DE2453854C1

DE2453854C1 - Gekuehlte Turbinenhohlschaufel fuer Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2453854C1
Application number: DE2453854A
Authority: DE
Inventors: Peill Gordon Peter
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-11-15
Filing date: 1974-11-13
Publication date: 1983-05-05
Also published as: US4252501A; FR2457965B1; IT1046797B; FR2457965A1; GB1587401A

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenhohlschaufel für Gastürbinenstrahltriebwerke mit getrennter Kühlung von vorderem und hinterem Schaufelabschnitt und mit im vorderen und im hinteren Schaufelabschnitt im Abstand zum Schaufelmantel angeordneten mit Perforationslöchern versehenen Luftzuführungsrohren, durch deren Löcher Kühlluft auf die innere Oberfläche des Schaufelmantels auftrifft und hier eine Aufprallkühlung bewirkt, bevor die so entspannte Kühlluft über Löcher im Schaufelmantel als Filmkühlluft abfließt.

Eine derartige Turbinenhohlschaufel ist aus der DE-OS 20 65 334 bekannt. Bei dieser bekannten Schaufel werden die im Vorderabschnitt und im Hinterabschnitt angeordneten Kühlluftzuführungsrohre im Parallelstrom mit Hochdruckluft beaufschlagt. Hierdurch ergibt sich eine relativ schlechte Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlenergie, weil nur ein relativ geringer Anteil für die Aufprallkühlung nutzbar ίο gemacht werden kann und die noch unter relativ hohem Druck stehende Luft nach ihrer Entspannung über Löcher des Schaufelmantels bzw. durch den Austrittsschlitz am hinteren Schaufelmantel austritt und dabei nur in begrenztem Maße in Wärmeaustausch mit dem Schaufelmantel treten kann. Ferner ist zu berücksichtigen, daß im bekannten Falle die beiden Kühlluftzuführungsrohre entsprechend dem Hochdruck bemessen sein müssen, weil die Hochdruckkühlluft im Parallelstrom diesen beiden Kühlluftzuführungsrohren unter einem relativ hohem Druck zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine noch bessere Ausnutzung der Kühlluft dadurch zu gewährleisten, daß diese zur Verfügung stehende Kühlluft durch Aufprallkühlung und eine weitere Kühlwirkung bereits innerhalb der Schaufel weitgehend entspannt wird.
I f|0epjäß. der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Turbinenschaufel -der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß dem hinteren Kühlluftzuführungsrohr bereits durch Aufprallkühlung im vorderen Schaufelabschnitteil entspannte Kühlluft zugeführt wird.

Das Wesen der Erfindung besteht demgemäß in einer Hintereinanderschaltung zweier Aufprallkühlsysteme, wobei das System der ersten Aufprallkühlung, d. h. das direkt mit Hochdruckkühlluft arbeitende System im Schaufelvorderabschnitt wirksam wird, während das daran strömungsmäßig in Reihenschaltung anschließende zweite System für die Kühlung des hinteren Schaufelabschnitts ausgenutzt wird. Hierdurch ergibt sich eine bessere Ausnutzung der Kühlluft, weil die noch nicht nach der ersten Aufprallkühlung voll entspannte Luft nicht einfach als Kühlfilm abgeleitet, sondern einer weiteren Aufprallkühlung nutzbar gemacht wird, die wirkungsgradmäßig besser ist als eine reine Oberflächenkühlung durch einen Kühlfilm. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ermöglicht, eine vollkommene Kühlung mit einer nur relativ geringen Menge von vom Hochdruckkompressor abgezapfter Hochdruckluft zu bewirken. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Triebwerkes, weil der Anteil der vom Kompressor für Kühlzwecke gelieferten Luft im Verhältnis zur Gesamtmenge relativ klein gehalten werden kann.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung steht der Raum zwischen dem Luftzuführungsrohr und dem Schaufelmantelvorderabschnitt über Öffnungen eines den Vorder- und Hinterabschnitt trennenden Quersteges mit dem hinteren Luftzuführungsrohr in Strömungsverbindung.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist mit geringem Abstand zum Schaufelkranz ein mit diesem zusammen eine Entspannungskammer einschließendes Blech vorgesehen, das im Schaufelvorderabschnitt Löcher aufweist, denen Hochdruckkühlluft zugeführt wird, die in Gestalt von Aufprallkühlstrahlen den Schaufelkranz trifft, wobei diese Entspannungskammer mit dem hinteren Luftzuführungsrohr in Verbindung steht.

Diese beiden Ausführungsbeispiele sind durch die Hintereinanderschaltung zweier Aufprallkühlsysteme miteinander verknüpft. Weitere Ausgestaltungen dieser beiden Ausführungsbeispiele ergeben sich .aus den Unteransprüchen 4 und 5 bzw. 6 und 7.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerkes, dessen Gehäuse im Bereich der Turbine aufgebrochen dargestellt ist,

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer gekühlten, als Düsenleitschaufel ausgebildeten Turbinenhohlschaufel,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß F i g. 2,

F i g. 4 eine der F i g. 2 entsprechende Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenhohlschaufel,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 gemäß F i g. 4, F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 gemäß F i g. 4.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Gehäuse 10, welches einen Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12, eine Turbine 13 und eine Schubdüse 14 umschließt, die sämtlich in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Das Gehäuse ist am stromabwärtigen Ende der Verbrennungseinrichtung abgebrochen dargestellt, um die Brennkammer 15 und die Düsenleitschaufeln 16 sichtbar zu machen, die die Gase von der Brennkammer nach den Rotorschaufeln 17 der Turbine richten. F i g. 2 zeigt eine der Schaufeln 16 in größerer Darstellung und teilweise aufgebrochen, um das Innere in seinen Einzelheiten erkennen zu lassen. Die Schaufel weist einen stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt auf, der einstückig mit inneren bzw. äußeren Schaufelringabschnitten 18 bzw. 19 hergestellt ist. Der Schaufelringabschnitt 19 ist im Vorderabschnitt mit einer Öffnung 20 versehen, der komprimierte Kühlluft vom Kompressor 11 zugeführt wird.

Ein Kühllufteintrittsrohr 21 ist in den Umfang der Öffnung 20 eingepaßt und abgedichtet. Dieses Rohr steht in Längsrichtung durch die Schaufel hindurch und wird an seinem inneren Ende gegenüber dem inneren Schaufelringabschnitt 18 abgedichtet. Wie aus Fig.3 ersichtlich, braucht das Rohr 21 kein vollständiges Rohr zu sein, sondern nur aus einem U-förmigen Abschnitt bestehen, dessen Schenkelenden in Nuten von Rippen 22 eingesetzt sind, die sich in Längsrichtung von der inneren Schaufeloberfläche benachbart zum Vorderabschnitt der Schaufel erstrecken. Der U-Querschnitt des Rohres 21 wird somit durch die Fläche des Vorderrandes zwischen den Rippen 22 zu einem vollständigen Rohr ergänzt.

Der verbleibende Querschnitt des Rohres, der von den Schenkeln des U-Absehnitts gebildet wird, ist mit gleichem Abstand zu den Flanken benachbart zum Vorderrand und zum Hinterabschnitt angeordnet. Die Schenkel sind perforiert, damit Luft vom Inneren des Rohres ausströmen und auf die inneren Oberflächen der Schaufel auftreffen kann, während der Vorderrandabschnitt der Schaufel zwischen den Rippen 22 "mit Filmkühllöchern versehen ist, die eine Kühlluftströmung nach der äußeren Oberfläche der Schaufel hin zulassen, um eine Filmkühlung zu bewerkstelligen.

Der Vorderabschnitt der Schaufel, in den das Rohr 21 eingesetzt ist, wird von dem rückwärtigen Abschnitt durch einen perforierten Steg 23 getrennt, dessen Löcher den Löchern 24 in der nach vorn weisenden Oberfläche des zweiten Rohres 25 entsprechen. Dieses Rohr bildet die Innengestalt des Hinterabschnitts der Schaufel und ist so angeordnet, daß die äußere Oberfläche einen im wesentlichen konstanten Abstand von der inneren Wandoberfläche der Schaufel aufweist, in dem federnde Rohre 26, 27, 28 eingefügt sind. Diese Rohre verlaufen in Längsrichtung der Schaufel und bewirken eine Dichtung zwischen dem Rohr und der Schaufel und haltern das Rohr innerhalb der Schaufel.

ίο Zusätzlich können weitere Festlegungsmittel vorgesehen werden.

Zusätzlich zu den, öffnungen 24 des Rohres 25 sind Löcher 29 und 30 in jenen Wänden des Rohres angeordnet, die benachbart zur konvexen und konkaven Flanke der Schaufel verlaufen. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist auch eine Scheidewand 31 in dem Rohr 25 angeordnet, die jenen Abschnitt des Rohres, der Luft nach den Löchern 29 führt, von jenem Abschnitt trennt, der Luft nach den Löchern 30 liefert.

Wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich, ist jener Abschnitt des Rohres 25, der den Löchern 30 Luft liefert, mit einer direkten Kühlluftzuführung von der Außenseite des äußeren Schaufelringes 19 her versehen. Demgemäß steht das Halbrohr, welches zwischen der Scheidewand 31 und der mit Löchern 30 versehenen Wand des Rohres 25 ausgebildet ist, durch den Schaufelring 19 vor und nimmt die Kühlluft direkt auf. Das andere Ende des Rohres ist gegenüber dem inneren Schaufelring 18 abgedichtet.

Wiederum sind Filmkühllöcher sowohl in der konkaven als auch in der konvexen Flanke des Hinterrandabschnitts der Schaufel vorgesehen, so daß dieser Abschnitt durch Filmkühlung beaufschlagt wird. Diese Löcher sind nicht mit Bezugszeichen versehen, da sie nicht das Wesen der Erfindung bilden.

Am Hinterrand der Schaufel selbst ist ein Luftaustrittsschlitz vorgesehen, der sich vollständig über den Hinterrand der Schaufel erstreckt und durch den die übrige Kühlluft in die Atmosphäre abgeblasen werden kann.

Das Kühlsystem für die Schaufel arbeitet wie folgt: Vom Kompressor abgezweigte Kühlluft tritt in das Rohr 21 ein und strömt in diesem nach unten, wobei die Luft über die Filmkühllöcher im Vorderrand zwischen den Rippen 22 austritt und außerdem über die Lochgruppen im Rohr selbst. Die Luft, die durch die Filmkühllöcher austritt, ergibt eine Filmkühlung des Vorderrandes auf normale Weise. Diese Löcher sind direkt für die Luft zugänglich, sobald sie in die Schaufel eintritt, und somit wird der verfügbare Druck am besten ausgenutzt, um eine Filmkühlung am Vorderrand zu bewirken, wo der Umgebungsgasdruck am höchsten ist.

Die durch die Löcher im Rohr strömende Luft wird

durch Größe und Lage der Löcher veranlaßt, in Gestalt von Strahlen hindurchzuströmen, die auf der inneren Oberfläche der Schaufel auftreffen, so daß eine Auftreffkühlung bzw. Schrubkühlung erreicht wird. Diese Luft, obgleich im Druck durch den Durchtritt durch die Löcher vermindert, besitzt dennoch einen ausreichenden Druck, um durch die Filmkühllöcher in die benachbarten Abschnitte der Schaufel abzuströmen, um eine Filmkühlung zu bewirken. Nur ein kleiner Anteil der verfügbaren Luft wird benutzt, um eine Filmkühlung zu bewirken, während der Rest zwischen dem Rohr und dem Schaufelinneren durch die Löcher in dem Steg 23 und die Löcher 24 in das Rohr 25 abströmt. Hier tritt die Luft durch die Öffnungen 29 hindurch und trifft auf den Hinterrandteil der konvexen Flanke der

■ Schaufel auf. Ein getrennter Einlaßkühlluftstrom fließt durch den äußeren Schaufelring 19 über die Löcher 30, um den Hinterrandabschnitt der konkaven Flanke der Schaufel durch Auftreffkühlung zu beaufschlagen. Wie bei dem Vorderrand strömt die Luft durch Filmkühllöcher, um eine zusätzliche Filmkühlung der Oberfläche zu erreichen. Im Falle der Luftströmung durch die Löcher 30 verhindern die Dichtungen, die durch die elastischen Rohre 27 und 28 gebildet werden, daß Luft aus dem Raum zwischen Schaufel und Rohr 25 austritt und einen anderen Weg nimmt, als durch die Filmkühllöcher. Infolgedessen fließt die gesamte Luft, die durch die Löcher 30 hindurchtritt, auch durch die Filmkühllöcher ab, und der Druck dieser Luft kann unterschiedlich vom Druck jener Luft gehalten werden, die durch den Hinterrand austritt.

Die Luft die durch die Löcher 29 auf der gegenüberliegenden Seite der Schaufel hindurchtritt, kann jedoch zwischen dem Rohr 25 und der inneren Oberfläche der Schaufel nach dem rückwärtigen Teil der Schaufel strömen und durch den Hinterrandschlitz 32 entweichen. Dadurch strömt nur ein Teil der Luft, der durch die öffnungen 29 hindurchtritt, durch die Filmkühllöcher, um eine Filmkühlung am Hinterabschnitt der konvexen Flanke zu bewirken.

Die Fig.4 bis 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die beiden Stellen, an denen die Auftreffkühlung aufeinanderfolgend durch ein und dieselbe Luftströmung bewirkt wird, einerseits auf dem inneren Schaufelring und andererseits innerhalb des hohlen Innenteils des Arbeitsabschnitts liegen.

Äußerlich entspricht die Schaufel jener gemäß dem ersterwähnten Ausführungsbeispiel. Sie besitzt einen inneren Schaufelring 40, einen äußeren Schaufelring 41 und einen stromlinienförmigen Arbeitsteil 42. Der stromlinienförmige Arbeitsteil ist hohl und durch einen Steg 43 in eine Vorderkammer 44 und eine Hinterkammer 45 unterteilt. Die Vorderkammer ist mit einem Lufteintrittsrohr 46 versehen, das von der Oberfläche des Schaufelringes 41 nach der der Gasströmung abgewandten Seite vorsteht, und mit einer Kühlluftquel-Ie verbunden ist. Dieses Lufteintrittsrohr 46 ist am anderen Ende benachbart zu dem inneren Schaufelring 40 abgeschlossen.

Im Rohr 46 sind Lochreihen 47,48,49 vorgesehen, die eine Kühlluftströmung in Gestalt von Strahlen gegen die innere Oberfläche der Vorderkammer 44 auftreffen lassen, um eine Auftreffkühlung zu bewirken. Dann strömt die Luft durch Bohrungen 50,51 und 52 nach der äußeren Oberfläche der Schaufel ab, um einen Kühlfilm auf dieser Oberfläche zu erzeugen. Die Kühlung des Vorderabschnitts der Schaufel ist damit konventionell ausgebildet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der innere Schaufelring 40 mit einer Kühlung versehen. Demgemäß ist eine Auftreffplatte 53 gegenüber Umfangsrippen 54 abgedichtet, die vom Schaufelfuß 40 nach der der Gasströmung abgewandten Seite vorstehen, wobei diese Auftreffplatte 53 einen kleinen vorbestimmten konstanten Abstand zu dem Schaufelfuß bzw. Schaufelring 40 aufweist. In der Auftreffplatte 53 sind Löcher 55 vorgesehen, und wie bei dem Rohr 46 sind diese so bemessen, daß eine Kühlluftströmung von einer nicht dargestellten Druckluftquelle durch die Löcher 55 in Gestalt von Strahlen austreten kann, die auf die Oberfläche des Schaufelringes 40 auftreffen, um eine Auftreffkühlung zu bewirken.
Die Luft, die auf die Schaufelringoberfläche aufgetroffen ist, strömt dann in ein hinteres Lufteinlaßrohr 56, welches in die hintere Kammer 45 der Schaufel eingesetzt ist und eine den Querschnitt dieser Kammer ähnliche Gestalt besitzt.

Das Rohr 56 ist an seinem dem Schaufelring 41 benachbarten Ende geschlossen, und das andere Ende steht in den Raum zwischen der Platte 53 und dem Schaufelring 40 ein, so daß es Kühlluft aufnehmen kann, die auf den Schaufelring aufgetroffen ist.

Das Rohr 56 ist mit Lochreihen 57, 58, 59 und 60 versehen, die so bemessen sind, daß Kühlluft in Gestalt von Strahlen austreten kann, die auf die innere Oberfläche der rückwärtigen Kammer 45 auftreffen. Die Luft strömt dann aus dem Hinterrand der Schaufel über Schlitze 61 ab, wodurch eine weitere Kühlung des Hinterrandes erreicht wird.

Bei dieser zweiten Ausführungsform wird demgemäß

* eine Luftströmung benutzt, um eine Auftreffkühlung des Schaüfelringes und der hohlen Innenseite der Schaufel zu bewirken und diese beiden Flächen stellen definitionsgemäß innere Oberflächen der Schaufel dar.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß die Erfindung eine einzige Kühlluftströmung vorsieht, die zweimal benutzt wird, um eine Auftreffkühlung zu erzielen, und zwar ein erstes Mal mit einem hohen Grad von Auftreffkühlung und an einer zweiten Stelle mit einem geringeren Grad. Statt dessen kann die Anordnung jedoch auch so getroffen werden, daß die Kühlung an beiden Stellen gleich ist oder sogar an der zweiten Stelle größer. Bei der ersten Ausführungsform ist auch vorgesehen, daß zunächst ein Hochdruck und danach ein niedriger Druck der Luft für den Hinterrand der Schaufel vorgesehen ist, so daß es einfach wird, eine Filmluftkühlung mit dem richtigen Druck vorzusehen, die das Kühlpotential der Luft über dem gesamten Schaufelblattabschnitt benutzt.

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele stellen nur zwei Möglichkeiten von zahlreichen Möglichkeiten dar, die zur Verwirklichung der Erfindung benutzbar sind. Anstatt zwei Rohre als gelochte Körper zu benutzen, können auch andere Vorrichtungen Verwendung finden,

z. B. einzelne Platten oder Stege. Auf diese Weise wäre es möglich, aufeinanderfolgend zwei oder mehrere Flächen der Schaufel zu kühlen. Die Konstruktion kann offensichtlich auch für mehr als zwei aufeinanderfolgende Flächen benutzt werden. Die gekühlten Flächen brauchen nicht die Gesamtschaufel einzuschließen.

Obgleich im Ausführungsbeispiel eine Statorschaufel beschrieben wurde, kann die Erfindung auch für Rotorschaufeln Anwendung finden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gekühlte Turbinenhohlschaufel für Gasturbinenstrahltriebwerke mit getrennter Kühlung von vorderem und hinterem Schaufelabschnitt und mit im vorderen und im hinteren Schaufelabschnitt im Abstand zum Schaufelmantel angeordneten mit Perforationslöchern versehenen Luftzuführungsrohren, durch deren Löcher Kühlluft auf die innere Oberfläche des Schaufelmantels auftrifft und hier eine Aufprallkühlung bewirkt, bevor die so entspannte Kühlluft über Löcher im Schaufelmantel als Filmkühlluft abfließt, dadurch gekennzeichnet, daß dem hinteren Kühlluftzuführungsrohr (56'; 56) bereits durch Aufprallkühlung im vorderen Schaufelabschnittteil entspannte Kühlluft zugeführt wird.

2. Hohlschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Luftzuführungsrohr (21) und dem Schaufelmantelvorderabschnitt über Öffnungen eines den Vorder- und Hinterabschnitt trennenden Quersteges (23) mit dem hinteren Luftzuführungsrohr (56') in Strömungsverbindung steht (F i g. 2 und 3).

3. Hohlschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit geringem Abstand zum Schaufelkranz (40) ein mit diesem zusammen eine Entspannungskammer einschließendes Blech (53) vorgesehen ist, das im Schaufelvorderabschnitt Löcher (55) aufweist, denen Hochdruckkühlluft zugeführt wird, die in Gestalt von Aufprallkühlstrahlen den Schaufelkranz (40) trifft, und daß die Entspannungskammer mit dem hinteren Luftzuführungsrohr (56) in Verbindung steht (F i g. 4 bis 6).

4. Hohlschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Schaufelhinterabschnitt ein mit getrennter radialer Luftzuführung versehenes weiteres Kühlluftzuführungsrohr (25) vorgesehen ist.

5. Hohlschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das mit direkter Kühlluftzufuhr versehene weitere Kühlluftzuführungsrohr (25) mit einer Seite im Abstand über im wesentlichen den gesamten hinteren Abschnitt der Hochdruckseite der Schaufel erstreckt.

6. Hohlschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftzuführungsrohre (46 und 56) im vorderen bzw. hinteren Schaufelabschnitt an einander entgegengesetzten Enden geschlossen und an den beiden anderen einander entgegengesetzten Enden mit Kühlluft gespeist werden.

7. Hohlschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Schaufelabschnitt an dem hinteren Schaufelabschnitt innenseitig durch einen Quersteg (43) getrennt ist.