DE2232229A1

DE2232229A1 - Gekuehlte schaufel fuer ein gasturbinenstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE2232229A1
Application number: DE2232229A
Authority: DE
Inventors: Robert Frederick Redman
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-07-02
Filing date: 1972-06-30
Publication date: 1973-01-18
Also published as: GB1355558A; IT960166B; FR2144735B1; DE2232229B2; FR2144735A1; US3799696A; DE2232229C3

Description

Rolls-Royce (I971) Limited, London, England,

Gekühlte Schaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Schaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk.

Eine der Schwierigkeiten, die bei der Konstruktion gekühlter Schaufeln für Gasturbinenstrahltriebwerke auftreten, liegt darin, daß nur ein sehr geringer Unterschied zwischen dem Kühlluftdruck und dem außerhalb der Schaufel herrschenden Druck vorhanden ist. An gewissen Teilen der Schaufel können die Drücke außen größer sein als der verfügbare Kühlluftdruck. Hierdurch wird es schwierig, eine Kühlung, z.B. in Gestalt eines Kühlfilmes, vorzusehen, wobei die Luft von der Innenseite nach der Außenseite der Schaufel gelangen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine gekühlte Schaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk zu schaffen, wobei das verfügbare Kühlmittel in optimaler Weise ausgenutzt wird.

Gemäß der Erfindung ist die gekühlte Schaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk in der Weise ausgebildet, daß sie einen hohlen Vorderrandschaufelabschnitt aufweist, der einen unbehinderten Zugang nach einem äußeren Teil der Schaufel besitzt und mit Kühlluft gespxeist wird, wobei der Vorderrandabschnitt mit Löchern versehen ist, die von der inneren nach der äußeren Oberfläche durchgehen

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und einen Kühlfilm erzeugen, wobei ein hohler y&ttei-stt<*<*/**"&-r<t^nf* mit einem Lufteinlaßrohr vorgesehen ist, das nach dem äußeren Teil hin offen und mit Lochungen versehen ist, so daß die Luft veranlaßt wird, auf die inneren Oberflächendes Mittelabschnitts aufzutreffen, während der Hinterschaufelrandabschnitt mit einem gewundenen Pfad für die Kühlluft ausgestattet ist.

Vorzugsweise besteht der äußere Teil,der mit Kühlluft gespeist wird, aus der Oberfläche des Schaufelringes bzw. der Schaufelplattform im Abstand zu dem stromlinienförmigen Abschnitt.

Vorzugsweise sind außerdem Löcher vorgesehen, die von der Innenfläche nach der Außenfläche der Schaufel in jenem Zentralabschnitt und in dem Hinterradabschnitt verlaufen.

Der unbehinderte Zugang nach dem hohlen Vorderrandschaufelabschnitt kann dadurch erreicht werden, daß dieser Teil einen direkten Zugang hat oder es kann ein Kühlluftrohr innerhalb der Schaufel vorgesehen werden, welches gelocht ist, um eine im wesentlichen unbehinderte Strömung zuzulassen.

Die Luft kann von dem Mittelabschnitt nach dem sinusförmig gewundenen Kanal strömen oder stattdessen kann der Kanal einen direkten Zugang nach der äußeren Oberfläche haben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführur^Bform der Erfindung ist der Hinterrand der Schaufel mit einem in Längsrichtung verlaufenden Schlitz versehen, aus dem Luft ausströmen kann, die durch den gewundenen Kanal hindurchgetreten ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Lufteinlaßrohr aus zwei gelochten Blättern, die parallel zu den Schaufelflanken liegen,und aus zwei Membranen,die die Schaufel in ihren Vorderrandabschnitt, in ihren Mittelabschnitt und in ihren Hinterrandabschnitt unterteilen.

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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerks, teilweise aufgebrochen,

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht einer Schaufel, Fig. j5 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig.2,

Fig. 4 einen durch die Mittelsehne verlaufenden Schnitt einer anderen Ausführungsform der Schaufel,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie'5-5 gemäß Fig.4.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Kompressor abschnitt 10, einem Verbrennungsabschnitt 11 mit Düsenleitschaufein 12, einem Turbinenabschnitt 13 und der Schubdüse 14. Damit die Verbrennungstemperatur so hoch als möglich gehalten werden kann, werden die Düsenleitschaufeln 12 gekühlt und eine, solche Düsenleitschaufel ist in Fig.2 in größerem Maßstab aufgebrochen dargestellt, so daß die Kühlanordnung ersichtlich wird.

Jede Schaufel 12 weist eine innere Plattform I5 und eine äußere Plattform 16 auf. Zwischen diesen liegt der stromlinienförmig gestaltete Abschnitt 17· Dieser ist hohl ausgebildet und durch Membranen 18 und 19 in einen Vorderrandabschnitt, einen Mittelabschnitt und einen Hinterrandabschnitt aufgeteilt. Der Vorderrandabschnitt liegt zwischen dem Vorderrandabschnitt des stromlinienförmigen Abschnitts YJ und der Membran l8 und der so gebildete Kanal setzt sich durch die äußere Plattform l6 fort und führt nach einer Sammelkammer an der oberen Oberfläche dieser Plattform. Mehrere Reihen mit Filmkühllöchern 20 erstrecken sich von der inneren Oberfläche nach der äußeren Oberfläche dieses Vorderrandabschnitts und durch sie kann die Kühlluft von der Innenseite nach der Außenseite strömen und dann einen Kühlfilm bilden.

Der Mittelabschnitt der Schaufel ist zwis chen den Membranen l8 und 19 und den Flanken der Schaufel ausgebildet und mit einem Lufteintrittsrohr versehen. Dieses Rohr besteht aus zwei gelochten Blechen

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21 und 22, die etwa parallel zu den Planken der Schaufeln verlaufen. Dieses Rohr wird am Vorder- und Hinterrand durch die Membranen

18 und 19 vervollständigt. Die äußere Plattform 16 ist wiederum gelocht, wobei diese Lochungen auf das Rohr ausgerichtet sind, so daß wiederum Kühlluft von der Speicherkammer direkt in das Kühlluftrohr strömen kann. Nachdem die Luft einmal in das Rohr eingeströmt ist, kann sie durch die öffnungen in den Blechen 21 und 22 hindurchtreten und somit auf die inneren Oberflächen der Schaufelflanken auftreffen.

Die Kühlfilmlöcher sind bei 2j5 und 24 in diesen Plankenoberflächen vorgesehen und die Löcher erstrecken sich von der Innenseite nach der Außenseite der Planken und lassen die Luft nach der Außenseite der Schaufel gelangen, um eine Filmkühlung zu ermöglichen.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die hintere Membran

19 bei 25 gelocht, so daß ein Teil der Kühlluft, die in das Kühlluftrohr eintritt, durch dieses hindurch und nach dem Hinterrandabschnitt der Schaufel strömt. Dieser Teil wird durch Membranen 26, 27 und 28 in getrennte Kanäle aufgeteilt, die mit benachbarten Kanälen an jeweils abwechselnden Enden in Verbindung stehen. Dadurch wird ein sinusförmiger Kanal geschaffen, durch den die Luft strömen kann. Der hinterste dieser Kanäle erstreckt sich so, daß ein Schlitz 29 vom Hinterrand der Schaufel gebildet wird, während Streben 30 über diesen Schlitz 29 verlaufen, um die getrennten Teile der Schaufel zusammenzuhalten und die gleiche Richtung für die Luftströmung zu gewährleisten.

Außerdem erstrecken sich KühlfiImIöcher j51 und J2 von einem Kanäle, der zwischen den Membranen 26 und 27 ausgebildet ist, nach der äußeren Oberfläche der Schaufel, so daß eine Filmkühlung dieser äußeren Oberfläche bewerkstelligt wird.

Das Kühlsystem arbeitet wie folgt:

Kühlluft wird durch nicht-dargestellte Mittel der äußeren Oberfläche der Plattform 16 zugeführt und strömt somit direkt nach dem

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Vorderrand-Kanal und In das Lufteintrittsrohr. Diese Luft hat den höchst verfügbaren Druck. Da die Luft direkt in das Vorderrand-Rohr strömt, erfolgt kein merklicher Druckabfall. Die Luft kann daher vom Inneren des Kanales nach der äußeren Vorderrandoberfläche der Schaufel strömen, wo der Druck relativ hoch ist und dort kann eine Pilmkühlung erfolgen.

Luft vom Lufteinlaßrohr wird durch die gelochten Bleche 21 und zugemessen und trifft auf den inneren Oberflächen der Planken der Schaufel auf, so daß eine gewisse Kühlung der Planken erfolgt. Dann strömt die Luft durch die Filmkühllöcher nach der äußeren Oberfläche der Schaufel und bewirkt eine Filmkühlung dieses Mittelab. Schnitts.

Ein Teil der Luft vom Kühlrohr tritt durch die Membran 19 hindurch und in den ersten Kanal am Hinterrand zwischen den Membranen und 26. Dann strömt die Luft durch den sinusförmigen Kanal, der zwischen den Membranen 26,27 und 28 ausgebildet ist. Der Hauptteil der Luft strömt durch den Hinterrandschlitz 29 aus. Zusätzlich tritt ein kleiner Teil der Luft durch Filmkühllöcher 3I aus, wodurch eine Filmkühlung der äußeren Oberfläche des Hinterrandes bewirkt wird.

Es ist ersichtlich, daß diese.Konstruktion die Kühlluft wirksam ausnutzt, um verschiedene Teile der Schaufel zu kühlen. Die Hochdruckluft wird direkt zur Filmkühlung des Hochdruckvorderrandes der Schaufel benutzt und die Schrubbkühlung am Mittelteil ermöglicht eine wirksame Ausnutzung der Luft in diesem Teil und der sinusförmig gewundene Mehrfachkanal am Hinterrand bewirkt eine wirksame Kühlung in der verfügbaren geringen Dicke.

Dieses System kann sowohl für eine sich drehende Schaufel als auch für eine Statorleitschaufel benutzt werden. In gewissen Fällen kann es notwendig sein, alle dargestellten Kühlfilmlöcher zu benutzen.

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In Pig.4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, welches sich in Einzelheiten von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 unterscheidet. Hier besitzt die Schaufel wiederum eine innere Plattform 35 und eine äußere Plattform 36 und einen dazwischenliegenden stromlinienförmigen Schaufelteil 37. Dieser Schaufelteil

37 ist hohl und durch eine Membran 38 in einen Vorderabschnitt und einen Hinterabschnitt unterteilt. Der Hinterabschnitt ist zwischen dem Hinterabschnitt des stromlinienförmigen Teils 37 und der Membran

38 ausgebildet und ein Lufteintrittsrohr 39 erstreckt sich innerhalb

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dieses Abschnitts von der inneren Plattform/nach der äußeren Plattform 36. Das Rohr beseitzt einen langgestreckten Querschnitt, der etwa der Innenform des Vorderteils des Schsaufelprofils angepaßt und kleiner als dieser ist, so daß ein Spalt zwischen dem Rohr und dem Vorderrandabschnitt verbleibt. Am Hinterrand stößt das Rohr gegen die Membran 38 und ist gegenüber dieser abgedichtet.

Damit das Lufteintrittsrohr 39 mit Kühlluft gespeist werden kann, steht es durch die innere Plattform 35 in eine Kühlluftringleitung ein, während das gegenüberliegende Ende durch die äußere Plattform 36 abgesperrt ist. Wie am besten aus Pig.5 ersichtlich^ wird das Rohr 39 durch Rippen 40,41 und 42 zusätzlich zur Membran 38 gehalten und gegenüber diesen abgedichtet. Auf diese Weise wird der Spalt zwischen dem Rohr 39 und der Innenseite der Schaufel in vier getrennte Bereiche aufgeteilt. Jeder dieser Bereiche ist mit einer Luftzufuhr vom Rohr 39 versehen, welches bei 43,44,45 und 46 gelocht ist, damit Kühlluft in diese Bereiche einströmen kann und jeder Ber rieh ist mit Filmkühllöchern versehen, die durch die Schaufelwand nach der äußeren Oberfläche der Schaufel hindurchgehen, damit KühlfLlmluft hindurchtreten kann.

Wie am besten aus Fig.5 ersichtlich, ist der Bereich zwischen der Membran 38 und der Rippe 40 mit zwei Reihen 47 unu 48 von Kühllöchern versehen. Der Bereich zwischen den Rippen 40 und 41 besitzt

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drei Reihen 49,50 und 51 von Kühllöchern. Der Bereich zwischen den Rippen 41 und 42 besitzt eine Reihe 52 und der Bereich zwischen der Rippe 42 und der Membran 38 besitzt zwei Reihen 53 und 54.

Der Aufbau des Hinterabschnitts der Schaufel ist mit einem Mehrkanalkühlsystem wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel versehen. Die äußere Plattform ist bei 55 gelocht, so daß Kühlluft in einem sinusförmigen Kanal zwischen den Membranen 56 und 57 strömen kann. Die Membran 56 endet knapp vor der Plattform 55* erstreckt sich jedoch bis zur Plattform 56, während die Membran 57 von der Plattform 35 vorsteht und kurz vor der Plattform 36 endet. So werden drei Kanäle gebildet und der Kanal zwischen der M<=?bran 37 und dem Hinterrand kann einen Durchbruch durch die Hinterrandoberfläche der Schaufel bei 58 besitzen, um einen Luftaustrittskanal zu schaffen.

Zusätzlich zu den Filmkühllöchern im Vorderabschnitt ist eine weitere Reihe 59 vorgesehen, die von dem vordersten Kanal nach der konkaven Flanke der Schaufel verläuft.

Das beschriebene Kühlsystem arbeitet wie folgt: Kühlluft wird benachbart zu den Plattformen 35 und 36 zugeführt und diejenige Luft benachbart zur Plattform 35 strömt in das Kühlluftrohr 39 und nach außen über die verschiedenen öffnungen in den betreffenden Teil des Totraumes. Die verschiedenen öffnungen sind so angeordnet, daß unterschiedliche Strömungswiderstände■ erhalten werden, so daß in den Toträumen verschiedene Drücke erzeugt werden. So sind die Löcher 44 derart angeordnet, daß fast kein Strömungswiderstand vorhanden 1st, da der Druck der außen vorbeistreichenden Gase am spitzen Teil den Maximalwert hat. Die Luft hat demgemäß einen genügenden Druck, um durch die Filmlöcher gegen den hohen Außendruck auszuströmen. Die Löcher 46 sind so angeordnet, daß sie Kühlmittel mit dem niedrigsten Druck liefern und sie bewirken eine Schrubbkühlung der konvexen Niederdruckflanke der Schaufel, während die Kühlluft dennoch einen genügend hohen Überdruck über

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dem äußeren Niederdruck aufweist. Die Löcher 4j5 und 45 liefern einen Zwischendruck, der dem äußeren Druck in diesen Bereichen angepaßt ist.

Der Hinterabschnitt steht über die öffnung 55 mit der Druckluftquelle in Verbindung und die Luft strömt durch die sinusförmigen Kanäle hindurch und tritt durch die Ausgangskanäle bei 58 aus. Zusätzlich kann etwas Luft durch die Filmkühllöcher 59 strömen, um die konkaven Hinterrandabschnitte zu kühlen.

Die Drücke der Kühlluft an den innereryCind äußeren Plattformen brauchen nicht gleich zu sein. Wiederum kann das System für Laufschaufeln oder für Leitschaufeln benutzt werden, wobei gegebenenfalls die Kühlanordnung abgewandelt werden kann, um gegebenenfalls Luft beiden Teilen der Schaufel von der gleichen Plattform zuzuführen.

Der sinusförmige gewundene Kanal am Hinterrand kann mit Postamenten oder anderen über die Oberfläche vorstehenden Teilen versehen werden, um die Kühlwirkung zu verbessern. Dabei kann es notwendig sein, weitere Träger für das Lufteintrittsrohr 39 vorzusehen. Diese können von in Sehnenrichtung verlaufenden Rippen an der inneren Schaufeloberfläche gebildet werden.

Patentansprüche ;

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Claims

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Patentansprüche :

Gekühlte Schaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk, dadurch gekennzei chnet , daß sie einen hohlen Schaufelvorderrandabstand aufweist, der einen unbehinderten Zutritt von außen her ermöglicht" und mit Kühlluft gespeist wird, daß dieser Vorderrandabschnitt mit L öchern (20,47,48.49,50,51,52,53,54) versehen ist, die von der inneren Oberfläche nach der äußeren Oberfläche geführt sind und einen Kühlfilm erzeugen, daß ein hohler Mittelschaufelabschnitt vorgesehen ist, der ein Lufteinlaßrohr (21,22,39) aufweist, das nach außen hin offen ist und Löcher aufweist, durch die die Luft auf die innere Oberfläche des Mittelabschnitts auftreffen kann, und daß ein Schaufelhinterrandabschnitt mit einem sinusförmig gewundenen Kanal (26,27,28,56,57) ausgestattet ist, um eine Luftkühlung zu bewirken.
2. Schaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil,der mit Kühlluft gespeist wird, die Oberfläche eines Schaufelrings oder einer Schaufelplattform (15,16,35,36) umfaßt, der im Abstand von dem stromlinienförmig gestalteten Arbeitsabschnitt (17,37) liegt.
3. Schaufel nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzei chnet, daß weitere Filmkühllöcher (23,24,59) vorgesehen sind, die von der inneren Oberfläche der Schaufel im Mittelabschnitt und/oder im Hinterrandabschnitt nach der äußeren Oberfläche verlaufen.
4. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet , daß der hohle Vorderrandschaufelabschnitt direkt von dem äußeren Schaufelteil her zugänglich ist.

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5. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle vordere Sohaufelrandabschnitt mit Kühlluft über das Lufteintrittsrohr (39) gespeist wird.
6. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft von dem Mittelabschnitt nach dem sinusförmig gewundenen Kanal (26,27,28) abströmt.
7. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sinusförmig gewundene Kanal (56,57) direkt von dem Außenteil der Schaufel zur Zufuhr von Kühlluft zugänglich ist.
8. Schaufel nach Anspruch 7,

dadurch gekennzei chnet , daß der sinusförmig gewundene Kanal (56, 57) und das Lufteintrittsrohr (39) jeweils mit Luft von einer der inneren oder äußeren Plattformen (35,36) der Schaufel gespeist werden.
9. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Längsrichtung verlaufender Schlitz (29,58) am Hinterrand vorgehen ist, durch den die Luft ausströmen kann, die den sinusförmig gewundenen Kanal durchlaufen hat.
10. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lufteintrittsrohr von zwei gelochten Blechen (21,22) gebildet wird, die etwa parallel zu den Schaufelflanken verlaufen und daß die andere Begrenzung des Rohres durch zwei Membranen (18,19) erfolgt, die die Schaufel in den Vorderabschnitt, den Mittelabschnitt und den Hinterabschnitt unterteilen.

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