DE3040192A1

DE3040192A1 - Gekuehlte turbinenschaufel

Info

Publication number: DE3040192A1
Application number: DE19803040192
Authority: DE
Inventors: Michel Leonard Chatellerault Cuvillier
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1979-10-26
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE3040192C2; GB2061400B; FR2468727A1; GB2061400A; FR2468727B1; US4456428A

Description

24. Oktober

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D¹AVIATION Ts.N.E.C.M.A.)

2, Boulevard Victor

P-75015 Paris /Frankreich 2066

Gekühlte Turbinenschaufel

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung für gekühlte Turbinenschaufeln, insbesondere für Schaufeln von Turbinen, welche bei hoher Temperatur arbeiten können.

Bekanntlich kann man bei der Kühlung der Schaufeln eine Konstruktion mit Luftzirkulationskanälen vorsehen, bei denen die Luft von unten eintritt und an der Spitze der Schaufel sowie an den Anström- und Abströmkanten austritt.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die an der Spitze der Schaufel austretende Luftmenge (etwa 80 % bei klassischen Systemen) sehr empfindlich auf Spieländerungen am oberen Ende der Schaufelblätter reagiert, nämlich zwischen der Schaufel und dem Turbinenring, und zwar mindestens bei Schaufeln mit geringer Blatthöhe.

Tatsächlich ergibt sich dieses Spiel in beträchtlichem Ausmaße im Übergangs-Betriebsbereich, bei den Herstellungsvor-

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gangen und während der Lebensdauer des Triebwerks.

Der Gegendruck am oberen Ende der Schaufelblätter läßt sich also sehr schlecht beherrschen, und er beeinflußt beträchtlich den Durchsatz der Kühlluft und damit die Temperatur der Schaufel. Daraus ergibt sich das Interesse, den größten Teil dieses Luftdurchsatzes in eine Zone ausströmen zu lassen, in der der Gegendruck bekannt, gering und konstant ist.

Es wurde nun gefunden, daß eine Zone mit diesen Eigenschaften unterhalb der Plattform der Schaufel auf der Seite der Abströmkante vorhanden ist.

Erfindungsgemäß verwendet man eine verbesserte Schaufel, insbesondere eine gekühlte Schaufel für Strömungsmaschinen, mit mindestens zwei Hohlräumen, welche von einer geneigt in der radialen Mittelebene der Schaufel verlaufenden Trennwand voneinander getrennt sind und deren Wände über Stegbrücken zur Beschleunigung der Wärmeaustauschvorgänge miteinander in Verbindung stehen, wobei die Anström- und Abströmkanten Pluid-Austrittsöffnungen aufweisen; diese Schaufel ist dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Pluid-Austrittsöffnung versehen ist, die unterhalb der Plattform der Schaufel auf der Seite der Abströmkante liegt und durch die der größte Teil der Kühlluft in eine bevorzugte Gegendruck-Zone austritt.

Die verbesserte Schaufel nach der Erfindung ermöglicht einen Auslaß des Hauptteils des Kühlluftbedarfs (ungefähr 55 %) durch diejenige Austrittsöffnung, die unterhalb der Plattform der Schaufel auf der Seite der Abströmkante liegt.

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Andererseits kann die erfindungsgemäß verbesserte Schaufel von einer Luftquelle niedrigen Drucks versorgt werden, und sie ermöglicht den Einsatz eines Spiels am Ende des Schaufelblattes, das sehr klein oder sogar Null ist.Schließlich gestattet sie ein Arbeiten bei hoher Temperatur mit korrektem Kühlmitteldurchsatz.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Schaufel mit zwei Hohlräumen;

Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Figur 1;

Figur 3 einen Schnitt an der Abströmkante der Schaufel mit einer Austrittsöffnung auf der Überdruckseite;

Figur 4 einen Schnitt an der Abströmkante der Schaufel mit einer in der Achse liegenden Austrittsöffnung;

Figur 5 einen Längsschnitt durch den oberen Teil der Schaufel, wobei deren Austrittsöffnung verschlossen ist;

Figur 6 eine Hinteransicht des. unteren Teils der Schaufel auf der Seite der Abströmkante;

Figur 7 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Schaufel mit "drei Hohlräumen;

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Figur 8 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Schaufel nach Figur 7.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer gekühlten Turbinenschaufel 1, die von einer Hülle gebildet wird, deren Innenraum in zwei Hohlräume 2 und 3 unterteilt ist, und zwar von einer Trennwand 4, die sich geneigt in der radialen Mittelebene der Schaufel erstreckt. Die Trennwand 4 ist in ihrem oberen Abschnitt derart unterbrochen, daß sie eine Passage 13 zwischen den beiden Hohlräumen 2 und 3 offen läßt. Stegbrücken 5 verbinden die Überdruckseite und die Unterdruckseite des Schaufelblattes und sorgen für eine Beschleunigung der thermischen Austauschvorgänge.

Fluid-Austrittsöffnungen 6 sind an der Anströmkante der Schaufel vorgesehen und ermöglichen eine Kühlung dieser Anströmkante. Die Austrittsöffnungen 6 münden direkt an der Anströmkante. Es kann sich auch um Austrittsöffnungen 6' handeln, die auf der Unterdruckseite münden.

Andererseits sind Fluid-Austrittsöffnungen 7 an der Abströmkante vorgesehen, die in der Achse der Abströmkante des Schaufelblattes liegen, wie es in Figur 4 dargestellt ist.

Bei der Ausführungsform nach Figur 3 sind Austrittsöffnungen 7' auf der Überdruckseite der Abströmkante des Schaufelblattes vorgesehen.

In seinem oberen Bereich trägt das Blatt der Schaufel 1 einen Deckel 8, der eine Öffnung 9 aufweist, die ebenfalls einen Fluid-Austritt gestattet.

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In seinem unteren Teil ist das Blatt der Schaufel 1 mit einer Plattform 10 (Figur 1 und 6) versehen, unterhalb der sich ein Schaufelfuß 11 befindet, der eine Befestigung in einer nicht dargestellten Tragscheibe sicherstellt. Der Hohlraum 3 ist mit der Umgebung über eine Öffnung .12 verbunden, die sich unterhalb der Plattform 10 der Schaufel auf der Seite der Abströmkante befindet.

Die Öffnung 10, die in einer begünstigten Gegendruck-Zone mündet, übernimmt den Auslaß des Hauptteils (ungefähr 55 %) der aus der Schaufel in die Umgebung austretenden Luftmenge

Bei einer abgewandelten Ausführungsform nach Figur 5 ist der Deckel 8 der Schaufel durch ein Plättchen aus Stellit bzw. durch ein verlötetes Plättchen 9 verschlossen. In diesem Falle können sich die Luftströme folgendermaßen verteilen: 25 % auf die Anströmkante, .20 % auf die Abströmkante und 55 % auf die Öffnung 12 am Schaufelfuß.

Figur 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaufel, bei der drei Hohlräume vorgesehen sind. Ein stromauf gelegener Hohlraum 14 wird von der Anströmkante 15 und einer radialen inneren Trennwand l6 begrenzt. Dieser Hohlraum l4, der in seinem oberen Bereich durch ein Plättchen aus Stellit bzw. ein verlötetes Plättchen 17 abgedeckt ist, wird von einem zentrifugalen Luftstrom durchquert, welcher aus Öffnungen 18 austritt, die in der Anströmkante 15 vorgesehen sind. Ein zentraler Hohlraum l8 wird durch die Trennwand 16 und durch eine geneigte Trennwand 19 begrenzt; er weist Stegbrüeken 20 auf, die denen nach den Figuren 1 und 2 entsprechen. Dieser

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zentrale Hohlraum wird von einem zentrifugalen Luftstrom durchquert, der sich oben in zwei Teilströme auftrennt, von denen der eine durch öffnungen 21 austritt, welche in einen Deckel 22 der Schaufel eingearbeitet oder eingegossen sind, während der andere in Zentripetalrichtung in einen dritten, stromab gelegenen Hohlraum 23 zurückströmt. Dieser stromab gelegene Hohlraum 23 wird durch die geneigte Trennwand 19 und durch die Abströmkante 24 begrenzt. Er weist, ebenso wie der Hohlraum 18, Stegbrücken 20 auf, die die Wärmeaustauschvorgänge beschleunigen. Der Hohlraum 23 wird von einem in Zentripetalrichtung fließenden Luftstrom durchquert, der zum großen Teil durch eine öffnung 25 im Schaufelfuß unterhalb einer Plattform 26 der Schaufel und ggf. durch öffnungen 27 in der Abströmkante 24 austritt. Die öffnung 25 stimmt im Prinzip mit der Öffnung 12 nach den Figuren 1 und 6 überein. Der Hohlraum 23 wird auf der Höhe des Schaufelfußes von einem verlöteten Plättchen 28 verschlossen.

Figur 8 zeigt eine Abwandlungsform des Ausführungsbeispiels nach Figur 7, wobei die Trennwand 16, die den Hohlraum 14 begrenzt, vor Erreichen des Deckels 22 unterbrochen ist, und zwar derart, daß eine Verbindung zwischen den Hohlräumen lh und l8 ermöglicht wird.

Wegen der beträchtlichen Luftmenge (etwa 55 % ) ₃ die durch die öffnungen 12 bzw. 25 abgeführt werden kann, ist es in bestimmten Fällen möglich, die in der Abströmkante vorgesehenen öffnungen fortzulassen, und zwar insbesondere bei Brennkammer-Austrittstemperaturen von 1230⁰C und darunter. Eine solche Anordnung ermöglicht die Ausbildung von Abströmkanten geringer Dicke.

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Es sei darauf hingewiesen, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Abwandlungen der obigen Vorrichtungen, die lediglich als nicht einschränkende Beispiele beschrieben wurden, möglich sind.

Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Verbesserung an Turbinenschaufeln, insbesondere an gekühlten Schaufeln für Strömungsmaschinen, mit mindestens zwei Hohlräumen, welche von einer geneigt in der radialen Mittelebene der Schaufel verlaufenden Trennwand voneinander getrennt sind und deren Wände über Stegbrücken zur Beschleunigung der Wärmeaustauschvorgänge miteinander verbunden sind, wobei die Anström- und Abströmkanten Fluid-Austrittsöffnungen aufweisen.

Jede Schaufel 1 ist mit einer Fluid-Austrittsöffnung 12 versehen, die unterhalb der Plattform 10 der Schaufel auf der Seite der Abströmkante liegt und durch die der größte Teil der Kühlluft in eine begünstigte Gegendruck-Zone austritt.

Die Erfindung ist anwendbar auf die Kühlung von Turbinenschaufeln.

ntanwalt

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L e e r s e 11

Claims

24. Oktober 1980

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION (S. N. E. C. M. A.)

2, Boulevard Victor

F-75015 Paris /Prankreich 2066

PATENTANSPRÜCHE

Mj Turbinenschaufel, insbesondere gekühlte Schaufel für Strömungsmaschinen, mit mindestens zwei Hohlräumen, welche von einer geneigt in der radialen Mittelebene der Schaufel verlaufenden Trennwand getrennt sind und deren Wände über Stegbrücken zur Beschleunigung der Wärmeaustauschvorgänge miteinander, in Verbindung stehen, wobei die Anström- und Abströmkanten Fluid-Austrittsöffnungen aufweisen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufel (1) mit einer Fluid-Austrittsöffnung (12; 25) versehen ist, die unterhalb der Plattform (10;26) der Schaufel auf der Seite der Abströmkante (24) liegt und durch die der größte Teil der Kühlluft in eine bevorzugte Gegendruck-Zone austritt.

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2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden durch die geneigte Trennwand (l6;19) voneinander getrennten Hohlräume (2,3;l8,23) an einem ihrer Enden miteinander in Verbindung stehen.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (8;22) der Schaufel (1) eine Fluid-Austrittsöffnung (9 j 21) aufweist, die verschließbar ist.

ⁱ\. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß die Pluid-Austrittsöffnungen (7;27) in der Achse der Abströmkante (24) angeordnet sind.

5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pluid-Austrittsöffnungen (7¹) auf der Überdruckseite der Abströmkante angeordnet sind.

6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pluid-Austrittsöffnungen (6,6'; 18) direkt an der Anströmkante oder an der Unterdruckseite der Anströmkante münden.

7. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel drei Hohlräume (14,18,23) aufweist, nämlich einen stromauf gelegenen Hohlraum (14), der von der Anströmkante (15) und einer radialen Trennwand (16) begrenzt wird, einen zentralen Hohlraum (18), der von der

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radialen Trennwand (l6) und der geneigten Trennwand (19) begrenzt wird, und einen stromab gelegenen Hohlraum (23), ■ic-r von der geneigten Trennwand (19) und der Abströmkante (2*0 begrenzt wird.

d. Turb.inenschaufel nach Anspruch 7, a^jurch gekennzeichnet j

däii die radiale Trenm\⁷and (16) derart mit dem Deckel (22) in Berührung steht, daß der stromauf gelegene Hohlraum (1-t) und der zentrale Hohlraum (18) voneinander getrennt sind, wobei der Deckel (22) in seinem oberen Bereich eine verschließbare Austrittsöffnung (21) aufweist.

9. Turbinenschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daυ zwischen der radialen Trennwand (16) und dem Deckel (22) er in Durchlaß vergesehen ist, der den stromauf gelegenen Hohlraum (lh) mit den beiden anderen Hohlräumen (18,23) verbindet.

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