DE2555049C2

DE2555049C2 - Gekühlte Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE2555049C2
Application number: DE2555049A
Authority: DE
Inventors: John Anthony West Hartford Conn. Leogrande; Richard Bloomfield Conn. Levine
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1975-12-06
Publication date: 1982-02-04
Also published as: FR2294323A1; DE2555049A1; JPS5185030A; FR2294323B1; JPS5985305U; GB1525027A; IT1050054B; SE415290B; JPS614001Y2; US4153386A; CA1029664A; AU8673975A; SE7513487L

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenschaufel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einer bekannten Turbinenschaufel dieser Art (DE-OS 23 38 841) wird die Vorderkante durch Filmkühlung gekühlt, während die Druck- und die Saugseite durch Aufprallkühlung gekühlt werden. Um diese beiden im Prinzip vollständig verschiedenartigen Kühlungsverfahren durchführen zu können, sind unterschiedliche Druckabfälle erforderlich. Die Filmkühlung erfordert einen verhältnismäßig geringen Druckabfall an den Kühlluftlöchern der Vorderkante, damit die aus diesen Löchern austretende Kühlluft als Grenzschicht auf der Außenfläche der Schaufel haften bleibt. Dagegen benötigt die Aufprallkühlung einen verhältnismäßig großen Druckunterschied, damit die Kühlluft auf die erforderliche Geschwindigkeit beschleunigt werden kann. Zum Erzeugen dieses großen Druckunterschiedes muß der Druck in der hohlen Schaufel wesentlich höher

sein, als der Druck der Verbrennungsgase an derjenigen Stelle, wo die Aufprallkühlluftströmung abgeleitet wird. Zur Verwirklichung dieser beiden Kühlungsverfahren wird in der bekannten Turbinenschaufel ein geschlossener, rohrförmiger Einsatz benützt, welcher an Dichtrippen anliegen soll, um den Hohlraum zwischen dem rohrförmigen Einsatz und der Schaufelvorderkante von den Hohlräumen zwischen dem rohrförmigen Einsatz und der Saugseite sowie der Druckseite der Schaufel zu

to trennen. Wenn während des Betriebes eine gegenseitige Verbindung dieser Hohlräume aufträte, würde die Durchführung der Aufprallkühlung unmöglich.

Bei der Verwendung eines solchen Einsatzes in Form eines geschlossenen, starren Rohres ist aber ein festes dichtes Anliegen des Einsatzes an den Dichtrippen sehr schwierig zu erreichen. Deshalb sind zwei von den drei als Auflagestellen vorgesehenen Dichtrippen elastisch ausgebildet. Das bereitet bei der Herstellung der Turbinenschaufel beträchtliche Schwierigkeiten und kann trotzdem nicht immer eine vollständige Abdichtung gewährleisten. Zur Beseitigung dieses Problems könnte zwar der rohrförmige Einsatz mit den Dichtrippen verlötet oder verschweißt werden, das würde bei der Herstellung der Turbinenschaufel aber ebenfalls beträchtliche Schwierigkeiten verursachen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau der bekannten Turbinenschaufel unter Vermeidung eines geschlossinen rohrförmigen Einsatzes wesentlich zu vereinfachen und trotzdem während des Betriebes immer ein dichtes Anliegen des Einsatzes an den Dichtrippen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

ss Die Turbinenschaufel nach der Erfindung hat aufgrund des biegsamen und im Querschnitt U-förmigen Einsatzes einen sehr einfachen Aufbau, benötigt keine elastischer. Dichtrippen, und ein Verlöten oder Verschweißen des Einsatzes mit den Dichtrippen ist nicht nötig. Ein sicheres Abdichten ist immer gewährleistet, da der saugseitige Wandteil und der druckseitige Wandteil des Einsatzes durch den Druck der Kühlluft dicht gegen die Dichtrippen gepreßt wei den. Das dichte Anliegen des Einsatzes an den Dichtrippen wird auf sehr einfache Art und Weise durch die Verwendung des biegsamen Einsatzes erreicht, dessen offene Seite zur Schaufelvorderkante hin gerichtet ist.

Aus der DE-OS 22 41 192 ist es zwar bekannt, in einer hohlen Turbinenschaufel einen im Querschnitt U-förmigen Einsatz zu verwenden, dessen offene Seite zur Schaufelvorderkante hin gerichtet ist, dieser bekannte Einsatz ist jedoch nicht biegsam und dient nicht dem Zweck, in einer Schaufel mit Filmkühlung der Schaufelvorderkante und Aufprallkühlung der Saugwand sowie der Druckwand die Kühlluftzufuhrwege zu den Kühllöchern in der Schaufelkante und den Kühllöchern in der Druckwand und/oder Saugwand dicht voneinander abzutrennen. Er dient vielmehr lediglich dazu, das Schaufelinnere in eine Einsirömkam-

W) mer und eine Ausströmkammer zu unterteilen, damit die Kühlluft beidseitig des Einsatzes einströmen und zur Schaufelvorderkante gelangen und dann durch den Einsat?: wieder zum hinteren Ende der Schaufel strömen kann.

(.5 Wenn in dem Hohlraum der Turbinenschaufel kein Druck herrscht, so sind in der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 der druckseitige Wandteil und der saugseitige Wandteil mit Vorsprüngen in

Berührung, und eine Linienberührung mit den Dichtrippen ist jederzeit gewährleistet, um einen Mangel an Kühlluft an den Kühllöchern in der Schaufelvorderkante zu vermeiden. Wenn kein Druck in dem Hohlraum der Turbinenschaufel vorhanden ist, sind die Vorsprünge mit dem Einsatz nicht in Berührung, so daß die erste Berührung zwischen dem aerodynai.iischen Abschnitt und dem Einsatz bei Druckzuführung in den Hohlraum immer an den Dichtrippen stattfindet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlicher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine Querschnittansicht einer Turbinenleitschaufel.

Der aerodynamische Abschnitt der gezeigten Turbinenschaufel enthält einen vorderen Hohlraum 26 und einen hinteren Hohlraum 28. Eine Schaufelvorderkante 30 weist stromaufwärts und hat Kühllöcher 32 zwischen der inneren und der äußeren Schaufelwurzel. Die Kühllöcher 32 verbinden den vorderen Hohlraum 26 mit einem Verbrennungsgasströmungsweg. Eine Schaufelhinterkante 34 hat ein hinteres Kühlloch 36. Das hintere Kühlloch 36 gehört zu einer Serie von hinteren Kühllöchern, die an der Schaufelhinterkante 34 zwischen der inneren und der äußeren Schaufelwurzel vorgesehen sind. Die Kühüöcher 36 verbinden den hinteren Hohlraum 28 mit dem Verbrennungsgasströmungsweg. Der aerodynamische Abschnitt hat eine Druckseite 38 mit einer ersten Serie von Kühllöchern 40, die den vorderen Hohlraum 26 mit dem Verbrennungsgasströmungsweg verbinden, und mit es.ner zweiten Serie von Kühllöchern 42, die den hinteren Hohlraum 28 mit dem Verbrennungsgasströmungsweg verbinden. Der aerodynamische Abschnitt hat weiter eine Saugseite 44 mit einer ersten Serie von J5 Kühllöchern 46, die den vorderen Hohlraum 26 mit dem Verbrennungsgasströmungsweg verbinden, und mit einer zweiten Serie von Kühllöchern 48, die den hinteren Hohlraum 28 mit dem Verbrennungsgasströmungsweg verbinden.

Der vordere Hohlraum 26 hat eine Druckwand 50 mit einer Dichtrippe 52 und einem Vorsprung 54. Mehrere Vorsprünge 54 sind an der gleichen axialen Stelle längs der Druckwand 50 vorgesehen. Der vordere Hohlraum 26 hat eine Saugwand 56 mit einer Dichtrippe 58 und ■»■> einem Vorsprung 60. Mehrere Vorsprünge 60 sind an der gleichen axialen Stelle längs der Saugwand 56 vorgesehen. Der hintere Hohlraum 28 hat eine Druckwand 62 mit einer Dichtrippe 64 und einem Vorsprung 66. Mehrere Vorsprünge 66 sind an der gleichen axialen Stelle längs der Druckwand 62 vorgesehen. Der hintere Hohlraum 28 hat ebenfalls eine Saugwand 68 mit einer Dichtrippe 70 und einem Vorsprung 72. Mehrere Vorsprünge 72 sind an der gleichen axialen Stelle längs der Saugwand 68 vorgesehen. Der vordere und der hintere Hohlraum sind durch eine Querwand 74 voneinander getrennt. Mehrere Vorsprünge 76 sind an der Querwand 74 vorgesehen. Ein vorderer Einsatz 78 und ein hinlerer Einsatz 80, welche beide einen im wesentlichen w> U-förmigen Querschnitt haben, befinden sich in dem vorderen Hohlraum 26 bzw. in dem hinteren Hohlraum 28. leder Einsatz hat einen druckseitigen Wandteil 82, welcher der Druckwand des zugeordneten Hohlraumes gegenüberliegt, und einen saugseitigen Wandteil 84, iv> welcher der Saugwand des zugeordneten Hohlraumes gegenüberliegt. Mehrere Löcher 86 für die Aufprallkiih-Ιιιηκ erstrecken sich durch den vorderen und den hinteren Einsatz.

Die stärkste Kühlung der Turbinenschaufel ist in dem Bereich der Schaufelvorderkante 30 erforderlich, wo die Temperatur und der Druck der Verbrennungsgase am höchsten sind. Beim Starten wird die Kühlluft aus dem Verdichter des Gasturbinentriebwerkes dem vorderen Hohlraum 26 mit einem Druck von etwa 2,4 MPa oder 99% des Verbrennungsgasdruckes an der Vorderkante des aerodynamischen Abschnittes zugeführt Eine Filmkühlung der Vorderkante ist das wirksamste Mittel zur Verhinderung einer zu hohen Metalltemperatur in diesem Bereich. Wenn die Filmkühlung verwendet wird, so wird eine konstante Kühlluftströmung mit geringer Geschwindigkeit durch die Kühllöcher 32 an der Vorderkante abgeleitet. Diese Kühlluftströmung wird durch die heißen Verbrennungsgase umgelenkt und strömt axial nach hinten längs der Oberflächen der zu kühlenden Wände. Wenn der Druckabfall an den Kühllöchern 32 der Vorderkante 30 zu hoch ist, so ist die Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls zu hoch, und dabei dringt die Kühlluft in turbulenter Weise in die heißen Verbrennungsgase ein, vermischt sich mit diesen, und die Kühlwirkunp des Kühlluftfilmes geht verloren. Wenn dagegen die Strömungsgeschwindigkeit nicht ausreicht, so dringen die Verbrennungsgase in den Kühlluftfilm ein und gelangen in Berührung mit den metallischen Flächen des aerodynamischen Abschnittes.

Der vordere Einsatz 78 vereinigt die Kühllöcher 32 an der Schaufelvorderkante 30 und die erste Serie der Kühllöcher 40 an der Druckseite 38. Obschon die erste Serie der Kühllöcher 40 an der Druckseite 38 in einigen Fällen nicht vorgesehen sein kann, sind sie bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen zur Verstärkung des Kühlluftfilmes längs der Druckseite 38 des aerodynamischen Abschnittes, wo die Temperatur am höchsten ist.

Die Aufprallkühlung der inneren Wände des aerodynamischen Abschnittes kann bekanntlich die Filmkühlung des aerodynamischen Abschnittes wirkungsvoll ergänzen, im Gegensatz zu der Filmkühlung ist für die Aufprallkühlung aber ein wesentlicher Druckabfall zwischen dem Kühlluftzufuhrhohlraum und der zu kühlenden Oberfläche erforderlich, damit die Kühlluft auf die Geschwindigkeit beschleunigt werden kann, mit welcher sie auf die zu kühlende Wand auftrifft. Infolgedessen ist die Luft für die Aufprallkühlung in einen Bereich mit verhältnismäßig niedrigem Druck abzulassen, um den erforderlichen wesentlichen Druckabfall zwischen dem Zufuhrhohlraum und der gekühlten Fläche aufrechtzuerhalten. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel befindet sich dieser Bereich von wesentlich geringerem Druck in dem Verbrennungsgasströmungsweg längs der Saugwand des aerodynamischen Abschnittes, und die Strömung für die Aufprallkühlung wird in diesen Bereich abgeleitet.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Aufprallkühlung der inneren Wände und die Filmkühlung der äußeren Wände wirkungsvoll miteinander verbunden. Die Luftströmung für die Filmkühlung, welche an den Kühllöchern in der Vorderkante 30 austritt, ist isoliert von der Strömung für die Aufprallkühlung, welche durch die erste Serie der Kühllöcher 46 an der Saugseite in den Verbrennungsgas trömungsweg entweicht. Es ist wesentlich, dali eine Überdruckströmung von Kühlluft an der Vorderkante 30 des Hohlraumes 26 durch die Kühllöcher 32 der Vorderkante austritt, um eine Kühlluftschranke an der Vorderkante zu bilden. Wenn die KühllufKtrnmiinu

örtlich unterbrochen wird, so ist der aerodynamische Abschnitt den hohen Verbrennungsgastemperaturen ausgesetzt und wird zerstört. Durch die Isolierung der Strömung zu der Vorderkante 30 wird gewährleistet, daß ein geeigneter Teil der Kühlluftströmung durch die Kühllöcher 32 an der Vorderkante ausströmen kann, im Gegensatz zu der Ausströmung zu einem Bereich mit kleinerem Druck längs der Saugseite des aerodynamischen Abschnittes. Ein Mangel an Kühlluft in dem Bereich der Vorderkante 30 wird somit vermieden. Der druckseitige Wandteil 82 und der saugseitige Wandteil 84 des vorderen Einsatzes 78 werden in dem vorderen Hohlraum gegen die Dichtrippe 52 der Druckwand bzw. gegen die Dichtrippe 58 der Saugwand gedruckt. Die Dichtrippen befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Kühllöcher 32 der Vorderkante 30, und die erste Serie der Kühllöcher 40 auf der Druckseite des aerodynamischen Abschnittes ist ebenfalls zwischen den Dichtrippen angeordnet. Die Vorsprünge sind längs der inneren Wände des aerodynamischen Abstandes vorgesehen, damit zwischen dem Einsatz und den entsprechenden Wänden des aerodynamischen Abschnittes ein Zwischenraum bleibt. Die Luft strömt mit hoher Geschwindigkeit durch diesen Zwischenraum und trifft auf die zu kühlende innere Wand des aerodynamischen Abschnittes auf. Wenn der Hohlraum nicht unter Druck ist, so kehren die Wandteile des Einsatzes elastisch in ihre innere Stellung zurück, in welcher sie nicht an den Vorsprüngen anliegen. Die Abdichtung zwischen den Wandteilen der Einsätze und den entsprechenden Dichtrippen bleibt bestehen, wenn der Hohlraum nicht unter Druck ist, und die Abdichtung wird auch nicht durch eine vorzeitige Berührung zwischen den Wandteilen des Einsatzes und den Vorsprüngen beeinflußt, wenn der Hohlraum unter Druck gesetzt wird. Desweiteren halten die Vorsprünge den Einsatz im Abstand von den inneren Wänden des aerodynamischen Abschnittes, um mehrere Strömungskanäle zu bilden. Diese Kanäle leiten eine Kühlluftströmung längs der inneren Wände, um dieselben durch Konvektion zu kühlen.

ίο Der Einsatz 78 des vorderen Hohlraumes 26 besteht aus dünnem Metallblech, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,20 bis 0,25 mm, kann jedoch auch aus Metallblech mit einer Dicke von 0,10 bis 0,50 mm bestehen, je nach dem Druckunterschied, der Temperatur und der Länge der Wandteile der Einsätze. Der Einsatz ist biegsam, und er weist keine Rippen oder andere Unregelmäßigkeiten auf, welche die Steifheit des Metallbleches vergrößern würden. Der Einsatz hat einen Preßsitz zwischen den Dichtrippen, an welchen er anliegt, und er wird nur an den Berührungsstellen mit den Dichtrippen festgehalten, wenn das Triebwerk nicht in Betrieb ist.

Der hintere Einsatz 80 hat in dem hinteren Hohlraum 28 die gleiche Wirkungsweise wie der vordere Einsatz 78 in dem vorderen Hohlraum 26. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Druckabfall an den Wänden des hinteren Hohlraumes 28 größer als der Druckabfall an den Wänden des vorderen Hohlraumes 26, weshalb ein Einsatz mit einer Wandstärke von 0,27 bis 0,33 mm in dem hinteren Hohlraum 28 verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gekühlte Turbinenschaufel mit einem aerodynamischen Abschnitt, der wenigstens einen Hohlraum aufweist, welcher mehrere Kühllöcher jeweils in der Schaufelkante sowie in seiner druckseitigen und in seiner saugseitigen Wand hat, mit einem in dem Hohlraum des aerodynamischen Abschnittes angeordneten Einsatz mit einem druckseitigen Wandteil und einem saugseitigen Wandteil, mit einer ersten Dichtrippe auf der saugseitigen Wand des Hohlraums zwischen den Kühllöchern der saugseitigen Wand und den Kühllöchern der Sdiaufelkante und mit einer zweiten Dichtrippe auf der druckseitigen Wand des Hohlraums in der Nähe der Kühllöcher der Schaufelkante, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (78 oder 80) biegsam und im Querschnitt U-förmig ist und mit seiner offenen Seite zu den Kühllöchern (32 oder 36) in der Schaufelkante (30 oder 34) hin gerichtet ist.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Hohlraum (26 oder 28) des aerodynamischen Abschnittes mehrere Vorsprünge (54, 60 oder 66, 72) von der Saugwand (56 oder 68) und der Druckwand (50 oder 62) aus nach innen zu dem saugseitigen Wandteil (84) bzw. zu dem druckseitigen Wandteil (82) des Einsatzes (78 oder 80) erstrecken.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei in dem aerodynamischen Abschnitt vorgesehenen Hohlräumen (26, 28) jeder einen biegsamen und im Querschnitt U-förmigen Einsatz (78 bzw. 80) aufweist, der mit seiner offenen Seite zu den Kühllöchern (32 bzw. 36) in der Schaufelvorderkante (30) bzw. Schaufelhinterkante (34) hin gerichtet ist.

4. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Schaufelvorderkante (30) benachbarte Einsatz (78) eine Wandstärke von etwa 0,10 bis 0,50 mm und vorzugsweise von 0,20 bis 0,25 mm aufweist.

5. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Schaufelhinterkante (34) benachbarte Einsatz (80) eine Wandstärke von etwa 0,27 bis 0,33 mm aufweist.