DE2657405A1

DE2657405A1 - Oberflaechenkuehlvorrichtung, insbesondere fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2657405A1
Application number: DE19762657405
Authority: DE
Inventors: Alec George Dodd
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1975-12-20
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1977-07-07
Also published as: DE2657405C3; FR2335807A1; JPS5548163B2; FR2335807B1; IT1065277B; US4105364A; JPS5277914A; DE2657405B2; GB1564608A

Description

Patentanwälte Di pi.-1 ng. C u rt Wal lach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 17.Dezember I976

Unser Zeichen: 15 733 K/Nu

Rolls-Royce (1971) Ltd., London/England

Oberflächenkühlvorrichtung, insbesondere für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächenkühlvorrichtung, welche mit Auftreff kühlung arbeitet, und insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Kühlung heißer Oberflächen, die bei Gasturbinentriebwerken vorhanden sind.

Die Oberfläche, die auf diese Weise direkt gekühlt wird, braucht nicht notwendigerweise die Oberfläche zu sein, die dem Heißgasstrom des Triebwerks ausgesetzt ist, aber es ist eine Oberfläche, die normalerweise in thermischer Berührung mit einer solchen Oberfläche steht, beispielsweise

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kann die gekühlte Oberfläche eine von zwei Oberflächen eines dünen Bleches oder dergleichen sein, welches nicht direkt dem Heißgasstrom ausgesetzt ist.

Ein bekanntes Verfahren der Ausnutzung eines Strömungsmittels zum Kühlen einer Oberfläche wird allgemein mit "Aufprallkühlung" bezeichnet und dieses Verfahren besteht grundsätzlich darin, eine gelochte Platte im Abstand von der zu kühlenden Oberfläche vorzusehen und ein Kühlmittel der gelochten Platte von der der zu kühlenden Oberfläche entgegengesetzten Seite zuzuführen, wobei die Abmessung der Öffnungen in der Platte und ihr Abstand von der zu kühlenden Oberfläche so gewählt werden, daß ein Kühlmittel auf die Oberfläche in Gestalt zahlreicher Strahlen auftrifft. Diese Strahlen dringen in die Grenzschicht der Oberfläche ein und ergeben eine wirksame Kühlung. Der aufgeprallte Kühlmittelstrom muß aber wenigstens zwischen einigen Teilen der Platte und der Oberfläche abfließen, um abgeleitet zu werden, und diese Strömung von Aufprallkühlmittel kann die Kühlmittelstrahlen stören und ihre Wirksamkeit beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese schädlichen Wirkungen des abströmenden Kühlmittels zu vermindern.

Die Erfindung geht aus von einer Oberflächenkühlvorrichtung, die mit Aufprallkühlung eines Kühlmittels arbeitet und eine gelochte Aufprallplatte im Abstand von der zu kühlenden Oberfläche aufweist, wobei die Größe der öffnungen und der Abstand so gewählt ist, daß das Kühlmittel auf der Oberfläche in Gestalt einer Mehrzahl von Strahlen auftrifft, wobei eine Vielzahl von säulenartigen Vorsprüngen

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zwischen der Lochplatte und der Oberfläche vorgesehen ist. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Vorsprung direkt stromauf einer solchen Öffnung in bezug auf die allgemeine Strömungsrichtung des auftreffenden Strömungsmittels zwischen Platte und Oberfläche angeordnet ist.

Vorzugsweise ist jeder Vorsprung an seiner Oberfläche abgeflacht oder an jener Seite vertieft ausgebildet, die auf die Achse der jeweiligen öffnung hingerichtet ist, so daß die Genauigkeit der Ausrichtung zwischen der Öffnung und dem Vorsprung vermindert wird, die notwendig ist, um den Effekt zu erzeugen.

Jeder Vorsprung kann aus einem im wesentlichen zylindrischen Bauteil mit abgeflachter Oberfläche bestehen.

Die Vorsprünge und Löcher können in einer gestaffelten Reihenanordnung vorgesehen werden.

Die Kühlvorrichtung nach der Erfindung ist insbesondere zweckmäßig zur Kühlung der Schaufeln eines Gasturbinentriebwerks .

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerks,

Fig. 2 eine Ansicht einer Schaufel des Triebwerks gemäß Fig. 1, teilweise aufgebrochen, um die

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Kühlvorrichtung zu zeigen,

Fig. 3 in größerem Maßstab eine Teilansicht der Kühlvorrichtung nach Pig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 gemäß Fig. 3·

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 mit einem Gehäuse, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Kompressor 11, eine Verbrennungseinrichtung 12, eine Turbine 13 und eine Schubdüse 14 angeordnet sind. Das Gehäuse ist im Bereich der Verbrennungseinrichtung aufgebrochen und es sind Düsenleitschaufeln I5 ersichtlich, die die heißen Gase aus der Brennkammer auf die Rotorschaufeln der Turbine I3 leiten. Weil diese Schaufeln benutzt werden, um die heißen Gase abzulenken, sind die Schaufeln I5 niit einer Kühlvorrichtung ausgestattet und dies ist im einzelnen aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist jede Schaufel I5 einen hohlen stromlinienförmigen Abschnitt 16 auf, der sich zwischen der inneren Plattform I7 und der äußeren Plattform 18 erstreckt. Vom Kompressor abgezapfte Kühlluft wird nach dem Inneren des hohlen stromlinienförmigen Teils geleitet und kann über eine Öffnung I9 in der Plattform 18 in das hohle Innere eintreten. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß das hohle Innere des stromlinienförmigen Arbeitsteils mit einem Lufteinlaßrohr 20 ausgestattet ist, das von der Lufteintrittsoffnung nach dem anderen Ende des stromlinienförmigen Teils verläuft.

Das Lufteinlaßrohr 20 ist mit einer Vielzahl kleiner

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Löcher 21 versehen, die die Kühlluft auf die innere Oberfläche 24 der Hohlschaufel in Form einer Vielzahl von Strahlen gelangen lassen, wodurch eine Aufprallkühlung auf der inneren Oberfläche der Hohlschaufel bewirkt wird. Die tatsächlich durch Aufprallkühlung gekühlte Oberfläche der Schaufel ist die innere Oberfläche der Schaufel, jedoch bewirkt die Wärmeleitung durch die dünne Wand der Schaufel eine Kühlung auch der äußeren Oberfläche. Das Einlaßrohr 20 ist von der inneren Oberfläche 24 des Arbeitsteils der Schaufel durch eine Vielzahl von Vorsprüngen bzw. stiftförmigen Rippen 22 gehalten.

Die Stiftrippen bestehen aus schmalen säulenartigen Vorsprüngen mit im wesentlichen konstantem Querschnitt, die über dem Kühlluftkanal zwischen der Lochplatte und der zu kühlenden Oberfläche verlaufen und im wesentlichen senkrecht hierzu stehen· Normalerweise sind diese Vorsprünge von kreisförmigem Querschnitt, jedoch ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wie unten beschrieben, der Querschnitt etwas abgeändert.

Nachdem die Kühlluft einmal auf die innere Oberfläche 24 des Arbeitsabschnitts der Schaufel aufgeprallt ist, strömt sie nach hinten in den Raum zwischen dem Rohr und der Arbeitsfläche der Schaufel nach dem Hinterrand ab, wo die Luft die Schaufel über Austrittsschlitze 23 verläßt. Die Säulen 22 sind sorgfältig so angeordnet, daß sie jeweils ein kurzes Stück stromauf eines entsprechenden Loches 21 liegen, derart, daß das Loch und der Strahl, der aus dem Loch austritt, im Windschatten der Säule liegt, so daß der Kühlluftstrahl geschützt ist gegenüber einem quer verlaufenden Luftstrom.

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Der relative Abstand zwischen den Löchern 21 und ihren entsprechenden Schirmsäulen 22 wird durch die diversen Abmessungen und die in Frage kommende Strömung bestimmt, um jedoch eine wirksame Arbeitsweise zu gewährleisten, muß das Loch innerhalb des von der Säule erzeugten Windschattens liegen. Es hat sich gezeigt, daß bei Benutzung der üblichen im Querschnitt kreisförmigen Säulen oder ähnlicher Verbindungsglieder dieser Windschatten so schmal ist, daß eine extreme Genauigkeit in der relativen Anordnung von Säulen und Löchern getroffen werden muß, und dies ist herstellungstechnisch schwierig. Deshalb besitzen die Säulen 22 bei dieser Ausführungsform eine abgewandelte Querschnittsgestalt, die sich als zweckmäßig im Hinblick auf eine Vergrößerung des Windschattens um eine beträchtliche Fläche erwiesen hat.

Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, besteht die Abwandlung des Querschnitts der Säule einfach darin, eine flache Seite 25 an jener Stelle vorzusehen, die der Achse des zugeordneten Loches zugewandt ist. Dieser abgewandelte Querschnitt läßt sich sehr einfach herstellen. Es ist denkbar, daß andere abgewandelte Querschnittsgestalten, beispielsweise eine mondsichelförraige Gestalt oder ein kreisförmiger Querschnitt mit einer konkaven Fläche, die dem Hohlraum zugewandt ist, aerodynamisch besser sind, doch geht die Erfindung davon aus, daß im Hinblick auf eine Wirksamkeit und die Einfachheit der Herstellung der abgeflachte Kreisquerschnitt das Optimum darstellt· Es ist natürlich möglich, auch andere Formen zu benutzen, z. B. eine rechteckige Querschnittsform oder eine dreieckige Querschnittsform.

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Aus Fig. 2 ist ersichtlich,, daß die Löcher und Vorsprünge bzw. Säulen in gestaffelten Reihen angeordnet sind. Dies ergibt den Vorteil, daß eine konsistente Kühlung über die Oberfläche aufrechterhalten wird und daß ein relativ langer Strömungspfad zwischen aufeinanderfolgenden Vorsprüngen vorhanden ist.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Luftkühlung der gesamten Arbeitsfläche der Schaufel eines Gasturbinenstrahltriebwerks beschrieben. Es ist jedoch möglich, die Erfindung auch bei anderen Flächen anzuordnen, die eine Kühlung erfordern, und diese müssen nicht notwendigerweise bei einem Gasturbinentriebwerk vorhanden sein, und es ist auch nicht notwendig, Luft als Kühlmittel zu benutzen. Bei einem solchen Triebwerk stellt die Erfindung aber eine besonders vorteilhafte Lösung des Problems der Kühlung von Turbinenrotorschaufeln und Statorschaufeln sowie ihrer Schaufelringe und Plattformen dar.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

1· · Vorrichtung zur Kühlung einer Oberfläche durch Aufprall "^ eines Kühlmittels, bestehend aus einer gelochten Aufprallplatte, die von der zu kühlenden Oberfläche im Abstand angeordnet und mit einer Kühlmittelzuleitung versehen ist, wobei die Abmessung der Löcher der Platte und der Abstand von der zu kühlenden Oberfläche so gewählt sind, daß das Kühlmittel auf der Oberfläche in Form einer Vielzahl von Strahlen aufprallt, wobei säulenartige Vorsprünge zwischen der Platte und der Oberfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder säulenartige Vorsprung (22) unmittelbar stromauf eines Loches (21) in. bezug auf die allgemeine Strömungsrichtung dlr^SScnpb.atte (20) und der zu kühlenden Oberfläche (24) abfließenden Luft angeordnet ist.
2. Vorrichtung zur Kühlung einer Oberfläche nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder säulenartige Vorsprung (22) an jener Seite (25) an der Oberfläche abgeflacht oder eingedrückt ist, die der Achse des zugeordneten Loches (21) gegenüberliegt.
3. Vorrichtung zur Kühlung einer Oberfläche nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder säulenartige Vorsprung (22) aus einem im wesentlichen zylindrischen Körper besteht, der eine abgeflachte Seite (25) besitzt, die nach der Achse des zugeordneten Loches (21) hin gerichtet ist.

4·. Vorrichtung zur Kühlung einer Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (22) und

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die Löcher (21) in gestaffelter Reihenanordnung vorgesehen sind.

5· Vorrichtung zur Kühlung einer Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (24) die innere Oberfläche einer Hohlschaufel (16) eines Gasturbinentriebwerks (10) ist.

6· Vorrichtung zur Kühlung einer Oberfläche nach Anspruch

5, dadurch gekennzeichnet, daß die gelochte Aufprallplatte aus einem gelochten Rohr (20) besteht, welches im Abstand von der inneren Oberfläche (24) der Hohlschaufel (16) angeordnet ist.

7· Vorrichtung zur Kühlung einer Oberfläche nach Anspruch

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel 16 einen gelochten Kachlaufrand besitzt und daß die Lochungen (23) den Raum zwischen der Lochplatte und der zu kühlenden Oberfläche mit dem Äußeren der Schaufel (16) verbinden, so daß die aufgeprallte Kühlluft nach außen abfließen kann.

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