DE2241194A1

DE2241194A1 - Stroemungsmaschinenschaufel mit tragfluegelfoermigem querschnittsprofil und mit einer vielzahl von in schaufellaengsrichtung verlaufenden kuehlkanaelen

Info

Publication number: DE2241194A1
Application number: DE2241194A
Authority: DE
Inventors: Alan Moore
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-08-26
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1973-03-08
Also published as: FR2150520B1; IT962232B; DE2241194C3; AU462044B2; DE2241194B2; JPS5310207B2; AU4597172A; GB1381481A; JPS4831310A; SE380066B; FR2150520A1; US3801218A

Description

"' ' DIFL. DiG. ß.	HOLZES
89 AUG	SBURG
VHTUPPimE -WB
nun

R. 838

Augsburg, den 21. August 1972

Rolls-Royce (1971) Limited, 14-15 Conduit Street, London W.I., England,

Strömungsmaschinenschaufel mit tragflügelförmigem Querschnitt sprofil und mit einer Vielzahl von in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlkanälen

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschinenschaufel mit tragflügeiförmigem Querschnittsprofil und mit einer Vielzahl von in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlkanälen.

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Da Gasturbinentriebwerke rait fortschreitender technischer Entwicklung bei immer höheren Temperaturen betrieben werden, gestaltet sich die Kühlung der Triebwerksschaufeln immer schwieriger.

Es sind bereits Schaufelkühlsysteme bekannt, bei welchen die Triebwerksschaufeln jeweils mit einem Kühlmittelkanal verhältnismäßig großen Querschnitts oder mit einer Vielzahl von Kühlkanälen jeweils verhältnismäßig kleineren Querschnitts versehen sind, die jeweils in Schaufellängsrichtung verlaufen. Das Kühlmittel wird diesen Kanälen jeweils an einem Schaufelende zugeführt und am anderen Schaufelende ausgestoßen oder aber das Kühlmittel wird durch Bohrungen oder Schlitze an den Schaufelvorderkanten und an den Schaufelhinterkanten ausgestoßen.

Bei diesen bekannten Kühlsystemen ist jeweils nur ein verhältnismäßig begrenzter Oberflächenbereich der Einwirkung des Kühlmittels ausgesetzt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Strömungsmaschinenschaufeln der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart eine Schaufelkühlung zu erzielen, welche 'sicherstellt, daß möglichst große Oberflächenbereiche der

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Schaufel der Einwirkung des Kühlmittels ausgesetzt sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Strömungsmaschinenschaufel der eingangs dargelegten Bauart eine Vielzahl von quer zur Schaufelachse zwischen den Kühlkanälen und der Schaufelauße.nfläche verlaufenden Bohrungsgruppen aufweist, wobei jeweils die Bohrungen jeweils einer dieser Bohrungsgruppen von jeweils einem dieser Kühlkanäle zur Außenfläche jeweils einer Schaufelseite verlaufen, während die Bohrungen der jeweils nächsten Bohrungsgruppe von dem jeweils nächsten Kühlkanal zur Außenfläche der anderen Schaufelseite verlaufen usw..

Eine derartige Ausbildung einer Strömungsraaschinenschaufel bringt den technischen Portschritt, daß ein wesentlich größerer Schaufeloberflächenbereich der Einwirkung des Kühlmittels ausgesetzt ist als dies bisher möglich war.

Da die jeweils von verschiedenen Kühlkanälen ausgehenden Bohrungsgruppen jeweils zu den Außenflächen verschiedener Schaufelseiten verlaufen, sind die in den Kühlkanälen unterhaltenen Kühlmitteldrücke vorzugsweise verschieden groß. Auf diese Weise kann also beispielsweise jeder Kühlkanal unabhängig für sich mit Kühlmittel von im Vergleich

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zu den anderen Kühlkanälen verschiedenem Druck beschickt werden oder aber jeder Kühlkanal kann mit einer im Schaufelfuß angeordneten Kühlmittelkammer über Drosselbohrungen in Verbindung stehen, welche jeweils so bemessen sind, daß jeweils zwischen der Kühlmittelkammer und den verschiedenen Kühlkanälen jeweils verschiedene Druckdifferenzen herrschen.

Damit im Sinne einer Oberflächenvergrößerung die Längen dieser Bohrungen möglichst groß gehalten werden können, sind in Weiterbildung der Erfindung diese in Querrichtung zur Schaufel verlaufenden Bohrungen außerdem auch noch in Schaufellängsrichtung geneigt.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenschaufel wird nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen in seinen Einzelheiten beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine schematische, teilweise

geschnittene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks, welches mit erfindungsgemäßen Schaufeln ausgestattet ist,

^pig· 2 einen schematischen Querschnitt

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durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenschaufel in wesentlich vergrößertem Maßstab und

Fig. 3 einen schematischen Teil-Axial

schnitt durch die Turbine des in Pig. 1 dargestellten Triebwerks, bei welcher ein abgewandeltes Luftzuführungssystem zu den Schaufeln Anwendung findet.

Das in Fig. 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk 10 weist einen Verdichter 11, eine Brennkammeranoränung 12 und eine Gasturbine 13 auf. An den Turbinenlaufrädern 14 sind Laufschaufeln 15 befestigt.

Die Turbinenschaufel 15, deren Querschnitt in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung verschiedene Einzelheiten erkennen läßt, weist das Schaufelinnere in Längsrichtung durchsetzende Kühlkanäle 21 auf, die sich vom Schaufelfuß bis zum Schaufelende erstrecken und vom Triebwerksverdichter her mit Kühlluft gespeist werden.

Mit jedem dieser Kühlkanäle 21 ist jeweils eine Vielzahl

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von verhältnismäßig kleinen Bohrungen 22 verbunden, die jeweils nur an einer Seite des betreffenden Kühlkanales 21 ausmünden und denselben auch nur mit der Außenfläche einer Schaufelseite verbinden.

Aus Pig. 2 ist zu ersehen, daß die Bohrungsgruppen 22 jeweils nebeneinanderliegender Kühlkanäle 21 jeweils zu den Außenflächen verschiedener Schaufeleeiten verlaufen.

Dadurch, daß die Kühlkanäle jeweils so nahe als möglich zu den Schaufelaußenflächen angeordnet sind, ist es möglich, die Längen der Bohrungen 22 der Bohrungsgruppen so groß wie möglich zu machen. Da es aber außerdem auch notwendig ist, einen möglichst großen Bereich der Schaufelaußenfläche mit Mündungen von Bohrungen 22 zu versehen, ergibt sich bei bestimmten Schaufelformen hinsichtlich der Anordnung der Kühlkanäle und der Bohrungsgruppen ein Kompromiß zwischen zwei sich normalerweise gegenseitig ausschließenden Bedingungen, nämlich daß die Bohrungen der einzelnen Bohrungsgruppen im Interesse der Erzielung eines größtmöglichen Wärmeüberganges bei gegebenem Bohrungsquerschnitt und gegebener Strömungsgeschwindigkeit einerseits möglichst lang sein sollen und daß andererseits die Bohrungsmündungen an den Schaufelaußenflächen einen möglichst großen Flächenbereich einnehmen

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sollen, so daß vermieden wird, daß größere Schaufelaußenflächenbereiche ohne Bohrungsmündungen sind.

Bei der Turbinenschaufel₉ deren Querschnitt in Fig. gezeigt ist, ist der Versuch gemacht, hinsichtlich der Anordnung der Kühlkanäle und der Bohrungsgruppen einen möglichst guten Kompromiß zwischen den genannten beiden Forderungen zu erzielen. Die Kühlkanäle haben, wie ersichtlich, jeweils einen länglichen lichten Querschnitt,, indem sie als von geradlinig verlaufenden Wandungen begrenzte Schlitze ausgeführt sind. Die größten Querschnittsachsen jeweils nebeneinanderliegender Schlitze sind jeweils in entgegengesetzten Richtungen zu der Krümmungsmitte!linie 20 des Schaufelquerschnitts geneigt und die Bohrungen, der zugehörigen, von dem Kühlkanal zur betreffenden Schaufelaußenfläche verlaufenden Bohrungsgruppen verlaufen jeweils im wesentlichen parallel zu den geradlinig verlaufenden Seitenflächen des jeweils benachbarten Kühlmittelkanals. Auf diese Weise sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, die Bohrungen 21 verhältnismäßig lang, während die jeweils zwischen den Mündungsbereichen der Bohrungsgruppen, auf der Außenfläche der betreffenden Schaufelseite gelegenen Schaufelaußenflächenbereiche verhältnismäßig klein sind.

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Um eine möglichst gute Bedeckung der Schaufelaußenflächen mit Bohrungsmündungen zu erzielen, sollte das Verhältnis der Bohrungslänge zum Bohrungsdurchmesser so groß wie möglich sein und möglichst den Wert von 50 übersteigen. Da im Hinblick auf Verstopfungsgefahr und auch aus Herste1lungsgründen der praktisch mögliche Mindestdurchmesser der Bohrungen 0,1 mm beträgt, ergibt sich, daß die anzustrebende Mindestlänge der Bohrungen ungefähr bei 6,3 mm liegt. Je größer natürlich die betreffende Turbinenschaufel ist, umso leichter ist es, die Bohrungen so anzuordnen, daß das Verhältnis der Bohrungslänge zum Bohrungsdurchmesser bis auf 100 oder mehr ansteigt.

Dieses Verhältnis der Bohrungslänge zum Bohrungsdurchmesser kann noch dadurch vergrößert werden, daß die Bohrungen, obschon sie im wesentlichen in Querrichtung verlaufen, außerdem auch noch in Schaufellängsrichtung geneigt sind, indem sie beispielsweise mit Bezug auf die Betriebsstellung der Schaufel eine Radial-Richtungskomponente aufweisen. Außerdem können die Bohrungen, anstatt im wesentlichen parallel zu den geraden Kühlkanalwandungen zu verlaufen, jeweils innerhalb einer Bohrungsgruppe auseinanderlaufen, so daß der von BohrungsmUndungen bedeckte Bereich der Außenfläche der betreffenden Schaufelseite

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größer wird.

Die Bohrungen 22 sind außerdem vorzugsweise auch so angeordnet, daß sie so weit als möglich tangential zu der betreffenden gekrümmten Schaufe!außenfläche in diese ausmünden, so daß die aus den' Bohrungen austretend® Kühlluft einen möglichst die ganze Schaufelaußenfläche einhüllenden Luftfilm bildet. Dieser Luftfilm trägt wesentlich dazu bei, die Schaufelaußenflächenbereiche 25 und 26_s an welchen keine Bohrungen ausmünden, mit zukühlen.»

Dadurch, daß jeweils ein Kühlkanal ein© Gruppe von verhältnismäßig langen Bohrungen mit Kühlluft beschickt, ist die der Einwirkung der Kühlluft ausgesetzt© Innenfläche der Schaufel gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich vergrößert und der größte Teil des Wärmeübergang©® von der Schaufel in die Kühlluft findet innerhalb der genannten Bohrungen statt.

Die Bohrungen 22 können an sich jede beliebige Querschnittsform haben, doch verdient mit Rücksicht auf Herstellungsgründe die kreisrunde Querschnittsform den Vorzug. Die Bohrungen können entweder mittels eines Elektronenstrahls oder mittels eines Laserstrahls oder auf elektro-

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chemischem Wege hergestellt sein oder in die Turbinenschaufel eingegossen sein. Der bevorzugte Bohrungsdurchmesser beträgt 0,2 mm.

Da die Bohrungen 22 der Bohrungsgruppen jeweils benachbarter Kühlkanäle 21 jeweils auf einander gegenüberliegenden Seiten der Schaufelaußenfläche ausmünden, müssen die Austrittsdrücke des an den Mündungen der verschiedenen Bohrungsgruppen austretenden Kühlmittels verschieden groß gehalten werden. Damit die zur Verfügung stehende Kühlluft möglichst gut ausgenutzt wird, wird der Druck der an der konvexen Schaufelseite austretenden Kühlluft kleiner gemacht als derjenige der an der konkaven Schaufelseite austretenden Kühlluft. So können beispielsweise am Schaufelfuß zwei Kühlluftkammern angeordnet sein, welchen die Kühlluft jeweils unter verschiedenem Druck zugeführt wird. Diese Kühlluftkammern haben dann jeweils Verbindung mit jeweils verschiedenen Kühlluftkanalgruppen. In Abwandlung dessen kann im Schaufelfuß eine einzige Kühlluftkammer, angeordnet sein, welche über an den radial inneren Enden der Kühlkanäle angeordnete Drosselbohrungen verschiedenen Querschnitts an diese Kanäle angeschlossen ist, so daß sich jeweils Druckdifferenzen ergeben, die zur Folge haben, daß die Kühlluft jeweils mit bestimmtem Druck in bestimmte

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Kühlkanäle eintritt. Auch die Bohrungen 22 wirken als Drosselbohrungen und durch entsprechende Bemessung der Durchmesser dieser Bohrungen ist es möglieh,, auch den jeweils in dem zugehörigen Kühlkanal herrschenden Druck größer oder kleiner zu machen.

Pig. 3 zeigt eine Möglichkeit der Beschickung zweier Kühlluftkammern im Schaufelfuß mit Kühlluft von jeweils verschiedenem Druck, über eine Düse 30 wird .einer Kammer im Schaufelfuß Kühlluft von hohem Druck zugeführt, von wo die Kühlluft einer bestimmten Kühlkanalgruppe zugeführt wird. Aus der Kammer 31 austretende Leekluft hat das Bestreben, radial nach auswärts zu strömen, weshalb eine Labyrinth« dichtung 33 vorgesehen ist, welche eine Erniedrigung des Luftdruckes bewirkt. Radial außerhalb der Labyrinthdichtung 33 befindet sich eine weitere Labyrinthdichtung 34, welche verhindert, daß die Luft in die Turbine eintritt. Die zwischen den beiden Labyrinthdichtungen befindliche Luft, die nunmehr einen niedrigeren Druck hat, gelangt in eine im Schaufelfuß angeordnete weitere Kammer 35» von welcher aus eine andere Gruppe von Kühlkanälen gespeist wird.

Nicht alle Kühlkanäle der Schaufel brauchen die oben

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beschriebene Querschnittsform zu haben und nicht alle Kühlkanäle brauchen über in Gruppen angeordnete Bohrungen mit den ihnen jeweils zugeordneten Außenflächen beider Schaufelseiten verbunden zu sein.

Die Schaufel 15 weist außerdem eine Kammer 40 auf, die über Bohrungen 41 mit der Hinterkante der Schaufel verbunden ist.

Ein der Schaufelvorderkante 43 nächstgelegener Kühlkanal 42 erstreckt sich über den größten Teil der Schaufellänge, ist jedoch nicht am Schaufelfuß an das Kühlluft-Zuführungssystem angeschlossen. Dieser Kanal wird nämlich über Bohrungen 45 aus einem Kanal 44 mit Kühlluft versorgt. Von der Schaufelaußenfläche verlaufen Bohrungen 46 zum Kanal 42, welche als Dosierdüsen wirken und die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft bestimmen, welche vom Kanal 42 zur Schaufelaußenfläche strömt.

Die besondere, im Querschnitt gemäß Fig. 2 gezeigte Anordnung der drei mittleren Kühlkanäle innerhalb der Schaufel stellt eine optimale Kanalanordnung dar, welche ermöglicht, den Bohrungen 22 eine maximale Länge zu geben, während gleichzeitig auch die Schaufelaußenfläche hierdurch

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möglichst gleichmäßig mit Bohrungsausmündungen bedeckt wird.

Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Bohrungen 22 als solche kreisrunden Querschnitts beschrieben worden sind, können dieselben selbstverständlich auch eine andere Querschnittsform haben und beispielsweise als sehr enge, in Schaufellängsrichtung verlaufende Schlitze gestaltet sein.

Aus Gründen der leichteren Herstellung kann die erfindungsgemäße Strömungsmaschinenschaufel aus zwei längs der Profilkrümmungsmittelflache geteilten Schaufelhälften hergestellt sein, die miteinander beispielsweise durch Diffusionsbindung verbunden sind.

Es können selbstverständlich auch andere Kühlkanalanordnungen Anwendung finden als sie in Verbindung mit Fig. 2 oben beschrieben wurden. So kann beispielsweise dadurch eine möglichst große Länge der Kühlluftbohrungen erzielt werden, daß jeweils wechselweise nebeneinander gelegene Kühlkanäle jeweils nahe der einen Schaufelseite und jeweils nahe der anderen Schaufelseite angeordnet sind und die von den betreffenden Kühlkanälen ausgehenden

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Bohrungsgruppen zur jeweils weiterab gelegenen Schaufelseite geführt werden. Dadurch können allerdings heiße Bereiche an der Schaufelaußenfläche entstehen, an welchen keine Bohrungsgruppen ausmünden.

Die Kühlkanäle können selbstverständlich ebenfalls beliebige Querschnitte haben. Vorzugsweise haben sie die oben beschriebene längliche Querschnittsform.

Die Verteilung der Bohrung3mündungen auf den Schaufelaußenflächen braucht nicht gleichmäßig zu sein, weil es zuweilen von Vorteil sein kann, an bekannten heißen Stellen der Schaufelaußenfläche eine größere Anzahl von Bohrungsmündungen zu konzentrieren als an anderen Schaufelaußenflächenbereichen.

Falls die Bohrungen 22 die Form enger, in Schaufel längsrichtung verlaufender Schlitze haben, verlaufen sie Vorzugsweise über die ganze SchaufeHänge oder wenigstens einen we3entliehen TeiL der Schaufellänge.

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Claims

Patentansprüche

\1,J Strömungsmaschinens chaufel mit tragf lügeiförmigem

Querschnittsprofil und mit einer Vielzahl von in Schaufellängsrichtuhg verlaufenden Kühlkanälen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von quer zur Schaufelachse zwischen den Kühlkanälen (21) und der Schaufelaußenfläche (15) verlaufenden Bohrungsgruppen, wobei jeweils die Bohrungen (22) jeweils einer dieser Bohrungsgruppen von jeweils einem dieser Kühlkanäle zur Außenfläche jeweils einer Schaufelseite verlaufen, während die Bohrungen der jeweils nächsten Bohrungsgruppe von dem jeweils nächsten Kühlkanal zur Außenfläche der anderen Schaufelseite verlaufen usw..

2. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (30 ... 35), die gestatten, verschiedenen Kühlkanälen (21) jeweils Kühlmittel unter verschiedenem Druck zuzuführen.

3. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel eine im Schaufelfuß (14) angeordnete, mit unter Druck stehendem Kühlmittel

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beschickte (30) Kammer (31) und eine am Schaufelfußende mindestens eines der Kühlkanäle (21) befindliche, mit dieser Kammer verbundene Drosselbohrung aufweisen.

*t. Strömungsmaschinenschaufel nach einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Bohrungen (22) kreisförmigen Querschnitt haben und daß bei der Mehrzahl der Bohrungen jeweils innerhalb der einzelnen Bohrungsgruppen das Verhältnis von Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser größer als 20 ist.

5. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeweils mindestens einigen Bohrungen (22) innerhalb der einzelnen Bohrungsgruppen das Verhältnis von Bohrungslänge zu Bohrungsdurchmesser größer als 50 ist.

6. Strömungsmaschinenschaufel nach einem der Ansprüche bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Bohrungen (22) innerhalb der einzelnen Bohrungsgruppen sowohl in Schaufelquer- als auch in Schaufellängsrichtung verlaufen.

7. Strömungsmaschinenschaufel nach einem der

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Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kühlkanäle (21) länglich ist.

8. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils größten Querschnittslängsachsen jeweils nebeneinanderliegender Kühlkanäle (21) jeweils in entgegengesetzten Richtungen zur Krümmungsmittellinie (20) des Schaufelquerschnitts geneigt sind.

9. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Kühlkanalquerschnitte an den Längsseiten im wesentlichen gradlinig begrenzt sind und daß die Bohrungen (22) einer jeweils einem benachbarten Kühlkanalquerschnitt zugeordneten Bohrungsgruppe im wesentlichen parallel zu den Längsseiten des erstgenannten Kühlkanalquerschnitts verlaufen.

10. Strömungsmaschinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bohrungsgruppen derart auf die Schaufel verteilt sind, daß der Wärmeübergang zwischen der Schaufel und dem die Schaufel durchströmenden Kühlmittel hauptsächlich innerhalb der genannten Bohrungen (22) stattfindet.

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