DE2814027A1

DE2814027A1 - Gekuehlte rotorschaufel fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2814027A1
Application number: DE19782814027
Authority: DE
Inventors: Terence Michael Greaves; Robert David Summers
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-03-20
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2814027B2; DE2814027C3; JPS5618766B2; US4177010A; IT7821869A0; FR2385900B1; JPS53125518A; GB1551678A; FR2385900A1; IT1094042B

Description

Patentanwälte Did!.-Ing. Curt Wal lach Dip!.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

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

Datum: ^l . MärZ 1978

Unser Zeichen: 16 210 - Κ/Αρ

Anmelder: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate,
London, SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Gekühlte Rotorschaufel für ein

Gasturbinentriebwerk

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- * ■ 28H0?7

Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk.

Es hat sich in der Vergangenheit erwiesen, daß eine besonders wirksame Kühlung derartiger Rotorschaufeln dann erlangt werden kann, wenn zwei getrennte Kanäle oder mehrere getrennte Kanäle im stromlinienförmigen Abschnitt der Schaufel vorgesehen werden, wobei diese Kanäle mit unter unterschiedlichen Drücken stehender Luft oder einem anderen Strömungsmittel gespeist wird. Es ist jedoch schwierig, einen Schaufelaufbau zu schaffen, der zwei Zuführungen aufweist, so daß die Kühlmittel getrennt in die Schaufel eintreten und insbesondere ergeben sich hier schwerwiegende Herstellungsprobleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaufelaufbau zu schaffen, der die Zuführung zweier getrennter Kühlmittelströme zuläßt, wobei die Herstellung wesentlich vereinfacht wird.

Die Erfindung geht aus von einer gekühlten Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einem stromlinienförmigen Abschnitt, mit einem Schaufelfuß und einem Schaft, der den Schaufelfuß und den stromlinienförmigen Abschnitt verbindet. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß im Schaufelfuß oder im Schaufelschaft eine Öffnung vorgesehen ist, durch die Kühlluft strömen kann, um den ersten Kanal oder eine Reihe von Kanälen im stromlinienförmigen Abschnitt zu speisen, und daß eine Hülse im Schaft derart vorgesehen ist, daß das Innere der Hülse eine Öffnung bildet, durch die das Kühlmittel den zweiten getrennten Kanal oder eine Reihe von Kanälen im stromlinienförmigen Abschnitt speisen kann.

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Die öffnung, durch die das Strömungsmittel in die erste Gruppe von Kanälen einströmt, kann in der Basis des Schaufelfußes angeordnet werden.

Vorzugsweise wirkt die Hülse sowohl als Einlaß für das Strömungsmittel als auch zur Absperrung der Verbindung zwischen im übrigen getrennten ersten und zweiten Kanälen oder einer Reihe von ersten und zweiten Kanälen. Eine solche Verbindung kann durch einen Zugstab hergestellt werden, der einen Teil des Kerns abstützt, welcher zur Erzeugung der Strömungsmittelkanäle im stromlinienförmigen Schaufelabschnitt während des Gießens benutzt wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung tritt unter höherem Druck stehendes Kühlmittel an der Basis des Schaufelfußes ein und speist Kanäle benachbart zum Vorderrand und zum Hinterrand des stromlinienförmigen Schaufelabschnitts, während ein unter niedrigerem Druck stehendes Kühlmittel durch die Hülse eintritt und einen Kanal zwischen dem Kanal am vorderen Schaufelrand bzw, dem Kanal am Hinterrand speist.

Das Kühlmittel kann Druckluft sein.

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

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit gekühlten Rotorschaufeln gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Schnittansicht einer der Rotorschaufeln nach Fig. 1, geschnitten in der mittleren Sehnenliniej

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Pig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 2 in größerem Maßstab;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einemßehäuse 10, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Verdichter 11, eine Verbrennungseinrichtung 12 und eine Turbine 13 angeordnet sind, hinter der sich eine Düse 14 anschließt. Wie üblich, wird dem Verdichter Luft zugeführt, die er verdichtet und diese Druckluft wird mit Brennstoff vermischt und in der Brennkammer verbrannt. Die sich hieraus ergebenden heißen Gase treiben die Turbine an, die ihrerseits den Verdichter treibt und die Abgase der Turbine treten über die Düse aus und erzeugen einen Schub.

Da die Turbine der Heißgasströmung ausgesetzt ist, hat es sich als notwendig erwiesen, gewisse Teile zu kühlen, und zwar normalerweise einschließlich der Turbinenrotorsehäufein. In Fig. 1 sind Rotorschaufeln 15 dargestellt, die an der Rotorscheibe 16 befestigt sind, und in Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Schaufel 15 in größerem Maßstab dargestellt, woraus ersichtlich ist, auf welche Weise die Schaufel gekühlt wird.

Die Kühlung der Schaufel wird durch Hindurchströmen eines Kühlmittels bewirkt, welches normalerweise Luft ist und diese Luft wird auf die Oberfläche der Schaufel aufgeblasen, um einen dünnen Film zu bilden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß jede Schaufel 15 einen Schaufelfuß 17, einen Schaft 18 und einen stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt 19 umfaßt. Ein innerer Schaufelring 20 teilt den stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt 19 vom Schaft 18. Der Schaufelfuß I7 hat eine solche Form,daß er in entsprechende Schlitze am Umfang der Rotorscheibe 16 eingreifen kann, während der Schaft 16 die Verbindung zwischen

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Schaufelfuß und stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt herstellt.

Der stromlinienförmige Arbeitsabschnitt I9 ist jener Teil der Schaufel, der von den heißen Gasen berührt wird, und es ist daher wichtig, diesen Teil der Schaufel am meisten zu kühlen. Zu diesem Zweck sind mehrere innere Kanäle vorgesehen, durch die die Kühlluft strömen kann. Die Kühlluftkanäle in dem stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt xveisen einen Vorderrandkanal 21, einen Mittelkanal 22 und Hinterrandkanäle 23, 24 und 25 auf. Die letzteren Kanäle sind so miteinander verbunden, daß sie einen einzigen sinusförmigen oder Zickzackförmigen Kanal bilden. Demgemäß ist der Kanal 25 mit einer Öffnung 26 in der Nähe der Schaufelspitze versehen, die mit dem Kanal 24 in Verbindung steht, und dieser Kanal ist seinerseits mit dem Kanal 23 über eine öffnung 27 verbunden, die im Schaftbereich der Schaufel gerade innerhalb der Plattform bzw. des Schaufelrings 20 angeordnet ist. Die Luftströmung in den Kanälen 23, 24 und 25 verläuft daher in dem Kanal 25 vom Schaufelring nach der Spitze, im Kanal 24 von der Spitze nach dem Schaufelring und im Kanal 23 wiederum von dem Schaufelring nach der Spitze.

Damit die Kühlluft auf die äußere Oberfläche des stromlinienförmigen Arbeitsabschnitts gelangen kann und dort eine Filmkühlung der Schaufel bewirken kann, sind mehrere Reihen von Filmkühllöchern vorgesehen, die die erwähnten Kanäle mit der Schaufeloberfläche verbinden. Die Zahl und Lage dieser Löcher ändert sich im Hinblick auf die jeweiligen Einzelerfordernisse und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Reihen von Löchern 28, 29 und 30 vorgesehen, die Luft aus dem Kanal 21 austreten lassen, und es sind zwei Lochreihen Jl und 32 vorgesehen, die Luft aus dem Kanal 32 austreten lassen und es ist eine Lochreihe 33 vorgesehen, die die Luft aus dem Kanal austreten läßt.

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Da sich der Druck außerhalb der Schaufel über der Oberfläche ändert und dieser Druck am Vorderrand der Schaufel und auf der konkaven Flanke der Schaufel allgemein hoch ist und niedrig auf der konvexen Flanke ist es notwendig, unterschiedliche Drücke für die Kühlluft zur Verfügung zu haben, die aus den verschiedenen Löchern innerhalb der Schaufel austritt, so daß die Kühlluft in der Lage ist, auf die Oberfläche der Schaufel gegen den Umgebungsdruck auszutreten. Aus diesem Grunde und damit die Kühlluft den sinusförmigen Kanal 23, 24, 25 durchlaufen kann, hat die den Kanälen 21 und 25 zugeführte Luft einen höheren Druck als die dem Kanal 22 zugeführte Luft und es sind deshalb getrennte Luftzuführungen vorgesehen.

So wird eine Zuführung von unter relativ hohem Druck stehender Luft über Kanäle 34 in der Turbinenscheibe 16 bewirkt, wobei jeder Kanal in einer öffnung 35 in der Basis eines den Schaufelfuß aufnehmenden Schlitzes derart endet, daß eine Ausrichtung und Abdichtung gegen eine entsprechende Öffnung 36 bewirkt wird, die in der Basis des Schaufelfußes I7 angeordnet ist. Von der öffnung 36 führt ein gegabelter Kanal 37 fort, dessen " Vorderabschnitt Luft nach dem Kanal 21 am Schaufelvorderrand führt, während ein hinten liegender Zweig Luft nach den Kanälen 25 im Nachlaufrand fördert. Dieser gegabelte Teil der Wandung des Kanals 37 wird durch die Außenwand einer hohlen zylindrischen Büchse 38 gebildet, auf die weiter unten Bezug genommen wird.

Dem Kanal 22 wird über die Hülse 38 getrennt Druckluft mit geringerem Druck zugeführt, wobei eine Mittelöffnung 39 der Hülse 38 einen Einlaß für jede Seitenfläche des Schafts l8 der Schaufel bildet. In diesem Fall ist die Hülse an beiden Enden offen, jedoch kann es zweckmäßig sein, eines der Enden abzusperren.

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In der Wandung der Hülse ist ein Loch 21 eingeschnitten, welches mit einem Ende des Kanals 22 fluchtet, so daß die Luft, die in die hohle Hülse eintretende Luft über die Mittelöffnung 39 durch das Loch 31 in den Kanal 22 gelangt. Dort wird die Schaufel sowohl durch Strömung entlang des Kanals und durch Austritt als Film aus den Löchern J>1 und 32 gekühlt.

Die Hülse 38 bildet den Einlaß für diese Luftströmung und bewirkt außerdem eine Aufteilung zwischen den Kanälen 32 und 37* die sonst miteinander verbunden werden, und sie schließt auch das Loch 42 ab, das sonst die Kanäle 22 und 23 verbinden würde.

Diese Verbindungen sind beliebig und dies wird durchgeführt, um die Probleme der Herstellung zu vereinfachen. Wenn die Schaufel gegossen wird, dann werden die verschiedenen Kanäle im Inneren durch einen Keramikkern hergestellt, dessen Form und Lage die gewünschten Kanäle herstellt. Der Kern wird in der Form gehalten und wenn das geschmolzene Metall in die Form gegossen wird, dann definiert der Kern einen von Metall freibleibenden Raum. Das Keramikmaterial kann danach ausgelaugt werden, um die gewünschten Kanäle und Hohlräume freizulegen.

Dieses Verfahren ist sehr erfolgreich im Hinblick auf die Erzeugung der gewünschten Gestalt. Der Keramikkern ist jedoch ziemlich bruchempfindlich,und es ergeben sich Schwierigkeiten bei der Behandlung und Benutzung dieser Kerne, insbesondere wenn der Kern so gestaltet ist, daß ein Kanal gebildet werden soll, der an einem Ende abgeschlossen ist, wie es beispielsweise bei dem Kanal 22 und den Kanälen 23 und 24 der Fall ist, wenn dort nicht die Hülse 38 vorgesehen würde.

Deshalb ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Kern, der schließlich den Kanal 22 bildet, mit dem Kern verbunden, der den Kanal 37 bildet, und der Kern, der die Kanäle 23 und 24

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bildet, ist über ein Zugglied, welches schließlich das Loch 42 bildet, mit dein Kanal 22 verbunden. Auf diese Weise gibt es keine freihängenden Kerne, die von einem Ende freihängend vorstehen und so leicht einer Beschädigung ausgesetzt sind. Sämtliche der die Kanäle bildenden Kerne sind an einem Ende mit jenem Teil verbunden, der den Kanal 37 bildet und am anderen Ende mit einem Block, der alle Kanäle am spitzen Ende der Schaufel enden läßt. Die zum Zwecke der Kühlluftführung unnötigen Verbindungen erfordern jedoch eine Absperrung der überflüssigen öffnungen. Dies geschieht durch die Hülse 38, weil sie den Kanal 22 vom Kanal 37 teilt und das Loch 42 absperrt, wie dies oben erwähnt ist. Diese Hülse dient daher in sehr wirksamer Weise einem doppelten Zweck.

Es ist möglich, die Anordnung so zu treffen, daß die Kühlluft in die Schaufel an einer Stelle des Schaftes oder des Schaufelfußes eintritt und nicht durch die öffnung 36. So ist in Fig. strichliert ein Einlaß 40 dargestellt, der den Einlaß 36 ersetzen könnte.

Es können zahlreiche Abwandlungen getroffen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So könnte die Kühlluftführung in der Schaufel gegenüber der dargestellten geändert werden, und es können verschiedene Kombinationen von Konvektionskühlungen, Filmkühlungen und Aufprallkühlungen benutzt werden, wobei gelochte Einsätze angewandt werden können, und es kann Gebrauch gemacht werden von Druckluft, die auf zwei unterschiedlichen Drücken steht.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Kühlluft beschrieben, jedoch können auch andere Kühlströmungsmittel, z.B. Gase, Dämpfe u.s.w» zur Kühlung herangezogen werden.

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Claims

Patentanwälte Dip!.-Ing. Curt Wallach

Dip!.-Ing. Günther Koch

2814027 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

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

Datum: 31 · Mär Z 1978

Unser Zeichen: 16 210 - Κ/Αρ

Patentansprüche :

[IJ₁ Gekühlte Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einem stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt, mit einem Schaufelfuß und einem Schaft, der den Schaufelfuß mit dem Arbeitsabschnitt verbindet, und mit einem ersten Kühlluftkanal und einem zweiten hiervon getrennten Kühlluftkanal oder mit mehreren Kühlluftkanälen im stromlinienförmigen Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Kühlmitteleintrittsöffnung (36, 40) im Schaufelfuß (I7) oder im Schaufelschaft (18) vorgesehen ist, durch den Kühlluft in den ersten Kanal oder eine Reihe von Kanälen (21, 23, 24, 25) einströmen kann, und daß eine hohle Hülse (38) im Schaufelschaft

(18) so angeordnet ist, daß ihr Hohlraum (39) eine weitere Öffnung bildet, durch die Kühlluft strömen kann, um den zweiten Kanal oder eine Reihe von Kanälen (22) im stromlinienförmigen Schaujelabschnitt

(19) zu speisen.
2. Rotorschaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (38) eine Verbindung (42) zwischen die im übrigen voneinander getrennten Kanäle (23 und 22) absperrt.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Rotorschaufel nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die eine Verbindung (42) durch ein Zugglied hergestellt wird, welches einen Teil des Kerns abstützt, der zur Erzeugung der Kühlmittelkanäle (21, 22, 23, 24, 25) innerhalb des stromlinienförmigen Abschnitts (19) dient, wenn die Schaufel gegossen wird.
4. Rotorschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (26, 40) mit Kanälen (21, 25) benachbart zum Vorderrand und zum Hinterrand des stromlinienförmigen Abschnitts (19) verbunden ist, um unter relativ höherem Druck stehende Kühlluft einzuleiten, während die hohle Büchse (38) mit ei^v.em Kanal (22) zwischen den Vorderrand- und Hxnterrandkanalen (21 und 22) in Verbindung steht, um Druckluft unter einem etwas niedrigeren Druck zuzuführen.
5. Rotorschaufel nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste öffnung (36, 40) in einen Kanal (37) führt, der sich in drei getrennte Kanäle (21, 22, 25) verzweigt, wobei der mittlere Kanal (22) durch die Hülse (38) abgesperrt ist, um den Zwischenkanal zu bilden.

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6. Rotorschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzei c h η e t, daß drei Kanäle (23, 24, 25) innerhalb des stromlinxenförmigen Abschnitts (19) angeordnet sind, welche in Form eines sinusförmigen Pfades bzw. eines in mehreren Richtungen verlaufenden Pfades verbunden sind, wobei der Kanal (25) benachbart zum Sehaufelvorderrand den ersten Kanal der Reihe von drei Kanälen bildet.
7. Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (36) in der Basis des Schaufelfußes (I7) angeordnet ist.
8. Rotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (38) zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen des Schaftes (18) verläuft, so daß gegenüberliegend angeordnete öffnungen in den Flächen gebildet werden₅ um Kühlluft zuzuführen.

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