DE3211139C1

DE3211139C1 - Axialturbinenschaufel,insbesondere Axialturbinenlaufschaufel fuer Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3211139C1
Application number: DE3211139A
Authority: DE
Inventors: Horst 8062 Markt Indersdorf Gräml; Helmut 8061 Esterhofen Gröss
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1983-08-11
Also published as: GB2117455B; GB2117455A; JPS6151125B2; JPS58172407A; FR2524059A1; US4505639A; GB8308295D0; FR2524059B1

Description

Der als Schaufelvollprofil ausgebildete Nasenkantenbereich des Schaufelblattes ist von in Achsrichtung mit den Prallkühlbohrungen (3) fluchtend angeordneten Stiften oder Drähten (4) durchsetzt, die mit jeweils konischer Zuspitzung (5) in den der Nasenkante nächstliegenden Luftkanal (2) einmünden;

b) die Stifte der Drähte sind aus einem hochwärmeleitfähigen Werkstoff gefertigt;

c) der der Schaufelnasenkante nächstliegende Luftkanal weist zumindest teilweise gerundete Umfangswandabschnitte auf.

2. Axialturbinenschaufeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte oder Drähte (4) mittels eines Hochtemperaturlots in die zugehörigen, den Schaufelnasenkantenbereich durchsetzenden Bohrungen eingelötet und durch eine schaufelnasenkantenseitig aufgespritzte Wärmedämmschicht (7) geschützt sind.

3. Axialturbinenschaufel nach Anspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Bohrungslängsachse der Stifte bzw. Drähte und der Prallkühlbohrungen die radiale Mittellinie des der Schaufelnasenkante nächstliegenden Luftkanals schneidet oder, (8), zumindest in unmittelbarer Nähe an dieser, (9), entlanggeführt ist

4. Axialturbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Nasenkante nächstliegende Luftkanal (2) einen kreisförmigen oder elliptischen oder langlochartigen Querschnitt aufweist

5. Axialturbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der der Nasenkante nächstliegende Luftkanal einen sich in Richtung auf die Prallkühlbohrungseinmündungsstellen kontinuierlich erweiternden oder sich verengenden, tropfenförmigen Querschnitt aufweist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialturbinenschaufel, insbesondere Axialturbinenlaufschaufel für Gasturbinentriebwerke, die mittels Kompressorluft kühlbar ist, und hierzu mehrere radial durch das Schaufelblatt geführte Luftkanäle aufweist, von denen zwei über Prallkühlbohrungen miteinander verbunden sind, mit denen die über den einen Kanal in die Schaufel eingespeiste Kühlluft im Wege einer Aufprallkühlung dem der Schaufelnasenkante nächstliegenden anderen Kanal zugeführt wird, aus dem die Kühlluft mittels seitlich an der Schaufelbewandung tangential ausmündender Bohrungen ausblasbar ist.

Eine derartige Turbinenschaufel ist aus der DE-AS 16 01 561 bekannt. Bei dieser bekannten Turbinenschaufel umschließt ein allseits verhältnismäßig dünnwandiger Schaufelmantel mehrere radial durch das Schaufelblatt geführte Luftkanäle, die über verschiedene Öffnungen miteinander kommunizieren. Dabei wird die Kühlluft fußseitig über einen ersten radial verlaufenden Kanal zugeführt und von dort mittels in einer Querwand enthaltender Prallkühlbohrungen einem zweiten Luftkanal zugeführt, der im wesentlichen innerhalb der gesamten Nasenkante der Turbinenschaufel liegt. An der Schaufelnasenkante selbst weist der Schaufelmantel eine verhältnismäßig große Anzahl radial übereinander gestaffelt angeordneter Kühlluftausblasbohrungen auf, damit sich im Betrieb ein Kühlluftschleier entlang der Nasenkante ausbilden soll. Es läßt sich auf diese Weise zwar eine verhältnismäßig gute Kühlung der im Betrieb hochtemperaturbelasteten Schaufelnasenkante erzielen. Es ist jedoch bei länger anhaltendem Betrieb nicht auszuschließen, daß infolge einer zumindest teilweise anfallenden Verstopfung der äußerst feinen, nasenseitigen Kühlluftbohrungen die Kühlung entlang der gesamten Nasenkante gefährdet wird. Diese Verstopfung der Bohrungen kann z. B. durch Verunreinigungen des Kühlmittels bzw. der Kühlluft hervorgerufen werden.

Außerdem erfordert die Herstellung derartiger äußerst feiner, z. B. auf elektro-erosivem Wege hergestellter Bohrungen einen verhältnismäßig großen Aufwand, wobei zudem nach der Fertigstellung derartiger Bohrungen eine genaue Inspektion derselben erforderlich ist, um sicherzugehen, daß diese Bohrungen auch tatsächlich unter Bereitstellung der entsprechenden Durchströmquerschnitte fertig sind.

Ferner hat sich bei derartigen Turbinenschaufeln herausgestellt, daß auch die beschriebenen Prallkühlbohrungen trotz des betriebenen Kühlaufwandes besonders im Bereich deren Oberflächen angriffsgefährdet sind (Heißgaskorrosionen). Weiter ergibt sich eine verhältnismäßig schwierige Kontrollmöglichkeit dieser Prallkühlbohrungen der Schaufel. Darüber hinaus ist es vergleichsweise schwierig, derartige Prallkühlbohrungen insbesondere auf elektrochemischem Wege herstellen zu können, weil das Hindurchführen der betreffenden Bohrwerkzeuge durch die Luftkanäle den Bohrvorgang nicht unerheblich behindert, bzw. hierzu kompliziert herzustellende und zu handhabende Bohrwerkzeuge erforderlich werden.

Ferner müssen für das beschriebene Kühlverfahren der bekannten Schaufel verhältnismäßig hohe Kühlluftdrücke und Kühlluftgeschwindigkeiten zugrunde gelegt werden, verbunden mit nicht unerheblichen aerodynamischen Verlusten, insbesondere für die angestrebte Nasenkantenfilmkühlung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und eine gekühlte Schaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei geringer Verschleißanfälligkeit der besonders temperaturbelasteten Schaufelnasenkante sowie der Prallkühlbohrungen selbst eine optimale Kühlung der Nasenkante gewährleistet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1.

Infolge des Aufpralls der aus den Prallkühlbohrungen

abströmenden Kühlluft auf die zugespitzten Enden der nasenkantenseitig eingesetzten Stifte oder Drähte wird die Kühlluft intensiv verwirbelt und in längs der Innenwand des der Nasenkante nächstliegenden Kanals abströmende bzw. rezirkulierende Teilströme aufge- ο spalten, bevor sie über eine Reihe radial übereinander gestaffelt angeordneter Ausblasebohrungen vorzugsweise tangential entlang der Schaufelsaugseite ausgeblasen werden soll.

Als Resultat dieser optimalen Verwirbelung der Kühlluftströmung in Verbindung mit den zumindest teilweise aerodynamisch günstig abgerundeten Innenwandflächen des der Schaufelnasenkante nächstliegenden Kanals wird so eine vergleichsweise große Kühloberfläche geschaffen; die in Verbindung mit dem ι -, aus einem hoch-wärmeleitfähigen Material gefertigten Drähten oder Stiften einen gezielten und raschen Wärmetransport aus der besonders temperaturgefährdeten Nasenkantenzone, und damit deren optimale Kühlung gewährleistet.

Dabei wird zugleich eine weniger angriffsgefährdete Prallkühlbohrungsoberfläche erzielt.

Gegenüber einer Vorderkantenkühlluftausblasung gemäß dem eingangs genannten bekannten Fall kann die Kühlluft unter einem vergleichsweise niedrigen Druck zugeführt werden.

Die genannten Bohrungen bzw. Luftkanäle können auf elektrochemischen Wege hergestellt werden, sie können aber auch, was den ersten und zweiten Luftkanal betrifft, die beiden über die Prallkühlbohrun- jo gen kommunizieren, bereits im Schaufelrohling mitgegossen werden.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß die im Nasenkantenbereich befindlichen Bohrungen, in die später die Stifte oder Drähte eingesetzt werden sollen, r> »in einem Schuß« mit den Prallkühlungsbohrungen z. B. elektrochemisch gebohrt werden können. Bevor die Drähte oder Stifte in die betreffenden Bohrungen eingesetzt werden, besteht ferner eine fertigungsmäßig günstige Kontrollmöglichkeit der Prallkühlbohrungen durch einfache Sichtung der betreffenden Turbinenschaufel von der Vorderkante aus.

Ferner können die genannten Drähte oder Stifte an deren einen Enden durch Ätzen konusförmig zugespitzt werden. 4-,

Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Patentansprüche 2 bis 5 verwiesen.

Anhand der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise erläutert; es zeigt -,n

F i g. 1 einen die Schaufelnasenkante enthaltenden Teilquerschnitt einer Turbinenlaufschaufel und F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der F i g. 1. Die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Schaufelsektionen einer Turbinenlaufschaufel erläutern einen ersten, radial durch das Schaufelblatt geführten Luftkanal 1, der mit einem der Schaufelnasenkante nächstliegenden zweiten, radial durch das Schaufelblatt geführten Luftkanal 2 über eine Reihe gleichförmig übereinander gestaffelt angeordneten Prallkühlbohrungen 3 verbunden ist. Aus F i g. 1 erkennt man hauptsächlich, daß der Nasenkantenbereich des Schaufelblatts vom Grundsatz her ein Vollprofil darstellt und eine Reihe ebenfalls radial übereinander gestaffelt angeordneter Stifte bzw. Drähte 4 aufweist, die in Achsrichtung fluchtend mit den Prallkühlbohrungen 3 angeordnet sind. Mit einer jeweils konischen Zuspitzung 5 ragen diese Stifte oder Drähte 4 in den der Nasenkante nächstliegenden zweiten Luftkanal 2. Die Stifte und Drähte 4 sind aus einem hochwärmeleitfähigen Werkstoff gefertigt. Wie aus F i g. 1 ferner entnehmbar, werden die Luftkanäle 1 und 2 von Radialbohrungen bereitgestellt.

Die Kühlluft strömt also im vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Schaufelfußseite aus in den Luftkanal 1 ein, verzweigt sich dann gemäß Pfeilrichtung F, indem sie durch die Prallkühlbohrungen 3 geführt wird, aus denen sie — aufgrund der Drosselwirkung der zuletzt genannten Bohrungen beschleunigt — auf die entsprechend zugekehrten leicht abgerundeten Enden der konischen Zuspitzungen 5 der Stifte bzw. der Drähte 4 auftrifft, dabei hochintensiv verwirbelt und so abgelenkt wird, daß sie gemäß Pfeilrichtung P (F i g. 2) rezirkuliert sowie unter Bestreichung der zylindrischen Innenwand (Pfeile G) des zweiten Luftkanals 2 (F i g. 1) in die seitlich nach hinten geneigten Ausblasebohrungen 6 gelangt (Pfeile H), aus denen sie dann tangential entlang der Schaufelsaugseite abgeblasen wird.

Die Stifte oder Drähte 4 können mittels eines Hochtemperaturlots in die zugehörigen, den Schaufelnasenkantenbereich durchsetzenden Bohrungen eingelötet und insbesondere bezüglich der Verlötung durch eine schaufelnasenkantenseitig aufgespritzte Wärmedämmschicht 7 geschützt sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 ist selbstverständlich vorausgesetzt, daß der erste Luftkanal schaufelspitzenseitig und der zweite Luftkanal fuß- und spitzenseitig dichtend abgedeckt sind.

Gemäß F i g. 1 und 2 ist die gemeinsame Bohrungslängsachse 8 der Stifte oder Drähte 4 und der Prallkühlbohrungen 3 in unmittelbarer Nähe an der radialen Mittellinie 9 (F i g. 2) des zweiten Luftkanals 2 entlanggeführt. Diese gemeinsame Bohrungslängsachse kann aber auch die radiale Mittellinie des zweiten Luftkanals schneidend geführt sein.

Selbstverständlich könnte die Kühlluft aus dem zweiten Luftkanal nicht nur schaufelsaugseitig, sondern auch schaufeldruckseitig bzw. schaufelsaug- und/oder schaufeldruckseitig über entsprechende Bohrungen tangential entlang der betreffenden Schaufelwandungen ausgeblasen werden.

Im Gegensatz zu einer Schaufelfertigung mit eingelöteten Stiften oder Drähten wäre es bei einer im Gießverfahren herzustellenden Schaufel bzw. Schaufelkühlgeometrie der zuvor beschriebenen Art durchaus vorstellbar bzw. vorteilhaft, daß die Stifte bzw. Drähte als Kernstützen dienen und im Gußteil verbleiben (hochschmelzender Werkstoff).

Im Gegensatz zur kreisförmigen Querschnittskonfiguration nach F i g. 1 und 2 kann — in nicht weiter dargestellter Weise — der der Schaufelnasenkante nächstliegende zweite Luftkanal mit zumindest teilweise gerundeten Umfangswandabschnitten, also z. B. mit einem langlochartigen Querschnitt oder aber auch mit einem elliptischen oder einem tropfenförmigen Querschnitt ausgestattet sein. Im letzteren Fall können in Richtung auf die Prallkühlbohrungseinmündungsstellen sich entweder kontinuierlich erweiternde oder sich kontinuierlich verjüngende Tropfenprofilquerschnitte zugrunde gelegt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

Patent»· ,prüche:

1. Axialturbinenschaufel, insbesondere Axialturbinenlaufschaufel für Gasturbinentriebwerke, die mittels Kompressorluft kühlbar ist und hierzu mehrere radial durch das Schaufelblatt geführte Luftkanäle aufweist, von denen zwei über Prallkühlbohrungen miteinander verbunden sind, mit denen die über den einen Kanal in die Schaufel eingespeiste Kühlluft im Wege einer Aufprallkühlung dem der Schaufelnasenkante nächstliegenden anderen Kanal zugeführt wird, aus dem die Kühlluft mittels seitlich an der Schaufelbewandung tangential ausmündender Bohrungen ausblasbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

15