zueinander. In dieser Anord
nung wird das Zentrifugallast-Führungsvermögen des stromlinien
förmigen Abschnitts 12 in Längsrichtung unterbrochen durch die
Schrägrippen 36, aber durch das schräge Neigen der Schrägrippen
36 in radialer Richtung wird ein Teil des unterbrochenen Last
führungsvermögens beibehalten.
Die in Fig. 1 dargestellten mehreren Spannrippen ent
halten vorzugsweise eine erste Spannrippe 34a, die neben der
Schaufelvorderkante 20 angeordnet ist und in Längsrichtung von
wenigstens dem Fuß 26 des stromlinienförmigen Abschnitts aus
geht und neben der Spitze 28 des stromlinienförmigen Abschnitts
endet. Das Oberteil von der ersten Spannrippe 34a ist unmit
telbar unter der Spitze 28 angeordnet, um die erste Strömungs
umkehr des ersten Kühlkreises 38a zu bilden. Die erste Spann
rippe 34a erstreckt sich zur Unterseite des Schwalbenschwanzfu
ßes 14 in einem durchgehenden Teil, um für ein durchgehendes
Zentrifugallast-Führungsvermögen in den Schwalbenschwanzfuß 14
zu sorgen.
Eine zweite Spannrippe 34b ist neben der Hinterkante 22
angeordnet und geht in Längsrichtung von der Spitze 28 aus und
endet neben dem Fuß 30. Die zweite Spannrippe 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 Spannrippe 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 Spannrippe 34b in Richtung auf die Vorderkante 20
aus und ist in Sehnenrichtung im Abstand von der ersten Spann
rippe 34a angeordnet, um dazwischen einen Teil des serpentinen
förmigen Kühlkreises zu bilden.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
eine mittlere oder dritte Spannrippe 34c in Sehnenrichtung zwi
schen den ersten und zweiten Spannrippen 34a, b angeordnet und
arbeitet mit den ersten und zweiten Schrägrippen 36a, b zu
sammen, um entsprechende Teile von den mehreren serpentinenför
migen Kühlkreisen 38 zu bilden. Die mittlere Spannrippe 34c er
streckt sich kontinuierlich nach oben von der Unterseite des
Schwalbenschwanzfußes 14 zum Fuß 26 und endet etwa in Spann
mitte unterhalb der oberen Schrägrippe 36a. Die unteren Teile
von der ersten und mittleren Spannrippe 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 mit verschiedenen Spannrip
pen 34 zusammen, um drei unabhängige und serpentinenförmige
Mehretagenkreise 38a-c zu bilden, die alle von entsprechenden
Einlaßkanälen 40a-c innerhalb des Schwalbenschwanzfußes 14 ge
speist werden. Jeder Einlaßkanal liefert deshalb frische Kühl
luft direkt zu dem getrennten serpentinenförmigen Kühlkreis, um
die Kühleffektivität an jedem der Teilspannenbereiche des
stromlinienförmigen Abschnittes zu verbessern, die durch die
entsprechenden serpentinenförmigen Kühlkreise 38 überdeckt wer
den. Zusätzliche, mittlere Spannrippen 34 sind durch die
Schrägrippen 36 gegabelt, während einige der mittleren Spann
rippen einstückig mit den Schrägrippen 36 sind.
In dieser Anordnung werden zentrifugale Belastungen
durch die mehreren Spannrippen 34 und die Seitenwände 16, 18
des stromlinienförmigen Abschnittes radial nach unten zu dem
Schaufelfuß 14 geleitet. Wo einige der Spannrippen 34 durch die
Schrägrippen 36 gegabelt sind, werden die zentrifugalen Be
lastungen um die Spannrippenunterbrechungen herum und zu den
überbrückenden Seitenwänden 16, 18 abgeleitet. Die zentrifuga
len Belastungen werden durch die Schrägrippen 36 auch in Längs
richtung abgeführt aufgrund ihrer Neigung in Längsrichtung, um
die Spannrippenunterbrechungen zusätzlich zu überbrücken.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1
dargestellt ist, ist die erste Schrägrippe 36a an ihren beiden
gegenüberliegenden axialen Enden einstückig mit entsprechenden
Spannrippen 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 Spannrippen 34b, c in einem weite
ren durchgehenden Lastpfad zwischen der Schaufelspitze 28 und
dem Schwalbenschwanzfuß 14 verbunden. Die mehreren mittleren
Spannrippen 34 führen entsprechende Teile von der zentrifugalen
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 Spannrippen 34a, c zum
Schwalbenschwanzfuß 14 zu leiten.
Dementsprechend arbeiten die Schrägrippen 36 mit den
Seitenwänden 16, 18 und den mehreren Spannrippen 34 zusammen,
um das Zentrifugallast-Führungsvermögen des stromlinienförmigen
Abschnittes 12 zu verbessern, wenn dieser in einer serpentinen
förmigen Mehretagen-Kühlkreisanordnung aufgebaut ist. Die
Schrägrippen 36 vergrößern auch die Torsionssteifigkeit des
stromlinienförmigen Abschnittes 12, um dessen Torsionsschwin
gungen einzuschränken.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ar
beitet die Spannrippe 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
Spannrippen 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 Spannrippen
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 in Längsrichtung über dem mittleren Etagenkreis 38c ange
ordnet, der seinerseits zum größten Teil in Längsrichtung ober
halb 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 Spann
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 Kühlkreise 38 können auch in
jeder geeigneten Kombination mit konventionellen Kühlmaßnahmen
für Turbinenschaufeln verwendet werden, wozu verschiedene For
men von Innenrippen oder andere Verwirbler bzw. Turbulatoren
gehören, die sich von der Innenseite der Seitenwände 16, 18
teilweise in den serpentinenförmigen Kühlkreis erstrecken. Auf
grund 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 Spann- 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 Spannrippe 34a neben der Vorderkante aus und
sind in Längsrichtung im Abstand angeordnet und verlaufen par
allel zueinander. Die erste Spannrippe 34a erstreckt sich über
die volle Längsausdehnung 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 Spannrippe
34b ausgehen und die ebenfalls in Längsrichtung im Abstand
angeordnet sind und parallel zueinander verlaufen, um dazwi
schen entsprechende erste Schrägrippen 36a aufzunehmen und ent
sprechende 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
Spannrippen 34b, c gebildet ist, um die zwei Kreise zu trennen,
sind die übrigen Schrägrippen 36a, b allein mit einer der Spann
rippen verbunden und enden kurz vor einer damit zusammen
arbeitenden Spannrippe, um entsprechende Strömungswendungen zu
bilden.
Genauer gesagt, enden die ersten Schrägrippen 36a vor
der zweiten Spannrippe 34b, und die zweiten Schrägrippen 36b
enden hinter der ersten Spannrippe 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 Spannrippe 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-In
Längsrichtunganordnung angeordnet sind. Die vierte Spannrippe
34d weist zusätzliche Schrägrippen auf, die mit zusätzlichen
Schrägrippen am unteren Ende von der zweiten Spannrippe 34b zu
sammenarbeiten. Eine zusätzliche Schrägrippe ist unterhalb der
Schaufelspitze 28 vorgesehen.
Auf diese Weise verwendet jeder der serpentinenförmigen
Kühlkreise 38a, b entsprechende Schrägrippen 36, um getrennte,
fünf Durchgänge aufweisende serpentinenförmige Kühlkreise mit
jeweils vier 180° Kehrtwendungen darin zu bilden. In dem oben
beschriebenen 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 Spannmitte 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 Spannrippe 34b zur
MittelSpannrippe 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 in Längsrichtung oberhalb des inneren Etagen
kreises 38b angeordnet, um den stromlinienförmigen Abschnitt 12
in Längsrichtung 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 Spannrippe 34a auf der Vorderkanten
seite des stromlinienförmigen Abschnittes angeordnet, wogegen
in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 das Spitzenloch 44c
benachbart zu der zweiten Spannrippe 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 ver
wendet werden, die ähnliche stromlinienförmige Abschnitte ha
ben, 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 (14)
1. Turbinenschaufel mit ersten und zweiten Seiten
wänden (16, 18), die an in Sehnenrichtung im Abstand angeordne
ten Vorder- und Hinterkanten (20, 22) miteinander verbunden
sind und sich in Längsrichtung von einem Fuß (26) zu einer
Spitze (28) erstrecken, wobei die Seitenwände zwischen den Vor
der- und Hinterkanten (20, 22) im Abstand angeordnet und durch
mehrere innere Rippen miteinander verbunden sind, die sich zur
Bildung wenigstens eines serpentinenförmigen Kühlkreises (38)
in Längsrichtung zwischen dem Schaufelfuß (26) und der
Schaufelspitze (28) erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen wenigstens eine
Spannrippe (34), die sich in Längsrichtung zwischen dem Schau
felfuß (26) und der Schaufelspitze (28) erstreckt, und wenigs
tens eine Schrägrippe (36) aufweisen, die mit der Spannrippe
(34) verbunden ist, schräg zu dieser verläuft und in Längs
richtung oberhalb und unterhalb der Schrägrippe (36) entsprech
ende Abschnitte von dem serpentinenförmigen Kühlkreis (38)
bildet, wobei die Spannrippe (34) und die Schrägrippe (36) ohne
Unterbrechung des Rippenmaterials zwischen dem Schaufelfuß (26)
und der Schaufelspitze (28) verlaufen.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß mehrere Schrägrippen (36) in Längsrichtung im
Abstand zueinander angeordnet sind und schräg zu der Spannrippe
(34) verlaufen und im wesentlichen parallel zueinander sind.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine der Schrägrippen (36a) einstückig von
der Spannrippe (34a) ausgeht.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, wobei eine
zweite Schrägrippe (36b) im Abstand von der Spannrippe (34a)
angeordnet ist und dazwischen einen Abschnitt von dem serpenti
nenförmigen Kreis (38) bildet.
5. Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß mehrere Spannrippen (34) in Sehnenrichtung im
Abstand angeordnet sind und mehrere Schrägrippen (36) ein
stückig von entsprechenden Spannrippen (34) ausgehen.
6. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine erste der Spannrippen (34a) von dem Fuß
(26) in Längsrichtung verläuft und benachbart zu der Spitze
(28) endet, und
eine zweite der Spannrippen (34b) in Längsrichtung von
der Spitze (28) ausgeht und benachbart zu dem Fuß (26) endet.
7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erste Spannrippe (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 Spannrippe (34b) benachbart zur Hinterkante
(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 Spannrippen
(34a, b) mittlere Spannrippen (34c) angeordnet sind, die mit den
ersten und zweiten Schrägrippen (36a, b) zusammenarbeiten und
entsprechende Abschnitte von dem serpentinenförmigen Kühlkreis
(38) bilden.
9. Turbinenschaufel nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die mittleren Spannrippen (34) durch die
Schrägrippen (36) gegabelt sind und einige einstückig damit
ausgebildet sind.
10. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste Schrägrippen (36a)
von der ersten Spannrippe (34a) ausgehen und in Längsrichtung
im Abstand angeordnet sind, und
mehrere zweite Schrägrippen (36b) von der zweiten
Spannrippe (34b) ausgehen und in Längsrichtung im Abstand ange
ordnet sind und dazwischen entsprechende erste Schrägrippen
(36a) aufnehmen zur Bildung entsprechender Abschnitte von dem
serpentinenförmigen Kühlkreis (38).
11. Turbinenschaufel nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich die zweite Schrägrippe (36b) von der
zweiten Spannrippe (34b) zu einer dritten Spannrippe (34c) er
streckt, die im Abstand zwischen den ersten und zweiten Spann
rippen (34a, b) angeordnet ist und zwei unabhängige serpenti
nenförmige Kreise (38a, b) bildet.
12. Turbinenschaufel nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die zwei serpentinenförmigen Kreise einen äu
ßeren Etagenkreis (38a) aufweisen, der teilweise in Längsrich
tung über einem inneren Etagenkreis (38b) angeordnet ist für
eine in Längsrichtung unterschiedliche Kühlung der Schaufel.
13. Turbinenschaufel nach Anspruch 10, 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.
14. Turbinenschaufel nach Anspruch 10, 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.
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