DE2444335B1 - Gekuehlte Gasturbinen-Laufschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Gasturbinen-Laufschaufel, die als 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 dem Profilumfang verteilten Kühlluftkanälen durchsetzt ist, die ausgehend von einer Kühlluftkammer im Schaufelfuß an der Schaufelspitze 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.

Laufschaufeln der vorstehend genannten Art sind bereits früher vorgeschlagen worden, um sowohl über den Profilumfang als auch über die Schaufellänge eine ausreichende Kühlung für die Laufschaufel zu erreichen.

Es soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer derartigen Laufschaufel die Herstellung des als Ganzes gegossenen Schaufelmantels zu vereinfachen und über den Querschnitt der Schaufelmantelwand die Temperaturverteilung zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlluftkanäle durch Nuten an der Innenseite des Schaufelmantels, die durch einen dünnwandigen Einsatz zum Hohlraum der Laufschaufel hin abgedeckt sind, gebildet sind.

Bei der neuen Konstruktion ist die Herstellung der Kühlluftkanäle erheblich einfacher als bei dem früheren Vorschlag, da die Nuten in den Schaufelmantel leichter einzuarbeiten sind, als die allseitig von der Mantelwand umschlossenen Kanäle; weiterhin ergibt sich bei dieser neuen Konstruktion eindeutig eine kalte und eine heiße Seite der Mantelwand, so daß ein eindeutig nach einer Seite gerichtetes Temperaturgefälle entsteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der neuen Laufschaufel, bei der der Hohlraum im Schaufelmantel sich vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hin stetig erweitert, kann es vorteilhaft sein, wenn der Einsatz über die ganze Schaufellänge die gleiche Umfangslänge hat und an seinen hinterkantenseitigen Enden nach innen umgebogen ist, wobei die umgebogenen Enden des Einsatzes von der Schaufelspitze her stetig in ihrer Länge zunehmen; durch diese Maßnahme bleibt der Umfang des Einsatzes mindestens außerhalb des Schaufelfußes über die ganze Schaufelhöhe konstant, wodurch die im Einsatz auftretenden Spannungen relativ niedrig gehalten werden können. Außerdem kann der Einsatz mit abnehmender Wanddicke an der Spitze hergestellt werden, um die Spannungen noch kleiner zu halten. Um einen scharfen Knick im Einsatz vor allem im Bereich seiner Verankerung im Schaufelfuß zu vermeiden, ist es zweckmäßig, zwischen den umgebogenen Enden einer Seite des Einsatzes im Bereich seiner Verankerung im Schaufelfuß ein Abstandselement einzulegen, dessen Dicke etwa der 1'Machen Wanddicke des Einsatzes entspricht.

Wegen der bei einem Laufrad auftretenden Fliehkräfte ist eine sichere und zuverlässige Verankerung des Einsatzes im Schaufelfuß von erheblicher Bedeu-

tung. Eine erste Möglichkeit dafür ist beispielsweise gegeben, wenn der Einsatz mittels eines konischen Stiftes zwischen seinen Doppellagen in einer entsprechenden Ausnehmung des Schaufelfußes verankert ist. Eine weitere in Fertigung und Montage einfache Verankerung erhält man, wenn der Einsatz an seinem, dem Schaufelfuß zugewandten Ende mit einem Halterungsstück fest verbunden ist, und wenn das Halterungsstück in einen Schlitz des Schaufelfußes eingepaßt und in diesem durch Zapfen gehalten ist, die in teils in den Seitenflanken des Schlitzes, teils in den Seitenflanken des Halterungsstückes verlaufende Ausnehmungen eingeschoben sind, wobei der Zapfen zusätzlich im Schaufelfuß, beispielsweise durch Verschweißen oder Verstemmen, gegen Verschieben gesichert sein kann.

Eine dritte Möglichkeit für eine sichere Verankerung besteht darin, daß der Einsatz an seinem, dem Schaufelfuß zugewandten Ende mit einem Halterungsstück fest verbunden ist, welches seinerseits an seinem anderen Ende einen Hohlraum aufweist, der durch ein verformbares Blech haubenartig und druckdicht verschlossen ist, und über eine Bohrung in dem Halterungsstück mit dem Hohlraum des Einsatzes in Verbindung steht, wobei der Hohlraum in dem Halterungsstück mindestens teilweise mit einer lotartigen Masse ausgegossen sein kann. Die erwähnten Verbindungen des Einsatzes mit dem Schaufelfuß erfolgen — abgesehen von der Befestigung des Einsatzes an seinem Halterungsstück — mit rein mechanischen Mitteln.

Diese Verbindungen sind daher besonders geeignet, wenn eine Befestigung des Einsatzes im Schaufelfuß durch Schweißen oder Löten nicht oder nur schwer möglich ist.

Schließlich kann der Wärmeübergang auf die Kühlluft verbessert werden, wenn in den die Kühlluftkanäle bildenden Nuten Querrippen vorgesehen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der neuen Schaufel im Längsschnitt I-I von F i g. 2 und 4, wobei

F i g. la ein Detail von F i g. 1 in größerem Maßstab darstellt;

F i g. 2 ist der Schnitt H-II von F i g. 1;

Fig.3 gibt den Schnitt III-III von Fig.2 wieder, während F i g. 4 ein Querschnitt IV-IV von F i g. 1 ist;

F i g. 5 zeigt in gleicher Darstellung wie F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Verankerung des Einsatzes im Schaufelfuß;

F i g. 6 gibt die Schnitte a-a bis e-e durch den Einsatz von F i g. 5 in schematischer Darstellung wieder;

Fig. 7 ist, in gleicher Darstellung wie Fig. 1, ein drittes Ausführungsbeispiel für die Verankerung des Einsatzes im Schaufelfuß, und

F i g. 8 gibt den F i g. 3 entsprechenden Schnitt des dritten Beispiels wieder.

Die Laufschaufel besteht aus einem hohlen Schaufelmantel 1 mit gleichmäßig zur Schaufelspitze hin abnehmender Wanddicke, der an seinem nabenseitigen Ende in einen gegen den Hohlraum 4 im Schaufelmantel 1 geschlossenen Schaufelfuß 2 übergeht und an der Schaufelspitze mit einem eingelöteten Verschlußdeckel 3 abgeschlossen ist. Die Innenwand des Schaufelmantels 1 ist mit von Schaufelfuß zur Spitze verlaufenden Längsrippen 5 versehen, zwischen denen Kühlluftkanäle 6 dienende Nuten vorhanden sind; diese Kühlluftkanäle 6, die zur Verbesserung der Kühlwirkung mit kleinen Querrippen 24 (F i g. la) versehen sein können, gehen von einer Kühlluftkammer 17 im Schaufelfuß aus, die über einen, quer durch den Schaufelfuß 2 verlaufenden Zuführkanal 18 mit Kühlluft gespeist wird.

Die Kühlluftkanäle 6 sind gegen den Hohlraum 4 des Schaufelmantels 1 durch einen dünnwandigen, elastischen Einsatz 7 aus Blech abgeschlossen, der — bei dem Beispiel nach F i g. 1 bis 4 — seinerseits an seinem nabenseitigen Ende mit einem Halterungsstück 8 fest verbunden, z. B. mit diesem verlötet, ist.

Der Einsatz 7 ist im Bereich der Schaufelspitze offen und endet in einer Erweiterung 9 des Hohlraumes 4, durch die eine Strömungsverbindung zwischen den Kühlluftkanälen 6 und dem Hohlraum 4 hergestellt ist. In seinem der Schaufelhinterkante 10 zugewandten Teil hat der Einsatz 7 Öffnungen 11, die mit entsprechenden Öffnungen 12 einer Zwischenwand 13 des Schaufelmantels 1 zusammenwirken und zu über die Schaufelhöhe im Bereich der Hinterkante 10 verlaufenden Austrittsöffnungen 14 führen. In diesen sind zur gleichmäßigen Verteilung der Luft über die Höhe Stege 15 und Schikanen 16 angeordnet.

Die durch den Zuführkanal 18 der Laufschaufel zufließende Kühlluft strömt von der Kühlluftkammer 17 aus zunächst in den Kühlluftkanälen 6 in Richtung zur Schaufelspitze; aus den in der Erweiterung 9 endenden Kühlluftkanälen 6 gelangt sie dann in den Hohlraum 4 des Einsatzes 7, aus dem sie schließlich durch die Öffnungen 11 und 12 zu den in der Hinterkante 10 liegenden Austrittsöffnungen 14 geführt wird.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Halterungsstück 8 in einen Schlitz 19 im Schaufelfuß 2 eingepaßt und hat an beiden Seitenflanken rechteckige Aussparungen 20, die sich zum einen in Längsrichtung des Schaufelfußes in diesem fortsetzen (F i g. 2) und zum anderen spiegelbildlich in diesem nochmals vorhanden sind. Auf diese Weise entstehen beiderseits des Halterungsstückes 8, wie F i g. 3 zeigt, teils im Schaufelfuß 2, teils im Halterungsstück 8 gelegene Ausnehmungen 21, in die eingepaßte Zapfen 22 durch den Zuführkanal 18 hindurch bei der Montage des Einsatzes 7 im Schaufelfuß 2 eingeschoben werden. Die Zapfen 22 sind durch Verstemmen oder Verschweißen gegen ein Verschieben im Schaufelfuß gesichert und gewähren eine sichere Verankerung des Halterungsstückes 8 und damit des Einsatzes 7 im Schaufelfuß 2 bzw. im Schaufelmantel 1.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 und 6 ist Wert darauf gelegt, daß der Einsatz 7, in dem sich vom Schaufelfuß 2 aus zur Schaufelspitze hin stetig erweiternde Hohlraum 4 über die ganze Schaufelhöhe die gleiche Umfangslänge hat. Wie in F i g. 6 gezeigt, sind die freien Enden 25 des aus dünnem Blech gefertigten Einsatzes, der dem Verlauf der Innenwand des Schaufelmantels 1 nachgeformt ist, im Bereich der Hinterkante nach innen umgebogen, wobei die umgebogene Länge kontinuierlich von außen nach innen zunimmt. Um im Bereich der Umbiegung 26, besonders in der Nähe des oder im Schaufelfuß 2, einen scharfen Knick zu vermeiden, ist zwischen die gegeneinander umgebogenen Teile einer Seite des Einsatzes 7 ein Abstandselement 27 eingelegt, dessen Wanddicke etwa l,5mal so groß ist, wie diejenige des Einsatzes.

Die Verankerung des Einsatzes 7 im Schaufelfuß 2 erfolgt hier mit Hilfe eines im Querschnitt kreiszylindrischen, in Längsrichtung konischen Stiftes 28, der in einer entsprechenden Ausnehmung 29 im Schaufelfuß 2 eingekeilt ist. Diese Ausnehmung 29 steht über einen,

sich nach außen konisch erweiternden Schlitz 30, für den Durchtritt des Einsatzes 7 mit dem Hohlraum 4, in Verbindung. Um im Bereich des Schaufelfußes 2 den von den Enden 25 nicht ausgefüllten Teil der Hohlräume 29 und 30 auszufüllen und so einen Klemmeffekt des Stiftes 28 auf seiner ganzen Länge zu erreichen, ist an der Unterseite des Einsatzes 7 ein stufenförmig abgesetzter Lappen 37 vorhanden, der im Schaufelfuß 2 nach oben gebogen ist.

Bei der in den F i g. 7 und 8 gezeigten Verankerung ist der Einsatz 7, der wieder aus dünnem elastischem Blech besteht, wiederum mit einem Halterungsstück 31 fest verbunden, z. B. mit diesem verlötet. Das Halterungsstück 31 hat an seiner Unterseite einen Hohlraum 32, der einerseits über eine mit einem Innengewinde 33 versehene Bohrung 34 mit dem Hohlraum 4 in Verbindung steht und andererseits nach unten von einem verformbaren Blech 35 abgeschlossen ist. Dieses besitzt zur Einführung des Halterungsstückes 31 in einer sich nach unten beutelartig erweiternde Ausnehmung 36 im Schaufelfuß 2 zunächst die in strichpunktierten Linien dargestellte Form (F i g. 8); zur Verankerung des Halterungsstückes 31 wird das Blech 35 in der nachstehend beschriebenen Weise zu der in vollen Linien gezeichneten Form ausgeweitet, mit der es sich an die Innenwand der erweiterten Ausnehmung 36 anlegt. Nach der Befestigung des Einsatzes 7 am Halterungsstück 31 wird an dieses das Blech 35 mit seinem oberen Rand in der strichpunktierten Form angelötet. Der Einsatz 7 wird mit seinem Halterungsstück 31 daraufhin in die Ausnehmung 36 des Schaufelfußes 2 eingesetzt. In das Innengewinde 33 schraubt man dann ein nicht dargestelltes Rohr, das die Höhe der Schaufel durchsetzt und gegebenenfalls über eine Schlauchverbindung mit einer nicht gezeigten hydraulischen oder pneumatischen Druckquelle verbunden ist. Zur Abdichtung des Hohlraumes 32 wird der das Rohr umgebende Hohlraum 4 dann im Inneren des Einsatzes 7 bis zu einer gewissen Höhe mit einem relativ niedrig schmelzenden Dichtmittel, z. B. einer Pb-Cd-Legierung, gefüllt; anschließend verformt man das Blech 35 hydraulisch in seine sich an die Ausnehmung 36 anpassende, endgültige Form. Nach dem Ausschmelzen des Dichtmittels und dem Lösen des Rohres wird der Innenhohlraum 32 mit Lötpulver gefüllt und erhitzt, so daß das Pulver aufgeschmolzen wird und so nach dem Erkalten als keilförmige Füllung den Einsatz 7 im Schaufelfuß 2 festhält.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Gekühlte Gasturbinen-Laufschaufel, die als 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 dem Profilumfang verteilten Kühlluftkanälen durchsetzt ist, die ausgehend von einer Kühlluftkammer im Schaufelfuß an der Schaufelspitze 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftkanäle (6) durch Nuten an der Innenseite des Schaufelmantels (1), die durch einen dünnwandigen Einsatz (7) zum Hohlraum (4) der Laufschaufel hin abgedeckt sind, gebildet sind.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Einsatzes (7) vom Schaufelfuß (2) zur Schaufelspitze gleichmäßig abnimmt.

3. Laufschaufel nach Anspruch 1, bei der der Hohlraum im Schaufelmantel sich vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze hin stetig erweitert, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) über die ganze Schaufellänge die gleiche Umfangslänge hat und an seinen hinterkantenseitigen Enden (25) nach innen umgebogen ist, wobei die umgebogenen Enden des Einsatzes (7) von der Schaufelspitze her in ihrer Länge stetig zunehmen.

4. Laufschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den umgebogenen Enden (25) einer Seite des Einsatzes (7) im Bereich seiner Verankerung im Schaufelfuß (2) ein Abstandselement (27) eingelegt ist, dessen Dicke etwa der l^!/2fachen Wanddicke des Einsatzes (7) entspricht.

5. Laufschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) mittels eines konischen Stiftes (28) zwischen seinen Doppellagen in einer entsprechenden Ausnehmung (29) des Schaufelfußes (2) verankert ist.

6. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) an seinem dem Schaufelfuß (2) zugewandten Ende mit einem Halterungsstück (8) in einen Schlitz (19) des Schaufelfußes (2) eingepaßt und in diesem durch Zapfen (22) gehalten ist, die in teils in den Seitenflanken des Schlitzes (19) und teils in den Seitenflanken des Halterungsstückes (8) verlaufende Ausnehmungen (21) eingeschoben sind.

7. Laufschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (22) gegen Verschieben im Schaufelfuß (2) gesichert sind.

8. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Einsatz (7) an seinem dem Schaufelfuß (2) zugewandten Ende mit einem Halterungsstück (31) fest verbunden ist, welches seinerseits an seinem anderen Ende einen Hohlraum (32) aufweist, der durch ein verformbares Blech (35) haubenartig und druckdicht verschlossen ist und über eine Bohrung (34) in dem Halterungsstück (31) mit dem Hohlraum (4) der Hohlschaufel in Verbindung steht.

9. Laufschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (32) in dem Halterungsstück (31) mindestens teilweise mit einer lotartigen Masse ausgegossen ist.

10. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Kühlluftkanäle (6) bildenden Nuten Querrippen (24) vorgesehen sind.