DE2434989C2

DE2434989C2 - Cooled gas turbine rotor blade

Info

Publication number: DE2434989C2
Application number: DE19742434989
Authority: DE
Inventors: Dilip Dipl.-Ing. Dr. Winterthur Mukherjee (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri-Sulzer Turbomaschinen AG, Zürich (Schweiz)
Priority date: 1974-07-17
Filing date: 1974-07-20
Publication date: 1976-06-10

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Gasturbinen-Laufschaufel, die als einstückig gegossene Hohlschaufel ausgebildet ist, deren Hohlraum zum Schaufelfuß hin verschlossen und über Austrittsöffnungen an der Hinterkante zum Strömungskanal hin offen ist, wobei der Schaufelmantel von über den Profilumfang verteilten Kühlluftkanälen durchsetzt ist, die ausgehend von einer Kühlluftkammer im Schaufelfuß in den Hohlraum münden, und wobei die Hohlschaufel an der Schaufelspitze mit einem Verschlußdeckel versehen ist, der den Durchtritt von Kühlluft an der Schaufelspitze verhindert. The invention relates to a cooled gas turbine rotor blade which is designed as a hollow blade cast in one piece is formed, the cavity of which is closed towards the blade root and via outlet openings at the rear edge is open towards the flow channel, the blade casing being distributed over the circumference of the profile Is penetrated by cooling air channels which, starting from a cooling air chamber in the blade root, open into the cavity, and wherein the hollow blade is provided at the tip of the blade with a closure cover which the Prevents cooling air from passing through at the tip of the blade.

Eine derartige Gasturbinen-Laufschaufel ist aus der US-PS 34 20 502 bekanntSuch a gas turbine rotor blade is known from US Pat. No. 3,420,502

Um in den Schaufeln einer Gasturbine möglichst geringe Wärmespannungen zu erhalten,. strebt man Schaufelkonstruktionen an, bei denen krasse und plötzliche Änderungen der Wanddicken des Schaufelmantels über den Profilquerschnitt nach Möglichkeit vermieden werden.In order to obtain the lowest possible thermal stresses in the blades of a gas turbine. one strives Blade designs in which blatant and sudden changes in the wall thickness of the blade shell be avoided as far as possible via the profile cross-section.

Weiterhin ist es aus aerodynamischen Gründen erwünscht, Laufschaufeln von Gasturbinen ein möglichst dickes Profil zu geben, d. n. ihre Dicke relativ zu ihrer Sehnenlänge möglichst groß auszubilden, so daß sie z. B. mindestens etwa 30% der Sehnenlänge beträgt.Furthermore, for aerodynamic reasons, it is desirable Giving the rotor blades of gas turbines the thickest possible profile, d. n. their thickness relative to theirs To train chord length as large as possible so that they can be z. B. is at least about 30% of the chord length.

Eine ausreichende und gleichmäßige Kühlung derartiger Schaufeln bereitet oft Schwierigkeiten. Beispielsweise ist aus der US-PS 34 20 502 eine Gasturbinenschaufel bekannt, bei der eine Anzahl Kühlluftkanäle auf dem Umfang des Schaufelmantels verteilt sind und in dem Hohlraum im Innern des Schaufelmantels enden. Da die Wanddicken des Schaufelmantels über den Profilquerschnitt stark variieren und die Kühlluftkanäle in verschiedenen Teilen des Umfangs in unterschiedlichen Bereichen der Schaufelhöhe in den Hohlraum austreten, wird eine ausreichende Kühlung mit gleichmäßiger Temperaturverteilung im Schaufelmantel mit dieser - ein relativ schlankes Profil aufweisenden - Konstruktion nicht erreicht; denn die Kühlung praktisch der ganzen zur Schaufelspitze hin gelegenen Hälfte des Schaufelmantels erfolgt durch die im Hohlraum strömende Luft. Diese Luft hat aber schon bei der schlanken Schaufel auf Grund des unterschiedlichen Gesamtquerschnitts der in Strömungsrichtung vorhergehenden einzelnen Kühlkanäle relativ zu dem-Sufficient and uniform cooling of such blades often causes difficulties. For example is known from US-PS 34 20 502 a gas turbine blade in which a number of cooling air channels are distributed on the circumference of the blade jacket and in the cavity in the interior of the blade jacket end up. Because the wall thicknesses of the blade jacket vary greatly over the profile cross-section and so do the cooling air ducts in different parts of the circumference in different areas of the blade height in the Exit cavity, there is sufficient cooling with a uniform temperature distribution in the blade jacket not achieved with this - having a relatively slim profile - construction; because the cooling practically the entire half of the shovel shell located towards the shovel tip is carried out by the im Cavity flowing air. But this air already has with the slim shovel due to the different Total cross-section of the preceding individual cooling channels in the direction of flow relative to the

jenigen des Hohlraums in diesem nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten, so daß die Kühlwirkung relativ gering ist Für Schaufeln mit dickem Profil ist diese Konstruktion noch weniger geeignet, weil das Verhältnis der Strömungsquerschnitte noch ungünstiger wird,those of the cavity in this only low flow velocities, so that the cooling effect is relatively low. For blades with a thick profile, this is Construction even less suitable because the ratio of the flow cross-sections is even more unfavorable,

!5 so daß die äußere Hälfte des Schaufelblattes nur unzureichend gekühlt wird.! 5 so that the outer half of the blade is insufficient is cooled.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laufschaufel mit in jedem Profilquerschnitt möglichst gleichmäßigen Wanddicken zu schaffen, bei derThe invention is therefore based on the object of providing a rotor blade with, if possible, in every profile cross-section to create uniform wall thicknesses in which

sowohl über den Umfang als auch über die Schaufelblattlänge eine ausreichende Kühlung mit möglichst gleichmäßiger Temperaturverteilung erzielt wird.Sufficient cooling with as much as possible both over the circumference and over the length of the blade uniform temperature distribution is achieved.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Laufschaufel der eingangs angegebenen Art dadurch gdcennzeichet daß die gleichmäßig über den Umfing des den Hohlraum begrenzenden Schaufelmantels verteilten Kühlluftkanäle das Schaufelblatt in seiner gesamten Länge durchsetzen und an der Schaufelspitze in den Hohlraum münden, und daß die Wand-This object is achieved according to the invention in the case of a rotor blade of the type specified at the outset gdcennzeichet that the evenly over the circumference of the vane jacket delimiting the cavity Distributed cooling air channels penetrate the entire length of the blade and at the tip of the blade open into the cavity, and that the wall

dicke des den Hohlraum umgebenden Schaufelmantels jedes Profilquerschnitts mindestens annähernd gleichbleibend istthickness of the blade jacket surrounding the cavity of each profile cross-section at least approximately constant is

Auf diese Weise ist es möglich, die Wanddicken allein gemäß den von der Schaufel geforderten, mechani-In this way it is possible to adjust the wall thickness solely according to the mechanical

sehen Eigenschaften zu wählen, in jedem Profilquerschnitt zumindest weitgehend zu vergleichmäßigen und allenfalls über die Schaufelblattlänge allmählich und stetig zu ändern. Die beispielsweise entweder bereits mit dem Hohlmantel gegosssenen oder nachträglich in das Gußstück gebohrten Kühlluftkanäle sind dabei zumindest weitgehend gleichmäßig über den Umfang des den Hohlraum begrenzenden Schaufelmantels verteilt; sie haben über die gesamte Schaufellärsge sowohl einen definierten Gesamtquerschnitt als auch genau festgelegte Einzelquerschnitte, gewährleisten also eine vorbestimmte, gleichmäßige und konstante Verteilung der Kühlluft über die ganze Schaufelblattlänge. Weiterhin ist ihr Gesamtquerschnitt trotz des dicken Schaufelprofils relativ klein, so daß auch mit geringen Kühlluftmengen in ihnen über die ganze Schaufellänge für einen guten Wärmeübergang ausreichende Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden.see properties to choose in each profile cross-section at least to a large extent to be uniform and at most gradually over the length of the blade and to change steadily. For example, either already cast with the hollow jacket or subsequently in The cooling air ducts drilled into the casting are at least largely uniform over the circumference of the the vane shell delimiting the cavity distributed; they have both one over the entire length of the shovel defined overall cross-section as well as precisely defined individual cross-sections, thus ensuring a predetermined, Even and constant distribution of the cooling air over the entire length of the blade. Farther its overall cross-section is relatively small despite the thick blade profile, so that even with small amounts of cooling air flow velocities in them that are sufficient for a good heat transfer over the entire length of the blade can be achieved.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It indicates

F i g. 1 einen Längsschnitt I-I von F i g. 3 der Laufschaufel, F i g. 1 shows a longitudinal section I-I of FIG. 3 of the blade,

F i g. 2 den Schnitt 11-11 von F i g. 1 oder 3 und
F i g. 3 den Schnitt III-III von F i g. 1.F i g. 2 shows section 11-11 from FIG. 1 or 3 and
F i g. 3 the section III-III from F i g. 1.

Die mit ihrem Schaufelfuß 1 als Ganzes nach dem Präzisionsgießverfahren gegossene Hohlschaufel, die mit einem relativ dicken Profil ausgestattet ist, besteht aus einem Schaufelmantel 2 mit zur Schaufelspitze hin allmählich und stetig abnehmender Wanddicke, die — wie aus F i g. 3 zu ersehen ist, — in einem beliebigen Querschnitt des Schaufelmantels 2 längs des ganzen, den Hohlraum 3 umschließenden Umfangs weitgehend gleich ist. Eine Vielzahl über den Profilumfang gleich-The hollow blade, cast with its blade root 1 as a whole by the precision casting process, which is equipped with a relatively thick profile, consists of a blade jacket 2 with towards the blade tip gradually and steadily decreasing wall thickness, which - as shown in FIG. 3 can be seen - in any Cross-section of the blade shell 2 along the entire circumference surrounding the cavity 3 to a large extent is equal to. A multitude of equal parts across the profile

mäßig verteilte, radial vom gegen den Hohlraum 3 geschlossenen Schaufelfuß 1 zur Schaufelspitze verlaufenden Kühlluftkanäle 4 verbinden eine im Schaufelfuß 1 gelegene Kühlluftkammer 5, die über Anschlußleitungen 6 an ein nicht weiter dargestelltes Kühlluftsystem angeschlossen ist, mit einem erweiterten Teil 7 des Hohlraumes 3 nahe der Schaufelspitze. Db Kühlluftkanäle 4 sind, wie bereits erwähnt, entweder bereits beim Gießen im Schaufelmantel 2 vorgesehen oder nachträglich in das Gußstück eingearbeitet worden. Wie F i g. 3 deutlich werden läßt, haben praktisch alle Kühlluftkanäle 4 den gleichen Querschnitt; lediglich der zur Kühlung der thermisch besonders beanspruchten Schaufelnase dienende Kühlluftkanal 4' weist einen größeren Querschnitt auf.moderately distributed, closed radially from the cavity 3 The cooling air ducts 4 running towards the blade tip connect a blade root 1 in the blade root 1 located cooling air chamber 5, which via connecting lines 6 to a cooling air system, not shown is connected, with an enlarged part 7 of the cavity 3 near the blade tip. Db cooling air ducts 4 are, as already mentioned, either already provided during the casting in the blade jacket 2 or subsequently been incorporated into the casting. Like F i g. 3 shows that practically all have cooling air ducts 4 the same cross section; only the one for cooling the thermally particularly stressed ones The cooling air duct 4 'serving the blade nose has a larger cross section.

im Bereich der Schaufelhinterkante 8 sind über die ganze Schaufellänge Austrittsöffnungen S für die Kühlluft vorhanden, die mit Strömungsleitelementen IO und Schikanen 11 versehen sind. Der Hohlraum 3 der Schaufel ist durch die Saugseite und die Druckseite des Schaufelmantels verbindende Stege 14 von den Austrittsöffnungen 9 getrennt Zwischen den übereinanderliegenden Stegen 14 sind Luftaustrittsöffnungen 12 vorhanden. in the area of the blade trailing edge 8 are about entire blade length outlet openings S for the cooling air are present, which with flow guide elements IO and Baffles 11 are provided. The cavity 3 of the blade is through the suction side and the pressure side of the The webs 14 connecting the blade jacket are separated from the outlet openings 9 between the superposed Air outlet openings 12 are provided for webs 14.

Aus gießtechnischen Gründen ist der SchaufelmantelFor reasons of casting technology, the shovel jacket

2 beim Gießen im Bereich der Schaufelspitze offen. Er wird daher in einem zusätzlichen Arbeitsgang durch eiiien, beispielsweise eingelöteten, Verschlußdeckel 132 open when pouring in the area of the blade tip. He is therefore in an additional work step through a, for example soldered, closure cover 13

S verschlossen.S closed.

Die in die Kühlluftkammer 5 aus dem nicht weiter gezeigten Kanalsystem eingespeiste Kühlluft durchsetzt — unterstützt von den während des Betriebs wirkenden Fliehkräften — zunächst die Kühlluftkanäle 4, 4' radial von innen nach außen bzw. von unten nach oben, wobei die Wand des Scha-afelmantels 2 intensiv gekühlt wird. Die aus den Kühlluftkanälen 4, 4' austretende Luft sammelt sich im Teil 7 des Hohlraums 3 und wird durch geeignete Wahl des Gesamtöffnungs-Querschnittes der Luftaustrittsöffnungen 12 gestaut, ehe sie durch diese hindurch in die Hinterkante 8 gelangt und durch die Austrittsöffnungen 9 über die Schaufellänge verteilt die Schaufel verläßt. Die Gfeichverteilung der Luft über die Schaufellänge wird dabei wieder durch die Fliehkräfte unterstützt, während ein praktisch druckverlustfreies Durchsetzen des Hohlraums 3 bewirkt, daß das ganze nach Durchströmen der Kühlluftkanäle 4,4' noch vorhandene Druckgefälle zur Kühlung der Schaiifelhinterkante zur Verfügung steht.The cooling air fed into the cooling air chamber 5 from the duct system (not shown further) passes through it - supported by the centrifugal forces acting during operation - initially the cooling air ducts 4, 4 'radially from the inside to the outside or from the bottom to the top, the wall of the sheep shell 2 being intense is cooled. The air emerging from the cooling air ducts 4, 4 'collects in part 7 of the cavity 3 and is dammed by a suitable choice of the total opening cross section of the air outlet openings 12 before they passes through this into the rear edge 8 and through the outlet openings 9 over the length of the blade spreads the shovel leaves. The equal distribution of the air over the length of the blade is thereby achieved again the centrifugal forces are supported, while a practically pressure loss-free penetration of the cavity 3 causes, that the whole after flowing through the cooling air channels 4,4 'still existing pressure gradient for cooling the rear edge of the Schaiifel is available.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Cooled gas turbine rotor blade, which is designed as a one-piece cast hollow blade, the cavity of which is closed towards the blade root and is open to the flow channel via outlet openings on the trailing edge, the blade jacket being penetrated by cooling air channels distributed over the circumference of the profile, which start from a cooling air chamber in the blade root in open into the cavity, and the hollow blade at the tip of the blade is provided with a closure cap which prevents the passage of cooling air at the tip of the blade, characterized in that the blade jacket delimiting the cavity (3) evenly over the circumference

(2) distributed cooling air channels (4,4) the airfoil enforce its entire length and open into the cavity (7, 3) at the tip of the blade, and that the wall thickness of the vane jacket (2) surrounding the cavity (3) of each profile cross-section is at least approximately constant.

2. Shovel according to claim 1, characterized in that the air outlet openings (12) from the cavity (3) are dimensioned in their overall cross-section so that the cooling air in the cavity

(3) jams.