DE2060123A1

DE2060123A1 - Turbinenrotorschaufel mit vom Schaufelfuss zum Schaufelende verlaufenden Kuehlkanaelen

Info

Publication number: DE2060123A1
Application number: DE19702060123
Authority: DE
Inventors: Charles Metzler Jun
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-12-23
Filing date: 1970-12-07
Publication date: 1971-07-01
Also published as: FR2074130A5; GB1282796A; CH533760A; DE2060123B2; US3635585A; BE760728A; NL7017527A

Description

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W. 504

89 Augsburg, den 3. Dezember 1970

Westinghouse Electric Corporation, 3 Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Turbinenrotorschaufel mit vom Schaufelfuß zum Schaufelende verlaufenden Kühlkanälen

Die Erfindung betrifft eine Turbinenrotorschaufel mit vom Schaufelfuß zum Schaufelende verlaufenden Kühlkanälen.

lie L der Konstruktion von Turbinenrotorschaufeln für Oaaturbinentriebwerke ergeben aich zahlreiche Schwierigkeiten

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aus den hohen Umfangsgeschwindigkeiten, mit welchen derartige Turbinenrotorschaufein betrieben werden, und auf Grund der hohen Temperaturen, welchen sie ausgesetzt sind. Die Temperatur einer Turbinenrotorschaufel kann wesentlich niedriger gehalten werden als diejenige der Gase, in welchen die betreffende Turbinenrotorschaufel arbeitet, indem Kühlkanäle vorgesehen werden, welche sich vom Schaufelfuß zum Schaufelende erstrecken und in welchen ein Kühlmittelstrom, beispielsweise Luft, geführt wird, welcher die Schaufel kühlt.

Normalerweise münden derartige Kühlkanäle in öffnungen am Schaufelende. Diese Konstruktion hat jedoch mehrere Nachteile. Zunächst ist der an der Schaufeleintrittskante herrschende Druck höher als der an der Schaufelaustrittskante herrschende Druck des Treibmittels. Dies hat zur Folge, P daß der in der Nähe der Eintrittskante der Turbinenrotorschaufel aus den Kühlkanälen austretende KühlmitteIstrom in einen Bereich des Treibmittelkanals der Turbine austritt, in welchem ein höherer Druck herrscht als in dem Bereich, in welchem die in der Nähe der Austrittskante der Turbinenrotorschaufel mündenden Kühlmittelkanäle Kühlmittel austreten lassen. Dies bedeutet, daß sowohl die Treibmittel-Strömung als auch der Wärmeübergang in der Nähe der

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Schaufeleintrittskante verschlechtert werden. Weiterhin muß das Radialspiel zwischen dem Schaufelende und dem Turbinengehäuse größer gemacht werden als dies normalerweise der Fall sein müßte, so daß die sich daraus ergebenden Betriebs- und Pertigungstoleranzen kritisch werden. Schließlich muß der Druck des Kühlmittels so hoch gewählt werden, daß das Kühlmittel auch tatsächlich in den unter hohem Druck stehenden Treibmittelstrom der Turbine austreten kann.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer Turbinenrotorschaufel mit vom Schaufelfuß zum Schaufelende verlaufenden Kühlkanälen mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige und wirksame Kühlmittelströmung durch die Kühlmittelkanäle hindurch zu erzielen.

Diese Aufgabe wird bei einer derartigen Turbinenrotorschaufel gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kühlkanäle in einer von einer Kronenschärfung des Schaufelendes umschlossenen Vertiefung münden, die in der Nähe der Schaufelaustrittskante eine in den Treibmittelströmungskanal mündende öffnung aufweist. Diese öffnung der genannten Vertiefung befindet sich vorzugsweise an derjenigen Sehaufelseite, an welcher der niedrigere Treib-

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mitteldruck herrscht. Dadurch wird erzielt, daß das aus den Kühlkanälen der Turbinenrotorschaufel austretende Kühlmittel nicht unmittelbar in den die Turbine durchflutenden Treibmittelstrom eingeleitet wird, sondern stattdessen in die genannte Vertiefung, in welcher ein im wesentlichen konstanter Druck herrscht. Weiterhin ist infolge des Umstandes, daß die Kronenschärfungswandung in der Nähe der Schaufelaustrittskante an deren Niederdruckseite ausgeschnitten ist, die genannte Vertiefung auf den niedrigst möglichen Kühlmittelaustrittsdruck gebracht, was zur Folge hat, daß die Treibmittelströmung durch die Turbine hindurch den geringstmöglichen Störungsfaktoren unterworfen wird. Außerdem hat dies zur Folge, daß der Druck im Kühlsystem niedrig gehalten werden kann und trotzdem die Kühlmittelströmung sowohl in den nahe der Schaufeleintrittskante gelegenen Kühlkanälen als auch in den nahe der Schaufelaustrittskante gelegenen Kühlkanälen im wesentlichen auf dem gleichen Wert gehalten werden kann.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben. In

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der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Teilseiten

ansicht eines mit erfindungsgemäßen Schaufeln bestückten Turbinenrotors,

Fig. 2 eine abgewickelte Radialauf

sicht auf die Beschaufelung des in Fig. 1 gezeigten Turbinenrotors, in Pfeilrichtung II-II gesehen,

Fig. 3 eine abgewickelte Teilschnitt

fläche längs der gekrümmten iMittelf lache III-III in Fig. 2, in Pfeilrichtung gesehen, und

Fig. *J eine schematische perspektivische

Ansicht auf das Ende einer erfindungsgemaßen Turbinenrotorschaufel.

Fig. 1 zeigt eine Turbinenrotorwelle 10, auf welcher eine Turbinenrotoracheibe 12 befestigt ist. Am Umfang des

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Scheibenkranzes 14 sind in achsparalleler Richtung verlaufende Haltenuten 16 angeordnet, deren allgemeine Querschnittsform etwa dreieckig ist und deren Seitenwandungen nebeneinanderliegende Zickzacknuten 17 aufweisen, so daß sogenannte Tannenbaumnuten gebildet werden.

Die Turbinenschaufeln 18 haben, wie am besten aus den Figuren 2 und 14 ersichtlich ist, das übliche Tragflügelprofil mit gerundeter Eintrittskante 20, annähernd spitz auslaufender Austrittskante 22 und gekrümmt verlaufender Profilmittelfläche. Der in Pig. I ersichtliche Schaufelfuß 24 hat die Form eines länglichen dreieckigen Prismas, welches zusammen mit dem Schaufelblatt 18 einen gemeinsamen Körper bildet und dessen beide Seitenflächen wiederum mit nebeneinanderliegenden Zickzacknuten versehen ist, welche mit den Zickzacknuten 17 des Rotorscheibenkranzes 14 zusammenpassen und auf diese Weise einen Tannenbaumfuß üblicher Konstruktion bilden. Das Einsetzen der einzelnen Turbinenrotorschaufeln in die einzelnen Nuten des Turbinenrotorscheibenkranzes erfolgt durch seitliches axiales Einschieben, wobei die Zickzacknuten der Haltenuten im Rotorscheibenkranz einerseits und diejenigen der Schaufelfüße andererseits Ineinander eingeschoben werden. Die Schaufeln werden durch nicht dargestellte Haltemittel in axialer Richtung gegen Verschieben

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gesichert. Außerdem sind dem Fachmann bestens bekannte Mittel vorgesehen, durch welche ein Kühlmittel, beispielsweise Luft, über die Schaufelfüße 24 in Radialkanäle eingeleitet wird, welche sich in Längsrichtung innerhalb der Schaufeln 18 erstrecken.

Diese Radialkanäle 26 sind aus den Pig. 2, J> und ersichtlich und erstrecken sich über das ganze Schaufelblatt, vom Schaufelfuß 24 bis zum radial äußersten Schaufelende. Die in Fig. 2 nach unten weisenden Seitenflächen der Turbinenrotorschaufeln 18. werden nachstehend als Hochdruckflächen 29 bezeichnet und sind diejenigen Schaufelseitenflächen, auf welche die heißen, unter Druck stehenden Treibgase auftreffen, welche den Turbinenrotor in einem Drehsinn drehen, der in Fig. 1 durch den Pfeil angedeutet ist. Die jeweils anderen Seitenflächen 32 der einzelnen Turbinenrotorschaufeln verlaufen jeweils wie die Hochdruckseitenflächen 29 zwischen der Schaufeleintrittskante und der Schaufelaustrittskante und werden als Niederdruckseite bezeichnet. Die in den zwischen den Turbin'enrotorschaufeln gebildeten Treibmittelkanälen strömenden heißen Treibgase folgen der durch die Pfeile angedeuteten Richtung. Die Stellen höchsten Druckes befinden sich jeweils an den Hochdruckseiten 29 der Turbinenrotorschaufeln jeweils nahe der Schaufeleintrittskante In dem Maße, in welchem das Treibgas von der Schaufel-

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eintrittskante zur Schaufelaustrittskante strömt, expandiert es und folglich tritt in diesem Maße ein Druckabfall im Treibgas auf. Die Stellen niedrigsten Druckes befinden sich also jeweils auf der Niederdruckseite 32 der einzelnen Schaufeln im Bereich des Austrittsquerschnitts B.

Gemäß der Erfindung sind die einzelnen Turblnenrotorschaufeln 18 an ihren Enden mit Kronenschärfungen versehen, welche jeweils Vertiefungen umschließen, die in den Fig. 2 bis 4 mit der Bezugsziffer 36 bezeichnet sind. Die mit 38 bezeichneten Kronenschärfungswandungen verlaufen jeweils längs des Schaufelendprofils auf der Hochdruckseite 29 von der Schaufelaustrittskante 22 zur Schaufeleintrittskante 20 und von dort jeweils etwa über die Hälfte der Schaufelbreite längs der Niederdruckseite 30 zu einer Stelle A, welche sich gerade etwas stromab des Austrittsquerschnitts B zwischen der Schaufelaustrittskante 22 jeweils einer Turbinenrotorschaufel und der Niederdruckseite der jeweils benachbarten Turbinenrotorschaufel befindet. Die radialen Kühlkanäle 26 münden am Grund 37 der Vertiefung 36, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Das Kühlgas wird also in einen Bereich innerhalb der Vertiefung 36 ausgestoßen, in welchem verhältnismäßig konstante Druckverhältnisse herrschen. Dies bedeutet, daß

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das aus den Kühlkanälen 26 in der Nähe der Schaufeleintrittskante 20 austretende Kühlgas auf ungefähr denselben Gegendruck stößt wie das aus den in der Nähe der Schaufelaustrittskante 22 gelegenen Kühlkanälen 26 austretende Kühlgas. Die Tiefe der Vertiefung 56 ist so gewählt, daß sich an der Stelle C ein Querschnitt ergibt, der wesentlich größer ist als der Gesamtquerschnitt der KUhI-kanäle 26 oberhalb der Stelle A. Dies macht es möglich, den Austrittsdruck des Kühlgases an den stromauf gelegenen KühlkanalmUndungen so einzustellen, daß er dem an der Stelle A herrschenden Gegendruck ungefähr entspricht, welcher seinerseits den niedrigsten an der Schaufeloberflache herrschenden Druck darstellt.

Die Erfindung stellt eine einfache Maßnahme dar, mittels welcher es möglich ist, innerhalb der im Bereich 'zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante einer Turbinenrotorschaufel gelegenen radialen Kühlkanäle eine einheitliche Kühlmittelströmung erzielen zu können, unabhängig von dem jeweils zwischen dem Schaufelende und dem Turbinengehäuse vorgesehenen Radialspiel. Außerdem wird durch die Erfindung erreicht, daß das aus den Kühlkanälen austretende Kühlmittel in einer Richtung auf den die Turbine durchflutenden Treibmittelstrom auftrifft, welche sicherstellt, daß die Kühlmittelströmung sich

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ohne große Mischverluste mit dem Treibmittelstrom durch mischt.

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Claims

Patentansprüche

1. JTurbinenrotorschaufel mit vom Schaufelfuß zum Schaufelende verlaufenden Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (26) in einer von einer Kronenschärfung (38) des Schaufelendes (37) umschlossenen Vertiefung (36) münden, die in der Nähe der Schaufelaustrittskante (22) eine in den Treibmittelströmungskanal (34) mündende Öffnung aufweist.

2. Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der genannten Vertiefung (36) an derjenigen Schaufelseite (30) angeordnet ist, an welcher der niedrigere Treibmitteldruck herrscht.

3. Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Öffnung sich von der Schaufelaustrittskante (22) bis zur Projektion der Austrittskante der bei zusammengebautem Turbinenrotor benachbarten Turbinenschaufel auf die betreffende Turbinenrotorschaufel erstreckt.

4. Turbinenrotorschaufel nach einem der Ansprüche bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der

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öffnung der genannten Vertiefung (j56) wesentlich größer als der Gesamtquerschnitt sämtlicher Kühlkanäle (22) der Schaufel ist.

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