DE2313047A1

DE2313047A1 - HIGH STRENGTH COOLED TURBINE BLADES

Info

Publication number: DE2313047A1
Application number: DE19732313047
Authority: DE
Inventors: Thomas Alvin Auxier; Robert Barry Solda; Albert Philip Sterman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-03-09
Filing date: 1973-03-16
Publication date: 1974-09-19
Also published as: FR2221020A5

Description

Die Erfindung betrifft Turbinenlaufschaufeln' für Hochtemperaturturbinen und insbesondere eine Turbinenlaufschaufel mit verbesserten Einrichtungen zur Beherrschung und Ausrichtung des Kühlmittelstroms durch die Laufschaufel in einer wirksamen und angemessenen Weise bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Festigkeit und Integrität der Struktur.The invention relates to turbine blades for high temperature turbines and in particular a turbine blade having improved means for controlling and directing the flow of coolant by the blade in an effective and reasonable manner while maintaining high strength and integrity of the structure.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerkes in Beziehung steht zur Arbeitstemperatur der Turbine und durch Erhöhung der Arbeitstemperatur oder Betriebstemperatur gesteigert werden kann. In praktischer Hinsicht ist jedoch die maximale Betriebstemperatur der Turbine begrenzt durch Hochtemperatureigenschaften der verschiedenen Turbinenelemente. DaIt is known that the efficiency of a gas turbine engine is related to the working temperature of the turbine and by increasing the working temperature or operating temperature can be increased. In practical terms, however, the maximum operating temperature of the turbine is limited by high temperature properties of the various turbine elements. There

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der Wirkungsgrad des Triebwerkes auf diese Weise auch durch Temperaturerwägungen beschränkt ist, haben die Konstrukteure von . Turbinen beträchtliche Anstrengungen darauf verwendet, die Hochtemperatureigenschaften der Turbinenelemente zu steigern, insbesondere bezüglich der tragflügelprofilförmig gestalteten Leitschaufeln und Laufschaufeln, auf welche die Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur auftreffen. Eine gewisse Erhöhung des Wirkungsgrades des Triebwerkes wurde erreicht durch die Entwicklung und Anwendung neuer Materialien, welche in der Lage sind, höheren Temperaturen zu widerstehen. Diese neuen Materialien sind jedoch im allgemeinen nicht fähig, den extrem hohen Temperaturen zu widerstehen, wie sie für moderne Gasturbinen gewünscht werden. Infolgedessen wurden die verschiedensten Kühleinrichtungen angegeben, um die obere Grenze der Betriebstemperatur dadurch auszudehnen, daß die Profilteile auf den niedrigeren Temperaturen gehalten werden, die sie ohne Bildung von Narben (pitting) oder verbrannten Stellen (burning out) ertragen können.the efficiency of the engine in this way also through temperature considerations is limited, the designers of. Turbines put considerable effort into improving the high temperature properties to increase the turbine elements, in particular with regard to the airfoil-shaped guide vanes and blades that the high temperature combustion products impinge. Some increase in efficiency of the engine was achieved through the development and application of new materials, which are capable of higher To withstand temperatures. However, these new materials are generally not able to withstand the extremely high temperatures, as desired for modern gas turbines. As a result, the most diverse cooling devices were specified, to extend the upper limit of the operating temperature by keeping the profile parts at the lower temperatures that they can endure without scarring (pitting) or burning out.

Die Kühlung von tragflügelprofilartig gestalteten Teilen wird allgemein dadurch bewerkstelligt, daß im Innern des Profilteils zur Aufnahme eines Stroms eines Kühlmittels innere Strömungskanäle vorgesehen werden. Dabei wird als Strömungsmittel typischerweise verdichtete Luft verwendet, die entweder am Verdichter oder am Brenner abgezweigt wird. Es ist jedoch ebenfalls gut bekannt, daß der theoretisch mögliche Wirkungsgrad des Triebwerkes durch die Abzweigung von Kühlluft vermindert wird. Es ist daher unbedingt erforderlich, daß die Kühlluft wirksam ausgenutzt wird, da sonst die durch das Abzweigen der Luft verursachte Verminderung des Wirkungsgrades größer ist als die Steigerung, welche sich aus der höheren Betriebstemperatur der Turbine ergibt. Mit anderen Worten muß das Kühlsystem einen guten Wirkungsgrad besitzen vom Standpunkt der Reduzierung der erforderlichen Kühlluftmenge auf ein Mindestmaß. Es ist weiterhin unerläßlich, daß alle Teile der Profilteile in der Turbine ausreichend gekühlt werden. Insbesondere muß eine ausreichende Kühlung für die Eintrittskantenbereiche und Austrittskantenbereiche für die Profilteile vorgesehen werden, da diese Teile besonders nachteilig durch dieThe cooling of airfoil-shaped parts is generally achieved in that inner flow channels are provided in the interior of the profile part for receiving a flow of a coolant. The fluid is typically used uses compressed air, which is diverted either at the compressor or at the burner. However, it is also well known that the theoretically possible efficiency of the engine is reduced by the diversion of cooling air. It is therefore It is imperative that the cooling air is used effectively, otherwise the reduction caused by the branching off of the air the efficiency is greater than the increase resulting from the higher operating temperature of the turbine. With In other words, the cooling system must have good efficiency from the standpoint of reducing the amount of cooling air required to a minimum. It is also essential that all parts of the profile parts in the turbine are adequately cooled. In particular, adequate cooling must be provided for the leading edge areas and trailing edge areas for the profile parts be, as these parts are particularly disadvantageous by the

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Verbrennungsgase hoher Temperatur beeinflußt werden. Es wurde auch gefunden, daß die in der Vergangenheit verfügbaren Kühlanordnungen dazu neigen, einige der vorgenannten Forderungen nicht ausreichend zu erfüllen. Kühlsysteme mit Verwendung einer Mindestmenge von Kühlluft ergeben gewöhnlich nicht eine ausreichende Kühlung aller Teile des Profils. Als Ergebnis kann ein kritischer Teil, beispielsweise der Eintrittskantenbereich, rissig werden, verbrennen oder Vertiefungen aufweisen, und zwar bereits nach einer relativ kurzen Betriebsdauer. Andererseits erfordern diejenigen Systeme, welche alle Teile des Profils einschließlich der Eintrittskanten- und Austrittskantenbereiche ausreichend kühlen, gewöhnlich zuviel Kühlluft im Hinblick auf ein wirkungsvolles Gesamtverhalten des Triebwerkes. Der Grund hierfür ist dabei die Tatsache, daß die Kühlluft nicht wirkungsvoll verwendet wird. Beispielsweise kann eine solche Anordnung mit schiechtem Wirkungsgrad die Kühlluft durch das Innere des Profils in einer solchen Weise leiten, daß dabei geringe Wärmeübergangskoeffizienten für Konvektion oder eine geringe Geschwindigkeit für den Wärmeübergang ergibt. Andere Eigenschaften, beispielsweise eine unzureichende Fläche für den übergang, können ebenfalls eine wirksame Verwendung der Kühlluft verhindern.High temperature combustion gases are affected. It has also been found that the cooling arrangements available in the past tend not to adequately meet some of the aforementioned requirements. Cooling systems using a minimum amount of cooling air does not usually result in sufficient cooling of all parts of the profile. As a result, it can be a critical one Part, for example the leading edge area, become cracked, burned or have depressions, already after a relatively short operating time. On the other hand, those systems that cover all parts of the profile including the Sufficient cooling of the leading and trailing edge areas, usually too much cooling air for effective overall performance of the engine. The reason for this is the fact that the cooling air is not used effectively. For example Such an arrangement can with poor efficiency the cooling air through the interior of the profile in such a Conduct way that thereby low heat transfer coefficients for convection or a low speed for heat transfer results. Other properties, such as insufficient area for transition, can also be effective Prevent the use of cooling air.

Weiterhin sollte eine ausgewählte Kühlanordnung die strukturelle Integrität und Festigkeit des Profilteils aufrechterhalten, ohne in unzulässiger Weise die Konstruktion des Teils zu komplizieren oder die Herstellungskosten zu erhöhen. Im Falle von Turbinenlaufschaufeln werden darüber hinaus die Profilteile von einem Turbinenrotor mit hoher Drehzahl getragen. Hier kann es schwierig sein, diese letzteren Anforderungen zu erfüllen in Kombination mit einem Kühlsystem, das theoretisch und praktisch einen guten Wirkungsgrad besitzt. Zum Verständnis dieser Schwierigkeiten ist zu beachten, daß während des Betriebs von typischen Gasturbinentriebwerken die gesamten Belastungswerte im Innern von typischen Turbinenlaufschaufeln eine Größe erreichen, die bedeutend höher sind als die Werte, wie sie normalerweise an den stationären Leitschaufeln auftreten. Es ist daher unbedingt erforderlich, daß die strukturelle Festigkeit und Integrität der Laufschaufeln aufrecht-Furthermore, a selected cooling arrangement should maintain the structural integrity and strength of the profile part without unduly complicating the construction of the part or increasing the manufacturing cost. In the case of turbine blades In addition, the profile parts are carried by a high-speed turbine rotor. It can be difficult here be able to meet these latter requirements in combination with a cooling system that is theoretically and practically a good one Possesses efficiency. In order to understand these difficulties, it should be noted that during the operation of typical gas turbine engines the total stress levels inside typical turbine blades reach a size that is significantly higher are than the values normally found on the stationary guide vanes. It is therefore imperative that the structural strength and integrity of the blades are maintained.

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erhalten bleibt, um während des Betriebs des Triebwerkes einen
ernsthaften oder sogar katastrophalen Ausfall zu verhindern. Dabei ist jedoch zu beachten, daß Kühlsysteme, welche bei der Verwendung für die Kühlluft von Statorleitschaufeln mit relativ geringer Belastung in höchstem Grade wirksam sind, nicht notwendigerweise für Turbinenlaufschaufeln geeignet sind, da die von solchen Systemen geforderte Anordnung von Kühlkanälen usw. die Integrität und Festigkeit der Laufschaufeln nachteilig beeinträchtigen kann.is retained to a
prevent serious or even catastrophic failure. It should be noted, however, that cooling systems which are most effective when used for the cooling air of stator vanes with relatively low loads are not necessarily suitable for turbine blades because the arrangement of cooling channels, etc. required by such systems reduces the integrity and strength can adversely affect the blades.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Turbinenlaufschaufel zu schaffen, bei >
Integrität beibehalten werden.It is therefore an object of the invention to provide a cooled turbine blade where >
Integrity to be maintained.

laufschaufel zu schaffen, bei der hohe Festigkeit und strukturelleTo create a blade with high strength and structural strength

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenlaufschaufel mit hoher Festigkeit zu schaffen, bei der das Kühlmittel mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird.It is another object of the invention to provide a turbine blade to create with high strength, in which the coolant is used with high efficiency.

Es ist eine weitere Aufgabe, eine Turbinenlaufschaufel mit hoher Festigkeit zu schaffen, in der alle Teile der Laufschaufel ausreichend gekühlt werden.Another object is to provide a turbine blade with high strength in which all parts of the blade are sufficient be cooled.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Turbinenlaufschaufel mit verbesserten Einrichtungen zur Steuerung und Ausrichtung des Kühlmittelstroms durch die Laufschaufel in
einer angemessenen und wirksamen Weise zu erhalten, ohne dabei
nachteilig die Festigkeit und strukturelle Integrität der Laufschaufel zu beeinflussen.Another object of the invention is to provide an improved turbine blade having improved means for controlling and directing the flow of coolant through the blade in FIG
in a timely and effective manner without losing it
adversely affect the strength and structural integrity of the blade.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorgenannten Aufgabenstellungen in einer Turbinenlaufschaufel zu verwirklichen, welche haltbar und zuverlässig im Betrieb und bezüglich
der Herstellung relativ einfach und kostengünstig ist.Another object of the invention is to achieve the aforementioned objects in a turbine blade which is durable and reliable in operation and with respect to
the production is relatively simple and inexpensive.

In einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine hohle Turbinenlaufschaufel einen Basisteil zur Befestigung der Laufschaufel an einem Turbinenrotor und einen geschlossenen Tragflügelteil,In one embodiment of the invention, a hollow turbine blade includes a base part for fastening the rotor blade to a turbine rotor and a closed airfoil part,

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der als integraler Teil zusammen mit dem Basisteil ausgebildet ist. Der Tragflügelteil enthält eine integrale Unterteilung in den hohlen Innenraum, welcher das Innere in einen ersten Bereich benachbart dem Bereich der Sehnenmitte der konkaven Seitenwand des Profils und einen zweiten Bereich benachbart zu den Eintrittsund Austrittskanten und der konvexen Seitenwand des Profils unterteilt. Es sind Einlaßeinrichtungen zum Einlaß eines Kühlmittels, beispielsweise Luft, in den ersten Bereich und weiterhin Auslaßeinrichtungen zum Ausstoß des Kühlmittels aus dem zweiten Bereich vorgesehen. Die Unterteilung besitzt eine Vielzahl von Drosselöffnungen, durch welche das Kühlmittel vom ersten Bereich zum zweiten Bereich unter Beschleunigung übertreten kann. Dabei trifft das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit auf ausgewählte Wandoberflächen im zweiten Bereich zur Erzeugung hoher örtlicher Wärmeübergangskoeffizienten. Insbesondere werden diese Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit gegen die inneren Wandoberflächen an der Eintrittskante und längs der stromaufwärts und in der Sehnenmitte gelegenen Abschnitte der konvexen Seitenwand gerichtet, da diese Bereiche vom Standpunkt des Wärmeübergangs kritisch sind. Um niedrige Wärmespannungen aufrecht zu erhalten, enthalten die Drosselöffnungen in der Unterteilung oder Trennwand vorzugsweise eine Nut, die sich über die gesamte Länge des Profilteils an einer Stelle unmittelbar benachbart der Verbindungsstelle der Trennwand und der konkaven Seitenwand erstreckt.which is designed as an integral part together with the base part. The wing part contains an integral subdivision into the hollow interior, which divides the interior into a first region adjacent to the region of the tendon center of the concave side wall of the profile and a second area adjacent to the entry and exit edges and the convex side wall of the profile. There are inlet devices for the inlet of a coolant, for example air, into the first region and further outlet devices provided for ejecting the coolant from the second region. The subdivision has a large number of throttle openings, through which the coolant can pass from the first area to the second area under acceleration. That's where it hits Coolant at high speed on selected wall surfaces in the second area to generate high local heat transfer coefficients. In particular, these high velocity coolant jets are against the inner wall surfaces on the Leading edge and along the sections of the convex sidewall located upstream and in the middle of the chord, as these Areas are critical from the point of view of heat transfer. In order to maintain low thermal stresses, the throttle openings contain in the subdivision or partition preferably a groove that extends over the entire length of the profile part on a Point immediately adjacent to the junction of the partition and the concave side wall extends.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Auslaßeinrichtung eine Vielzahl von radial im Abstand angebrachten Durchlässen an der Austrittskante des Profilteils, und es sind in dem zweiten Bereich stromaufwärts von den Auslaßkanälen Einrichtungen zur Erzeugung einer Turbulenz vorgesehen zwecks Erzeugung hoher örtlicher Koeffizienten des Wärmeübergangs durch Konvektion in diesem zweiten Bereich. Um die Festigkeit und strukturelle Integrität der Laufschaufel aufrecht zu erhalten, umfaßt diese Einrichtung zur Erzeugung von Turbulenz vorzugsweise Stifte, welche als integraler Bestandteil mit dem übrigen Profilteil ausgebildet sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die verschiedenen Teile der Laufschaufel einschließlich der AbmessungenAccording to a further aspect of the invention, the outlet means includes a plurality of radially spaced passages on the trailing edge of the profile part, and there are in the second area upstream of the outlet channels means for generating a turbulence provided for the purpose of generating high local coefficient of heat transfer through convection in this second area. To the strength and structural integrity To maintain the rotor blade, this means for generating turbulence preferably comprises pins, which are formed as an integral part with the rest of the profile part. According to another aspect of the invention, the various Parts of the blade including the dimensions

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und Anordnung der Drosselöffnungen so proportioniert, daß eine ausreichende Kühlung aller Teile des Profils mit einem praktisch erreichbaren Mindestmaß an Kühlmittelstrom gewährleistet ist.and arrangement of the throttle openings proportioned so that a sufficient cooling of all parts of the profile is guaranteed with a practically achievable minimum amount of coolant flow.

Ein besseres Verständnis des Aufbaus der Erfindung und weiterer Aufgaben und Merkmale ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.A better understanding of the structure of the invention and other objects and features will be obtained from the description below exemplary embodiments in connection with the Illustrations.

Figur 1 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerkes mit gekühlten Turbinenlaufschaufeln als Ausführungsform der Erfindung.Figure 1 is a sectional view of a portion of a gas turbine engine with cooled turbine blades as an embodiment of the invention.

Figur 2 ist eine Abbildung einer Turbinenlaufschaufel nach Figur 1.FIG. 2 is an illustration of a turbine blade of FIG. 1.

Figur 3 ist eine Ansicht der Turbinenlaufschaufel nach Figur im Längsschnitt.Figure 3 is a longitudinal sectional view of the turbine blade of Figure.

Figur 4 ist eine Ansicht längs der Linie 4-4 der Figur 3 und zeigt einen quer durch die Turbinenlaufschaufel gelegten Schnitt.Figure 4 is a view taken along line 4-4 of Figure 3 showing one taken across the turbine blade Cut.

Figur 1 zeigt die Hochtemperaturteile eines Gasturbinentriebwerkes 10 mit Axialströmung. Das Triebwerk besitzt dabei ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11, das die Hochtemperaturteile außen umgibt. Die dargestellte Struktur einer Gasturbine enthält einen ringförmigen Brennerraum, der allgemein durch die Bezugsziffer 12 angedeutet ist. Dieser Brennerraum 12 ist dabei zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und einer inneren Wand ausgebildet. Im Innern des Raumes und im Abstand zum Gehäuse und der Wand 13 ist eine Brennerauskleidung 14 angeordnet und die tatsächliche Verbrennung erfolgt im Innern dieser ringförmigen Brennerauskleidung 14. Die ringförmigen Räume 15 und 16 zwischen der Brennerauskleidung 14 und dem Gehäuse 11 und der Wand sind angefüllt mit vom Verdichter abgegebener Hochdruckluft. Diese Hochdruckluft ist sehr kühl relativ zu den Brenngasen hoher Tem-Figure 1 shows the high temperature parts of a gas turbine engine 10 with axial flow. The engine has an outer cylindrical housing 11 which surrounds the high-temperature parts on the outside. The illustrated structure of a gas turbine contains an annular burner space, which is indicated generally by the reference number 12. This burner space 12 is formed between the cylindrical housing 11 and an inner wall. Inside the room and at a distance from the housing and the wall 13, a burner lining 14 is arranged and the actual combustion takes place inside this annular burner lining 14. The annular spaces 15 and 16 between the burner lining 14 and the housing 11 and the wall are filled with high pressure air discharged from the compressor. This high-pressure air is very cool relative to the high-temperature combustion gases

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peratur im Innern der Brennerauskleidung lH und wird in gesteuerter Weise in das Innere der Brennerauskleidung I¹J eingelassen, um dort die Verbrennung zu unterhalten und eine Kühlung zu schaffen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese relativ kalte Luft auch zur Kühlung der Turbinenlaufschaufeln verwendet, welche den Verbrennungsprodukten hoher temperatur ausgesetzt sind. temperature inside the burner lining 1H and is let into the inside of the burner ^{lining I 1} J in a controlled manner in order to maintain the combustion there and create cooling. According to the present invention, this relatively cold air is also used to cool the turbine blades which are exposed to the high temperature combustion products.

Figur 1 zeigt weiterhin eine ringförmige Düsenöffnung 20, welche am stromabwärts gelegenen Ende der Brennerauskleidung Ii angeordnet ist, um die heißen Verbrennungsprodukte einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln 21 mit der richtigen Geschwindigkeit und unter dem richtigen Winkel zuzuführen. Von dort aus werden die Verbrennungsgase durch eine ringförmige Düsenöffnung 22 zu einer Reihe · von Turbinenlaufschaufeln 23 umgelenkt. Die Turbinenlaufschaufeln 21 sind am Umkreis einer Turbinenscheibe 24 befestigt und diese ist zusammen mit ihrer zugeordneten Welle 25 und einem zweiten Turbinenläufer 26 mit darauf befestigten Laufschaufeln 23 durch geeignete Lagerungseinrichtungen einschließlich einer Lageranordnung 28 drehbar um die Triebwerksachse 27 gelagert. Die Turbineneinheit besteht aus den Scheiben 2k und 26 und der Welle 25 und treibt den nicht gezeigten Verdichter des Triebwerks 10 an. Es ist zu beachten, daß der gesamte Strom der Verbrennungsprodukte die ringförmigen Düsenöffnungen 20 und 22 und die Reihen von Turbinenlaufschaufeln 21 und 23 durchsetzt. Wenn das Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Wirkungsgrad und mit Leistungswerten arbeiten soll, wie sie bei modernen Gasturbinentriebwerken erwünscht sind, dann müssen die Verbrennungsprodukte aus der Brennerauskleidung 14 mit Temperaturen austreten, die höher sind als die Temperaturen, denen die aus gegenwärtig verfügbaren Materialien hergestellten LeitscJiaufeln ohne Kühlung widerstehen können. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den erwünschten Wirkungsgrad dadurch, daß für die Turbinenlaufschaufeln eine ausreichende Kühlung in besonders wirksamer Weise geschaffen wird.Figure 1 also shows an annular nozzle opening 20 which is positioned at the downstream end of the burner liner Ii for delivering the hot products of combustion to a series of turbine blades 21 at the correct speed and at the correct angle. From there, the combustion gases are deflected through an annular nozzle opening 22 to a row of turbine rotor blades 23. The turbine rotor blades 21 are fastened to the periphery of a turbine disk 24 and this, together with its associated shaft 25 and a second turbine rotor 26 with rotor blades 23 fastened thereon, is rotatably supported around the engine axis 27 by suitable bearing devices including a bearing arrangement 28. The turbine unit consists of the disks 2k and 26 and the shaft 25 and drives the compressor (not shown) of the engine 10. It should be noted that the entire flow of combustion products passes through the annular nozzle openings 20 and 22 and the rows of turbine blades 21 and 23. If the gas turbine engine 10 is to operate with the efficiency and performance levels that are desired in modern gas turbine engines, then the combustion products must exit the burner liner 14 at temperatures higher than the temperatures that the guide vanes made from currently available materials can experience without cooling can resist. The present invention enables the desired degree of efficiency in that sufficient cooling is created in a particularly effective manner for the turbine rotor blades.

In den Figuren 2 - k ist eine der Turbinenlaufschaufeln 21 im einzelnen dargestellt, wobei der Aufbau der Turbinenlaufschaufeln 23 im wesentlichen gleichartig ist. Um ein hohes Maß von strukturel-One of the turbine rotor blades 21 is shown in detail in FIGS. 2- k, the structure of the turbine rotor blades 23 being essentially the same. In order to achieve a high degree of structural

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ler Integrität und hoher Festigkeit beizubehalten, ist die Laufschaufel 21 ein einstückiges Gußteil oder ein Teil mit ähnlichem konstruktiven Aufbau: Insbesondere enthält die Laufschaufel 21 einen Basisteil 30 mit Ausgestaltung als Schwalbenschwanz oder Tannenbaum zur paßgerechten Einfügung in eine geeignete Nut 32 am Umfang der Turbinenscheibe 24- Weiterhin enthält sie einen tragflügeiförmig gestalteten Teil oder Profilteil 34, der integral mit dem Basisteil 30 ausgebildet ist und sich von dort aus relativ zum Turbinenläufer 24 in radialer Richtung erstreckt. Der Profilteil 34 ist im wesentlichen hohl und besitzt eine konvexe Seitenwand 35 bzw. eine konkave Seitenwand 36, welche stromaufwärts bzw. stromabwärts mit axialem Abstand angebrachte Eintrittskanten 38 bzw. Austrittskanten 39 miteinander verbinden. Wie am besten aus Figur 4 ersichtlich, ist die aerodynamische Form des Tragflügelteils 34 an der Eintrittskante 38 abgerundet und relativ stumpf, und der Austrittskantenbereich ist verjüngt und recht dünn ausgestaltet. Um diese kritischen Bereiche der Eintrittskante und der Austrittskante und auch den Bereich in der Sehnenmitte gemäß der vorliegenden Erfindung zu kühlen, ist jeder Profilteil 34 mit Wärmeaustauschkanälen ausgebildet. Zur Bildung dieser Kanäle ist der hohle Innenraum des Profilteils 34 der Laufschaufel 21 durch eine Trennwand 40 unterteilt. Diese erstreckt sich über die gesamte Längenausdehnung des Profilteils J>k und bildet einen ersten Wärmeaustauscherbereich 42, der nur benachbart ist zum Sehnenmittenbereich der konkaven Seitenwand 36, und einen zweiten Wärmeaustauscherbereich 44, welcher benachbart ist zur Eintrittskante 38» der konvexen Seitenwand 35 und der Austrittskante 39· Die zwei Bereiche 42 und 44 sind untereinander verbunden durch eine Vielzahl von. öffnungen 45 und 55 in der Trennwand 40, wobei die Öffnungen 45 und 55 kleine Strömun^squerschnitte besitzen. Es sind Einlaßkanäle 46 in Strömungsmittelverbindung mit dem ersten Bereich 42 im Basisteil 30 vorgesehen, um den Eintritt von Kühlluft oder von einem anderen geeigneten Kühlmittel in den Profilteil 34 zu gestatten. Weiterhin sind in der Austrittskante 39 Kanäle 48 mit axialem Verlauf und radialem Abstand vorgesehen, um den Austritt der verbrauchten Kühlluft aus dem zweiten Bereich 44 der Turbinenlaufschaufel 21 zu ermöglichen.To maintain integrity and high strength, the rotor blade 21 is a one-piece cast part or a part with a similar structural design: In particular, the rotor blade 21 contains a base part 30 designed as a dovetail or Christmas tree for fitting in a suitable groove 32 on the circumference of the turbine disk 24- Furthermore, it contains a part or profile part 34 designed in the shape of a hydrofoil, which is formed integrally with the base part 30 and from there extends in the radial direction relative to the turbine rotor 24. The profile part 34 is essentially hollow and has a convex side wall 35 and a concave side wall 36, which connect upstream and downstream axially spaced leading edges 38 and trailing edges 39 to one another. As can best be seen from FIG. 4, the aerodynamic shape of the wing part 34 is rounded and relatively blunt at the leading edge 38, and the trailing edge area is tapered and made quite thin. In order to cool these critical areas of the leading edge and trailing edge and also the area in the middle of the chord according to the present invention, each profile part 34 is designed with heat exchange channels. To form these channels, the hollow interior of the profile part 34 of the rotor blade 21 is divided by a partition 40. This extends over the entire length of the profile part J> k and forms a first heat exchanger area 42, which is only adjacent to the chord center area of the concave side wall 36, and a second heat exchanger area 44, which is adjacent to the inlet edge 38 »of the convex side wall 35 and the outlet edge 39 · The two areas 42 and 44 are interconnected by a multitude of. Openings 45 and 55 in the partition 40, the openings 45 and 55 having small flow cross sections. Inlet channels 46 are provided in fluid communication with the first region 42 in the base portion 30 to permit entry of cooling air or other suitable coolant into the profile portion 34. Furthermore, channels 48 with an axial profile and radial spacing are provided in the outlet edge 39 in order to enable the used cooling air to exit from the second region 44 of the turbine rotor blade 21.

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Im Austrittskantenbereich des Profilteils 34 sind zwischen den öffnungen 45 und 55 und den Auslaßkanälen 48 im zweiten Bereich eine große Zahl von Stiften 50 angeordnet, um eine Turbulenz und weiterhin eine ausgedehnte Wärmeübergangsfläche zu schaffen. Dabei verlaufen die Stifte 50 quer über den zweiten Bereich 44 zwischen der Trennwand 40 und der konvexen Seitenwand 35· Zur Aufrechterhaltung einer hohen Festigkeit und eines hohen Maßes der strukturellen Integrität sind außerdem die Trennwand 40 und die Stifte 50 integral mit dem übrigen Teil der Turbinenlaufschaufel 21 ausgebildet.In the trailing edge area of the profile part 34 are between the openings 45 and 55 and the outlet channels 48 in the second area a large number of pins 50 are arranged to create turbulence and furthermore an extensive heat transfer surface. Included the pins 50 extend across the second region 44 between the partition wall 40 and the convex side wall 35 · To maintain a high strength and a high degree of structural integrity are also the partition wall 40 and the Pins 50 integral with the remainder of the turbine blade 21 formed.

Beim Betrieb wird relativ kalte Hochdruckluft vom Verbrennungsraum l6 über die innere Wand 13 abgezogen und dem Basisteil 30 der Turbinenlaufschaufel 21 gemäß der Darstellung durch die Pfeile der Figur 1 zugeführt. Die Luft strömt dann durch die Einlaßkanäle 46 im Basisteil 30 nach außen zu dem ersten Bereich 42. Dort kühlt die strömende Luft den Sehnenmittenbereich der konkaven Seitenwand 36 durch Konvektion, wobei dieser Teil des Profilteils 34 vom Standpunkt des Wärmeübergangs nicht so kritisch ist wie die anderen Bereiche, da die äußeren WärmeUbergangskoeffizienten an der konkaven Wand 36 den geringsten Wert besitzen. Demgemäß kann die konkave Wand 36 in ausreichender Weise mit praktisch laminarer Strömung der Kühlluft im Innern des ersten Bereiches gekühlt werden. Vom ersten Bereich 42 aus strömt die Kühlluft durch die kleinen öffnungen 45 und 55 in den zweiten Bereich 44, in dem diese Luft dann zur Konvektionskühlung der Eintrittskante 38, der konvexen Seitenwand 35 und der Austrittskante 39 verwendet wird. Diese letzteren Teile der Laufschaufel 21 sind äußerst kritisch, vom Standpunkt des Wärmeübergangs, da auf ihren äußeren Oberflächen hohe Übergangskoeffizienten vorhanden sind. Um diese Teile mit der gleichen Luft zu kühlen, welche zur Kühlung der konkaven Seitenwand 36 verwendet wurde (die Luft ist jetzt wärmer als während der Kühlung der Seitenwand 36), ist es erforderlich, daß auf den inneren Wandoberflächen äußerst hohe Wärmeübergangskoeffizienten für die Konvektion vorhanden sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen die öffnungen 45 und 55 solche hohen Wärmeübergangskoeffizienten durchDuring operation, relatively cold high pressure air is drawn from the combustion chamber 16 pulled over the inner wall 13 and the base part 30 the turbine blade 21 as shown by the arrows in FIG. 1. The air then flows through the Inlet channels 46 in the base part 30 to the outside to the first region 42. There, the flowing air cools the central region of the tendon the concave side wall 36 by convection, this part of the profile part 34 from the standpoint of heat transfer is not so is critical like the other areas because the external heat transfer coefficients have the lowest value on the concave wall 36. Accordingly, the concave wall 36 can be sufficiently Way to be cooled with a practically laminar flow of the cooling air inside the first area. From the first area 42 the cooling air flows through the small openings 45 and 55 into the second area 44, in which this air is then used for convection cooling the leading edge 38, the convex side wall 35 and the trailing edge 39 is used. These latter parts of the blade 21 are extremely critical from the point of view of heat transfer because of their high transfer coefficients on their external surfaces available. To cool these parts with the same air that was used to cool the concave side wall 36 (the air is now warmer than during the cooling of the side wall 36), it is necessary that on the inner wall surfaces extremely high heat transfer coefficients for convection available are. According to the present invention, the openings 45 and 55 enable such high heat transfer coefficients through

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eine Beschleunigung der Kühlluft und dadurch, daß sie diese in Form einer großen Zahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit gegen die Innenwandflächen an der Eintrittskante 38 und den stromaufwärts und in der Nähe der Sehnenmitte gelegenen Teil .der konvexen Wand 35 richten. Daher werden diese Oberflächen nicht durch einen laminaren Kühlluftstrom gekühlt, sondern durch einen äußerst turbulenten Kühlluftstrom. In gleicher Weise erzeugen die Stifte 50 in dem Austrifctskantenabschnitt des zweiten Bereiches 44 eine Turbulenz und entsprechend hohe Wärmeübergangskoeffizxenten in der Kühlluft während ihrer Strömung durch die Auslaßkanäle 48 in der Austrittskante 39· Weiterhin ergeben die Stifte 50 eine ausgedehnte Wärmeübergangsfläche, an der die hohen Wärmeübergangskoeffizienten wirksam werden können.an acceleration of the cooling air and in that it counteracts it in the form of a large number of high-speed jets the inner wall surfaces at the leading edge 38 and the part upstream and near the center of the chord .the convex Align wall 35. Therefore, these surfaces are not cooled by a laminar flow of cooling air, but by an extremely turbulent one Cooling air flow. Similarly, the pins 50 produce a turbulence and correspondingly high heat transfer coefficients in the outlet edge section of the second region 44 of the cooling air as it flows through the outlet channels 48 in of the trailing edge 39 · Furthermore, the pins 50 result in an expanded one Heat transfer surface on which the high heat transfer coefficients can take effect.

Zu einer ausreichenden Kühlung der Laufschaufel 21 ist erwünscht, daß alle äußeren Teile des Profilteils 34 auf praktisch die gleiche Temperatur gekühlt werden, so daß Wärmespannungen auf ein Mindestmaß gebracht werden. Demgemäß ist es erforderlich, daß die Größe des Wärmeübergangs an einigen Teilen des Profilteils höher ist als an anderen Teilen. Obwohl beispielsweise die Eintrittskante 38 und der Sehnenmittenabschnitt der konvexen Wand 35 durch die dort aufprallende Kühlluft gekühlt werden, ist es erwünscht, daß an der Eintrittskante 38 eine größere Wärmeübergangsgeschwindigkeit besteht, da dieser Bereich der kritischste Bereich des gesamten Profilteils 34 ist. Dies kann gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht werden, daß die öffnungen 45 und 55 so angeordnet und bemessen werden, daß an und in der Nähe der Eintrittskante 38 eine größere Di_chte der Strahlen vorhanden ist als an dem Sehnenmittenabschnitt. In ähnlicher Weise kann die Temperatur der Austrittskante 39 relativ zum übrigen Teil des Profilteils 34 beherrscht werden durch Einstellung der Zahl und der Oberfläche der Stifte 50. Mit anderen Worten ist es für eine ausreichende und wirksame Ausnutzung der Kühlluft erforderlich, daß die Einlaßkanäle 46, die Trennwand 40 und damit die Bereiche 42 und 4ή, die öffnungen 45 und 55, die Stifte 50 und die Auslaßkanäle Ί8 so proportioniert werden, daß man einen ausreichenden aber nicht übermäßig großen Kühlmittelstrom durch alle Teile derFor sufficient cooling of the rotor blade 21, it is desirable that all outer parts of the profile part 34 are practically the same Temperature are cooled so that thermal stresses are brought to a minimum. Accordingly, it is necessary that the The size of the heat transfer on some parts of the profile part is higher than on other parts. Although, for example, the leading edge 38 and the chord center portion of the convex wall 35 through the cooling air impinging there are cooled, it is desirable that a greater heat transfer rate at the leading edge 38 exists, since this area is the most critical area of the entire profile part 34. This can be done in accordance with the present invention can be achieved in that the openings 45 and 55 are arranged and dimensioned in such a way that at and in the vicinity of the entry edge 38 there is a greater diameter of the rays than at the tendon mid-section. In a similar way, the temperature of the trailing edge 39 relative to the remaining part of the profile part 34 can be mastered by setting the number and the Surface of the pins 50. In other words, sufficient and effective use of the cooling air requires that the inlet channels 46, the partition wall 40 and thus the areas 42 and 40, the openings 45 and 55, the pins 50 and the outlet channels Ί8 must be proportioned in such a way that one has a sufficient but not excessively large flow of coolant through any part of the

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Turbinenlaufschaufel 21 erhält. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß, wie bereits vorstehend bemerkt, die Anzahl und die Strömungsquerschnitte der verschiedenen Öffnungen, die Strömungsquerschnitte der inneren Wärmeübergangsbereiche und selbstverständlich die Druckdifferenz zwischen den inneren Bereichen des Profilteils 3¹» und dem statischen Druck der zur Turbinenlaufschaufel 21 zugeführten Kühlluft eingestellt werden. Zusammenfassend ist hierzu festzustellen, daß die Kühlanforderungen der verschiedenen Profilteilabschnitte die genauen relativen Proportionen vorgeben. Durch Vornahme kleiner Änderungen in den relativen Proportionen der einzelnen Abschnitte, aus denen sich die Turbinenlaufschaufeln 21 gemäß der Erfindung zusammensetzen, ist der Turbinenkonstrukteur in der Lage, einen sehr weiten Bereich von Kühlanforderungen zu erfüllen.Turbine blade 21 receives. This can be achieved by, as already noted above, the number and the flow cross-sections of the various openings, the flow cross-sections of the inner heat transfer areas and of course the pressure difference between the inner areas of the profile part 3 ¹ "and the static pressure of the cooling air supplied to the turbine blade 21 can be set. In summary, it should be noted that the cooling requirements of the various profile sections dictate the exact relative proportions. By making small changes in the relative proportions of the individual sections that make up the turbine blades 21 according to the invention, the turbine designer is able to meet a very wide range of cooling requirements.

Es wurde bereits vorstehend darauf hingewiesen, daß die Öffnungen 45 und 55 so angeordnet und bemessen sind, daß sie die Kühlmittelstrahlen mit hoher Geschwindigkeit gegen die inneren Oberflächen des Profilteils 34 richten. Um dies zu erreichen, sind die öffnungen *»5 kleine Bohrungen in der Trennwand 40 und die Öffnung 55 an der Verbindungsstelle der Trennwand 40 und der konkaven Seitenwand 36 ist vorzugsweise eine schmale Nut, die sich über die gesamte Längenausdehnung des Profilteils 34 erstreckt. Diese Nut 55 trennt oder entkoppelt mechanisch die Trennwand 40, welche recht kühl ist, da sie vollständig von Kühlmittel umgeben ist, von der auf höherer Temperatur befindlichen konkaven Seitenwand 36. Das Ergebnis hiervon sind bedeutend geringere Wärmespannungen als sie bei einer mechanischen Kopplung der Trennwand 40 mit der äußeren Seitenwand 36 vorhanden wären: Obwohl die Nut 55 zur Spannungsbehebung vorgesehen ist, ist noch zu beachten, daß trotzdem die Trennwand zwecks einer guten Gesamtfestigkeit und strukturellen Integrität integral zusammen mit dem Basisteil 30 und der konvexen Seitenwand 35 ausgebildet ist.It has already been pointed out above that the openings 45 and 55 are arranged and dimensioned so that they the coolant jets point against the inner surfaces of the profile part 34 at high speed. To do this, the openings * »5 small bores in the partition 40 and the opening 55 at the junction of the partition 40 and the concave Side wall 36 is preferably a narrow groove that extends over the entire length extension of the profile part 34 extends. This groove 55 mechanically separates or decouples the partition wall 40, which is quite cool because it is completely surrounded by coolant, from the higher temperature concave side wall 36. The result of this is significantly lower thermal stresses than they would be present with a mechanical coupling of the partition 40 to the outer side wall 36: Although the groove 55 for stress relief is provided, it should also be noted that the partition wall for the purpose of good overall strength and structural Integrity integral with the base part 30 and the convex Side wall 35 is formed.

Die vorstehend erörterte Turbinenlaufschaufel 21 besitzt einen solchen integralen Aufbau, daß hohe Festigkeit und strukturelle Integrität gewährleistet sind. Insbesondere kann diese Laufschau-The turbine blade 21 discussed above has an integral structure such that high strength and structural Integrity are guaranteed. In particular, this running show

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fei 21 leicht aus irgendeiner geeigneten Kochtemperaturlegierung gegossen werden, wobei die Auslaßkanäle *i8 eine Möglichkeit zur Halterung geeigneter Kerne zur Ausbildung der ersten und zweiten Bereiche k2 bzw. M und der Stifte 50 während des Gießvorgangs ergeben. Die Einlaßkanäle 46 und die öffnungen ^5 und 55 in der Trennwand können dann gebohrt oder auf andere Weise mit konventionellen Verfahren ausgebildet werden und der Kopf der Laufschaufel 21 kann durch eine Abdeckkappe bei 60 in Figur 2 verschlossen werden, beispielsweise durch ein geeignetes Schweißverfahren, um die integrale Laufschaufel 21 zu vervollständigen. Der Fachmann wird leicht erkennen, daß die Laufschaufel 21 daher mit konventionellen Methoden und relativ geringen Kosten hergestellt werden kann. Andere geeignete Methoden zur Ausbildung der integralen Laufschaufel 21 sind selbstverständlich möglich. Beispielsweise kann die Laufschaufel in einer Anzahl von Abschnitten gegossen werden, welche dann durch Diffusionsverbindung zu einer integralen Struktur mit hoher Festigkeit verbunden werden können. Wegen der während des Triebwerksbetriebes in der Laufschaufel 21 vorhandenen sehr starken mechanischen Belastungen sollte jedoch die Laufschaufel 21 nicht in starkem Maße aus Einzelteilen zusammengefügt werden, da die Herstellung von Verbindungsstellen mit hoher Festigkeit mit Hilfe von konventionellen Verfahren schwierig ist.fei 21 can easily be cast from any suitable cooking temperature alloy, with the outlet channels * 18 providing a means of holding suitable cores for forming the first and second regions k2 and M, respectively, and the pins 50 during the casting process. The inlet channels 46 and the openings ^ 5 and 55 in the partition wall can then be drilled or formed in some other way using conventional methods and the head of the rotor blade 21 can be closed by a cap at 60 in FIG to complete the integral blade 21. Those skilled in the art will readily recognize that the blade 21 can therefore be manufactured using conventional methods and at relatively low cost. Other suitable methods of forming the integral rotor blade 21 are of course possible. For example, the blade can be cast in a number of sections which can then be diffusion bonded into an integral structure with high strength. Because of the very strong mechanical loads present in the rotor blade 21 during engine operation, however, the rotor blade 21 should not be assembled to a large extent from individual parts, since the production of connection points with high strength using conventional methods is difficult.

Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß erfindungsgemäß eine gekühlte Turbinenlaufschaufel geschaffen wurde, bei der eine hohe Festigkeit und strukturelle Integrität beibehalten wurden und bei der praktisch die Mindestmenge des Kühlmittels verwendet wird, welche noch eine ausreichende Kühlung der Laufschaufel ergibt.From the foregoing it can be seen that the present invention has provided a cooled turbine blade in which a high Strength and structural integrity have been maintained and practically the minimum amount of coolant is used, which still results in sufficient cooling of the rotor blade.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht beschränkt auf bestimmte Einzelheiten der Konstruktion und die Anordnung der vorstehend beschriebenen bestimmten Ausführungsform.Of course, the invention is not restricted to specific ones Details of the construction and arrangement of the particular embodiment described above.

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Claims

High strength turbine blade for an axial flow turbine, characterized by following features:

a base part (30) for fastening the rotor blade (21) to a turbine rotor (2M),

a closed profile part (34) which is formed integrally with the base part (30) and radially from this Ricntung protrudes, the profile part (34) being convex and contains concave side walls (35, 36), the axially spaced upstream and downstream leading edges or outlet edges (38 or 39) connect to one another, one formed integrally with the convex and concave side wall Partition wall (40) for dividing the inner space of the profile part (34) into a first and a second radial Direction running heat transfer area (42, 44), wherein the first area (42) only adjacent to the chord center section is one of the side walls (36) and the second region (44) is adjacent to the leading edge (38) and the Trailing edge (39) and the entire chordal section of the other side wall (35),

in the base part (30) inlet devices (46) for the inlet of Coolant is provided in the first area (42), a plurality of throttle openings (45, 55) in the partition (40) to accelerate the coolant are present, through which this as a plurality of coolant jets high speed can be directed from the first area (42) to the second area (44) and the coolant with high velocity on selected surfaces in the interior of the second area (44) so that there high local Coefficients of heat transfer can be generated by convection,

and outlet means (48) for discharging the coolant from the second region (44).

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2. turbine blade with high strength according to claim 1, characterized in that the first region (42) is adjacent to the concave side wall (36) and the second region (44) is adjacent to the convex side wall (35) and the second region (44) is thereby adjacent to the parts of the turbine blade is arranged with a particularly critical temperature.

3. High strength turbine blade according to claim 2, characterized in that the outlet device a plurality of radially spaced channels (48) on the trailing edge (39) of the profile part (34) includes.

Ü. High-strength turbine blade according to Claim 2, characterized in that the throttle openings (45) in the partition wall (40) for generating high-speed coolant jets against the inner wall surfaces of the leading edge (38) and the upstream and the chord center section of the convex side wall (35) are arranged.

5. Turbine rotor blade according to claim 4, characterized that the throttle openings (45) also contain a groove (55), which is for the ■ longitudinal expansion of the profile part (34) immediately adjacent to the connection point of the partition wall (40) and the concave side wall (36) extends.

6. turbine blade according to An_spruch 4, characterized in that the outlet means has a plurality of radially spaced channels (48) the trailing edge (39) of the profile part (34).

7. turbine blade according to claim 6 _}, characterized in that it further in the trailing edge part (39) of the second region (44) means (50)

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to generate turbulence and high local heat transfer coefficients by convection inside this trailing edge section, these facilities to generate turbulence as an integral part of the remaining profile part (3 * 0).

8. turbine blade according to claim 7 > characterized in that the devices for generating turbulence comprise pins (50) which extend between the partition wall (40) and the convex side wall (35) and result in an enlarged heat transfer area in the trailing edge section.

9. turbine blade according to claim 8, characterized that the throttle openings (45) to a sufficient cooling of the leading edge (38) and the upstream and chord center area of the convex side wall (35) with a minimum of coolant flow are arranged and dimensioned.

10. turbine blade according to claim 8, characterized in that the inlet devices (46), the partition (40), the throttle openings (45), the pins (50) and the outlet edge channels (48) are dimensioned so that a ensures sufficient cooling of all parts of the profile part (34) with the practically possible minimum amount of coolant flow is.

11. turbine blade according to claim 10, characterized in that the throttle openings (45) a Include groove (55) which extends over the entire length of the profile part (34) adjacent to the connection of the partition (40) and the concave side wall (36) extends.

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