DE2031917C3 - Gasgekühlte Schaufel einer Strömungsmaschine - Google Patents
Gasgekühlte Schaufel einer StrömungsmaschineInfo
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- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
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- F01D5/187—Convection cooling
- F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
- F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
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Description
a) das Einsatzteil ist an seinem einen Ende durch einen ersten Kühlmittelstrom beauf sch lagt, wobei
sein anderes Ende verschlossen ist;
b) ein Einlaßabschnitt für die gemeinsame Kühlmittelzufuhr
zu einem serpentinenförmigen Kühlkanal und zur Austrittskantenkanimer ist von
der Eintrittskantenkammer vollkommen getrennt und durch einen zweiten Kühlmittelstrom bcaufschlagbar.
der vom ersten Kühlmittelstrom unabhängig ist;
c) der scrpcntinenförmigc Kühlkanal ist zwischen Eintrittskanlenkammer und Einlaßabschnitt gelegen
und mit Leitwänden versehen, die in
Schaufellängsrichtung verlaufend sich zwischen den Seitenwünden der Schaufel erstrecken;
d) die Eintrimkantenkammer, die Austrittskantenkammer
und der Serpentinen förmige Kühlkanal sind über öffnungen in der Schaufelspitze mit
dem Arbeitsmutelkanal der Strömungsmaschine verbunden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform enthält an einem der Enden der Schaufel zwei getrennte Zuführungskammern
zur Zuführung von dem ersten Kühlmittelstrom
zu der Einlaßöffnung des Einsatzteils bzw. von dem zweiten Kühlmittelstrom zum Einlaßabschnitt.
»5
Die Schaufel kann öffnungen in mindestens einer Seitenwand aufweisen, die mit der Eintrittskantenkammer
in Verbindung stehen zur Erzeugung eines Kühlmittelfilms längs der äußeren Oberfläche der
Seitenwand. Vorzugsweise enthalten die Seitenwände, welche den serpeniinenförmigen Kühlkanal begrenzen,
rippenähnliche Elemente, um eine Turbulenz in der Grenzschicht des Kühlgases zu fördern, damit der
Wärmeübergang in dem axialen Mittelabschnitt der Schaufel vergrößert wird. »5
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,
Fig. 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 Profilleil 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 4t
offenen Innenende 30 und einem Außenende 32 verschen. Das Außenende 32 ist durch eine Verschlußkappe
34 an der Schaufelspitzc verschlossen.
Der Fuß- oder Befestigungsteil 14 ist mit Zuführungskammern 35, 36 ausgestattei. um durch da:.
offene Innenende 30 hindurch einen Kühlgasstrom aufzunehmen. Eine Eintritiskantenkammer 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 Eintrittskantcnkammcr 38 angeordnet. Der Einsatzteil 40 ist mit
einem geschlossenen Außenende 44 und einer Einlaßöffnung 46 versehen, die strömungsmäßig mit der
Zuführungskammer35 für das Kühlgas in Verbindung
steht. Der Einsaizteil 40 ist mit zahlreichen kleinen öffnungen 49 versehen. Durch diese öffnungen
40 hindurch tritt das Kühlgas aus und prallt unter Bildung einer Vielzahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit
auf die Eintrittskantenkammerwandung.
Um für eine Kühlung des Bereiches an der Austrittskante der Schaufel zu sorgen, wird eine Austrittskantenkammer
54 vorgesehen, die sich in Längsrichtung des Profilte.ils 12 nahe seiner Austrittr.kante
Ti. erstreckt; sie wird gemeinsam durch das hohle
Gußstück und die Verschlußkappe 34 an dt:r Schaufelspitze gebildet.
Ein serpentinenförmiger Kühlkanal 58 für das
Kühlmittel ist in dem Mittelbereich des Profilteils 12 bzw. zwischen der Eintrittskantenkammer 3tt und der
Austrittskantenkammer 54 durch einen in Längsrichtung verlaufenden Einlaßabschnitt 56 und zahlreiche
in Längsrichtung verlaufende Abschnitte des Kühlkanals 58 gebildet, die durch abwechselnd außen und
innen liegende Durchlässe oder Öffnungen 60 bzw. 62 der Reihe nach miteinander verbunden rind. Der
Einlaßabschnitt 56 befindet sich benachbart zur Austrittska-.tenkammer
54 und ist an seinem inneren Ende 64 offen, so daß er strömungsmäßig mit der Zuführungskammer 36 verbunden ist.
Das Kühlgas wird der Austrittskantenkammei 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 Austrittskantc 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 Wärmeübergangskoeifizienten zwischen den Seitenwänden 24, 26 und dem Kühlgus
während dessen Siirömeng dtrch den serpentincnförmigcn
Kühlkanal 58 zu erhöhen, sind die Seiten
wände vorzugsweise mit zahlreichen. Jie Turbulenz unterstützenden rippenähnlichen Elementen 72 versehen,
die in Längsrichtung mit Abstand angeordnet sind, axial verlaufen und in den Einlaßabschnitt
und den Kühlkanal 58 hineinragen.
Um für eine zusätzliche Kühlung des Mittclberciches
der Schaufel zu sorgen, können Öffnungen vorgesehen sein, die mit der Eintrittskantcnkamnier
38 in Verbindung stehen und einen Kühlmitttifilm längr. der äußeren Oberfläche der Seitenwände der
Schaufel liefern
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Verschlußkappe
34 an der Sclviufclspitze vorzugsweise mit zahlreichen
Öffnungen 76 versehen, durch die das Kühlmittel austreten kann, ;j,n eine Kühlung des Außenendes der
Schaufel zu bewirken und um die Dichtung zwischen der Schaufclspitze und dem Gehäuse zu verbessern.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
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 Eintrittskantenkammer
verbunden ist und die außerdem eine Austrittsikantenkammer besitzt, mit Öffnungen in
der Seitenwand der Schaufel zur Verbindung der Eintrittsikantenkammer und der Austrittskantenkammer
mit dem Arbeitsmittelkanal der Strömungsmaschine, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) das Einsatzteil (40) ist an seinem einen Ende durch einen ersten Kühlmittelstrom beaufschlagt,
wobei sein anderes Ende verschlossen ist;
b) ein Ei.ilaßabsehnitt (56) für die gemeinsame ao
Kühlmittelzufuhr zu einem serpentinenförmigen Kühlkanal (58) und zur Austrittskamcnkammer
(54) ist von der Eintriitskantenkammer (38) vollkommen getrennt und
durch einen zweiten kühlmittelstrom beaufschlagbar, der vom ersten Kühlmittelstrom
unabhängig ist;
c) der serpentinenförniige Kühlkanal (58) ist
z'A'ischen Eintrittskantenkammer (38) und
EirilaLabschnitt (56) gelegen und mit Leitwänden
versehen, die in Schaufellängsrichtung verlaufene sich /wischen den Seitenwänden
der Schaufel er trecken:
d) die Eintrittskantenkammer (38). die Austritlskantenkammer
(54) und der sernentinenförmige Kühlkanal (58) sind über Öffnungen
(76) in der Schaufelspitze mit dem Arbeitsmiltelkanal der Strömungsmaschine verbunden.
..Q
2. Gasgekühlte Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einem ihrer
Enden zwei getrennte Zuführungskammern (35. 36) enthalt zur Zuführung von dem ersten Kühlmittelstrom
zu der Einlaßöffnung (46) des Ein-Satzteils (40) bzw. von dem zweiten Kühlmittelstrom
zum Einlaßabschnitt (56).
3. Gasgekiihltc Schaufel nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den
Seitenwänden, welche den serpeniinenförmigen
Kühlkanal (58) begrenzen, rippenähnliche Elemente (72) angebracht sind.
4. Gabgekühlte Schaufel nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß CiIT-nur.gcn
(74) in mindestens einer Seitenwand (26) der Schaufel vorgesehen sind, die mit der Eintrittskanlenkammer
(38) in Verbindung stehen zur Erzeugung eines Küh!mi!telfilins längs der iiufjeren
Oberfläche der Seitenwand (26).
5. Gasgekühlte Schaufel nach einem der An-Sprüche I 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 Strümimgumaschine, die eine Eintrittskantenkammer mit einem dünnwandigen Einsatz
teil 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 Eintrittskaitenkanimer
und der Austrittskantenkammer mit dem Arbeitsmittelstroin 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 KühlUjfM. om 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 Eintrittskantenbereich aus
und strömt an die äußere Oberfläche der Eintrittskante. Ein z.V. iter Kühlluftstrom durchsetzt den
Mittelabschnitt und den Bereich der Eintrittskante, von wo er über Austritlsöffnungcn längs der Eintrittskante entweicht.
Wirkungsgradvcrluste treten in einer Strömungsmaschine infolge des Durchgangs von Arbeitsmittel
zwischen den Laufschaufelsph/cn und dem umgeben
den Gehäuse auf. Es svurde gefunden, daß ein derartiger Durchgang vermindert werden kann, indem
man Kühlmittel aus den L.aufschaufelsnitzen austreten
hißt. Hinsichtlich des Gesamtwirkungsgradcs
der Strömungsmaschine ist es daher wichtig, daß die Kühlung derart ausgelegt ist, daß genügend Kühl·
mittel aus der Schaufelspitze austreten kann, um diesen Durchgang von Arbeitsmittel auf wirksame Weise
zu sperren.
Es liegt die Aufgabt: vor, eine pasgckühlte Schaufel
mit verbesserten Wärmeübergar.gseigensehaften zu schaffen, bei der ein ausreichender Teil des Kühlmittels
aus der Schaufelspitze austreten kann, um auf diese Weise den Durchgang des Arbeitsmittels zwischen der Schaufclspitzu und dem Gehäuse zu verkleinern.
Diese Aufgabe wird bei einer gasgckühlten Schaufel einer Strömungsmaschine der eingangs angegebenen
Aii erfindunusgemüß durch die Kombination folgender
Merkmale gelöst:
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