DE2031917B2

DE2031917B2 - Gasgekühlte Schaufel einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE2031917B2
Application number: DE2031917A
Authority: DE
Inventors: Richard Wayne Brown; Frederick Burggraf; Herbert Edward Nichols; James Edgar Sidenstick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-10-01
Filing date: 1970-06-27
Publication date: 1973-11-22
Also published as: US3628885A; IL34978A; CA927750A; DE2031917C3; GB1303034A; IL34978A0; BE752753A; DE2031917A1; FR2065822A5

Description

a) das Einsatzteil ist an seinem einen Ende durch einen ersten Kühlmittelstrom beaufschlagt, wobei sein anderes Ende verschlossen ist;

b) ein Einlaßabschnitt für die gemeinsame Kühlmittelzufuhr zu einem serpentinenförmigen Kühlkanal und zur Austrittskantenkammer ist von der Eintrittskantenkammer vollkommen getrennt und durch einen zweiten Kühlmittelstrom beaufschlagbar, der vom ersten Kühlmittelstrom unabhängig ist;

c) der serpentinenförmige Kühlkanal ist zwischen Eintrittskantenkammer und Einlaßabschnitt gelegen und mit Leitwänden versehen, die in

Schaufellängsrichtung verlaufend sich zwischen den Seitenwänden der Schaufel erstrecken;

d) die Eintrittskantenkammer, die Austrittskantenkammer und der serpentinenförmige Kühlkanal sind über Öffnungen in der Schaufelspitze mit dem Arbeitsmittelkanal der Strömungsmaschine verbunden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform enthält an einem der Enden der Schaufel zwei getrennte Zuführungskammern zur Zuführun _r von dem ersien Kühlmittelstrom zu der Einlaßöffnung des Einsatzteils bzw. von dem zweiten Kühlmittelstrom zum Einl.aßabschuitt.

Die Schaufel kann öffnungen in mindestens einer Seitenwand aufweisen, die mit der Eintrittskantenkammer in Verbindung stehen zur Frzeugung eines Kühlmittelfilms längs der äußeren Oberfläche der Seitenwand. Vorzugsweise enthalten die Seitenwände, welche den serpentinenförmigen Kühlkanal begrenzen, rippenähnliche Elemente, um eine Turbulenz in der Grenzschicht des Küblgases zu fördern, damit der Wärmeübergang in dem axialen Mittelabschnitt der Schaufel vergrößert wird. a₅

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Schaufel,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linien 3-3 in Fig. 1.

Die Schaufel enthält einen Profilteil 12 und einen Befestigungs- oder Fußteil 14, der zur Befestigung der Schaufel dient. Dabei erstreckt sich der Profilteil 12 radial durch einen Arbeitsmittelkanal.

Der Profilteil 12 hat eine Eintrittskante 20 und eine im Abstand angeordnete Austrittskante 22, die durch konvexe und konkave Seitenwände 24 bzw. 26 miteinander verbunden sind.

Die Schaufel ist als ein hohles Gußstück mit einem offenen Innenende 30 und einem Außenende 32 versehen. Das Außenende 32 ist durch eine Verschlußkappe 34 an der Schaufelspitze verschlossen.

Der Fuß- oder Befestigungsteil 14 ist mit Zuführungskammern 35, 36 ausgestattet, um durch das offene Innenende 30 hindurch einen Kühlgasstrom aufzunehmen. Eine Eintrittskantenkammer 38 verläuft in Längsrichtung des Profilteils 12 und wird von dem Gußstück und der Verschlußkappe 34 begrenzt. Um für eine wirksame Kühlung der Eintrittskante 20 zu sorgen, ist ein Einsatzteil 40 vorgesehen, das mit dem Kühlgas in der Zuführungskammer 35 strömungsmäßig in Verbindung steht, um das Kühlgas als eine Vielzahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit wenigstens gegen den vordersten Abschnitt der Wandung der Eintrittskantenkammer 38 aufprallen zu lassen. Die Wände des Einsatzteils 40 sind in geringem Abstand zu den Wänden der Eintrittskantenkammer 38 angeordnet. Der Einsatzteil 40 ist mit einem geschlossenen Außenende 44 und einer Einlaßöffnung 46 versehen, die strömungsmäßig mit der Zuführungskammer 35 für das Kühlgas in Verbindung steht. Der Einsatzteil 40 ist mit zahl.eichen kleinen öffnungen 49 versehen. Durch diese Öffnungen 49 hindurch tritt das Kühlgas aus und prallt unter Bildung einer Vielzahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit auf die Eintnttskantenkammerwandung.

Um für eine Kühlung des Bereiches an der Austrittskante der Schaufel zu sorgen, wird eine Austrittskantenkammer 54 vorgesehen, die sich in Längsrichtung des Profilteils 12 nahe seiner Austrittskante 22 erstreckt; sie wird gemeinsam durch das hohle Gußstück und die Verschlußkappe 34 an der Schaufelspitze gebildet.

Ein serpentinenförmiger Kühlkanal 58 für das Kühlmittel ist in dem Mir ^bereich des Profiltc'ls 12 bzw. zwischen der Eintrittskantenkammer 38 und der Austrittskantenkammer 54 durch einen in Längsrichtung verlaufenden Einlaßabschnitt 56 und zahlreiche in Längsrichtung verlaufende Abschnitte des Kühltvanals 58 gebildet, die durch abwechselnd außen und innen liegende Durchlässe oder Öffnungen 60 bzw. 62 der Reihe nach miteinander verbunden sind. Der Einlaßabschnitt 56 befindet sich benachbart zur Austrittskantenkammer 54 und ist an seinem inneren Ende 64 offen, so daß er strömungsmäßig mit der Zuführungskammer 36 verbunden ist.

Das Kühlgas wird der Austrittskantenkammer 54 vorzugsweise von der dem Einlaßabschnitt 56 durch zahlreiche in Längsrichtung mit Abstand angeordnete öffnungen 66 zugeführt, welche in der Zwischenwand ausgebildet sind.

Um eine weitere Kühlung der Aust-Htskante zu erhalten und um Mittel zu schaffen, damit das Kühlmittel aus der Austrittskantenkammer 54 ausströmen kann, sind zahlreiche, durch die Austrittskante 22 hindurchführende Öffnungen 70 ausgebildet.

Um den konvektiven Wäimeübergangskoeffizienten zwischen den Seitenwänden 24, 26 und dem Kühlgas während dessen Strömeng dtrch den serpentinenförmigen Kühlkanal 58 zu erhöhen, sind die Seitenwände vorzugsweise mit zahlreichen, die Turbulenz unterstützenden rippenähnlichen Elementen 72 versehen, die in Längsrichtung mit Abstand angeordnet sind, axial verlaufen und in den Einlaßabschnitt 56 und den Kühlkanal 58 hineinragen.

Um für eine zusätzliche Kühlung des Mittelbereiches der Schaufel zu sorgen, können öffnungen 74 vorgesehen sein, die mit der E^;ntrittskantenkammer 38 in Verbindung stehen und einen Kühlmittelfilm längs der äußeren Oberfläche der Seitenwände der Schaufel liefern.

Wie aua F i g. 1 hervorgeht, ist die Verschlußkappe 34 an der Schaufelspitze vorzugsweise mit zahlreichen öffnungen 76 versehen, durch die das Kühlmittel austreten kann, um eine Kühlung des Außenendes der Schaufel zu bewirken und um die Dichtung zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse zu verbessern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasgekühlte Schaufel einer Strömungsmaschine, die eine Eintrittskantenkammer mit einem dünnwandigen Einsatzteil aufweist, dessen Inneres über eine Mehrzahl von Öffnungen im Bereich der Eintrittskante mit der Eintrittskaiuciikammer verbunden ist und die außerdem eine Austrittskantenkammer besitzt, mit Öffnungen in der Seitenwand der Schaufel zur Verbindung der Eintrittskantenkammer und der Austrittskantenkammer mit dem Arbeitsmittelkanal der Strömungsmaschine, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: »5

a) das Einsatzteil (40) ist an seinem einen Ende durch einen ersten Kühlmittelstrom beaufschlagt, wobei sein anderes Ende verschlossen ist;

b) ein Einlaßabschnitt (56) für die gemeinsame Kühlmittelzufuhr zu einem serpentinenförmigen Kühlkanal (58) und zur Austrittskantenkammer (54) ist von der Eintrittskantenkammer (38) vollkommen getrennt und durch einen zweiten Kühlmittelstrom beaufschlagbar, der vom ersten Kühlmittelstrom unabhängig ist;

c) der serpentinenf.irmige Kühlkanal (58) ist zwischen Eintrittskantenkammer (38) und Einlaßabschnitt (56) gele^ ;n und mit Leitwänden versehen, die in Schaufellängsrichtung verlaufend sich zwischen den Seitenwänden der Schaufel erstrecken;

d) die Eintrittskantenkammer (38), die Austrittskantenkammer (54) und der serpentinenförmige Kühlkanal (58) sind über öffnungen (76) in der Schaufelspitze mit dem Arbeit: mittelkanal der Strömungsmaschine verbunden.

2. Gasgekühlte Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einem ihrer Enden zwei getrennte Zuführungskammern (35, 36) enthält zur Zuführung von dem ersten Kühlmittelstrom zu der Einlaßöffnung (46) des Ein-Satzteils (40) bzw. von dem zweiten Kühlmittelstrom zum Einlaßabschnitt (56).

3. Gasgekühlte Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Seitenwänden, welche den serpentinenförmigen Kühlkanal (58) begrenzen, rippenähnliche Elemente (72) angebracht sind.

4. Gasgekühlte Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß öffnungen (74) in mindestens einer Seitenwand (26) der Schaufel vorgesehen sind, die mit der Eintrittskantenkammer (38) in Verbindung stehen zur Erzeugung eines Kühlmittelfilms längs der äußeren Oberfläche der Seitenwand (26).

5. Gasgekühlte Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,, daß sie öffnungen (70) besitzt, welche sich durch die Austrittskante (22) der Schaufel erstrecken und mit der Austrittskantenkammer (54) in Verbindung stehen, wobei die öffnungen (70) zur Profilsehne schräg angeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgekühlte Schaufel einer Strömungsmaschine, die eine Eintrittskantenkammer mit einem dünnwandigen Einsatzteil aufweist, dessen Inneres über eine Mehrzahl von Öffnungen im Bereich der Eintrittskante mit der Eintrittskantenkammer verbunden ist und die außerdem eine Austrittskantenkammer besitzt, mit Öffnungen in der Seitenwand der Schaufel zur Verbindung der Eintrittskantenkainmer und der Austrittskantenkammer mit dem Arbeitsrnittelstrom der Strömungsmaschine.

Eine derartige Schaufel ist aus der Zeitschrift -> Luftfahrttechnik — Raumfahrttechnik«, Dezember 1966, Seite 331. bekannt.

In der deutschen Auslegeschrift 1204 021 wird eine hohle gasgekühlte Leitschaufel oder Leitschaufel für eine Strömungsmaschine mit Austrittsöffnungen für das Kühlmittel an der Austrittskante beschrieben, die eine getrennte Eintritts- und Austrittskantenkammer für einen gemeinsamen Kühlluftstrom aufweist.

In der britischen Patentschrift 1 144 036 wird eine Leitschaufel für eine Strömungsmaschine beschrieben, bei der im Inneren ein Einsatzteil vorgesehen ist. Dieses Einsatzteil wird mit einem Kühlluftstrom gespeist. Dieser tritt aus dem Einsatzteil durch mehrere Öffnungen gegen den Eintnttskantenbereich aus und strömt an die äußere Oberfläche der Eintrittskante. Ein zweiter Kühlluftstrom durchsetzt den Mittelabschnitt und den Bereich der Eintrittskantc, von wo er über Austrittsöffnungen längs der Eintrittskante entweicht.

Wirkungsgradverluste treten in einer Strömungsmaschine infolge des Durchgangs von Arbeitsmittel zwischen den Laufschaufelspitzen und dem umgebenden Gehäuse auf. Es wurde gefunden, daß ein derartiger Durchgang vermindert ,/erden kann, indem man Kühlmittel aus den Laufschaufelspitzen austreten läßt. Hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades der Strömungsmaschine ist es daher wichtig, daß die Kühlung derart ausgelegt ist, daß genügend Kühlmittel aus der Schaufelspitze austreten kann, um diesen Durchgang von Arbeitsmittel auf wirksame Weise zu sperren.

Es liegt die Aufgabe vor, eine gasgekühlte Schaufel mit verbesserten Wärmeübergangseigenschaften zu schaffen, bei der ein ausreichender Teil des Kühlmittels aus der Schaufelspitze austreten kann, um auf diese Weise den Durchgang des Arbeitsmittels zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse zu verkleinern.

Diese Aufgabe wird bei einer gasgekühlten Schaufel einer Strömungsmaschine der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst: