DE2350624A1

DE2350624A1 - Rotorschaufel fuer gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2350624A1
Application number: DE19732350624
Authority: DE
Inventors: Alfred Cyril Lovesey; Henry Tubbs
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-10-21
Filing date: 1973-10-09
Publication date: 1974-05-09
Also published as: IT993440B; GB1426049A; FR2203935B1; JPS4993712A; FR2203935A1

Description

Rolls-Royce (1971) Limited, London, England.

Rotorschaufel für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Rotorsohaufel für Gasturbinenstrahltriebwerke.

Bei neuzeitlichen Gasturbinenstrahltriebwerken finden häufig Rotorschaufein Anwendung, die einer Kühlung unterworfen werden, damit die Schaufeln und damit die Triebwerke unter hohen Temperaturen arbeiten können, so daß-der. Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.Die Schaufeln werden normalerweise durch Luft gekühlt, die durch Kanäle innerhalb der Schaufel strömt, und von einem der Kompressoren des Triebwerks abgezapft wird. Es ist einleuchtend, daß die Kühlluft, wenn sie weiter nichts als die Schaufeln kühlt, einen Verlust bedingt und den Wirkungsgrad des Triebwerks erniedrigt, wobei in gewissen Fällen ein Verlust von mehreren Prozent durch die Kühlluft bedingt sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine. Rotorschaufel zu schaffen, bei der wenigstens ein Teil der Energie in der Kühlluft wieder gewonnen und somit die Verlustleistung verringert wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Rotorschaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk, die durch hindurchtretende Kühlluft einer Kühlwirkung unterworfen wird und das Kühlgas im Betrieb von der Schaufelspitze ausgeblasen wird, dadurch gelöst, daß die Schaufel mit einer Kappe an der Spitze versehen ist, die das aus der Spitze ausgeblasene Gas in einer solchen Richtung ablenkt, daß

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eine Verstärkung der Antriebslast bewirkt wird, die im Betrieb auf die Schaufel wirkt. Die Kappe kann das Kühlgas über eine einzige Auslaßöffnung oder über mehrere ähnliche Aus'laßöffnun^en austreten lassen.

Die Kappe kann außerdem Kanäle aufweisen, welche bewirken, daß das Kühlgas den äußeren Schaufelring kühlt, bevor sie abgeblasen wird.

Die Kappe kann weitere Bestandteile aufweisen, z.B. Dichtun^srippen oder Ablenkeinrichtungen, wie sie in der Patentanmeldung P 23 19 743.5 der Anmelderin beschrieben sind.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit gemäß <3er Erfindung ausgebildeten Turbinenschaufeln,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer der Turbinenschaufeln nach,Fig.1,

Fig. 3 einen Schnitt der Schaufel längs der mittleren Sehne, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 gemäß Fig.3, Fig. 5 eine perspektivische auseinandergezogene· Darstellung einer abgewandelten Schaufel.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Kompressor 10, einer Verbrennungseinrichtung 11, einer Turbine 12 und einer Abgasdüse 13, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. In herkömmlicher Weise sind Kompressor und Turbine antriebsmäßig miteinander verbunden und der Kompressor verdichtet Luft,die mit Brennstoff vermischt und in der Verbrennungseinrichtung verbrannt wird, wobei die expandierten Gase die Turbine antreiben. Das Gehäuse des Trieowerks ist im Bereich der Turbine aufgebrochen, um die Turbinenrotorschaufein 14 erkennen zu lassen, die in üblicher Weise an der Turbinenscheibe 15 festgelegt sind.

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Fig. 2 zeigt eine der Schaufeln 14 in wesentlich größerem Maßstab. Es ist ersichtlich, daß die Schaufel einen Schaufelfuß Ιβ aufweist, der über einen Fortsatz VJ mit dem stromlinienförmigen Arbeitsteil l8 verbunden ist. An der Spitze des stromlinienförmigen Arbeitsteils l8 ist ein äußerer Schaufelringabschnitt 19 befestigt, der die Form einer kreisbogenförmigen Plattform besitzt <, die gegen ähnliche Plattformen benachbarter Schaufeln anstößt, um einen vollständigen Schaufelring zu bilden. An der Oberfläche des Schaufelringabschnitts 19, die dem stromlinienförmigen Abschnitt 28 abgewandt ist, ist eine Kappe 20 befestigt. Aus Fig.2 ist ersichtlich, daß.die Kappe eine erste und eine zweite Dichtungsrippe 21 bzw. 22, eine Ablenkeinrichtung 23 und einen einzigen großen Kanal 24 aufweist.

Die Arbeitsweise des Kühlsystems der Schaufel läßt sich aus den Fig.5 und 4 erkennen. Aus Fig.;5 ist ersichtlich, daß Kühlluftkanäle vorhanden-sind, die sich vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze durch den stromlinienförmigen Arbeitsteil der Schaufel erstrecken. In Fig.3 sind nur drei dieser Kanäle sichtbar. Es ergibt sich jedoch aus Fig.4, daß insgesamt sieben Kanäle vorhanden sind, die alle in der Schaufelspitze enden. Der vorderste dieser Kanäle ist mit mehreren Filmkühllöchern versehen, durch die Luft nach der Außenhaut der Schaufel gelangen kann und wenigstens aus. diesem Kanal wird nicht sehr viel Luft an der Schaufelspitze austreten. Der Kanalabschnitt 24 der Kappe 20 überdeckt wenigstens die Mehrzahl der Mündungen der Kanäle an der Schaufelspitze und der Kanalabschnitt 24 verläuft senkrecht zur Schaui'elachse in einer solchen Richtung, daß die aus dem Kanal abströmende Kühlluft eine Kraft auf die Schaufel ausübt, wobei¹ eine Komponente der resultierenden Kraft auf die Schaufel in einer Richtung verläuft, in der eine Vergrößerung der normalen Antriebskraft auf die Schaufel im Betrieb ausgeübt wird. Die Richtung der Luftströmung erfolgt somit entgegen der Drehrichtung der Schaufel oder besitzt eine Komponente in dieser Richtung. . "

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Die Rippen 21 und 22 stellen einen Teil der normalen Dichtungsanordnung zwischen dem Schaufelring und dem stationären Aufbau des Triebwerks dar, während das Ablenkblech 23 dazu beiträgt, die verlorengegangene Energie des Gases auszunutzen, das an diesen Dichtungen vorbeistreicht und diese Wirkung ist im einzelnen in der genannten älteren Patentanmeldung beschrieben. Es ist ersichtlich, daß durch Anordnung der Kappe 20 die aus den Kühlkanälen austretenden Gase in einer solchen Richtung abgelenkt werden, daß die Gase zur Erzeugung einer Antriebskraft auf die Turbine beitragen, so daß die Energie ausgenutzt wird, die früher verlorenging.

Pig.5 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform. Der Hauptteil dieser Schaufel entspricht grundsätzlich dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, aber die Konstruktion des Schaufelringabschnitts an der Spitze ist sehr unterschiedlich. Bei dieser Ausführungsform besteht der Schaufelringabschnitt 30 aus zwei Teilen, die in der Zeichnung getrennt dargestellt sind, aber tatsächlich miteinander verbunden sind. Der unterste Teil des Schaufelringabschnitts hat die Form einer flachen Schale, durch die der stromlinienförmige Abschnitt 3I durchsteht. Dieser untere Teil ist mit schrägverlaufenden Kanälen 32 am rückwärtigen Rand versehen, während der vorspringende Teild es stromlinienförmigen Abschnitts Öffnungen 33 besitzt, die von den Enden der Kühlluftkanäle nach dem übrigen Teil im Inneren der Schale vorstehen.

Der äußere Teil 34 des Schaufelringabschnitts dichtet in seiner normalen Stellung gegen die Ränder des Schalenteils und gegen die obere Fläche des stromlinienförmigen Schaufelabschnitts ab, so daß der Schaufelring 30 die Gestalt eines hohlen.Kastens hat, der mit dem Innreren der Kühlkanäle über die Öffnungen 33 und mit der Außenluft über die Kanäle 32 in Verbindung steht.

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Die Arbeitswelse dieses Systems entspricht jener des ersten Ausführungsbeispieles, aber in diesem Fall tritt die Kühlluft durch die Kühlkanäle und durch die Öffnungen 33> hindurch und strömt in das hohle Innere des Schaufelrings J50 ein. Dort bewirkt die Luft eine Kühlung des Schaufelrings und diese Luft wird über die schräggestellten Kanälen J2 ausgeblasen* Da diese Kanäle 32 im Winkel angestellt sind, liefert die austretende Kühlluft zusätzlich zur normalen Antriebskraft eine Kraft, die im Betrieb auf die Schaufel einwirkt und demgemäß wird ein Teil der sonst verlorengehenden Energie zurückgewonnen.

Der Teil ~$K des Schaufelrings ist mit flacher äußerer Oberfläche dargestellt. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, hier Rippen und Ablenkeinrichtungen vorzusehen, wie dies bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Die vorstehende Beschreibung bezog sich auf luftgekühlte Schaufeln. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar für Schaufeln, die andere Gaskühlanordnungen besitzen. Die Schaufeln bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sind einfache Schaufeln mit'Einkanalinnenkühlung, jedoch kann die Erfindung auch für Schaufein mit anderer Kühlmittelführung benutzt werden. Die einzige Beschränkung liegt darin, daß ein gewisser Teil überschüssiger Luft vorhanden ist, der an der Spitze der Schaufel ausgeblasen werden kann." Die in beiden Ausführungsbeispielen vorhandene Kappe ist hohl ader teilweise von der übrigen Schaufel getrennt; jedoch ist es auch möglich, die Kappe einstückig mit dem übrigen Schaufelteil zu gießen oder auf andere Weise herzustellen. Am einfachsten kann die vorliegende Erfindung bei einer mit Schaufelring versehenen Schaufel Anwendung finden, jedoch ist es auch möglich, ähnliche Vorkehrungen bei. Schaufeln zu treffen, die nicht mit Schaufelringen ausgestattet sind.

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Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Turoinenschaufeln beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die gleichen Prinzipien auch bei Kompressorschaufeln Anwendung finden könnten, falls diese eine Kühlung erfordern.

Patentansprüche :

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Claims

Patentansprüche:

Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk.-, welche mit Kühlluftkanälen und wenigstens einem Auslaß ausgestattet ist, aus dem Kühlluft bzw. Kühlgas an der Sehaufelspitze ausgeblasen wird,

dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufel (l4) eine Kappe (20,54) aufweist, die das an der Spitze der Schaufel ausgeblasene Gas in eine solche Richtung ablenkt, daß die Antriebskraft, die im Betrieb auf die Schaufel wirkt, vergrößert wird.
2. Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Kühlgasauslaßkanal (24) vorgesehen ist, durch welchen die Kappe (20) die ausgeblasene Kühlluft ablenkt.
3. Rooorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere gleiche Auslaßkanäle (32) vorgesehen sind, durch welche die Kappe (34) die ausgeblasene Kühlluft ablenkt.
4. Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (14) einstückig mit ihr hergestellte äußere Schaufelringabschnitte (19,30) besitzt.
5. Rotorsohaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Auslaßkanal (32) in dem äußeren Schaufelringabschnitt (30) vorgesehen ist und daß die Kappe (3^) zum Absperren der offenen Seite des Auslaßkanals (32) dient, um wenigstens einen Auslaßkanal zu bilden.

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6. Rotorschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Auslaßkanal (24) in der Kappe (20) vorgesehen ist.
7. Rotorschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Kühlkanäle (33) zwischen dem Schaufelringabschnitt [J)Q) mti der Kappe (^4) ausgebildet sind, durch die die Kühlgasströmung abfließen kann, um den Schaufelringabschnxtt zu kühlen, bevor die Luft entweicht.
8. Rotorschaufei nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (20) Dichtrippen (21,22) trägt, die gegenüber dem festen Aufbau des Triebwerks abdichten.

9· Rotorschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Kappe (20) außerdem eine weitere Ablenkeinrichtung

(23) besitzt.

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