DE3234906A1

DE3234906A1 - Gekuehlte hohlschaufel fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3234906A1
Application number: DE19823234906
Authority: DE
Inventors: Michael John Kings Langley Herts Buller
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1982-09-21
Publication date: 1983-06-01
Also published as: GB2106996A; JPS5867904A; FR2513695A1

Description

Gekühlte Hohlschaufel für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Hohlschaufel für ein Gasturbinentriebwerk. Die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks müssen häufig unter Temperaturen arbeiten, die so hoch sind, daß eine Schaufelkühlung erforderlich ist. Ein besonders zweckmäßiges Verfahren der Schaufelkühlung besteht darin, Kühlluft durch Kanäle innerhalb der Schaufel hindurchtreten zu lassen. Die Kühlluft kann von irgendeiner Kühlluftquel Ie abgeleitet werden, aber gewöhnlich wird sie von den Hochdruckstufen des Kompressors des Gasturbinentriebwerks abgezapft. Die Kühlluft kann durch die Schaufel über unterschiedlich angeordnete Pfade geführt werden, je nach dem gewünschten Kühlmuster, Wenn bestimmte Bereiche des Schaufelblattes einer örtlichen Überhitzung ausgesetzt sind, dann können diese Abschnitte durch Prallkühlung besonders wirksam gekühlt werden. Die Technik der Prallkühlung besteht darin, Kühl luftstrahlen auf die innere Oberfläche der Hohlschaufel in jenen Bereichen zu richten, die einer besonderen Kühlung bedürfen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, derartige Kühlluftstrahlen zu erlangen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Hohlschaufel beispielsweise durch ein Gußverfahren mit einer gelochten Innenwand zu versehen, die den zu kühlenden Bereich von einem Kühlluftzuführungskanai trennt. Die Kühlluft aus dem Kanal tritt dann durch die gelochte Wand hindurch, um Kühlluftstrahlen zu erzeugen,

die auf den zu kühlenden Bereich auftreffen. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß die integrale gelochte Wand einer übermäßigen Kühlung gegenüber der übrigen Schaufel ausgesetzt wird, so daß sie anfällig für eine Rissebildung infolge der thermischen Beanspruchungen wird.

Eine andere Möglichkeit.der Erzeugung der Kühlluftstrahlen besteht darin, einen Einsa.tz in den Hohlraum " der Schaufel einzubringen. Der Einsatz hat dann gewöhnlich die Form eines Rohres, welches mit Kühlluft gespeist wird und eine Vielzahl kleiner Löcher besitzt, um die Kühlluft auf die Bereiche der Schaufel zu leiten, die gekühlt werden sollen. Im Hinblick auf das zusätzliche Gewicht sind derartige Einsätze nicht besonders zweckmäßig und außerdem bestehen Schwierigkeiten im Hinblick auf eine wirksame Verankerung des Rohres innerhalb der Schaufel und eventuell erforderlicher Kompromisse im aerodynamischen Profil des Schaufelblattes zur Anpassung an den Einsatz.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine durch Prallkühlung gekühlte Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, die eine wirksame Prallkühlung gewährleistet und die erwähnten Schwierigkeiten beseitigt.

Die Erfindung geht aus von einer gekühlten Rotor-Hohlschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die mit einer gelochten Platte versehen ist, welche das Innere des Schaufelhohlraumes in zwei Kammern unterteilt.

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Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens ein Hauptteil der gelochten Platte frei und gegenüber der Schaufel so angestellt ist, daß im Betrieb wenigstens ein Hauptteii der gelochter Platte durch Zentrifugalkraft in Dichtungsberührung mit einer nach innen verlaufenden Rippe gebracht wird, die an der inneren Oberfläche der Schaufel angebracht ist, wobei eine der Kammern des Hohlraums der Schaufel mit Kühlluft derart gespeist wird, daß die Kühlluft durch die Öffnungen in der gelochten Platte hindurchtritt und eine Prallkühlung wenigstens eines Teils der inneren Oberfläche der anderen Kammer des Schaufelhohlraums bewirkt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt einer erfindungsgemäß ausgebildeten gekühlten Rotorhohlschaufel eines Gasturbinentriebwerks, geschnitten nach der Linie A-A gemäß Fig. 2;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß ■ Fig. 1.

Die in Figur 1 dargestellte gekühlte Rotor-Hohlschaufel 10 weist einen Schaufelfuß 11 herkömmlicher Form auf, um die Schaufel 10 am Umfang einer-nicht dargestellten Rotorscheibe festzulegen. Außerdem besitzt die Schaufel 10 ein stromlinienförmig gestaltetes Schaufelblatt 12

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und eine Plattform 13, die Schaufelfuß 11 und Schaufelblatt 12 miteinander verbindet.

Der innere Hohlraum 14 der Hohlschaufel 10 ist durch eine gelochte Platte 17 in zwei Kammern 15 und 16 unterteilt. Die Platte 17 ist nur an der Schaufelspitze 18 mit dem Schaufelblatt 12 verbunden. Der radial äußere Abschnitt 19 der·gelochten Platte 17 ist umgebogen, um an einer Festlegerippe 20 anzugreifen, die am radial äußeren Ende des inneren Schaufelabschnitts 15 vorgesehen ist. Der radial äußere Abschnitt 19 der gelochten Platte 17 ist an dieser Rippe 20 angeschweißt oder hart verlötet, so daß der übrige Teil der gelochten Platte 17 gegenüber der Schaufel 10 frei ist. Der freie Teil der gelochten Platte 17 ist gegenüber der Schaufel 10 so geneigt, daß bei Drehung der Schaufel 10 der freie Teil der gelochten Platte 17 unter Zentrifugalbelastung um die Festlegerippe 20 ausgelenkt wird. Die Auslenkung der gelochten Platte 17 wird durch eine nach innen vorstehende Rippe 21 begrenzt, die an der inneren Ober-, fläche der Schaufel 10 vorgesehen ist. Die Rippen 21 sind an den inneren Oberflächen beider Flanken der Schaufel 10 und auch benachbart zum radial inneren Ende der gelochten Platte 17 vorgesehen, so daß die Rippen 21 zusammen eine Dichtung über den Umfang der gelochten Platte 17 bilden. Durch Drehung der Schaufel 10 wird demgemäß der freie Abschnitt der gelochten Platte 17 in Dichtungseingriff mit den Rippen 21 gebracht, wodurch gewährleistet wird, daß die Öffnungen 22 die einzige Verbindung zwischen den beiden Kammern 15 und 16 des Schaufel inneren bilden.

Die Innenkammer 15 der Schaufel liegt benachbart zum Vorderrand 23 des Schaufelblattes 12 und bildet einen kleineren Anteil des inneren Gesamtvolumens der Schaufel 10. Die Kammer 16 im Schaufel inneren wird von dem Rest des Schaufelhohlraums im Schaufelblatt 10 gebildet und diese Kammer erstreckt sich in das Innere des Schaufelfußes 11.

Im Betrieb wird Kühlluft der inneren Schaufelkammer 16 von einer Druckluftquelle, beispielsweise vom Kompressor des Gasturbinentriebwerks zugeführt, indem die Schaufel 10 gelagert ist. Die Kühlluft tritt in die Innenkammer 16 über den Schaufelfuß 11 ein, und die radiale Strömung bewirkt eine Konvektionskühlung jener Abschnitte des Schaufelblattes 12, die die Kammer 16 begrenzen. Ein Teil der Kühlluft wird aus der Schaufelkammer 16 über eine öffnung 24 in einer Kappe 25 ausgeblasen, die die Innenkammer 16 an der Schaufelspitze 18 begrenzt. Der Rest der Kühlluft tritt jedoch durch die Öffnungen 22 der Platte 17 hindurch, um Luftstrahlen zu bilden, die auf der inneren Oberfläche des Schaufelvorderrandes 23 aufprallen und eine Aufprallkühlung des Vorderrandes 23 bewirken. Dann tritt die Kühlluft durch die Schaufelkammer 15 hindurch, wobei noch eine gewisse Konvektionskühlung bewirkt wird, bevor die Luft aus der Schaufelkammer 15 durch eine Öffnung 26 ausströmt, die im radial äußeren abgebogenen Abschnitt 19 der gelochten Platte 17 vorgesehen ist.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels wurde die Luft aus den Schaufelkammern 15 und 16 über Öffnungen 24 und 26 an der Schaufelspitze 18

ausgeblasen. Es könnten jedoch auch öffnungen auf den Flanken des Schaufelblattes 12 derart vorgesehen werden, daß Kühlluft über die Schaufelflanken in Form eines Küh1fiIms am Schaufelblatt 12 abfließt.

Oa die gelochte Platte 17 durch Zentrifugalkraft in Dichtungseingriff mit den Rippen 21 gebracht wird, ergibt sich nur ein minimaler Kühlluftleckstrom zwischen der gelochten Platte 17 und den Rippen 21. Durch die Erfindung wird demgemäß gewährleistet, daß eine wirksame Dichtung zwischen der gelochten Platte 17 und den Rippen 21 erlangt wird. Da der Hauptteil der gelochten Platte 17 nicht an der Schaufel 10 festgelegt ist, können sehr große Temperaturdifferenzen zwischen Schaufel 10 und gelochter Platte 17 zugelassen werden, ohne daß thermische Spannungen eingeführt werden.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Prallkühiung des Vorderrandes einer Rotorschaufel. Stattdessen könnte die gelochte Platte 17 auch an anderen Stellen innerhalb der Schaufel 10 so angeordnet werden, daß Kühlflächen beispielsweise an den Schaufelflanken gebildet werden. Die gelochte Platte 17 muß natürlich gegenüber der Schaufel 10 in der Weise angestellt sein, daß gewährleistet wird, daß sie durch Zentrifugalkraft in Dichtungs berührung mit entsprechend angeordneten Rippen an der inneren Oberfläche der Schaufel 10 gelangt.

Die gelochte Platte 17 braucht nicht notwendigerweise im Spitzenbereich 18 der Schaufel 10 festgelegt zu werden, sondern sie könnte beispielsweise auch an der Schaufel 10 im Bereich der Plattform 13 festgelegt

werden. Die gelochte Platte braucht auch nicht notwendigerweise an der Schaufel 10 durch Verlötung oder Verschweißung festgelegt zu werden, sondern sie könnte stattdessen auch über eine mechanische Verbindung festgelegt werden.

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Claims

Patentanwälte;. .I.'''-' --' "·" -Dnpl.-lng. C u rt Wal lach Europäische Patentvertreter Dipl.-ing. Günther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 21. September 1982

Rolls-Royce Limited unser zeichen: 17 491 - K/Ap

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Gekühlte Hohlschaufel für ein Gasturbinentriebwerk

Patentansprüche:

Gekühlte Hohlschaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einer gelochten Platte, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie das hohle Innere der Schaufel in zwei Kammern unterteilt,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Hauptteil der gelochten Platte (17) frei und gegenüber der Schaufel (10) derart geneigt ist, daß im Betrieb dieser Hauptteil der gelochten Platte (17) durch Zentrifugalkraft in Dichtungseingriff mit einer nach innen vorspringenden Rippe (21) gebracht wird, die auf der inneren Oberfläche der Schaufel (10) vorgesehen ist, und daß eine der Kammern (16) des inneren Hohlraumes (14) der Schaufel im Betrieb mit Kühlluft derart gespeist wird, daß die Kühlluft durch die Öffnungen (22) der gelochten Platte (17) hindurchtritt, um eine Prallkühlung auf wenigstens einem Teil der inneren Oberfläche der anderen Kammer (15) des Schaufelhohlraums (14) zu bewirken.
2. Gekühlte Hohlschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleinerer Abschnitt der gelochten Platte (17) fest an der Schaufel (10) im Bereich der radial äußeren Spitze (18) festgelegt ist.
3. Gekühlte Hohlschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Abschnitt der gelochten Platte (17) an der Schaufel (10) im Bereich der radial äußeren Spitze (18) hart verlötet oder angeschweißt ist.
4. Gekühlte Hohlschaufel'nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß jener Teil der inneren Oberfläche des Schaufelhohlraumes (14), der der Prallkühlung ausgesetzt ist, benachbart zum Vorderrand (23) der Schaufel (10) verläuft.