DE2542320A1

DE2542320A1 - Beaufschlagungsbuchsen

Info

Publication number: DE2542320A1
Application number: DE19752542320
Authority: DE
Inventors: Robert James Corsmeier; Bernard Louis Koff
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-25
Filing date: 1975-09-23
Publication date: 1976-04-15
Also published as: JPS5151619A; IT1042704B; FR2286277A1; US3973874A; BE833793A; FR2286277B3

Description

Beaufschlagungsbuchsen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Turbomaschinenbeschaufelung und insbesondere auf eine luftgekühlte Turbinenschaufel oder Statordüse mit einer darin angeordneten Beaufschlagungswand bzw. Prallwand zum Beaufschlagen der inneren Schaufel- bzw. Blattwandung mit Kühlluft.

Eines der wirksamsten Verfahren zum Kühlen von Turbinenrotorschaufeln und Turbinenstatordüsen besteht im Beaufschlagen der Innenwandungen mit Kühlluft, und zwar mittels einer in den hohlen Flügel eingesetzten Beaufschlagungswand bzw. Prallwand. Die Beaufschlagungswand, die im wesentlichen dieselbe Form wie die Innenseite des Flügels hat, hat von der Flügelinnenwandung einen Abstand, der allgemein als Beaufschlagungs- bzw. Aufprallabstand bekannt ist. Die Kühlluft wird in den Innenraum der Wand gedrückt, und sie gelangt dann durch eine Vielzahl kleiner Löcher in der Wand, um auf die Innenwandungen des Flügels mit einer großen Geschwindigkeit aufzutreffen, wodurch sich eine höchst wirksame Kühlung der Schaufeln ergibt. . ,,

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gesetzten Teile i der Konstruktion der zusammenxst der B eauf schlagungsabs tand

insoweit kritisch, als eine geeignete Luftstromverteilung und -geschwindigkeit erwünscht sind. Ein Verfahren zum Steuern des Beaufschlagungsabstandes besteht darin/ eine Vielzahl von Grübchen bzw. Vertiefungen auszubilden, die von den Prallwänden nach außen vorstehen und in Reibungseingriff mit den Innenwandungen der Schaufel kommen. Zusätzlich zum Herstellen des Beaufschlagungsabstands dienen diese Glieder zum Positionieren und Stützen der Prallwand. Es entsteht jedoch ein Problem, wenn diese Vertiefungen auf der einen

Sprünge
bzw. Voi/ auf der anderen Seite infolge einer Vibrations- und thermischen Bewegung des Einsatzes abnutzen und dünner werden. Da die Beaufschlagungswände aus einem Material zusammengesetzt sind, das notwendigerweise leicht ist, große Festigkeitseigenschaften hat und gegenüber hohen Temperaturen widerstandsfähig ist, neigen sie nicht dazu, gute Abnutzungs- bzw. Verschleißeigenschaften zu haben. Die einstückig angeformten Grübchen bzw. Warzen der Beaufschlagungswände haben einen minimalen Berührungsbereich, und sie neigen daher zu einem Abnutzen bzw. Dünnerwerden,

was zu Dauerbrüchen bzw. Ermüdungsrissen führt, die von der dünnen Grübchen- bzw. Warzenoberfläche zu einem Fehler- bzw. Fehlstellenpunkt in der Beaufschlagungswand wandern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Turbomaschinenschaufel, die in einer Betriebsumgebung hoher Temperatur und bei hoher Drehzahl arbeitet, ohne daß sich hieraus Fehlstellen bzw. Brüche ergeben.

Kurz gesagt ist nach einem Gesichtspunkt der Erfindung eine Vielzahl von Abnutzungs- bzw. Verschleißelementen zwischen dem Beaufschlagungswandeinsatz und den Innenwandungen des Blattes angeordnet, um einen erwünschten Beaufschlagungsabstand einzuhalten und einen direkten Reibungskontakt zwischen der Blattinnenwandung und dem Einsatz selbst zu verhindern. Die Verschleißelemente, die sich in direktem Reibungskontakt mit der Blatt^innenwandun9 ^be~ finden, werden aufgrund der normalen Abnutzung abgetragen, doch haben sie eine ausreichende Dicke, um einer von einer normalen Benutzung herrührenden verlängerten Abnutzung zu widerstehen.

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Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung weisen die Verschleiße leinen te Teile des Einsatzes umgebende Hülsen und Buchsen auf, die mit darauf ausgebildeten transversalen Schlitzen versehen sind, um Drücke an jeder Seite des Einsatzes auszugleichen bzw. anzugleichen. Die Hülsen und Buchsenkönnen ferner an einem Ende eine angefaste Kante haben, um das Anordnen des Einsatzes in der inneren Höhlung der Schaufel zu erleichtern. Ferner können die Hülsen und Buchsen mit einer Anzahl von darin ausgebildeten Löchern versehen sein, die mit Löchern in der Einsatzwandung kommunizieren und als Verlängerungen derselben wirken, um die Strömung der Kühlluft über die Oberfläche der Schaufelinnenwandung zu richten.Die Hülsen und Buch-. sen könnenjmittels Löten, Schweißen oder dergleichen am Einsatz befestigt sein.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - in einer perspektivischen Ansicht eine Turbinenschaufel des Typs, bei dem eine innen angeordnete Beaufschlagungsbzw. Prallwand nach der vorliegenden Erfindung angewendet wird,

Figur 2 - eine teilweise geschnittene und vergrößerte Seitenansicht zur Darstellung der erfindungsgemaßen Merkmale,

Figur 3 - in einem Querschnitt längs der Linie 3-3 aus Figur 2 eine Turbinenschaufel mit den darin angeordneten Beaufschlagungs- bzw. Prallwänden nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 4 - die Turbinenschaufel in einem Teilschnitt längs der Linie 4-4 aus Figur 3 und

Figur 5 - in einer Seitenansicht die Abnutzungs- bzw. Verschleiß-

sen
hülsen oder -buch/ nach der vorliegenden Erfindung, und zwar in seinem ausgebreiteten und nicht eingebauten Zustand.

In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit entsprechenden Hinweiszahlen belegt. In Figur 1 ist eine Turbinenschaufel Io dargestellt, die einen Flügelabschnitt 11 und einen Ansatz- bzw. Fußabschnitt 12 aufweist, welcher in bekannter Weise zum Befestigen der Schaufel bzw. des Blattes an einem Turbinenrotor

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(nicht dargestellt) geeignet ist, wobei sich der Flügelabschnitt allgemein radial durch den Durchlaß für die sich bewegende Fluidströmung erstreckt. Der Flügelabschnitt 11 enthält eine Profilvorderkante 13 und eine in Richtung der Längsachse unter Abstand angeordnete Profilhinterkante 14, wobei diese Bereiche entsprechend durch konvexe und konkave Seitenwandteile 16 und 17 miteinander verbunden sind. Der Flügelabschnitt 11 ist in bekannter Weise geeignet geformt, um dem treibenden Fluid wirksam Energie zu entziehen, wenn dieses über die Flügelbreite bzw. Spanne der Schaufel strömt,und hierdurch dem Rotor eine Drehbewegung zu erteilen.

Gemäß Figur 2 kann der Schaufel- bzw. Blattaufbau nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus einem hohlen Gußkörper 18 mit einem offenen inneren Ende 19 und einem äußeren oder abgelegenen Ende 21 ausgebildet sein. Das äußere Ende 21 ist durch eine Kopfbzw. Spitzenkappe 22 verschlossen, die einstückig mit dem Körper 18 gegossen oder an diesem in geeigneter Weise befestigt ist, wie durch Schweißen oder Löten. Der Fuß- oder Befestigungsabschnitt ist mit einer Vielzahl von Räumen oder Aufnahmekammern 23 zum Aufnehmen einer Strömung von geeignetem Kühlfluid durch das offene innere Ende 19 ausgebildet. Eine Profilvorderkantenkammer 24 erstreckt sich in Längsrichtung des Flügelabschnitts 11 und wird gemeinsam von dem Gußkörper 18, einem zentralen Rippenteil 26 und der Spitzenkappe 22 gebildet. In ähnlicher Weise erstreckt sich eine mittlere Kammer 27 in Längsrichtung des Flügelabschnitts 11, und diese Kammer wird gemeinsam von dem Rippen teil 26, dem Gußkörper 18, einem Profilhinterkantenteil 28 des Gußkörpers 18 und der Spitzenkappe 22 gebildet.

Um eine wirksame Kühlung für die Profilvorderkante 13 und die konvexen sowie konkaven Wandungsteile 16 und 17 zu bilden, sind allgemein mit der Hinweiszahl 29 belegte Mittel vorgesehen, die sich in Strömungsverbindung mit dem Kühlfluid der Kammer 23 befinden, um das Kühlfluid in Form einer Vielzahl von Hachgeachwindigkeita-'gegen bestimmte Bereiche der Innenwandungen des Gußkörpers 18 treffen zu lassen. Die Auftreff- bzw. Aufprallmittel 2 9 können ein Paar von dünnwandigen, rohrförmigen Einsätzen oder Aufprall- bzw. Beauf-

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schlagungswänden 31 und 32 aufweisen, die entsprechend in den Kammern 24 und 27 angeordnet sind, wobei sich ihre Wandungen unter engem Abstand zu den Kammerwandungen befinden. Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Beaufschlagungseinsätze 31 und 32 einen ähnlichen Grundaufbau haben, und es wird zur Vermeidung von Wiederholungen nur der Einsat? 31 beschrieben. Er weist eine geschlossene Wandung 33, ein äußeres oder abge-to legenes Ende 34 und ein offenes Ende 36 auf, das sich in Strömungs-n verbindung mit den Kühlfluid-Aufnahmekammern 23 befindet. Die geschlossene Wandung 33 besteht vorzugsweise aus einem dünnen, leichten. Material mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten kleinen öffnungen oder Perforationen 37, durch die das Kühlfluid getrieben bzw. expandiert wird, wobei das Kühlfluid in Form einer Vielzahl von sehr schnellen Pluidstrahlen gegen die Kammerwandung trifft bzw.. prallt.

Das Einsetzen der Beaufschlagungswände in die Schaufel- bzw. Fluge !kammern kann auf zwei Wegen durchgeführt werden. Bei dem bekanntesten Verfahren wird der Einsatz durch Entfernen der Endkappe 22 vom äußeren Ende 21 aus in den Schaufelhohlraum eingebracht und darin befestigt, indem das innere Ende 36 des Einsatzes beispielsweise durch Schweißen oder Löten fest mit dem Gußkörper 18 verbunden wird, und zwar in der Nähe der Fluidkammern 23, wie es in Figur 2 dargestellt ist.

Eine andere und weniger übliche Lösung besteht darin, daß die Beaufschlagung swände 31 vom inneren Ende 19 aus eingesetzt und mittels eines am inneren Ende der Einsätze befestigten Flansches festgelegt werden. Der Flansch liegt am inneren Ende 19 der Schaufel an, um den Wandungseinsatz an einer Bewegung aufgrund der Zentrifugalkraft zu hindern. Ein solcher Aufbau ist vorteilhaft, da er ein leichtes Entfernen der Einsätze ermöglicht. Alle diese Anordnungen werden jedoch als zufriedenstellend bezüglich des Erfüllens der Erfordernisse für bestimmte Schaufelausbildungen angesehen.

. ι·. Abgesehen vom Befestigen der Beaufschlagungswand innerhalb der

Schaufelhohlräume, wie es oben erläutert wurde, ist es ebenfalls

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notwendig, sie Im Hohlraum richtig anzuordnen, um die geeignete Kühlfludcüverteilung und Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen. Die erfindumtgsgenjäßen Mittel zum Erreichen dieser Punktion ergeben sich durch ein oder eine Vielzahl von Abnutzungs- bzw. Verschleißelementen» das bzw. die unter enger Passung zwischen den Außenwandungen der Beaufschlagungswände 31 und 32 und den Innenwandungen der Sehaitfelkaneern 2h und 27 angeordnet sind. Das Verschleißelement kann aus einem leichten Material hergestellt sein und eine solche Form bzw. Größe haben, die nicht die Beaufschlagungs-· bzw. Äufprallfunktion des Einsatzes beschränkt und die aber dennoch für den notwendigen Abstand an der gesamten Umfangsfläche der Beaufscnlagungswand sorgt. Eine Form eines Verschleißelements ist in den; Figuren 2 und 3 dargestellt, und diese Form weist eine oder eine Vielzahl von Hülsen oder Buchsen auf, die die Beaufschlagungswandi umgeben und sich in Rei-bungseingriff mit den Wandungen der innerem Kammern 24 der Schaufel befinden. Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung enthält obere und untere sowie unter Längsabstand angeordnete Hülsen bzw. Buchsen 38 und 39 a« Einsatz 31 und ähnliche obere und untere Hülsen bzw. Buchsen kl waü k2 am Einsatz 32. Es ist festzustellen, daß verschiedene andere alternative Hülsen- bzw. Buchsenanordnungen ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung benutzt werden können. Beispielsweise kann eine einzelne große Hülse bzw. Buchse am zentralen Teil des Einsatzes; angeordnet sein, oder es kann eine größere Anzahl von Hülsen bzw. Buchsen in Längsrichtung längs des Einsatzes unterteilt sein. Alternativ kann das Verschleißelement die Form einer Vielzahl von am Pmfang des Einsatzes in unregelmäßigem Muster angeordneten Kissen bzw. Streifen annehmen, doch müssen sie funktionsgemäß an der gesamten Wandungsoberfläche des Einsatzes für den passenden Abstand sorgen. Dieser kritische Abstand zwischen dem Einsatz und der Kaneerwan&wng ist allgemein als Beaufschlagungs- bzw. AufprallabsfcaiKt bekannt und in Figur ^ durch den Buchstaben ¹D¹ angegeben.

zn» Ausbilden des geeigneten Beaufschlagungsabstands, wie es oben.beschrieben wurde, dienen die Verschleißelemente auch zum Veriiindiem eines direkten Reib ungs vers chlexßes bezüglich des

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Einsatzes, wenn dieser dazu veranlaßt wird, sich infolge von thermischen Vibrationen und von Zentrifugalkräften in den Wandungskammern, zu bewegen. Gemäß den Figuren 3 und 4 ähnelt die Hülse bzw. Buchse 41 den Hülsen bzw. Buchsen 38, 39 und 42, und sie kann den Einsatz umgeben, wobei seine Innenseite k~5 an den Umfang des Einsatzes angrenzt. Seine äußere Seite HH kann unter engem Sitz in der Kammer 27 angeordnet sein, um die Position des Einsatzes in dieser Kammer aufrecht zu erhalten und irgendeine bedeutende Verschiebung in dieser zu verhindern. Die Hülse bzw. Buchse kl sorgt dafür, daß der Beaufschlagungsabstand an der gesamten Wandungsoberfläche des Einsatzes aufrechterhalten und jegliche Reibung zwischen den Kaminerwandurigen und dem Einsatz verhindert bzw. verringert werden. Die Hülse bzw. Buchse kann vorzugsweise aus einem ausreichend harten Material bestehen, so daß es durch die Reibungsabnutzung an den Kammerwandungen nicht bedeutend abgetragen bzw. angefressen wird. Doch muß das Material eine Zusammensetzung haben, die ohne bedeutende thermische Expansion oder Deformation hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann. Ferner können die Hülsen oder Buchsen aus einem Material zusammengesetzt sein, dessen Form einfach dem Innenumfang angepaßt werden kann und das fest durch Schweißen, Löten oder dergleichen mit dem Umfang verbindbar ist.

Es ist festzustellen, daß die Hülsen bzw. Buchsen nach der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise ein Befestigen am Einsatz erfordern. Beispielsweise können die Hülsen bzw. Buchsen im Fall von druckbelasteten Einsätzen, wenn diese vom inneren Ende aus installiert werden und durch Zentrifugalkraft der sich drehenden Schaufel nach außen gedrückt werden können, bündig in der Kammer angeordnet sein, um den Einsatz im abgestellten Zustand lose aufzunehmen und aber einen dichten'Sitz zu schaffen, sobald die Rotorbewegung einsetzt. Hierbei muß der Einsatz selbstverständlich leicht abgeschrägt sein, wobei der Querschnitt in Richtung zum äußeren Ende des Einsatzes ansteigt.

Eine andere Alternative besteht darin, die Hülsen oder Buchsen al» einstückige Teile der Be au fs chi agun gs wand auszubilden. Hierbei*¹ ~ sind sie aber aus demselben Material zusammengesetzt, das sorgfäl-*

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tig ausgewählt werden muß, damit es die Eigenschaften der großen Festigkeit sowie des geringen Gewichts wie auch günstige Abnutzungseigenschaften aufweist.

Bei der Ausführungsform der in den Figuren 2, ¹I und 5 dargestellten Hülse bzw. Buchse ist an diesem eine Vielzahl von transversalen Nuten 46 ausgebildet (oder sie sind mit den Längsachsen der Schaufel ausgerichtet), damit Gase hindurchströmen können, um die Drücke an jeder Seite der Hülse bzw. Buchse auszugleichen. Diese Nuten können durch einfaches Bearbeiten der Hülse gebildet werden, bevor diese gemäß Figur 5 geformt wird. Ferner kann die Hülse bzw. Buchse eine angefaste oder abgeschrägte Oberfläche 47 aufweisen, die sich entlang seinem einen Ende erstreckt, um das Installieren bzw. Einbringen des Einsatzes in die Schaufelkammer zu vereinfachen, da der Sitz zwischen der Hülse bzw. Buchse und der Kammerwandung notwendigerweise ein enger Paßsitz ist, um jegliche überflüssige Vibrationen zu vermeiden.

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Claims

Patentansprüche

l.jTurbomaschinenschaufel bzw. -blatt mit einem von einer Innen-V-' wandungsfläche begrenzten Hohlraum, in dem ein Kühleinsatz angeordnet werden kann, und mit Mitteln zum genauen Positionieren des Einsatzes in bezug auf die Wandungsfläche sowie mit Mitteln zum Zuführen eines Kühlmittels in das Innere des Einsatzes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abnutzungs- bzw. Verschleißelement (38, 39, 41, 42) an den Einsatz (32, 33) angrenzt und in Reibungseingriff mit den Seitenwandungen (16, 17) treten kann, um hierdurch einen direkten Reibungskontakt zwischen den Seitenwandungen und dem Einsatz zu verhindern.
2. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verschleißelement (38, 39, 41, 42) einen vorbestimmten Abstand zwischen dem Einsatz (32, 33) und der Wandungsoberfläche (16,17) aufrechterhält.
3. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Einsatz (32, 33) eine Vielzahl von darin ausgebildeten Löchern (37) aufweist, um eine Pluidverbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum desselben herzustellen, und daß im Verschleißelement (38, 39, 41, 42) ein Loch ausgebildet ist, das eine Verlängerung von einem der Einsatzlöcher darstellt.
4. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß da3 Verschleißelement eine Hülse oder Buchse (38, 39, 41, 42) aufweist, die einen Teil des Einsatzes (32, 33) umschließt.
5. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse bzw. Buchse (38, 39, 41, 42) mit zumindest einem transversal ausgebildeten Kanal (46) vereehen ist.

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6. Turbomaschinen^schaufel nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse (38, 39, 41, 42) an einem Ende (47) angefast ist, um einen allmählichen übergang zwischen dem Einsatz (32, 33) und der Außenfläche der Hülse bzw. Buchse zu bilden.
7. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verschleißelement (38, 39, 41, 42) fest am Einsatz (32, 33) befestigt ist.
8. Einsatz für eine hohle Turbomaschinenschaufel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes Leitteil (32, 33)» das in der hohlen Schaufel (10, 11) angeordnet werden kann, durch Mittel zum genauen Positionieren des Leitteils in bezug auf die Innenwandungen der Schaufel und durch eine Hülse bzw. Buchse (38, 39, 41, 42), die zumindest einen Teil des Leitteils umgibt und in einen Reibungseingriff mit den Innenwandungen der Schaufel treten kann, um hierdurch einen direkten Reibungskontakt zwischen den Innenwandungen der Schaufel und dem Leitteil zu verhindern.

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