DE3122484A1 - Laufschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln von Axialströmungsmaschinen und betrifft insbesondere abschleifbare Spitzenkappen, die kühlbar und an den Enden der Schaufeln befestigt sind.

Die Konzepte wurden in der Gasturbinentriebwerksindustrie zur Verwendung im Turbinenabschnitt von Triebwerken entwickelt, sie sind aber auch für andere rotierende Maschinen geeignet, in denen hohe Temperaturen auftreten.

In modernen Gasturbinentriebwerken werden Arbeitsmediumgase mit sehr hoher Temperatur in einer Brennkammer erzeugt und durch einen Turbinenabschnitt stromabwärts derselben hindurchgeleitet. An dem stromaufwärtigen Ende des Turbinenabschnittes haben die Arbeitsmediumgase charakteristische Temperaturen in der Größenordnung von 1382°C oder darüber. Die Temperatur der Arbeitsmediumgase überschreitet in vielen

Fällen die Möglichkeiten der Werkstoffe, aus denen die Bestandteile der Turbine hergestellt sind, weshalb diese Bestandteile mit Luft niedrigerer Temperatur gekühlt werden, um eine Beschädigung oder Zerstörung der Bestandteile zu verhindern.

Turbinenlaufschaufeln an dem stromaufwärtigen Ende des Turbinenabschnittes gehören zu denjenigen Turbinenbestandteilen, die gewöhnlieh gekühlt werden. Die Schaufeln erstrecken sich an dem Triebwerksläufer nach außen durch den Arbeitsmediumströmungsweg, und an ihrem radial äußeren Ende liegt ihnen eine Ummantelung an dem Triebwerksstator gegenüber. Der Spalt oder das Spiel zwischen den Spitzen der Schaufeln und den Ummantelungen wird notwendigerweise klein gemacht, um das Lepken von Arbeitsmediumgasen über den Spitzen und das Absinken des aerodynamischen Wirkungsgrades zu verhindern, das daraus resultieren würde. Bei so kleinen Spalten an den Spitzen der Schaufeln reiben die Schaufeln gelegentlich an der sie umgebenden Ummantelung, insbesondere bei Übergangszuständen des Triebwerksbetriebes. Eine Gefahr für eine Zerstörung ergibt sich bei einer solchen Reibberührung sowohl durch eine mechanische Verformung der Schaufel oder der Ummantelung als auch durch die Erzeugung von übermäßigen Wärmebelastungen während der Zeitspanne der Reibberührung. Laufschaufelspitzen werden in herkömmlicher Weise gekühlt, wie es beispielsweise aus den US-PSen 3 899 267, 3 994 622 und 4 010 531 bekannt ist.

Die die Schaufeln umgebenden Ummantelungen werden üblicherweise aus abschleifbaren oder verformbaren Werkstoffen hergestellt, die so ausgelegt sind, daß sie eine Reibberührung mit den Schaufeln ohne zerstörerische Auswirkungen zulassen. Beispiele dafür sind in den US-PSen 3 042 365, 3 854 842, 3 817 719, 3 879 831 und 3 918 925 beschrieben.

Trotz der Strukturen und Werkstoffsysteme, die in der Vergangenheit entwickelt worden sind, suchen Wissenschaftler

und Ingenieure in der Industrie weiterhin nach noch besseren Laufschaufeln und Ummantelungen. Gefragt sind insbesondere Laufschaufeln, die eine hohe Beständigkeit gegen eine zerstörerische Verformung haben und eine wirksame Kühlung im Spitzenbereich aufweisen.

Die Erfindung schafft eine Spitze für eine Laufschaufel, die in Wafer- oder Plattenbauweise aufgebaut ist, bei der die äußerste Wafer oder Platte aus einem abschleifbaren Werkstoff hergestellt ist, der in der Lage ist, Material von einer umgebenden Ummantelung abzuschleifen, ohne übermäßige Wärmebelastungen zu erzeugen, und bei der ein beträchtliches Konvektionswärmeübertragungsvermögen in der Nähe der potentiellen Reibfläche an der Spitze der Schaufel vorhanden ist.

Ein Hauptmerkmal der Laufschaufel nach der Erfindung sind die die Spitzenkappe bildenden Wafer- oder Plattenelemente. Die Platten erstrecken sich in der Richtung der Profilsehne über die Spitze der Schaufel und bedecken den in dieser enthaltenen Kühllufthohlraum. Die äußerste Platte ist aus einem abschleifbaren Werkstoff hergestellt, der in der Lage ist, abschleifbaren Werkstoff von einer umgebenden Ummantelung abzuschleifen, ohne übermäßige Wärmebelastungen zu erzeugen. Kühlluftdurchlässe zwischen den Platten bilden einen Wärmeableiter, der Wärmeenergie von den reibenden Flächen an der Schaufelspitze wegleitet. Weitere Durchlässe erstrecken sich im wesentlichen in der Richtung der Spannweite zur zusätzlichen Kühlung durch den Plattenstapel.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die verbesserte Möglichkeit eines wirksamen Kühlvermögens in unmittelbarer Nähe der Quelle für die Wärmeenergieerzeugung. Eine beträchtliche Konvektionskühlung wird benutzt, um eine ununterbrochene Kühlströmung zu gewährleisten. Die Plattenbauweise ermög-

■.--"^:..·^:..^: ' -" -I. 31 2248A

licht die wirtschaftliche Herstellung von Kühllöchern, die ein großes Verhältnis von Flächeninhalt zu Durchflußquerschnitt haben. In einigen Ausführungsformen werden eine Konvektionskühlung und eine Pilmkiihlung miteinander kombiniert. Die Verwendung eines abschleifbaren Werkstoffes an der äußersten Platte verringert die Wahrscheinlichkeit, daß die sich in der Richtung der Spannweite erstreckenden Löcher infolge einer Werkstoffverformung in die Löcher hinein schließen. Das Vorsehen von unterschiedlichen Werkstoffen in dem Spitzenbereich wird leicht durch Herstellungsverfahren ermöglicht, die für die wirtschaftliche Herstellung von komplizierten Kühlluftdurchlässen synergistisch geeignet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinenlaufschaufel, die die Spitzenkappe nach der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Spitzenbereiches der in Fig. 1 gezeigten Schaufel, welche die sich in der Richtung der Profilsehne erstreckenden Platten zeigt, aus denen die Spitzenkappe besteht, wobei weggebrochene Teile eine Konvektionskühlkonfiguration in einer abschleifbaren Spitze zeigen,und

Fig. 3 eine Schnittansicht zwischen Platten an dem vorderen Rand der Schaufel, die die Anpassung der seitlichen Kühlluftdurchlässe an die Kontur des vorderen Randes der Schaufel zeigt.

Die Laufschaufel 10 von Fig. 1 ist ein Beispiel für Laufschaufeln des Typs, für den die hier beschriebenen Konzepte gelten. Die Schaufel hat drei Hauptabschnitte, einen Fußabschnitt 12, einen Plattformabschnitt 14 und einen Flügelprofilabschnitt 16. Das äußere Ende 18 des Flügelprofilabschnittes 16 wird als Spitzengebiet bezeichnet. Die Schaufel enthält einen oder mehrere Hohlräume, wie den Vorderrandhohlraum 20 und den Hinterrandhohlraum 22, die sich von dem Fußabschnitt der Schaufel aus durch den Flügelprofilabschnitt erstrecken, um in diesem Kühlluft zu verteilen. Die Hohlräume sind an dem äußeren Ende des Flügelprofilabschnittes durch eine Spitzenkappe 24 verschlossen, die eine nach außen weisende Fläche 26 hat.

In seiner Betriebsumgebung ist der Fußabschnitt 12 der Schaufel an einer Läuferscheibe (nicht gezeigt) eines Gasturbinentriebwerks befestigt, wobei sich der Flügelprofilabschnitt 16 nach außen durch einen ringförmigen Strömungsweg für Arbeitsmediumgase innerhalb des Triebwerks erstreckt. Der Plattformabschnitt 14 bildet einen Teil der inneren Begrenzung des Strömungsweges. Die äußere Begrenzung des Strömungsweges wird zum Teil durch eine umgebende Ummantelung (ebenfalls nicht gezeigt) gebildet, die der äußeren Fläche der Schaufelspitze gegenüberliegt und in engem Abstand von dieser angeordnet ist. Die umgebende Ummantelung wird typischerweise einen überzug aus auf sie aufgebrachtem abschleif barem Werkstoff haben, in den sich die Schaufelspitze bei Übergangsbetriebszuständen einschleift.

In der Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Flügelprofilabschnitt 16 aus mehreren sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Wafern oder Platten 28 hergestellt, die durch eine geeignete Technik, wie beispielsweise Diffusionsbindung, miteinander verbunden sind. Ebenso ist die Spitzenkappe 24 aus mehreren sich in Richtung der Profilsehne erstreckenden Wafern oder Platten

hergestellt, zu denen eine äußerste Platte 30 und eine oder mehrere innere Platten 32 gehören, welche in der Richtung der Spannweite übereinandergestapelt sind. Zwei innere Platten 32 sind dargestellt. Die Spitzenkappe 24 verschließt die äußeren Enden des Vorderrandhohlraums 20 und des Hinterrandhohlraums 22. Die inneren Platten 32 sind aus einem metallischen Material hergestellt, das mit dem Werkstoff, aus welchem der Flügelprofilabschnitt der Schaufel hergestellt ist, vergleichbar ist oder übereinstimmt. Die äußerste Platte 30 besteht aus einem abschleifbaren Werkstoff, wie beispielsweise in eine metallische Matrix eingebettetem Siliciumcarbid. Die nach außen weisende Fläche 26 eignet sich für eine Reibberührung mit der der Schaufel gegenüberliegenden Ummantelung. Die Platten sind, beispielsweise, mit einander und mit den sich in Richtung der Spannweite erstrecken' den Platten des Flügelprofilabschnittes ebenfalls durch eine geeignete Technik, beispielsweise durch Diffusionsbindung, verbunden.

Seitliche Durchlässe 34 für den Durchfluß von Kühlluft aus den inneren Hohlräumen sind in der Grenzfläche 36 zwischen zwei benachbarten Plattenelementen gebildet. Die seitlichen Durchlässe erstrecken sich in der dargestellten Ausfuhrungsform von dem Inneren der Schaufel in einem der Kühllufthohlräume seitlich zu der Druckseitenfläche 38 des Flügelprofilabschnittes. In einigen Ausführungsformen können sich die seitlichen Durchlässe ebenso zu der Saugseite der Schaufel erstrecken, obgleich, wie weiter unten beschrieben, eine Kombination von radialem Auslaß und druckseitigem Auslaß unter dem Gesichtspunkt der aerodynamischen Leistungsfähigkeit des Flügelprofilabschnittes zu bevorzugen ist. Die Durchlässe überdecken einen beträchtlichen Teil des Querschnittes des Flügelprofilabschnittes an der Spitzenkappe 24, um für eine beträchtliche Kühlung in der Nähe der nach außen weisenden und potentiell reibenden Fläche 26 zu sorgen .Weitere Durchlässe 40 erstrecken sich im wesentli-

- 10 -

chen in der Richtung der Spannweite von einem oder mehreren der Kühlhohlräume aus. Die Durchlässe 40 können, wenn es praktisch ist, schräg sein, um das Konvektionskühlvermögen in der Spitzenkappe 24 zu verbessern. Zum Gewährleisten eines beträchtlichen Konvektionskühlvermögens an dem vorderen Rand des Spitzenbereiches 18 ist ein Kanal 42 vorgesehen. Durchlässe 44 erstrecken sich von dem Kanal 42 aus im wesentlichen in der Richtung der Spannweite durch die Spitzenkappe 24. Die Durchlässe 44 können ebenfalls, wie dargestellt, schräg sein, um das Konvektionskühlvermögen zu verbessern. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der Kanal 42 spitz zulaufend ausgebildet, so daß er eine kleinere Querschnittsfläche an dem hinteren Rand hat. Die abnehmende Querschnittsfläche hilft, die Druckdifferenz an der Spitze zwischen dem Kanal 42 und der Umgebung außerhalb des Flügelprofilabschnittes 16 zu bewahren.

Gemäß Fig. 3 ist von den seitlichen Durchlässen an dem vorderen Rand der Schaufel 10 der vorderste in der Richtung der Profilsehne gekrümmt dargestellt, wodurch er der Vorderrandkontur des Flügelprofilabschnittes 16 eng folgt. Dadurch ergeben sich höhere Wärmeübergangsgeschwindigkeiten und eine verbesserte Konvektionskühlung.

Die Spitzenkappen nach der Erfindung haben den großen Vorteil, daß es bei ihnen möglich ist, eine beträchtliche Konvektionskühlung in unmittelbarer Nähe der Punkte einer potentiellen Wärmeerzeugung durchzuführen. Ein Wärmeableiter zum Ableiten von Wärmeenergie von den Wärmeenergieerzeugungspunkten besteht aus den mehreren Durchlässen und insbesondere aus den sich seitlich erstreckenden Durchlässen 34 von Fig. 2. Eine planare Zone im wesentlichen gleichmäßiger Konvektionskühlung ist darin vorgesehen. Die Wafer- oder Plattenbauweise eignet sich gut für die Herstellung von solchen Durchlässen,

insbesondere an den Grenzflächen zwischen den Platten, wo Durchlässe mit komplizierten» geometrischem Verlauf und komplizierter Kontur hergestellt werden können, beispielsweise durch Ätzen, bevor die Platten miteinander verbunden werden. Das Anordnen des Wärmeabieiters nahe den potentiellen Reibflächen, wie bei der hier beschriebenen Erfindung, ermöglicht die Wärmeabfuhr ohne Zerstörung des Spitzenwerkstoffes.

Eine hohe Dichte der Durchlässe ist erforderlich, um eine ausreichende Konvektionskühlung zu gewährleisten. Geringere Anzahlen von Durchlässen sind zwar bei bekannten Vorrichtungen, die keine Plattenbauweise aufweisen, vorgesehen, bei diesen Vorrichtungen wird aber typischerweise zumindest ein wesentlicher Beitrag an Filmkühlung verwendet, um die äußeren Flächen der Schaufel vor eine hohe Temperatur aufweisenden Arbeitsmediumgasen zu schützen. Bei dem hier beschriebenen Aufbau wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß beim Auftreten einer Reibberührung die Filmkühlung an der Spitze genau zu dem Zeitpunkt unterbrochen ist, zu dem das maximale Wärmeabfuhrvermögen erforderlich ist. Diese Unterbrechung des Kühlvermögens wird durch Verwendung der Kühlung in den seitlichen Durchlässen im wesentlichen vermieden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird berücksichtigt, daß das Abgeben von Kühlluft an die Saugseite einer Laufschaufel die aerodynamische Leistungsfähigkeit der Schaufel verschlechtert, weil der Aufbau von Grenzschichtluft längs der Saugseite der Schaufel gefördert'wird. In dem möglichen Ausmaß ist diese Kühlluftabgäbe bei dem hier beschriebenen Aufbau durch die wirksame Kombination der seitlichen Durchlässe 34 auf der Druckseite der Schaufel und die sich in der Richtung der Spannweite erstreckenden Durchlässe 40 und 44, die aus der Spitze der Schaufel hinausführen, vermieden worden. Es erfolgt nur eine begrenzte Kühlluftabgabe an die Saugseite der Schaufel an dem vorderen Rand.

Die Spitzenkappenausführungsformen der Erfindung sind in Verbindung mit einer Schaufel dargestellt worden, die in Radialplattenbauweise hergestellt ist. Die beschriebenen Konzepte sind mit Werkstoffsystemen und Fertigungstechniken äußerst kompatibel, welche bei der Radialplattenbauweise benutzt werden, und als solche dürften sie ihre größte Nützlichkeit auf diesem Gebiet entfalten. Bekannte Konzepte für in Radialplattenbauweise aufgebaute Schaufeln finden sich in den ÜS-PSen 3 872 563 und 4 203 706.

Claims (7)

Patentansprüche

1./ Laufschaufel mit wenigstens einem sich in der Richtung der Spannweite von dem Fuß (12) zur Spitze (18) der Schaufel (10) erstreckenden Hohlraum (20, 22) zum Verteilen von Kühlluft,

gekennzeichnet durch eine über dem Spitzenende (18). des Hohlraums (20, 22) angeordnete Kappe (24), die aus mehreren sich in der Richtung der Profilsehne erstreckenden Platten (30, 32) gebildet ist, welche in der Richtung der Spannweite übereinandergestapelt sind, wobei die äußerste Platte (30) aus einem abschleifbaren Werkstoff hergestellt ist und wobei wenigstens zwei der Platten mehrere sich seitlich erstreckende Kühlluftdurchlässe (34) haben, die zwischen ihnen für den Durchfluß von Kühlluft aus dem sich in der Richtung der Spannweite erstreckenden Hohlraum zu der Druckseite der Schaufel (10) gebildet sind.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Platten (32) wenigstens einen weiteren, sich seitlich erstreckenden Kühlluftdurchlaß haben, der zwischen ihnen gebildet und so ausgerichtet ist, daß er in der Lage ist, Kühlluft aus dem sich in der Richtung der Spannweite erstreckenden Hohlraum (20,22) an die Saugseite der Schaufel (10) abzugeben.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der sich seitlich erstreckenden Kühlluftdurchlässe (34) an dem vorderen Rand der Schaufel (10) angeordnet und mit derartigem Umriß versehen ist, daß er dem Umriß des vorderen Randes längs- der Druckseite der Schaufel (10) angenähert ist.

4. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der sich seitlich erstreckenden Kühlluftdurchlässe (34) an dem vorderen Rand der Schaufel (10) angeordnet und mit derartigem Umriß versehen ist, daß er dem Umriß des vorderen Randes längs der Saugseite der Schaufel (10) angenähert ist.

5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (30, 32) weitere Durchlässe (40) aufweisen, die sich im wesentlichen in der Richtung der Spannweite durch die Kappe (24) von einem der sich in der Richtung der Spannweite erstreckenden Hohlräume (20,22) aus erstrecken.

6. Schaufel nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Kanal (42) in den Platten (30, 32), der sich in der Richtung der Profilsehne von dem Hohlraum (20, 22) aus zu dem hinteren Rand der Spitze (18) erstreckt, und durch einen

zweiten weiteren Kühlluftdurchlaß (44), der sich im wesentlichen in der Richtung der Spannweite von dem Kanal (42) aus erstreckt, so daß er das Abgeben von Kühlluft aus dem Hohlraum über den Kanal in der Richtung der Spannweite aus der Spitze an dem hinteren Rand ermöglicht.

7. Schaufel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kanal (42) in Richtung des hinteren Randes der Schaufel (10) verjüngt.