DE2743355C2

DE2743355C2 - Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten Kühlluftschlitzes

Info

Publication number: DE2743355C2
Application number: DE2743355A
Authority: DE
Inventors: Albert William Cincinnati Ohio Sears; L.D. Forest Park Ohio Shotts; Raymond William Sharonville Ohio Wisbey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-09-27
Publication date: 1986-08-28
Also published as: FR2375948B1; DE2743355A1; IL52624A0; JPS612761B2; IL52624A; GB1580915A; FR2375948A1; JPS5382910A; US4128928A

Description

3 4

Fig. 1 — einen Querschnitt von einer Turbinenschau- Schaufelblatt 10 ursprünglich heigestellt wurde, beifei einer ersten Form, spielsweise mittels Strangpressen oder dergleichen. Ein

Fig.2 — in einem Querschnitt den Hinterkantenbe- Paar von gegenüberliegenden, vorgeformten Formen

reich der gerade gebogenen Schaufel, 22 und 23 wird dann entsprechend an den Druck- und

Fig.3 — in einem Querschnitt den Hinterkantenbe- 5 Unterdruckseiten des Hinterkantenbereichs 18 angereich der Schaufel, nachdem die Biegekraft aufgehoben setzt um den Teil zu einer weniger gewölbten Position ist und die Hinterkante in ihre erste F<;rm zurücksprin- abzulenken bzw. umzubiegen, wie es durch die durchgegen konnte, zogenen Linien in F i g. 2 dargestellt ist Während das

F i g. 4 — in einem Querschnitt den Hinterkantenbe- Schaufelblatt in einer derartig angelenkten Position gereich der Schaufel nach Aufbringen einer Umformungs- io halten wird, wird darin ein gerader Hinterkantenkraft zum Herstellen der endgültigen Schaufelform, und kühlschlitz 24 durch eine geeignete Methode ausgebil-

F i g. 5 — in einem Querschnitt die Schaufel in ihrer det, beispielsweise durch eine elektrische Lichtbogenendgültigen Form, entladungsbearbeitung mit einer geraden Elektrode.

In F i g. 1 ist der Querschnitt eines Schaufelblattes 10 Wie es aus F i g. 2 ersichtlich ist, ist es bevorzugt, daß dargestellt, das für Strömungsmaschinen-Schaufeln ver- is der Kühlschlitz an der Druckseite 11 der Hinterkante 17 wendet werden kann. Die Schaufel ist im allgemeinen statt an der Mittellinie derselben austritt bzw. mündet hohl ausgebildet Die gewölbte bzw. gebogene Druck- Nach dem Bilden des geraden Kühlschlitzes werden seite 11 und die Saugseite 12 begrenzen teilweise meh- die Formen 22 und 23 gelöst und der Hinterkantenberere innere Hohlräume 13 und 14. Die Druckseite 11 und reich 18 springt aus seiner abgelenkten Position gemäß die Saugseite 12 bilden eine stumpfe Nase 16 an der 20 den gestrichelten Linien in Fig.3 zu einer mehr geVorderkante der Schaufel. In Richtung zum rückwärti- wölbten Stellung gemäß den durchgezogenen Linien in gen Ende der Schaufel konvergieren die beiden Seiten, F i g. 3 zurück. Wenn dieses auftritt neigt der Kühlum eine sehr dünne Hinterkante 17 zu bilden. Der abge- schlitz 24 dazu, sich in der erwünschten Richtung zu schrägte Teil der Schaufel zwischen der Hinterkante 17 krümmen, wie es in F i g. 3 dargestellt ist In Abhängig- und den inneren Hohlräumen 14 wird zu Beschreibungs- 25 keit von gewissen Gestaltungserfordernissen kann diese zwecken als Hinterkantenbereich 18 bezeichnet Die mit durchgezogenen Linien in F i g. 3 dargestellte folgende Beschreibung ist insbesondere auf diesen Hin- Schaufelform für die endgültige Gestaltung zufriedenterkantenbereich 18 des Schaufelblattes gerichtet stellend sein, da diese Form einen gewölbten bzw. ge-

Die Kühlung des Schaufelblattes erfolgt durch Zufüh- krümmten Kühlschlitz 24 aufweist Wenn jedoch eine ren von unter hohem Druck stehender Kühlluft von 30 größere Krümmung erforderlich ist oder wenn das dem Kompressor oder dergleichen zu den inneren Schaufelprofil für die endgültige Gestaltung eine größe-Hohlräumen 13 und 14, wo die Kühlluft die Temperatur re Wölbung erfordert ist es erforderlich, einen weiteren des Metalls durch eine Kombination einer Konvek- Schritt durchzuführen. Dies gilt insbesondere, wenn der tions-, Prall- und Filmkühlung absenkt Die Prallkühlung in F i g. 2 dargestellte Ablenkungsvorgang das Schaufelerfolgt durch Leiten der Kühlluft gegen die innenseitige 35 material dazu veranlaßt über seine Elastizitätsgrenze Oberfläche des Schaufelblattes, und zwar in Form von hinaus beansprucht zu werden, so daß nach dem gemäß kleinen inneren Hochgeschwindigkeits-Luftstrahlen, F i g. 3 erfolgenden Entfernen der Ablenkungskraft der beispielsweise den aus Löchern 19 austretenden Strah- Hinterkantenbereich 18 nicht in seine erste Form gelen. Die Konvektionskühlung erfolgt im Inneren der maß F i g. 1 zurückspringt

Schaufelhohlräume 13 und 14 durch Serpentinenpfade 40 Ein anwendbarer abschließender Schritt ist in F i g. 4 (nicht dargestellt). Solche Konvektionskühlungsluft ver- dargestellt wo vorzugsweise ein anderes Paar von geläßt schließlich die Schaufel über eine Vielzahl von Lö- genüberliegenden Formen 26 und 27 an dem unbelastechern, wie den Löchern 21 in der Schaufelnase. Nach ten Hinterkantenbereich 18 angesetzt wird, um ihn von dem Austreten der Kühlluft aus der Schaufel erfolgt einer Position, in die er zurückgesprungen ist (mit einer dann die Filmkühlung, im Rahmen derer eine Schicht 45 gestrichelten Linie dargestellt), in eine endgültige, sxäraus Kühlluft zwischen den Hochtemperaturgasen und ker gewölbte Form gemäß den gestrichelten Linien zu den Außenflächen der in F i g. 1 dargestellten Schaufel bringen. Dabei wird die Krümmung des Schlitzes 24 aufrechterhalten wird. durch diesen abschließenden Ablenkungsvorgang noch

Zum Kühlen des Hinterkantenbereichs 18 des Schau- größer. Wenn es erwünscht ist, einen großen Krümfelblattes ist es üblich, zwischen dem inneren-Hohlraum 50 mungsgrad des Hinterkantenbereichs 18 und des 14 und der Hinterkante 17 Hinterkantenkühlschlitze Kühlschlitzes 24 zu haben, kann es erforderlich sein, vorzusehen. Die Kühlluft strömt dann längs dieser mehrere aufeinanderfolgende Verformungen mit da-Schlitze, um für eine Konvektionskühlung des Hinter- zwischenliegenden Kaltbearbeitungs- und Wärmebekantenbereichs 18 der Schaufel zu sorgen. Um eine ver- handlungszyklen nach jedem der Teilbiegungsvorgänge größerte aerodynamische Leistungsfähigkeit zu erzie- 55 vorzusehen, um so ein Brechen bzw. Reißen des Materilen, wird diese Luft zweckmäßigerweise an der Druck- als längs der Krümmungslinie zu vermeiden. Die erforseite der Hinterkante 17 statt längs der diesbezüglichen derliche Anzahl solcher Rekristallisationsschritte hängt Mittellinie ausgestoßen. Aus oben erörterten Gründen natürlich von dem Material und dem Grad der erforderist es auch vorteilhaft, den Hinterkantenkühlschlitzen liehen plastischen Verformung ab.
eine gekrümmte Form zu geben. Das nachfolgend be- 60 Das endgültige Profil des fertigen Schaufelblattes ist schriebene Verfahren dient zum Erreichen einer solchen in F i g. 5 dargestellt und zwar mit der den vorbestimm-Gestaltung und insbesondere für eine Verwendung bei ten Spezifikationen entsprechenden Kurvenform der nicht gegossenen Schaufeln, z. B. gehämmerte bzw. ge- Druck- und Saugseiten 11 und 12. Als Ergebnis des oben schmiedete Schaufelformen, wo ein Herausarbeiten des beschriebenen gesteuerten Herstellungsverfahrens liegt Kühlschlitzes erforderlich ist. 65 die Austrittsstelle 28 des gewölbten Kühlschlitzes 24

Fig. 2 zeigt (teilweise in gestrichelten Linien) den glatt innerhalb der zulässigen Toleranzen, und die durch

Hinterkantenbereich 18 des Schaufelblattes 10 aus das Maß a repräsentierte Austrittslänge ist klein, so daß

Fig. 1. Es ist die erste Form dargestellt, in der das eine sehr wirksame Kühlungsfunktion für die Hinter-

' 5 6 &

kante 17 gebildet wird. Ferner ist festzustellen, daß der i£

an dem druckseitigen Austritt erzeugte dünne Bart bzw. Vif

Lappen 29 ausreichend dick ist, um einer Oxidierung jgj

bzw. Verbrennung zu widerstehen, die sonst zu einem §r

Ausfallen führen könnte. Dies steht im Gegensatz zu 5 ^

dem geraden Schlitz (in gestrichelten Linien dargestellt) [|

gemäß dem Stand der Technik, bei dem die Austrittslän- ■ ■

ge durch die große Abmessung b repräsentiert wird und |j

bei dem die Austrittsstellentoleranz notwendigerweise ψ

größer ist Wie es zuvor erwähnt wurde, sind die Aus- 10 $^!|

trittssteile und -länge bezüglich der Kühlfunktion der fij

Hinterkante 17 kritisch. Es wurde beispielsweise durch |* Versuche festgestellt, daß für eine bestimmte Schaufelform eine Verkürzung der Austrittslänge von etwa

2 mm zu einer Senkung der Temperatur der Hinterkan- 15 p

te 17 um 23°C führt Ferner ist festzustellen, daß der sich f_;

aufgrund des geraden Schlitzes ergebende dünne Bart ||

bzw. Lappen 31 sehr viel dünner als der Bart bzw. Lap- §

pen 29 des gewölbten Schlitzes und somit sehr viel emp- rf

findlicher bezüglich der Oxidation bzw. Verbrennung 20 $>

sowie der Herstellungstoleranzen ist jf

30 35 40 45 50 55 60 65

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen L

25 %

Claims

I 2 ren, wenn er nicht in irgendeiner Weise gelcUhlt wird. Patentansprüche: Diese Kühlung erfolgt gewöhnlich durch mehrere Hin terkanten-Kühlschlitze, die sich zwischen den inneren

1. Verfahren zum Herstellen eines gekrümmten Hohlräumen der Schaufel und deren Hinterkante er-Kühlluftschlitzes zwischen einem inneren Hohlraum 5 strecken.

einer Strömungsmaschinen-Schaufel und der Hin- Bisher wurden Kühlschlitze so ausgebildet, daß sie

terkante derselben, wobei das Schaufelblatt in einer aus dem Hinterkantenbereich der Schaufel im wesentli-

ersten Form hergestellt ist, gekennzeichnet chen an deren Mittellinie austreten. Es wurde jedoch

durch folgende Verfahrensschritte: festgestellt, daß sich bezüglich der Leistungsfähigkeit

10 eine höhere Wirksamkeit erreichen läßt, wenn diese

a) der Hinterkantenbereich des Schaufelblattes Kühlluft an der Druckseite der Hinterkante ausgestowird elastisch oder plastisch über seine gesamte ßen wird. Eines der mit dieser Gestaltung verbundenen Länge zur Saugseite hin gebogen, Probleme besteht darin, daß bei einem in der Hinterkan-

b) in den gebogenen Hinterkantenbereich wird ein te ausgebildeten geraden Schlitz dessen Durchtrittslängerader Schlitz bis zum Hohlraum hin eingear- 15 ge lang ist, und der Austrittspunkt auf der Druckseite beitet, eine große Toleranz hat Da die Austrittsstelle für die

c) das Schaufelblatt wird dann durch Entspannen Temperatur der Schaufelhinterkante kritisch ist, können oder durch plastische Rückverformung in seine ungünstige Toleranzen sich leicht zu einem Schlitz aderste Form gebracht dieren, der nicht in zufriedenstellender Weise die Schau-

20 felbinterkante kühlt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Eine Möglichkeit zum Verkleinern der Lagetoleranz zeichnet, daß der Ausgang des Schlitzes in bekann- besteht in der Verwendung eines gebogenen bzw. geter Weise an der Druckseite des Schaufelblattes an- krümmten Luftschlitzes. Ein solcher Schlitz bildet mit geordnet wird. der Druckseite der Schaufel einen größeren Winkel und

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- 25 führt zu einer besseren axialen Lagegenauigkeit als kennzeichnet daß die plastische Rückverformung in Funktion der Schaufeldicke und Schlitzlagetoleranzen, mehreren Schritten mit dazwischenliegender War- Bei einer gegossenen Schaufel ist es relativ leicht mebehandlung erfolgt einen gekrümmten Schlitz herzustellen. Jedoch erfor-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dem sehr hohe Turbinentemperaturen die Verwendung dadurch gekennzeichnet daß das Schaufelblatt über 30 gewisser Materialarten, die sich nicht zum Gießen eigdie erste Form hinaus plastisch zur Druckseite hin nen und die nur in Stabform (Schmiedeform) erhältlich gebogen wird. sind. Bei solchen nicht gegossenen Schaufeln müssen

dementsprechend die Kühllöcher und -schlitze in das

Teil eingearbeitet werden, beispielsweise durch eine

35 elektrische Lichtbogenentladung. Ein mögliches Verfahren zum Herstellen bzw. Bearbeiten des gekrümm-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum ten Schlitzes mittels der elektrischen Lichtbogenentla-

Herstellen eines gekrümmten Kühlluftschlitzes zwi- dung besteht in der Verwendung einer gekrümmten

sehen einem inneren Hohlraum einer Strömungsma- Elektrode. Aufgrund der extrem engen Toleranzbedin-

schinen-Schaufel und der Hinterkante derselben, wobei 40 gungen und der relativ großen Tiefe des Schlitzes würde

das Schaufelblatt in einer ersten Form hergestellt ist jedoch ein solcher Vorgang nur extrem schwierig

Ein derartiges Verfahren ist aus der CH-PS 5 47 430 durchzuführen sein,

bekannt Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung

Bei Hochleistungsgasturbinentriebwerken übersteigt eines einfachen und genauen Verfahrens zum Ausbilden die in einem Brenner erzeugte Temperatur des Heiß- 45 eines Kühlluftschlitzes zwischen einem inneren Hohlgasstroms die zulässigen Betriebstemperaturen von raum einer Strömungsmaschinen-Schaufel und der Hin-Materialien, aus denen die Turbinenschaufeln herge- terkante derselben.

stellt werden können. Um die Temperatur der Teile bis Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Maßzu einem Punkt zu senken, wo eine ausreichende Festig- nahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentkeit erhalten bleibt ist es üblich, Druckluft von dem 50 anspruchs 1 gelöst

Triebwerkskompressor zu den Turbinenkomponenten Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in zu leiten, die in der Heißgasströmung arbeiten. Eine der den Unteransprüchen gekennzeichnet wirksamsten Methoden, mittels derer die Metalltempe- Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen raturen solcher Komponenten gekühlt werden, besteht insbesondere darin, daß auch in nicht gegossenen darin, die Kühlluft in hohle Schaufeln einzuführen und 55 Schaufelblättern, die in ihrem Querschnitt zur Druckseidann die Luft in den Heißgasstrom austreten zu lassen. te gewölbt bzw. gebogen sind, Kühlluftschlitze im Hin-Diese Kühlluft senkt die Temperaturen der Metallkom- terkantenbereich präzise angeordnet werden können, ponenten durch verschiedene Wärmeübertragungsme- Da das Schaufelblatt im wesentlichen gerade ausgerichchanismen, wie durch Konvektions-, Prall- oder Film- tet ist wenn die Kühlluftschlitze ausgebildet werden, kühlung. 60 können für diese Bearbeitung einfache Werkzeuge ver-

Zu diesem Zweck sind Turbinenschaufeln allgemein wendet werden. Ferner treten die erfindungsgemäß herin Form eines hohlen Mantels mit mehreren Hohlräu- gestellten Kühlluftschlitze mit engen Toleranzen an den men und Trennwänden ausgebildet. Der Hinterkanten- gewünschten Stellen nahe der dünnen Hinterkante aus, bereich der Schaufel verjüngt sich aus aerodynamischen so daß diese minimal geschwächt und optimal gekühlt Gründen bis zu einer sehr dünnen Hinterkante. Da sich 65 werden kann.

die Hohlräume nicht bis zu der Hinterkante erstrecken Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und

können, erhitzt sich dementsprechend dieser massive Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hinterkantenbereich bis zu zerstörenden Temperatu- Es zeigt