DE2930949A1

DE2930949A1 - Filmgekuehlte schaufel

Info

Publication number: DE2930949A1
Application number: DE19792930949
Authority: DE
Inventors: Bruce Theron Braddy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1979-07-31
Publication date: 1980-07-03
Also published as: CA1131563A; IT7924918A0; US4303374A; FR2444158B1; GB2036884B; DE2930949C2; IL57468A; JPS5584803A; GB2036884A; IT1122425B; JPS6237201B2; FR2444158A1

Description

Filmgekühlte Schaufel

Die Erfindung bezieht sich auf Turbomaschinen und betrifft insbesondere filmgekühlte Schaufeln in einem Gasturbinentriebwerk.

Es ist seit langem bekannt, daß Schaufeln, wie Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln, die in der Hochtemperaturgasumgebung eines Gasturbinentriebwerks arbeiten, durch ein Fluidmedium gekühlt werden müssen, um eine günstige Lebensdauer und damit niedrige Wartungs- und Überholungskosten des Triebwerks zu erzielen. Es ist üblich geworden, Luft aus dem Verdichterabschnitt des Triebwerks in einen Hohlraum innerhalb der Schaufel abzuleiten und von dort aus durch eine Reihe von Kanälen durch die Wände der Schaufel zu leiten. Luft, die aus den Kanälen austritt, soll einen sich bewegenden Kühlluftfilm zwischen der Oberfläche der Schaufel und den innerhalb des Triebwerkes strömenden heißen Gasen bilden. Der sich

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bewegende Kühlluftfilm soll eine Sperre zwischen den heißen Gasen und der Schaufeloberfläche bilden und auf diese Weise die Übertragung von Wärme aus den Gasen auf die Schaufeloberfläche blockieren. Die Lebensdauer der Schaufel wird dadurch verlängert.

Die Kühlkanäle sind bei bekannten Vorrichtungen in weitem gegenseitigem Abstand über die Oberfläche der Schaufel verteilt angeordnet. Die Kühlluft tritt daher aus den Kühlkanälen in Form von mehreren diskreten Strahlen aus, die durch kühlluftfreie Soggebiete voneinander getrennt sind. Es erscheinen deshalb langgestreckte heiße Streifen in dem Soggebiet, in denen die in dem Triebwerk strömenden heißen Gase die Oberfläche der Schaufel berühren können. Die Schaufeloberfläche ist abwechselnden heißen und kalten Gebieten ausgesetzt, was zur Ausbildung von Wärmespannungsgradienten und von übermäßig heißen Punkten und einer damit verbundenen Abnahme der Schaufellebensdauer führt. Bei einigen bekannten Kühlsystemen ist versucht worden, diese Nachteile zu vermeiden. Beispielsweise werden bei der aus der US-PS 3 527 543 bekannten Vorrichtung divergierende Kühlkanäle verwendet, damit diskrete Kühlluftstrahlen abgegeben werden, die zueinander konvergieren. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch der Abstand zwischen den Kühlkanälen an ihrem Auslaß wesentlich größer als die Breite der Kanäle. Obwohl die Kühlkanäle konisch zulaufen, werden die Soggebiete nicht beseitigt und die Schaufel weist nach wie vor die oben erwähnten Nachteile auf. Die Erfindung befaßt sich mit der Beseitigung von SoggebJeten, die bei bekannten Schaufeln auftreten, welche mehrere Kühlluftkanäle haben, die einen Kühlluftfilm an der Schaufeloberfläche erzeugen.

Die Erfindung schafft deshalb eine filmgekühlte Schaufel, bei der die Kühlluft in Form eines durchgehenden Films über die Schaufeloberfläche geleitet wird.

Dieses und weitere Merkmale, die sich aus der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung ergeben, werden ge-

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maß der Erfindung - kurz gesagt - in einer Ausführungsform durch eine filmgekühlte Schaufel erreicht, die zwei Abstand voneinander aufweisende Wände hat, die konkave und konvexe Außenwandflächen haben. Wenigstens zwei Abstand voneinander aufweisende, benachbarte Kühlkanäle haben einen Einlaß, der mit einem Kühllufthohlraum in Verbindung steht, und einen Auslaß zum Abgeben der Kühlluft längs einer der Außenwände in einem dünnen, durchgehenden Film. Eine Trennwand ist zwischen den Kanälen angeordnet und hat zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Kanalwandflächen, die einen Teil jedes Kanals bilden. Der Abstand zwischen den Kanalwandflächen nimmt in stromabwärtiger Richtung von einem ersten Stromaufwärtswert zu einen zweiten Stromabwärtswert andern Kanalauslaß ab. Der vorgenannte Abstand ist wesentlich kleiner als die Breite des Kanalauslasses, um die Bildung von Soggebieten in dem Film zu vermeiden.

Zwei Ausführungsbeispiele werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel

nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Schaufel längs

der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilquerschnittansicht der Schaufel

längs der Linie 3-3 von Fig. 2 und

Fig. 4 eine Querschnittansicht, die eine weitere

Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Flügelprofil aufweisenden Hauptteils einer Schaufel nach der Erfindung, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist und in der Beschreibung

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und in den Ansprüchen der Einfachheit halber als Schaufel bezeichnet wird. Für Beschreibungszwecke der Erfindung soll sich der Begriff "radial" od.dgl. auf eine Richtung insgesamt längs einer in Fig. 1 vertikal angeordneten Linie beziehen. Der Begriff "axial" od.dgl. soll sich auf eine Richtung insgesamt längs einer Linie in der Richtung von heißen Gasen vorbei an der Schaufel 10 von der Vorderkante zu der Hinterkante beziehen. Die Begriffe radial und axial sind gewählt worden, damit die Schaufel 10 in Übereinstimmung mit der normalen Position beschrieben werden kann, die sie in einem Gasturbinentriebwerk einnimmt. Die verwendeten Begriffe "stromaufwärts" und "stromabwärts" bezeichnen die Relativposition eines Ortes in bezug auf einen anderen Ort gegenüber einer Fluidströmung.

Demgemäß besteht die Schaufel 10 aus zwei Abstand voneinander aufweisenden dünnen Wänden 12 und 14, die sich radial und axial erstrecken und an einem stromaufwärtigen Ende, an dem sie miteinander verbunden sind, einen Vorderkantenteil 16 der Schaufel 10 bilden. Die Wände 12 und 14 bilden an einem stromabwärtigen Ende, an dem sie miteinander verbunden sind, einen Hinterkantenteil 18 der Schaufel 10. Die Schaufel 10 hat weiter ein radial inneres Ende 13 und ein radial äußeres Ende 15.

Eine konkave Schaufelfläche 20 und eine konvexe Schaufelfläche 22 bilden Außenwandflächen der Wände 12 bzw. 14, die diejenigen Teile der Wände 12 und 14 einschließen, welche die Vorder- und Hinterkantenteile 16 bzw. 18 aufweisen. Die Schaufel 10 hat weiter mehrere Hohlräume 24, 26 und 28, die sich radial von dem inneren Ende 13 zu dem äußeren Ende 15 erstrecken. Die Hohlräume 24, 26 und 28 sind nebeneinander, aber mit axialem Abstand voneinander zwischen den Abstand voneinander aufweisenden Seitenwänden 12 und 14 und zwischen dem Vorderkantenteil 16 und dem Hinterkantenteil 18 angeordnet. Kühlluft aus einer Quelle für unter Druck stehende Luft (nicht gezeigt), wie beispielsweise einem dem Gasturbinentriebwerk

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zugeordneten Verdichter, wird von den Hohlräumen 24, 26 und 28 empfangen. Es sind zwar mehrere Hohlräume 24, 26 und 28 dargestellt, die Filmkühlanordnung, die einen Teil der Erfindung bildet, wird jedoch in Verbindung mit dem Hohlraum 28 beschrieben. Es ist aber klar, daß die Hohlräume 24 und 26 die gleiche Möglichkeit des Zusammenwirkens mit einer solchen Filmkühlanordnung haben.

Es wird nun auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen, von denen die erstgenannte eine Querschnittansicht der Schaufel 10 auf der Linie 2-2 von Fig. 1 und die zweitgenannte eine Teilquerschnittansicht der Schaufel 10 auf der Linie 3-3 von Fig. 2 zeigt. Die Schaufel 10 hat eine Vertiefung oder Ausnehmung 30, die in der Wand 12 gebildet ist und einen Teil der äußeren konkaven Fläche 20 an dem Hinterkantenteil 18 umfaßt. Die Ausnehmung 30 erstreckt sich im wesentlichen radial über die Schaufel 10 von deren radial äußeren Ende 15 zu deren radial inneren Ende 13. Die Ausnehmung 30 wird durch eine sich radial erstreckende Fläche 32 begrenzt, die in Stromabwärtsrichtung weist und sich im wesentlichen radial über die Schaufel 10, eine untere Fläche 33 und getrennte Seitenwände 34 und 36 erstreckt. Die Ausnehmung 30 ist in axialer Richtung konisch zulaufend, d.h. die Tiefe der Ausnehmung 30 nimmt in Stromabwärtsrichtung ab und die untere Fläche 33 geht schließlich an dem am weitesten stromabwärts gelegenen Ende der Ausnehmung 30 in die konkave Fläche 20 über.

Mehrere langgestreckte, in radialem Abstand voneinander angeordnete, diskrete Kühlkanäle 38 sind in der Wand 12 angeordnet und bilden einen Weg für einen Kühlluftstrom aus dem Hohlraum 28 durch die Wand 12. Jeder Kanal 38 hat einen Einlaß 40, der eine Verbindung zwischen dem Kanal 38 und dem Hohlraum herstellt. Weiter hat jeder Kanal 38 einen Auslaß 42, über den Kühlluft in einer Richtung abgegeben wird, die zu der Richtung der über die Schaufel 10 hinwegströmenden heißen Gase insgesamt parallel ist. Der Auslaß 42 des Kanals 38 hat eine radiale Auslaßbreite mit vorgewählter Größe b.

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Mehrere Trennwände 44 trennen diskrete Kühlkanäle 38 voneinander. Jede Trennwand 44 ist zwischen benachbarten Kühlkanälen 38 angeordnet und hat zwei insgesamt in entgegengesetzte Richtung weisende Kanalwandflächen 46 und 48, die in radialem Abstand voneinander angeordnet sind und einen Teil von Abstand voneinander aufweisenden, benachbarten Kühlkanälen 38 bilden. Insbesondere hat jede Trennwand 44 eine Kanalwandfläche 46, die eine radial gerichtete Seite eines Kanals 38 begrenzt, während dieselbe Trennwand 44 eine in die entgegengesetzte Richtung weisende Kanalwandfläche 48 hat, die eine radial gerichtete Seite eines benachbarten Kanals 38 begrenzt.

Die Trennwände 44 sind in stromabwärtiger Richtung konisch zulaufend. Das heißt die Kanalflächen 46 und 48, die jeder Trennwand 44 zugeordnet sind, haben einen gegenseitigen radialen Abstand c, der eine erste stromaufwärtige Größe in der Nähe des stromaufwärtigen Einlasses 40 hat. Beginnend an einer Stelle 50, die sich zwischen dem Kanaleinlaß 40 und dem Kanalauslaß 42 befindet, nimmt die Größe des Abstands c zwischen den Flächen 46 und 48 in stromabwärtiger Richtung von dem vorgenannten ersten stromaufwärtigen Wert auf einen zweiten stromabwärtigen Wert ab. Insbesondere ist die Größe des Abstands c zwischen den Flächen 46 und 48 an jedem Punkt stromabwärts der Stelle 50 kleiner als die Größe des Abstands c zwischen den Flächen 46 und 48 stromaufwärts der Stelle 50. Die Trennwände 44 sind so konisch zulaufend, daß die entgegengesetzten Flächen 46 und 48 einander schneiden und eine stromabwärtige Kante 52 an der Trennwand 44 unmittelbar an dem Auslaß 42 der Kanäle 38 bilden. Die Größe des Abstands c zwischen den Flächen 46 und 48 an dem Auslaß 42 ist wesentlich kleiner als die Größe b der radialen Breite des Kanalauslasses 42. Der Abstand zwischen den Kanälen 38 unmittelbar an den Auslässen 42 ist wesentlich kleiner als die Kanalbreite und damit wird die Tendenz zur Bildung von Soggebieten gegenüber den bekannten Vorrichtungen wesentlich verringert. In der bevorzugten Ausführungsform schneiden sich die Flächen 46 und 48 unmittelbar an dem Auslaß 42 und bilden eine messerartige Kante 52,

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so daß der vorgenannte Abstand c zwischen den Flächen 46 und 48 an der Kante 52 im wesentlichen null ist.

Aufgrund der messerartigen Ausbildung der Kante 52 werden die bei bekannten Vorrichtungen auftretenden nachteiligen Soggebiete nicht gebildet.

Die messerartigen Kanten 52 und die Kanalauslässe 42 liegen mit der Fläche 32 der Ausnehmung 30 im wesentlichen in einer Ebene, so daß die Kanäle 38 sich in die Ausnehmung 30 öffnen. Es ist zu beobachten, daß bei konisch zulaufender und in einer messerartigen stromabwärtigen Kante 52 endigender Trennwand 44 aus den Kanälen 38 über die Auslässe 42 austretende Kühlluft in der radialen Richtung im wesentlichen kontinuierlich ist und keine Soggebiete, wie bei den bekannten Vorrichtungen, vorhanden sind. Damit haftet ein durchgehender Kühlluftschleier an der unteren Fläche 33 der Ausnehmung 30 und bildet einen sich bewegenden Sperrfilm zum Schutz der Fläche 33 vor den über die Schaufel 10 strömenden heißen Gasen. Auf diese Weise wird dann der Hxnterkantenteil 18 der Schaufel 10 filmgekühlt.

Fig. 4 zeigt eine geringfügige Modifizierung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1 gezeigt ist. In Fig. 4 ist die Ausnehmung 30 weiter stromaufwärts als bei der Ausführungsform von Fig. 1 angeordnet. In jeder anderen Hinsicht ist der in Fig. 4 gezeigte Aufbau mit dem Aufbau der bevorzugten Ausführungsform von Fig. 1,2 und 3 identisch. Bei so angeordneter Ausnehmung 30 tritt die Kühlluft aus den Auslassen 42 aus, strömt in einem durchgehenden Film stromabwärts längs der unteren Fläche 33 zu dem stromabwärtigen Ende der Ausnehmung 30 und haftet an der konkaven Fläche 20. Die Kühlluft strömt von da aus in einem durchgehenden Schleier über die Fläche 20 in einer Richtung, die von dem Vorderkantenteil 16 wegführt. Die Fläche 20 wird deshalb vor den über die Schaufel 10 strömenden heißen Gasen geschützt. Es sei außerdem erwähnt, daß eine Reihe von axial aufeinander-

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folgenden Ausnehmungen 30 benutzt werden kann, wobei jeder Kanäle zugeordnet sind, die die Ausnehmung 30 mit einem der inneren Hohlräume 24, 26 oder 28 verbinden. In einer solchen Anordnung ist jede Ausnehmung 30 an einer axialen Stelle unmittelbar an dem Bereich angeordnet, wo der Kühlfilm, der der vorhergehenden stromaufwärtigen Ausnehmung 30 zugeordnet ist, seine Wirksamkeit als vor heißen Gasen schützende Sperre zu verlieren beginnt.

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Claims

Patentansprüche

( 1J Filmgekühlte Schaufel für ein von heißem Gas durchströmtes Axialgasturbinentriebwerk, die sich radial und axial erstreckt und zwei Abstand voneinander aufweisende Wände mit einer konkaven bzw. konvexen Außenwandfläche, die sich axial und radial erstrecken, und einen sich radial erstrekkenden inneren Hohlraum hat, der zwischen den Abstand voneinander aufweisenden Seitenwänden angeordnet ist und Kühlluft aus einer Druckluftquelle empfängt, gekennzeichnet durch wenigstens zwei in radialem Abstand voneinander angeordnete, benachbarte Kühlluftkanäle (38), von denen jeder einen Einlaß (40), der die Kanäle mit dem Hohlraum (28) verbindet, und einen Auslaß (42) hat zum Abgeben der Kühlluft in einem dünnen, durchgehenden Kühlluftfilm längs einer der Außenwandflächen (20, 22), wobei der Kanalauslaß eine Auslaßbreite (b) vorgewählter Größe hat; und durch eine zwischen benachbarten Kühlkanälen angeordnete und eine stromabwärtige Kante (52) an dem Auslaß aufweisende Trennwand (44), die weiter zwei insgesamt in entgegengesetzte Richtungen weisende, mit Abstand voneinander angeordnete Kanalwandflächen (46, 48) hat, die wenigstens einen Teil von

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jedem der benachbarten Kanäle begrenzen, wobei die Abstandsbreite (σ) zwischen den beiden Kanalwandflächen von einer ersten stromaufwärtigen Größe auf eine zweite stromabwärtige Größe an der Kante (52) abnimmt und wobei die zweite stromabwärtige Größe wesentlich kleiner als die vorgewählte Größe der Auslaßbreite (b) ist.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kanalwandflächen (46, 48) zu der anderen Kanalwandf lache konvergiert und diese unmittelbar an dem Auslaß (42) schneidet.
3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kanalwandflächen (46, 48) zu der anderen Kanalwandfläche konvergiert und mit dieser an dem stromabwärtigen Ende der Trennwand (44) eine im wesentlichen messerartige Kante (52) bildet.

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