DE2131484A1 - Mit einem inneren Kuehlsystem versehene Rotorschaufel fuer rotierende Maschinen - Google Patents
Mit einem inneren Kuehlsystem versehene Rotorschaufel fuer rotierende MaschinenInfo
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- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Description
213U84
• Dr. F. Zum»teln sen. · Dr. E. Assmann
Dr.R. Koenigeberger · Dipl. Phys. R. Hollbauer
8 München 2, Brauhausstroß· 4/III
3398-71
OFFICE NATIONAL D1ETUDES ET DE HBOHBRCHES AEHOSPATIALES
(abgekürzt O.N.S.R.A.)
Mit einem inneren Kuhlsystem versehene Eotorschaufel fur
rotierende Maschinen·
Die Erfindung betrifft die Rotorschaufeln von rotierenden Maschinen, insbesondere Gasturbinen fur
Luftfahrzeuge, welche je mit einem inneren Kuhlsystem versehen
sind, welches mit Phasenänderung und Umlauf eines Kuhlmittels in einem geschlossenen Kreislauf arbeitet.
Jede Schaufel weist einen inneren geschlossenen Hohlraum auf, in welchem das Kühlmittel nur
einen Teil des Volumens einnimmt, wobei die physikalischen Eigenschaften des Kuhlmittels so gewählt sind, dass es in
gewissen Zonen dieses inneren Hohlraums infolge der in diesen unter den normalen Betriebsbedingungen der Schaufel
herrschenden Temperatur verdampft.
In einer derartigen Schaufel erstreckt
sich der innere Hohlraum von dem Fus3 der Schaufel, welcher
einer naturlichen Kühlung (durch Wärmeleitung in dem Rad
der ro tie-send em Machine) oder einer erzwungenen Kühlung
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(durch Umlauf eines sekundären Kuhlmittels) ausgesetzt ist,
bi3 zu dem Ende der Schaufel, so dass dieser innere Hohl- raum
durch die Zonen der Schaufel tritt, welche dein Wärmefluss
des in der rotierenden Maschine umlaufenden Gase3 ausgesetzt
sind.
Die flüssige Phase des Kühlmittels breitet
sich unter der Wirkung der Fliehkraft in Richtung auf die Zonen der Schaufel aus, welche diesem Wärmefluss ausgesetzt sind,
und in welchen das Kühlmittel verdampft wird. Die Rückkehr des Dampfs zu dem Fuss der Schaufel erfolgt durch eine "Pumpwirkung",
welche durch die Kondensation der Dampfe eben in dem Puss der Schaufel aufrechterhalten wird·
Dieses Kühlsystem ermöglicht einen bedeutenden Wärmeaustausch zwischen den dem Wärmefluss ausgesetzten
Zonen der Schaufel und ihrem einer naturlichen oder erzwungenen Kühlung ausgesetzten Puss, und dank dieses Zyklus von
Verdampfung und Kondensation, bei welchem die latente Verdampf ungswärme des Kühlmittels in Erscheinung tritt, bleiben
die Temperaturunterschiede zwischen den dem Wärmefluss ausgesetzten Zonen der Schaufel und ihrem Puss ziemlich gering,
was für die mechanische Festigkeit der Schaufel günstig ist.
Das bei der Anwendung eines derartigen
Kühlsystems auftretende Hauptproblem besteht in der Verteilung der flussigen Phase des Kühlmittels auf den Wanden des
inneren Hohlraums der Schaufel. Die Homogenität der Kühlung der dem Wärmefluss -ausgesetzten Zonen der Schaufel hängt nämlich
von einer gleichmässigen Verteilung der flüssigen Phase
des Kühlmittels ab.
Die Erfindung bezweckt die Herstellung
einer Schaufel, bei welcher die flussige Phase des Kuhlmittels
gleichmässig auf die Wände des inneren Hohlraums der Schaufel verteilt ist, was die Erzielung einer homogenen
Kühlung der dem Wärmefluss ausgesetzten Zonen der Schaufel ermöglicht.
Die erfindungsgemässe Schaufel ist mit
einem mit Phasenänderung und Umlauf eines Kühlmittels in
einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden Kühlsystem versehen, wobei die flüssige Phase des Kühlmittels nur einen
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Teil eines in der Schaufel ausgebildeten inneren Hohlraums einnimmt, wobei die physikalischen Eigenschaften des kühlmittels
so gewählt sind, dass es in gewissen Zonen dieses inneren Hohlraums unter den normalen Betriebsbedingungen der
Schaufel verdampft, und ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser innere Hohlraum durch mehrere geschlossene Elementarräume
gebildet wird, deren jeder von dem Puss der Schaufel bis zu ihrem Ende reicht, wobei er etwa längs der mittleren radialen
Richtung der Schaufel verläuft und über seine ganze Lange einen
Querschnitt hat, dessen Umriss eine kontinuierliche abgerundete Linie ist, wobei die Wand eines jeden dieser Elementarräume
wenigstens eine kontinuierliche (vertiefte oder vorspringende) Riefe aufweist, welche sich wenigstens über einen Teil
der Länge des Eleraentarraums erstreckt und einen schraubenförmigen
Verlauf hat.
Durch die Trennung zwischen den Elementar-
räumen wird offenbar eine bevorzugte Verteilung auf die Hinterkante
oder die Vorderkante der Schaufel bei einer Winkelbeschleunigung oder -Verzögerung der rotierenden Maschine vermieden,
und durch die in der Wand eines jeden Elementarraums ausgebildeten schraubenförmigen Riefen wird eine homogene Verteilung
der flüssigen Phase des Kühlmittels auf diese Wände erzielt·
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 ist ein Axialschnitt einer gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten
Schaufel längs der Linie I-I der Fig. 2.
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der I»inie
H-II der Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie HI-III der Fig.1
Fig. 4 ist ein. Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 1.
Fig. 5 ist ein Querschnitt einer gemäss
einer anderen Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten
Schaufel.
Fig. 6 ist eine axial geschnittene Teil-
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ansicht einer Einzelheit der in Pig· 1 dargestellten Schaufel
in grösserem Maßstab· ·*....
Fig. 7 ist ein schaubildliches Schema zur Erläuterung der Arbeitsweise einer erfindungsgemässen Schaufel.
Pig. 8 ist ein erläuterndes Schaubild»
Die erfindungsgemässe Schaufel ist mit
einem mit Phasenänderung und Umlauf eines Kühlmittels in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden inneren Kühlsystem versehen,
wobei die flüssige Phase des Kühlmittels nur einen Teil eines in der schaufel ausgebildeten inneren Hohlraums
einnimmt".
Dieses Kühlmittel kann zweckm'ssig durch
ein flüssiges Metall gebildet werden, z.B. Natrium oder Kalium, oder ein Gemisch dieser beiden Metalle.
Die physikalischen Eigenschaften dieses
Kühlmittels sind jedenfalls so gewählt, dass es bei der in gev/issen Zonen des inneren Hohlraums unter den normalen Arbeitsbedingungen
der Schaufel herrschenden Temperatur in diesen Zonen verdampft. ·
Die Wahl eines Alkalimetalls der oben angegebenen Art ist dadurch bedingt, dass die Dampfspannung eine3
derartigen Metalls ziemlich gering ist, wodurch zu hohe mechanische Beanspruchungen in der Wand der Schaufel vermieden
v/erden.
Erfindungsgemäss wird der innere Hohlraum der schaufel durch mehrere geschlossene Elementarräume 1a,
1b, 1c, 1d, 1e, 1f gebildet, deren jeder von dem Puss der Schaufel bis zu ihrem Ende reicht, wobei er sich etwa in der
mittleren radialen Richtung'der Schaufel erstreckt und über seine ganze Lange quer zu der mittleren radialen Richtung der
Schaufel einen Querschnitt besitzt, dessen Umriss eine kontinuierliche abgerundete Linie ist·
Bei der in Pig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform ist der Umriss dieses Querschnitts kreisförmig
oder ungefEr kreisförmig.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform weist der Umriss dieses Qyerschnitts drei oder vier gerade
oder fast gerade Seiten auf, welche miteinander durch abgerun-
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dete Kurvenabschnitte verbunden sind.
Unabhängig von der Porin dieses Umrisses
weist die Wand eines jeden Elementarrauins wenigstens eine kontinuierliche
vertiefte oder vorspringende Riefe 2 auf, welche sich über die Lange des Elementarraums gecäss einem schraubenförmigen
Verlauf erstreckt*
Ein Tropfen des Kühlmittels in seiner flüssigen
Phase folgt in dem Elementarraum einem freien Wegabschnitt, welcher einen Winkel α mit der mittleren radialen
Richtung der ^chaufel bildet.
Wenn mit r der Abstand zwischen der Drehachse der Schaufel und dem Punkt, an welchem sich der Tropfen
von der Wand des Elementarraum's ablöst, und mit a der Halbmesser
des als zylindrisch angenommenen Elecientarraurus bezeichnet
wird, lässt sich nachweisen, dass dieser Winkel α nur eine Punktion des Verhältnisses ^ ist.
Der Wert von α ist in dem Schaubild der
Pig. 8 dargestellt, wobei als Abszisse der Wert des Verhältnisses & und als Ordinate der Wert des Winkels α aufgetragen
ist.
Bei den bisher bekannten Schaufelformen
liegt das Verhältnis ^ im allgemeinen etwa zwischen 0,01
und 0,05,
Pur zwischen 0,01 und 0,05 liegende V/er te
des Verhältnisses ~ liegt nun der Wert des Winkels α zwischen
20° und 35°. °
Unter diesen Bedingungen werden die in der Wand eines jeden Elementarraums gebildeten Riefen so ausgebildet,
dass der von dem schraubenförmigen Verlauf einer jeden Riefe und der mittleren radialen Richtung der ^chaufel gebildete
Winkel dem obigen Winkel α entspricht·
Der zwischen dem schraubenförmigen Verlauf einer jeden Riefe und der mittleren radialen Sichtung der
Schaufel gebildete mittlere Winkel liegt also aus den obigen Gründen zwischen 10° und 50° und vorzugsweise zwischen 20°
und 35°.
In Pig· 7 ist schaubildlich ein Elementarraum dargestellt, in welchem gestrichelt die Bahn dargestellt
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ist, welche ein Tropfen des Kühlmittels in seiner flussigen
Phase durchlaufen würde, wenn in der Wand des Hohlraums keine Riefen ausgebildet wären, und diese Bahn ist etwa eben, wobei
der schraubenförmige Verlauf einer in eier Wand des inneren
Hohlraums ausgebildeten Riefe 2 vollausgezogen eingezeichnet ist.
Jeder Tropfen des Kühlmittels in seiner
flüssigen Phaüe wird also gezwungen, den. Riefen 2 zu folien,
nachdem er einen freien Wegabschnitt durchlaufen hat, was eine gleichmässige Verteilung der Tropfen auf die gesamte T.iand
des Elementarraums gewährleistet..
In den meisten Fällen v/eist daher nach den »· Vinkel^
obigen Ausfuhrungen hinsichtlich des/zwisenen dem schraubenförmigen
Verlauf einer jeden Riefe und der mittleren radialen Richtung der Schaufel die Wand eines jeden Elementarrauins mehrere
kontinuierliche Riefeil auf, welche an dieser Wand einen
schraubenförmigen Verlauf mit parallelen Windungen oder etv/a parallelen Windungen nach Art der Gewindegänge einer mehrgängigen
Schraube haben.
Für ein gegebenes Kühlmittel kann die Abmessung
der Tropfen nach dem G-leichgewicht der ^rägheitskräfte,
der Oberflächenspannung und des dynamischen Drucks der Strömung des Kühlmittels in der Dampfphase abgeschätzt
werden, und nach dieser Schätzung kann die Geometrie der Riefen 2 angegeben werden.
Wie in I\ig« 6 dargestellt, definiert vorzugsweise
jede Riefe 2 eine ebene Bahn 3> welche etwa senkrecht zu der mittleren radialen Richtung der Schaufel liegt
und dem Schaufelfuss zugewandt ist, wobei die Breite L dieser
ebenen Bahn zwischen 1/10 und 5/10 mm liegt.
Unter diesen Bedingungen wird die Zahl der
Riefen 2 so gewählt, dass der Abstand E zwischen zwei aufeinanderfolgenden
ebenen Bahnen 3 zwischen dem Doppelten und dem Fünffachen ihrer Breite liegt·
Bei einem zylindrischen Elementarraum mit
einem Halbmesser von 1 mm, welcher mehrere Riefen 2 aufweist,
deren schraubenförmiger Verlauf mit der mittleren radialen Richtung der Schaufel einen mittleren Winkel von 30° bildet,
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kann daher die Breite der ebenen Bahn 3 0,2 oder 0,3 mm betragen,
was zu einem Abstand von zwei aufeinanderfolgenden ebenen Bahnen 3 von 0,6 mm oder 0,9 min führt, wobei dann die
Zahl der schraubenförmigen Riefen 18 oder 12 beträgt.
Unabhängig von der gewählten Ausfuhrungsform
ist es jedenfalls wünschenswert, dass der Restdruck der nicht kondensierbaren Gase in jedem Eleraentarraum auf einen
—5
unter 10 Torr liegenden Wert heruntergesetzt wird.
Wenn ein Umlauf eines sekundären Kühlmittels in dem Rad der Turbine vorgesehen ist, kann der
Schaufelfuss in Richtung der Drehachse des Rades durch eine mit Rippen 4 versehene Kühlvorrichtung verlängert werden, wobei
jeder geschlossene Elernentarraum 1a, 1b 1c, 1d, 1e, 1f der Schaufel sich bis in die Kühlvorrichtung 4 hinein fortsetzt.
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht,
ist bei dem erfindungsgemässen Kühlsystem die Verteilung der
flüssigen Phase des Kühlmittels auf den Wänden der Elementarräume der Schaufel gleichmässig, was die homogene Kühlung der
dem Wärmefluss ausgesetzten Zonen der Schaufel ermöglicht.
Die Tropfen des in seiner flüssigen Phase
befindlichen Kühlmittels bilden sich nämlich auf der ebenen
Bahn 3 der Riefen 2 und werden bis zu dem äusseren Ende eines jeden Elementarraums gefuhrt. Selbst wenn diese Tropfen von
den ebenen Bahnen 3 der Riefen 2 freikommen, werden sie schnell etwas höher von den nächsten Riefen aufgefangen.
Ferner erzeugt die sekundäre Drehbewegung
um die Achse der Elementarräume eine Fliehkraftwirkung, welche für den Wärmeaustausch der Wand der Elementarräume günstig ist
und der schädlichen Wirkung der Coriolis-Kraft entgegenwirkt.
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Claims (9)
- -8- 213.148*fate η t a nap rucheSchaufel alt einem mit Phase nand e rung und Umlauf eines Kuhlmittels in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden Kühlsystem, wobei die flüssige Phase nur einen Tail eineβ in der Schaufel ausgebildeten inneren Hohlraums einnimmt und die physikaliechen Eigenschaften des Kühlmittels eo gewählt sind, dass es in gewissen Zonen des inneren Hohlraums unter den normalen Betriebsbedingungsn der Schaufel verdampft, dadurch gekennzeichnet, .das3 der innere Hohlraum durch mehrere geschlossene Elemontarräuae (1a, 1b usw.) gebildet ■ wird, deren jeder sich von dem Fuee der Schaufel bis zu'ihren Ende erstreckt, wobei er etwa in der mittleren radialen Richtung der Schaufel verlauft und über seine ganze Länge einen Querschnitt hat, dessen UniriBs eine abgerundete'kontinuierliche Linie ist, wobei die Wand eines jeden Elementarraums wenigstens eine kontinuierliche, vertiefte oder vorepringende Riefe (2) aufweist, welche sich über wenigstens einen Teil der Länge des Elenfentarrauais erstreckt und einen schraubenförmigen "Verlauf hat.
- 2.) Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Winkel (α) zwischen dem schraubenförmigen Verlauf einer jeden Riefe (2) und der mittleren radialen Richtung der Schaufel zwischen 10° und 50° liegt.
- 3.) Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Winkel (α) zwischen 20° und 35° liegt.
- 4.) Schaufel nach einem der Ansprüche 1bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die'Wand.'eines jeden EIementarraums (1a, 1b usw.) mehrere kontinuierliche Riefen (2) aufweist, welche an dieser Wand einen schraubenförmigen Verlauf mit mehreren parallelen oder etwa parallelen Windungen haben.
- 5.) Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Riefe (2) eine ebene Bahn (3) definiert ? welche etwa senkrecht zu der mittleren radialen Richtung der Schaufel liegt und dem Schaufelfuss zugewandt ist,109885/1209BAD3 "'■ 213H84 3398-71wobei die Breite dieser ebenen Bahn zwischen 1/10 und 5/10 mm liegt und die Zahl der Riefen so gewählt ist, dass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden ebenen Bahnen (3) zwischen dem Doppelten und dem Fünffachen ihrer Breite liegt.
- 6.) Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis.5, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Elementarraum (1a, 1b usw.) der Bestdruck der nicht kondensierbaren Gase auf einen unter 10 Torr liegenden Wert herabgesetzt ist.
- 7.) Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Einbau in eine Turbine, deren,Bad durch einen inneren Umlauf eines sekundären Kuhlmittels gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Puss der Schaufel in Richtung auf die Drehachse des Bades durch eine mit Bippen versehene Kühlvorrichtung (4) verlängert wird, wobei!jeder Elementarraum (1a, 1b usw.) der Schaufel bis in diese mit Bippen versehene Kuhlvorrichtung verlängert ist. j
- I 8.) Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derjümriss des Querschnitts eines jeden! Elementarraums kreisförmig oder etwa kreisförmig ist (Pig. 2 bis 4h . !
- 9.) Schaufel naoh einem der Ansprüche 1 bis 7ι dadurch gekennzeichnet, dass der Umriss des Querschnitts eines jedta! löementarrauma drei ode» vier gerade oder etwa gerade Seitgjtf Aufweist, welche mit<ii|j4fti$er durch abgerundete Kurvenabechüi^e verbunden sind (?ig, 5hBAD ORIGINAL 109885/1209 ~Leerseite
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