DE2837123C2 - Turbomaschinenschaufel - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomaschinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Turbomaschinenschaufel ist aus der US-PS 38 10 711 bekannt.
• Die Rotorschaufeln verschiedener Arten arbeiten bei extrem hohen Umgebungsbedingungen. Um die Schaufeln betriebsfähig zu halten, sind viele Mittel bekannt, die den Schaufeln Kühlmittel ( gewöhnlich Luft) zuführen, um die hohen Oberflächentemperaturen zu senken.
• Ein Bereich jedoch, der in dieser Hinsicht besonders problemreich ist, ist die Schaufelspitze, das radiale Außenende der Schaufel. Eine Eigenschaft der Schaufelspitze, die die Kühlung so schwierig macht, ist die Tatsache, daß sie sehr nahe an einem den Rotor umgebenden Mantel angeordnet ist. Dieser Mantel dient zur Bildung eines Strömungspfades für das Arbeitsmittel der Turbomaschine. Die große Nähe zwischen dem Mantel und der Schaufelspitze ist das Ergebnis von Versuchen, den Wirkungsgrad des Triebwerkes zu verbessern, indem die Leckage des Arbeitsmittels an den Schaufelspitzen vorbei auf ein Minimum gesenkt wird. Um die Schaufelspitze zu kühlen, ist bei bekannten Anordnungen eine vertiefte bzw. versenkte Kappe vorgesehen, die mit den Seitenwänden und dem Mantel zusammenwirkt, um einen Spitzenraum zu bilden, durch den Kühlluft von einer Innenkammer der Schaufel hindurchgeleitet wird.
• Zusätzlich zur Bildung einer Kammer zur Kühlung des Spitzenbereiches bilden die radialen Außenenden der Seitenwände eine Labyrinthdichtung zur Vermeidung von Leckage des Arbeitsmittels (häufig mit Temperaturen von mehr als 1100°C) zwischen der Schaufelspitze und dem Mantel von der Druckfläche der stromlinienförmigen Schaufel zur Saugseite, wobei diese Leckage den aerodynamischen Wirkungsgrad der Turbine verkleinert. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß der maximale Triebwerkswirkungsgrad eine minimalen Verbrauch an Kühlluft erfordert, der seinerseits notwendig macht, daß die Kühlluft so effizient wie möglch ausgenutzt wird. Aus diesem Grunde ist, wie bereits erwähnt wurde, der Schaufelraum bei bekannten Anordnungen im allgemeinen durch Kühlluft gekühlt, die von einer Innenkammer der Schaufel mittels wenigstens einer Öffnung in der Kappe zum Spitzenraum geleitet wird. Da jedoch die Temperatur des Arbeitsmittels bei Turbomaschinen mit moderner Technologie stetig ansteigt, ist die äußerste Spitze der Schaufel, die von den radialen Außenenden der über die Spitzenkappe hinausragenden Seitenwänden gebildet wird, äußerst schwierig zu kühlen, was zumindest teilweise daran liegt, daß reichlich Reibmaterial zur Verfügung stehen muß, falls die umlaufende Schaufel den nahegelegenen feststehenden Mantel berührt. Mit anderen Worten ist die Spitzenkappe versenkt, um sie aus der großen Nähe des den Rotor umgebenden Mantels herauszurücken, um einen Reibkontakt zwischen diesen Teilen zu verhindern. Dies erfordert einen Spielraumspalt von etwa 2,5 bis 3,8 mm, wodurch die Kühlung schwierig wird. Die Kühlung dieser Außenenden könnte in bekannter Weise dadurch erfolgen, daß größere Luftmengen in den Spitzenraum eingeführt werden, aber die zur wirksamen Kühlung erforderliche Luftmenge ist unerwünscht vom Standpunkt des Wirkungsgrades. Weiterhin ist auch eine Lösung durch Austausch der Materialien an der äußersten Blattspitze, um den hohen Temperaturen zu widerstehen, zur Zeit nicht praktikabel, da kein bekanntes, zu vernünftigen Preisen zur Verfügung stehendes metallisches Material oder ein Mittel zur sicheren Befestigung den Temperaturen von Triebwerken mit fortgeschrittener Technologie ohne zusätzliche Kühlung widerstehen kann.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, für eine ausreichende Kühlung der radialen Außenenden der Seitenwände einer Turbinenrotorschaufel mit einer versenkten Spitzenkappe zu sorgen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine wesentliche Verbesserung der Spitzenkühlung einer Turbinenrotorschaufel erhalten wird durch eine selektive Kühlung des äußeren Abschnittes einer Turbomaschinenrotorschaufel, ohne daß große Mengen an Kühlluft in das offene Schaufelende über der Spitzenkappe eingeführt werden müssen. Weiterhin nutzt die Turbomaschinenschaufel gemäß der Erfindung als Kühlmittelquelle die leicht verfügbare Einspeisung aus der Innenkammer aus und erfordert nicht das Bohren extrem langer Kühlkanäle durch die gesamte radiale Länge der Seitenwände von der Ausgangsquelle des Kühlmittels nahe dem Schaufelfuß bis zu der äußersten Schaufelspitze. Zusätzlich wird erfindungsgemäß ermöglicht, daß der äußerste Spitzenabschnitt auf wirksame Weise durch vorteilhaft kleine Kühlluftmengen wirksam gekühlt wird.
• Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht von einem Teil eines Gasturbinentriebwerkes mit einer erfindungsgemäß gekühlten Schaufel.
• Fig. 2 ist eine Seitenansicht von einer Turbinenschaufel, die die Kühlung der Schaufelspitze besonders deutlich zeigt.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von dem Spitzenende einer Turbinenschaufel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht ähnlich wie Fig. 3 entlang der Linie 4-4 in Fig. 2 und zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Fig. 5 und 6 sind Teilschnittansichten ähnlich wie Fig. 4 und zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
• Fig. 1 zeigt eine Turbinenrotorschaufel 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die mit einer drehbaren Scheibe 12 über eine Schwalbenschwanzverbindung 14 zwischen dem Schaufelfuß 16 und einem Schlitz 18 in der Scheibe zusammenarbeitet. Die Schaufel enthält einen stromlinienförmigen oder Tragflächen-Abschnitt 20, der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist und zwei im Abstand angeordnete, radial verlaufende Seitenwände 22 und 24 aufweist. Die Seitenwand 22 ist im Profil konvex und wird im allgemeinen als Saugfläche bezeichnet, wogegen die Seitenwand 24 im Profil konkav ist und im allgemeinen als Druckfläche der Schaufel bezeichnet wird. Schließlich weist die Schaufel eine Vorderkante 26 und eine Hinterkante 28 auf.
• Die in Fig. 1 gezeigte Schaufel wird in der Turbine einer Turbomaschine, wie beispielsweise einem Gasturbinentriebwerk, verwendet und zieht somit kinetische Energie aus einer sich schnell bewegenden und eine hohe Temperatur aufweisenden Strömung eines Arbeitsmittels, das in Richtung der gezeigten Pfeile strömt. Der Strömungsweg für dieses Arbeitsmittel ist zwischen einem umgebenden Mantel 30 und einer Plattform 32 gebildet, die von der Schaufel getragen und zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt 20 und dem Schaufelfuß 16 angeordnet ist. Um den Betrieb der Turbine zu verbessern, sind stromlinienförmige Leitschaufeln 34 und 36 stromaufwärts bzw. stromabwärts von der Schaufel 10 angeordnet. Diese Leitschaufeln dienen bekanntlich zur Ausrichtung der Luftströmung in bezug auf die Laufschaufel 10. Weiterhin sind in bekannter Weise die Rotor- und Statorschaufeln in Ringanordnungen um die Mittellinie des Triebwerkes herum angeordnet, aber hier ist der Einfachheit halber nur eine einzelne Leitschaufel von jeder Stufe gezeigt.
• Im Betrieb arbeitet die Turbomaschine mit den in Fig. 1 gezeigten Elementen in bekannter Weise. Dabei wird ein hochenergetischer Brennstoff mit komprimierter Luft in einem stromaufwärtigen Brenner (nicht gezeigt) verbrannt und der Reihe nach über die Leitschaufeln 34, die Laufschaufel 10 und die Leitschaufeln 36 geleitet. Die von dem stromlinienförmigen Abschnitt 20 dem Arbeitsmittel entzogene kinetische Energie wird zum Drehen einer Welle (nicht gezeigt) verwendet, an der die Scheibe 12 befestigt ist, um einen Luftkompressor und andere mechanische Teile des Triebwerkes zu betätigen.
• Wie bereits erwähnt, besitzt die Schaufel 10 eine Stromlinienform und weist Seitenwände 22 und 24 auf. Die Schaufel enthält ferner eine Innenkammer 36 (siehe Fig. 3), in die Kühlluft über eine Öffnung 40 am Schaufelfuß 16 eingeführt wird. Die radialen Außenenden der Seitenwände 22 und 24 sind mit 42 bzw. 44 bezeichnet. Zwischen diesen Außenenden ist die Schaufel offen, falls eine Spitzenkappe 46 fehlt. Der am Ende offene Bereich ist insgesamt mit 48 bezeichnet. Somit dichtet die Spitzenkappe, die in dem offenen Ende 48 vertieft bzw. versenkt angeordnet ist, die innere Kühlmittelkammer 38 von der Schaufelumgebung teilweise ab. Ferner bilden die radialen Außenenden 42 und 44 der Seitenwände eine Labyrinthdichtung, um eine Leckage von Arbeitsmittel zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt 20 und dem diesen umgebenden Mantel 30 zu verhindern. In bekannter Weise können eine oder mehrere Öffnungen 50 (siehe beispielsweise Fig. 6) vorgesehen sein, um eine vorbestimmte Menge an Kühlluft von der Innenkammer 38 in den am Ende offenen Bereich 48 zu dessen Kühlung zu leiten. Bei Hochtemperatur-Turbinen fortgeschrittener Technologie müßte jedoch eine ungewöhnlich große Menge an Kühlluft in den Spitzenraum 48 injiziert werden, um für eine effektive Kühlung der Seitenwandenden 42 und 44 zu sorgen. Die Kühlung dieser Seitenwandenden wird durch die Ausführungsbeispiele der Erfindung verbessert.
• In Fig. 3 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel gezeigt. Danach sind Mittel vorgesehen, um einen Teil des Kühlmittels von der Innenkammer 38 durch die Seitenwandenden 42 und 44 zu leiten, um für eine Konvektionskühlung dieser Abschnitte zu sorgen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist dieses Mittel eine Vielzahl von im allgemeinen radialen Kanälen 52, die Kühlluft von der inneren Kühlmittelkammer 38 um die Spitzenkappe 46 herum leiten und sie anschließend aus dem offenen Ende von jedem Kanal an der radialen Spitze der Seitenwände ausstoßen. Derartige Kanäle können durch Gießen oder Bohren ausgebildet werden, und die Anzahl der Löcher ist abhängig von der Menge der erforderlichen Kühlluft, der Temperatur des Kühlmittels in der Kammer 38 und anderen Faktoren, die normalerweise bei den relevanten thermodynamischen Betrachtungen Berücksichtigung finden. Diese Lösung ist besonders wirksam, da sie die Konvektionskühlung anwendet und nur kleine Mengen der Kühlluftströmung verbraucht, wodurch der Leistungsverlust in bezug auf die gesamte Antriebsleistung auf ein Minimum reduziert wird. Die auftretende niedrigere Temperatur der Enden 42 und 44 verlängert deren Lebensdauer.
• Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß bei einigen Anwendungen von Turbinenschaufeln es äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein wird, die Kühlkanäle 52 durch übliche Bohr- oder Gießtechniken auszubilden. Deshalb sind in den alternativen Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2, 4, 5 und 6 zusätzliche Maßnahmen vorgesehen. Gemäß den Fig. 2 und 4 bilden die radialen Außenenden 42 und 44 auf ihren Außenflächen eine Anzahl von im Abstand angeordneten äußeren, parallelen Nuten 54, die etwa von der Spitzenkappe 46 im allgemeinen radial nach außen bis zum Spitzenende der Schaufel verlaufen. Das Schaufelmaterial zwischen benachbarten Nuten 54 bildet eine Anzahl von im allgemeinen radial verlaufenden Rippen 55. Eine Verteilernut oder -rille 56 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Schaufel herum und schneidet jede Strömungsmittelnut 54, wodurch diese in zwei Abschnitte unterteilt wird, von denen sich der eine Abschnitt von der Strömungsmittelkammer 38 zur Verteilernut 56 und der zweite Abschnitt von der Verteilernut 56 zur Spitze der Schaufel erstreckt. Die Nuten 54 und 56 können durch Gießen, Bohren, Ätzen oder chemisches Bohren bzw. Fräsen oder eine Kombination davon ausgebildet werden, wie es allgemein bekannt ist.
• Die Schaufelspitze ist von einer dünnen Metallhülse 58 umgeben. Die Außenflächen der Rippen 55 sind mit der Metallblechhülse 58 beispielsweise durch Schweißen oder Löten verbunden und arbeiten zusammen, um mit den Nuten 54 eine Vielzahl von leicht unterschiedlichen Kühlkanälen 60 um den Umfang der Schaufelspitze herum auszubilden. Die Kühlluft aus der Kammer 38 wird also in die Verteilernut 56 eingeführt, um das Kühlmittel auf die radial verlaufenden Kanäle 60 zu verteilen. Das Kühlmittel spült innenseitig über die Außenfläche der Seitenwandverlängerungen 42 und 44 und über die Innenwand der Metallblechhülse 58, um mit gleichbleibender Geschwindigkeit Wärme von diesen abzuführen. Das erwärmte Kühlmittel wird anschließend über die Schaufelspitze in die Arbeitsmittelströmung ausgestoßen.
• Die Hülse 58 kann auch in einer Vertiefung 62 (siehe Fig. 4) angeordnet sein, so daß ihre äußere Oberfläche bündig mit den Schaufelseitenwänden 22 und 24 abschließt, um auf diese Weise radiale Unstetigkeiten zu vermeiden, die zu aerodynamischen Störungen führen könnten. Wenn jedoch die Hülse 58 dünn genug ist und die Nachteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit hingenommen werden können, kann die Hülse um die Seitenwände 22 und 24 herumgewickelt und mit diesen verlötet oder verschweißt werden, wie es in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 gezeigt ist. Danach ist die Hülse nicht versenkt und in der Tat besteht eine Stufe 64, die durch Abschrägen oder einen Übergang auf ein Minimum reduziert werden könnte, an der Übergangsstelle zwischen Hülse und Seitenwand 22. Weiterhin sei bemerkt, daß in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 die Verteilernut 56 weggelassen ist, da diese nicht bei allen Applikationen erforderlich ist.
• Ein viertes und letztes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Bekanntlich ist eine der wirksameren und grundlegenden Kühlprinzipien die sogenannte Film- oder Schleierkühlung, durch die eine Schicht relativ kalter Luft als ein Film oder Schleier über einen stromlinienförmigen Abschnitt strömt, wodurch eine Schutzschicht zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt und der heißen Gasumgebung gebildet wird. Zu diesem Zweck ist die Kühlung gemäß Fig. 4 in Fig. 6 leicht abgewandelt, um die Kühlung der Schaufelspitze durch die Filmkühlung zu verbessern. In den Seitenwänden 22 und 24 sind mehrere geneigte Kühlkanäle 66 ausgebildet, um einen Teil des Kühlmittels aus der Innenkammer 38 auf die Schaufelspitze und als ein Kühlmittelfilm über die Seitenwandenden 42 und 44 zu richten. Eine zusätzliche Filmkühlung kann durch Hinzufügen weiterer Kanalreihen, beispielsweise eine Reihe von geneigten Kanälen 68 durch die Metallhülse 58 hindurch, ausgebildet sein, die dazu dienen, eine Kühlmittelströmung von der Verteilernut 56 als einen Film über die Hülse 58 zu richten. Selbstverständlich wird die Anzahl und Größe der Filmkühlungskanäle durch den Grad der erforderlichen zusätzlichen Kühlung bestimmt.
• Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise kann es in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis 4 vorteilhaft sein, die Kühlnuten in dem inneren Umfang der Metallblechhülse 58 auszubilden, anstatt in dem äußeren Umfang der Seitenwandenden 42 und 44. Außerdem kann in einigen Fällen ein vollständiges Umfangsband weder erforderlich noch wünschenswert sein. Es kann auch eine unterschiedliche Anzahl von Kanälen von der Strömungsmittelkammer 38 zur Verteilernut 56 und von dort zur Schaufelspitze wünschenswert sein.

Claims (6)

1. Turbomaschinenschaufel mit im Abstand angeordneten, radial verlaufenden Seitenwänden, die ein offenes, radial äußeres Ende bilden, einer Spitzenkappe in dem offenen Ende, die zusammen mit den Seitenwänden eine innere Kühlmittelkammer bildet, wobei die radialen Außenenden der Seitenwände sich über die Spitzenkappe hinaus nach außen erstrecken und Mittel vorgesehen sind zum Leiten von Kühlmittel von der inneren Kammer um die Spitzenkappe herum und durch die Seitenwandenden hindurch zur Ausbildung einer Konvektionskühlung dadurch gekennzeichnet, daß die Leitmittel mehrere abwechselnde Nuten (54) und Rippen (55) um den Umfang der Seitenwandenden (42, 44) herum aufweisen, wobei sich die Nuten (54) von der Schaufelspitze bis zur inneren Kammer (38) erstrecken, und daß eine Metallhülse (58) um die Seitenwandenden (42, 44) herumgewunden ist und zusammen mit den Nuten (54) und den Rippen (55) mehrere im wesentlichen radial verlaufende, am Ende offene Kanäle (60) bildet.

2. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (54) und Rippen (55) auf dem Außenumfang der Seitenwandenden (42, 44) ausgebildet sind.

3. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (54) und Rippen ( 55) auf dem Innenumfang der Hülse (58) ausgebildet sind.

4. Turbomaschinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilernut (56) um den Schaufelumfang herum vorgesehen ist, die jeden Kanal (60) schneidet.

5. Turbomaschinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (58) in einer Vertiefung (62) um die Seitenwandenden (42, 44) herum angeordnet ist derart, daß die Hülse im wesentlichen bündig mit den übrigen Schaufelseitenwänden abschließt.

6. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß radial geneigte Kanäle (68) durch die Seitenwände (22, 24) von der Verteilernut (56) aus vorgesehen sind, die einen Kühlmittelfilm über die Seitenwandenden verteilen.