DE2241194B2 - Strömungsmaschinenschaufel mit inneren Kühlkanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschinenschaufel nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einer aus der DE-AS 14 76 921 bekannten Leitschaufel dieser Art findet, um die von den Kühlmittelhauptkanälen zu den Schaufelaußenflächen hin verlaufenden dünnen Kühlkanälchen herstellen zu können, eine besondere Schaufelkonstruktion Anwendung. Die bekannte Schaufel ist nämlich aus einer Anzahl von sich jeweils quer zur Schaufellängsrichtung erstreckenden, aufeinanderliegender! Scheiben zusammengesetzt, und in den aneinander anliegenden Scheibenoberflächen sind die von den in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlmittelhauptkanälen ausgehenden dünnen Kühlkanälchen gebildet, die teilweise mehrfach gewunden und verzweigt verlaufen.

Bei den in der Regel verwendeten einstückigen Strömungsmaschinenschaufeln, insbesondere bei Laufschaufeln, ist die bekannte Kühlkanälchenanordnung nicht realisierbar. Jedoch ist die Anordnung vieler kleiner Kühlkanälchen auch in einstückigen Schaufeln wünschenswert, um die Schaufelkühlung den mit fortschreitender technischer Entwicklung der Gasturbinenwerke immer höheren Betriebstemperaturen anzupassen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einstückige Schaufeln, und zwar sowohl Lauf- als auch Leitschaufeln, mit einem die Schaufeikühlung verbessernden Kühlleitungssystem zu versehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung liegen darin, daß die Kühlkanälchen als gerade oder auch schwach gekrümmte Bohrungen beispielsweise auf elektrochemischen Wege leicht herstellbar sind, und daß sie außerdem aufgrund der versetzten Anordnung der im Querschnitt länglichen Kühlmittelhauptkanäle und der diesen zugeordneten Kühlkanälchengruppen den ganzen Schaufelquerschnitt durchsetzen und damit eine gute Kühlung sicherstellen. Da alle Kühlkanälchen einer einem Kühimittelhauptkanal zugeordneten Kühlkanälchengruppe zur gleichen Schaufelprofilseite führen, ist es auch möglich, die zur konkaven Schaufelseite und die zur konvexen Schaufelseite führenden Kühlkanälchen unterschiedlich stark mit Kühlmittel zu beaufschlagen, wodurch die Kühlung dieser beiden Schaufelseiten optimal tatsächlichen Kühlungsbedarf angepaßt werden kann.

Bevorzugte Einzelheiten der erfindungsgemäßen Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch ein Gasturbinentriebwerk, bei welchem erfindungsgemäß ausgebildete Schaufeln Anwendung finden,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschinenschaufel, und

F i g. 3 einen Ausschnitt der Turbine des in F i g. 1 gezeigten Triebwerks mit einem Kühlluftzufuhrsystem zur Schaufelkühlung.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Verdichter 11, einer Brennkammeranordnung 12 und einer Gasturbine 13. Die Turbinenlaufräder 14 sind mit innengekühlten Laufschaufeln 15 bestückt.

Der in F i g. 2 gezeigte Querschnitt einer Laufschaufel 15 läßt die Anordnung der die Schaufel durchsetzenden Kühlkanäle erkennen. In der Schaufel 15 verlaufen mehrere sich in Schaufellängsrichtung vom Schaufelfuß bis zum Schaufelende erstreckende Kühlmittelhauptkanäle 21, die jeweils einen länglichen Querschnitt haben und so angeordnet sind, daß die Querschnittshauptachsen der aufeinanderfolgenden Kühlmittelhauptkanäle abwechselnd nach der einen und der anderen Richtung

mit Bezug auf die Profilmittellinie 20 geneigt sind.

Von jedem der KUhlmittelhauptkanäle 21 geht eine Gruppe von verhältnismäßig kleinen Kühlkanälchen 22 aus, wobei die Kühlkanälchen 22 jeder Gruppe jeweils nur von einer Querschnittslängsseite des zugehörigen Kühlmittelhauptkanals 21 ausgehen und liiesen Kühlmittelhauptkanal auch nur mit der Außenfläche einer Schaufelprofilseite 23 oder 26 verbinden. Wie Fig.2 zeigt, verbinden die Kühlkanälchen 22 die aufeinanderfolgenden KUhlmittelhauptkanäle 21 abwechselnd mit to der einen und der anderen Profilseite 25 und 26.

Die Kühlkanälchen 22 jeder Gruppe verlaufen jeweils im wesentlichen parallel zu den geradlinigen Querschnittslängsseiten des jeweils benachbarten Kühlmittelhauptkanals und münden möglichst tangential an der 1 -, betreffenden gekrümmten Schaufelaußenfläche aus, so daß die aus den Kanälchen austretende Kühlluft einen die Schaufelaußenfläche möglichst vollständig einhüllenden Luftfilm bildet

Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Kühlkanälchen 22 sollte möglichst groß sein und nach Möglichkeit 50 bis 100 oder mehr betragen. Dadurch ist die der Kühlluft ausgesetzte Innenfläche der Schaufel groß und der größte Teil des Wärmeübergangs von der Schaufel auf die Kühlluft findet innerhalb der Kühlkanälchen statt Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Kühlkanälchen kann dadurch vergrößert werden, daß die Kühlkanälchen etwas in Schaufellängsrichtung geneigt sind.

Die Kühlkanälchen 22 können mittels Elektronen- «1 strahl-. Laserstrahl- oder elektrochemischer Bohrverfahren hergestellt oder in die Schaufel eingegossen s^in. Ihr Durchmesser liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 mm.

Es brauchen nicht alle Kühlmittelhauptkanäle in der j-, oben beschriebenen Weise ausgebildet und über Kühlkanälchengruppen mit einer der beiden Schaufelprofilseiten verbunden zu sein. Demgemäß ist ein nahe der Schaufelhinterkante angeordneter Kühlmittelhauptkanal 40 über Bohrungen 41 mit der Schaufelhinterkante verbunden. Ein nahe der Schaufelvorderkante 43 gelegener, sich über den größten Teil der Schaufellänge erstreckender Kühlmittelhauptkanal 42 ist nicht direkt an die Kühlluftversorgung angeschlossen, sondern erhält aus einem benachbarten Kühlmittelhauptkanal 44 über Verbindungsbohrungen 45. Vom Kanal 42 verlaufen Bohrungen 46 zur Schaufelaußenfläche.

Da die Kühlkanälchen 22 der den aufeinanderfolgenden Kühlmittelhauptkanälen 21 zugeordneten Kühlkanälchengruppen abwechselnd auf der einen und der anderen Profilseite ausmünden, sollten die Kühlmittelaustrittsdrücke der an den beiden Profilseiten ausmündenden Kühlkanälchengruppen unterschiedlich groß gemacht werden, um die zur Verfugung stehende Kühlluft möglichst gut auszunützen und die Kühlung möglichst gut dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. Dazu wird der Druck der an der konvexen Schaufelseite austretenden Kühlluft kleiner gewählt als der Druck der an der konkaven Schaufelseite austretenden Kühlluft. Zu diesem Zweck können beispielweise im Schaufelfuß zwei Kühlluftkammern gebildet sein, die mit unterschiedlichen Drücken mit Kühlluft beaufschlagt werden. Jede dieser Kühlluftkammern ist dann den mit einer Schaufelseite verbundenen Kühlmittelhauptkanälcn zugeordnet.

Alternativ dazu kann im Schaufelfuß eine einzige Kühlluftkammer angeordnet sein, die über an den radial inneren Enden der KUhlmittelhauptkanäle angeordnete Drosselbohrungen unterschiedlicher Querschnitte mit diesen Hauptkanälen in Verbindung steht. Auch die Kühlkanälchen 22 wirken als Drosselbohrungen und durch entsprechende Bemessung ihrer Durchmesser ist es möglich, auch auf diesem Wege den im jeweiligen Kühlmittelhauptkanal herrschenden Druck größer oder kleiner zu machen.

F i g. 3 zeigt eine Möglichkeit der Beschickung zweier im Schaufelfuß gebildeter Kühlluftkammern 31 und 35 mit Kühlluft unter jeweils verschiedenem Druck. Die Kühlluftkammer 31 erhält über eine Düse 30 Kühlluft unter hohem Druck, die aus der Kühlluftkammer 30 dann einer bestimmten Kühlmittelkanalgruppe zugeführt wird. Bei der Beaufschlagung der Kühlluftkainmcr 31 ausleckende Leckluft strömt radial auswärts durch eine, eine Druckverminderung bewirkende Labyrinthdichtung 33 in einen Raum zwischen dieser Labyrinthdichtung 33 und einer weiteren Labyrinthdichtung 34 und von da aus in die andere Kühlluftkammer 35, die eine andere Kühlmittelhauptkanalgruppe speist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Strömungsmaschinenschaufel mit tragflügelartigem Querschnittsprofil und mit einer Anzahl von in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlmittel- ί hauptkanälen, die entlang der Profilmittellinie nebeneinander angeordnet sind und länglichen Querschnitt haben und von welchen aus dünne Kühlkanälchen zu den Schaufelaußenflächen hin verlaufen und dort schräg nach hinten ausmünden, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittshauptachsen der aufeinanderfolgenden Kühlmittelhauptkanäle (2t) abwechselnd nach der einen und der anderen Richtung mit Bezug auf die Profilmittellinie geneigt sind und daß die Kühlkanal- is chen (22) in jeweils einem Kühlmittelhauptkanal zugeordneten Gruppen angeordnet sind, welche die aufeinanderfolgenden Kühlmittelhauptkanäle abwechselnd mit der einen und der anderen Profilseite (25, 26) verbinden und deren einzelne, jeweils längs der Querschnittshauptachse des betreffenden Kühlmittelhauptkanals verteilte Kühlkanälchen im wesentlichen quer zu dieser Querschnittshauptachse verlaufen.

2. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (31, 35) zur Beaufschlagung verschiedener Kühlmittelhauptkanäle (21) mit jeweils unter verschiedenem Druck stehendem Kühlmittel.

3. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 2, jo dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Einrichtungen mindestens eine im Schaufelfuß (14) angeordnete, mit unter Druck stehendem Kühlmittel gespeiste Kammer (31, 35) aufweisen, mit welcher mindestens einer der Kühlmittelhauptkanäle (21) y> über eine Drosselöffnung verbunden ist.

4. Strömungsmaschinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanälchen (22) im Querschnitt jeweils kreisförmig sind und daß der Mehrzahl der einzelnen ίο Kühlkanälchen jeder Gruppe das Verhältnis von Länge zu Durchmesser größer als 20 ist.

5. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bei einem Teil der Kühlkanälchen (22) jeder Gruppe das Verhältnis von Länge zu Durchmesser größer als 50 ist.

6. Strömungsmaschinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanälchen (22) mindestens teilweise in Schaufellängsrichtung geneigt verlaufen.

7. Strömungsmaschinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Kühlmittelhauptkanäle (21) an den Längsseiten im wesentlichen geradlinig begrenzt « sind und daß die einem Kühlmittelhauptkanal zugeordneten Kühlkanälchen (22) etwa parallel zu den Querschnittslängsseiten der benachbarten Kühlmittelhauptkanäle verlaufen.

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