DE2202857B1

DE2202857B1 - Gekuehlte Laufschaufel fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE2202857B1
Application number: DE2202857A
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl-Ing Frei; Dilip Dipl-Ing Dr Mukherjee
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1972-01-18
Filing date: 1972-01-21
Publication date: 1973-06-20
Also published as: US3885609A; IT978244B; NL7300698A; JPS5145727B2; DE2202857C2; SE381312B; GB1357713A; FR2168801A5; BE794194A; JPS4882211A; CH547430A; CA979810A

Description

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ebenso wie das Füllringscgmcnt 4 — aus hochwarm- ximal vorhandene Druckgefäß genutzt werden muß. festem Material bestehen, während der Nabenkörper um eine ausreichende Kühlung der Schaufelhinteraus billigerem, ferritischem Werkstoff gefertigt ist. kante zu erzielen. Der Vollständigkeit halber sei er-

Für die Kühlluft weist das Schaufelblatt nach wähnt, daß die Luftaustritte 19 und 20 auch in der

Fig. 1 drei parallele, getrennte Strömungswege auf, 5 Schaufelhinterkante selbst angeordnet sein können,

die von einem im Schaufelfuß befindlichen und in Zur Verbesserung der Kühlwirkung ist es möglich,

der Zeichnung nur angedeuteten gemeinsamen die Strömungswege 15 und 16 mindestens auf einer

Druckraum 8 ausgehen, der seinerseits durch nicht Teilstrecke mit Kühlrippen zu versehen, was nicht

dargestellte Kanäle mit Kühlluft versorgt wird. Der besonders gezeigt ist.

erste, relativ enge Strömungskanal 9 verläuft parallel io Die Strömungswege 15 und 16 sind so ausgebildet, zur und unmittelbar hinter der Schaufeleintrittskante daß sie bis zu den Luftaustritten 19 und 20 mit rela-10. Er mündet an der Schaufelspitze in eine mulden- tiv niedrigen Geschwindigkeiten durchströmt werden artige Vertiefung 11. Diese besitzt auf der Saugseite und daher weitgehend druckverlustarm sind. Das geder Schaufel einen relativ weiten Luftaustritt 12 in nannte, zur Verfügung stehende Druckgefälle, wird der sie umgebenden, längs der Schaufelprofilkontur 15 also nahezu vollständig in den mit Drossel- und Leitmauerartig verlaufenden Einfassung 13 (Fig. 2). Der Organen 21 und 22 versehenen Luftaustritten 19 und Strömungsquerschnitt der Vertiefung 11 und des 20 verbraucht, wodurch sich in diesen Luftaustritten Luftaustrittes 12 sind weit; das bedeutet, daß der eine über die Schaufelhöhe mindestens annähernd Druck am Kanalende 14 niedrig ist, weil der gassei- gleichmäßige Luftverteilung, hohe Strömungsgetige Druck von der Saugseite der Schaufelhinterkante 20 schwindigkeiten und damit große Wärmeübergangspraktisch am Kanalende 14 zur Wirkung kommt. Da- zahlen ergeben. Alle diese Merkmale bewirken eine her kann das ganze zwischen dem Druckraum 8 und gleichmäßig und gute Kühlung der Schaufelhinterdem Strömungskanal 1 auf der Saugseite der Schau- kante mit relativ geringen Kühlluftmengen und bei felhinterkante herrschende Druckgefälle zur intensi- relativ kleinen, zur Verfügung stehenden Druckgefälven Kühlung der besonders heißen Schaufeleintritts- 25 len.
kante ausgenutzt werden. Die Aufteilung der Kühlluft auf die drei verschie-

Der zweite und der dritte Strömungsweg 15 und denen Strömungswege kann in gewissem Umfang

16 führen unter gleichzeitiger Umlenkung um 90° durch Verändern der Drossel- und Leitorgane 21

von dem Druckraum 8 zu Luftaustritten 19 und 20 und 22 variiert werden. Diese Aufteilung muß von

im Bereich der Schaufelhinterkante 17, wobei der 30 Fall zu Fall bestimmt werden und hängt von den ge-

zweite Strömungsweg 15, der vom dritten 16 durch gebenen Verhältnissen, z. B. von der Strömung, den

eine Trennwand 18 getrennt ist, die Schaufelhinter- Drücken, den gegebenen Temperaturen und deren

kante des äußeren Bereiches der Laufschaufel kühlt, Verteilung, ab.

während der dritte Strömungsweg 16 den inneren, Selbstverständlich ist es auch möglich — insbenäher zum Schaufelfuß gelegenen Teil der Schaufel- 35 sondere bei kleinen Maschinen mit geringen Schauhinterkante 17 mit Kühlluft versorgt. feihöhen und oder geringer Umfangsgeschwindig-

Bei der dargestellten Laufschaufel sind die Luft- keit —, den zweiten und dritten Strömungsweg durch austritte 19 und 20 auf der Druckseite der Lauf- nur einen zweiten Strömungsweg zu ersetzen, der zuschaufei angeordnet, wodurch die Strömungsverhält- nächst im Mittelteil der Laufschaufel radial nach nisse verbessert werden. Selbstverständlich ist es 40 außen verläuft und durch einen Umlenkraum nach auch möglich, die Luftaustritte 19 und 20 auf der einer Umlenkung um 180° wieder teilweise zurück Saugseite der Laufschaufel anzuordnen, falls das ma- zum Schaufelfuß führt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

Claims

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gesamte übrige, in weiteren Strömungswegen die Schaufellänge mehrfach durchströmende Kühlluft in

Patentanspruch: _die Vertiefung geführt und von dort durch einen

Luftaustritt im Bereich der Schaufelhinterkante in

Als Ganzes einteilig gegossene gekühlte Lauf- 5 die Strömung des Arbeitsgases eingespeist. Eine ausschaufei für Gasturbinen, deren Schaufelblatt von reichende Kühlung der Schaufelhinterkante über die mindestens zwei getrennten Strömungswegen für ganze Schaufelhöhe ist hier nicht gewährleistet.
Kühlluft durchsetzt ist, wobei ein erster Strö- Das gleiche gilt für die Konstruktion nach der mungsweg unmittelbar hinter der Schaufelein- deutschen Offenlegungsschrift 2 060 123; bei dieser trittskante über die ganze Länge des Schaufel- io Konstruktion wird ebenfalls die gesamte Kühlluft in blattes verläuft, und die anderen Strömungswege einer muldenartigen Vertiefung gesammelt und durch über mindestens eine Umlenkung zu Luftaustrit- einen Luftaustritt auf der Saugseite im Bereich der ten längs der Schaufelhinterkante führen, und Schaufelhinterkante in das Arbeitsgas geleitet. Neben wobei in der Schaufelspitze eine muldenartige der unzureichenden Kühlung der Schaufelhinterkante Vertiefung vorgesehen ist, gekennzeichnet 15 ergibt diese Konstruktion eine sehr schlechte Ausnutdurch die Kombination folgender Merkmale: zung der Kühlluft, da diese in einer Vielzahl von par-

a) ausschließlich der erste Strömungsweg (9) ^alIe,^ⁿ Kanälen die Schaufelhöhe insgesamt nur einmündet in der muldenartigen Vertiefung ^aI durchströmt, eheste m die Vertiefung gelangt
/j.-. ° ^a Der Erfindung hegt demgegenüber die Aufgabe

b) die muldenartige Vertiefung (11) _wist » zugninde eine als Ganzes einzig gegossene Schaueinen Luftaustritt (12) im Bereich der fei zu schaffen bei der m, relativ geringen Kuhlluft-Schaufelhinterkante (17 auf der Saugseite mengen und bei einem kleinen zur Verfugung stedes Schaufelblattes auf. ^henden DruckgefaUe _eme optimale Kühlung - d h.

eine intensive Kühlung der Schaufeleintritts- und der 25 Schaufelhinterkante bei möglichst gleichmäßiger Temperaturverteilung innerhalb des gesamten Schaufelblattes — erreicht wird und die vorstehend geschilderten Mangel der bisherigen Konstruktion vermieden werden.

Die Erfindung betrifft eine als Ganzes einteilig 30 Diese Aufgabe wird bei einer Laufschaufel der gegossene gekühlte Laufschaufel für Gasturbinen, eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch deren Schaufelblatt von mindestens zwei getrennten die Kombination folgender Merkmale gelöst, für die Strömungswegen für Kühlluft durchsetzt ist, wobei Schutz nur in ihrer Gesamtheit begehrt wird:
ein erster Strömungsweg unmittelbar hinter der _a) Ausschließlich der erste Strömungsweg mündet Schaufe eintnttskante über die ganze Länge des 35 in der muldenartigen Vertiefung
Schaufelblattes verlauft, und die anderen Strömungs- _{b) die mu}i_denartige Vertiefung weist einen Luftwege über mindestens eine Umlenkung zu Luft- _{austrht im Bereich der} Schaufelhinterkante auf austntten längs der Schaufelhinterkante führen, und _der Saugseite des Schaufelblattes auf.
wobei in der Schaufelspitze eme muldenartige Vertiefung vorgesehen ist. 40 Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion, bei der Eine derartige Schaufel ist aus dem USA.-Pa- nur die für die intensive Kühlung der Schaufeleintent3 017 159 bekannt. Bei der dortigen Konstruk- trittskante notwendige Teilmenge der Kühlluft in die tion führt eine Vielzahl enger, zueinander im wesent- muldenartige Vertiefung gelangt, bleibt der Drucklichen paralleler Kanäle vom Schaufelfuß radial nach verlust relativ gering, da unmittelbar am Ende des außen und nach einer Umlenkung um 90° zu Luft- 45 ersten Strömungsweges praktisch der saugseitige austritten längs der Schaufelhinterkante. Zwar wird Druck von der Schaufelhinterkante herrscht, so daß mit dieser Konstruktion eine intensive Kühlung der für den kurzen Weg der Schaufellänge das maximal besonders gefährdeten Schaufeleintritts- und der vorhandene Druckgefälle ganz für die Kühlung der Schaufelhinterkante erreicht; dabei ergeben sich in Schaufeleintrittskante zur Verfügung steht, ohne daß der Schaufel jedoch erhebliche Druckverluste für die 50 — wie bei einem Teil der erwähnten Konstruktionen Kühlluft, insbesondere in dem Strömungsweg, der —· die intensive Kühlung der Schaufelhinterkante zur Kühlung der Schaufeleintrittskante dient, so daß durch die Restmenge der Kühlluft vernachlässigt ein relativ großes Druckgefälle für die Schaufelküh- wird.

lung zur Verfügung stehen muß. Weiterhin ist diese Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im

bekannte Konstruktion aufwendig in der Herstellung 55 Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert,
und kann nicht als Ganzes in einem Stück gegossen, Fig. 1 zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsbei-

sondern muß aus zwei Gußteilen zusammengesetzt spiel der Laufschaufel, wobei in Teilbereichen an der und zusammengeschweißt werden. Ein weiterer Schaufelkante des Schaufelblattes der Schnitt durch Nachteil besteht darin, daß die Kühlung des Schau- eine Ansicht überdeckt ist;

felmittelteils bei dieser Konstruktion unter Umstän- 60 F i g. 2 gibt eine Draufsicht auf die Laufschaufel dn zu intensiv ist und daher das Auftreten von War- wieder.

mespannungen im Schaufelblatt begünstigt. Die gekühlte Laufschaufel, die in einem durch ein

In der deutschen Offenlegungsschrift 1 601562 ist äußeres Füllringsegment 4 des nicht gezeigten Geeine gekühlte Laufschaufel gezeigt, bei der der erste, häuses angedeuteten Strömungskanal 1 bewegt und parallel zur und in der Schaufeleintrittskante verlau- 65 in der Darstellung der F i g. 1 von rechts (Pfeil B) anfende Strömungsweg nach einmaligem Durchtritt geströmt ist, ist in einer nicht gezeigten Laufradnabe durch die Schaufellänge in einer muldenartigen Ver- verankert. Zum Schutz des Nabenkörpers gegen die tiefung endet. Bei dieser Konstruktion wird auch die Heißgase dienen Wärmestausegmente 5, die —