DE3507578A1 - TURBINE BLADE WITHOUT TAPE - Google Patents
TURBINE BLADE WITHOUT TAPEInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Laufschaufeln für Turbomaschinen und insbesondere auf die Spitzenausnehmungen bei Laufschaufeln von Turbomaschinen in der Anwendung für Gasturbinentriebwerke.The invention relates to rotor blades for turbomachinery and, more particularly, to the tip recesses in the rotor blades of turbo machines in the application for gas turbine engines.
Der Wirkungsgrad jeder Rotorstufe eines Gasturbinentriebswerks hängt von der Energiemenge ab, die in der Rotorstufe übertragen wird, und diese Übertragung wird insbesondere bei Schaufeln ohne Mantelring durch die Leckströmung des Arbeitsmittels begrenzt, d.h. durch den Luft- oder Gasleckstrom über die Spitzen der Laufschaufeln. Dadurch, daß die Leckluftströmung oder die Leckgasströmung über die Spitzen der Schaufeln gesteuert wird, gelingt es den Wirkungsgrad jeder Rotorstufe zu erhöhen.The efficiency of each rotor stage of a gas turbine engine depends on the amount of energy which is transmitted in the rotor stage, and this transmission is particularly in the case of blades without Shell ring limited by the leakage flow of the working medium, i.e. by the air or gas leakage flow over the tips of the blades. In that the leakage air flow or the leakage gas flow Is controlled via the tips of the blades, it succeeds the efficiency of each rotor stage to increase.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufel für eine Turbomaschine zu schaffen, bei der die Leckluftströmung oder die Leckgasströmung über der Spitze der nicht mit einem Schaufelring bzw. Deckband versehenen Schaufel vermindert wird.The invention is based on the object of creating a blade for a turbomachine of the leakage air flow or the leakage gas flow over the top of the not with a vane ring or shroud provided blade is reduced.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch eine Turbinenlaufschaufel ohne Mantelring, die ein Schaufelblatt aufweist, dessen radial äußeres Ende eine Ausnehmung besitzt, die durch eine Umfangswand definiert ist, wobei sich wenigstens eine Querwand über die Ausnehmung erstreckt und die mittlere Sehnenlinie schneidet und dabei die nächsten zwei Kammern bildet,The task at hand is achieved by a turbine blade without a casing ring, which has an airfoil has, the radially outer end of which has a recess which is defined by a peripheral wall, at least one transverse wall extending across the recess and the central chord line cuts and thereby forms the next two chambers,
und wobei die Umfangswand, die über die Ausnehmung verlaufende Wand, die Kammern und ein hiermit zusammenwirkender stationärer Schaufelring eine Labyrinthdichtung bilden, um die Leckströmung heißer Gase zwischen den radial äußeren Enden des Schaufelblattes und des Mantelrings zu steuern.and wherein the peripheral wall, the wall extending over the recess, the chambers and a cooperating therewith stationary vane ring forming a labyrinth seal to prevent the leakage of hot gases between the radially outer ends of the To control the blade and the jacket ring.
Die eine Wand, die sich quer über die Ausnehmung erstreckt und die mittlere Sehnenlinie schneidet, verläuft im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Leckströmung heißer Gase zwischen dem radial äußeren Ende des Schaufelblattes und des Schaufelrings.The one wall that extends across the recess and intersects the central chordal line, runs essentially perpendicular to the direction of the leakage flow of hot gases between the radially outer one End of the airfoil and the airfoil.
Das Schaufelblatt kann zwei oder drei Wände aufweisen, die über die Ausnehmung im radial äußeren Ende des Schaufelblattes verlaufen.The airfoil can have two or three walls, which over the recess in the radially outer Run at the end of the blade.
Das Schaufelblatt kann innen Kanäle zur Führung der Kühl luftströmung aufweisen.The airfoil can have inside channels for guiding the cooling air flow.
Das Schaufelblatt kann hohl ausgebildet sein und eine Außenwand aufweisen, die die Außenform des Schaufelblattes bestimmt, während eine Innenwand den inneren Hohlraum des Schaufelblattes in eine innere und eine äußere Kammer unterteilt, wobei die Innenwand im Abstand zu der Außenwand durch mehrere Stege gehalten wird, die von der Außenwand vorstehen während die Innenwand mehrere öffnungen aufweist, die eine Kühl luftströmung aus der inneren Kammer in die äußere Kammer und ein Auftreffen auf die innere Oberfläche der Außenwand ermöglichen.The airfoil can be hollow and have an outer wall that has the outer shape of the Airfoil determined, while an inner wall, the inner cavity of the airfoil in a inner and outer chamber divided, the inner wall at a distance from the outer wall by several Web is held that protrude from the outer wall while the inner wall has several openings that a flow of cooling air from the inner chamber into the outer chamber and an impingement on the inner surface enable the outer wall.
Die Außenwand des Schaufelblattes besitzt mehrere Öffnungen, durch die Kühlluft in der äußeren Kammer nach der äußeren Oberfläche der Außenwand strömen kann.The outer wall of the airfoil has several openings through which the cooling air in the outer chamber can flow to the outer surface of the outer wall.
Stattdessen kann das Schaufelblatt auch im wesentlichen massiv ausgebildet sein.Instead, the blade can also be designed to be essentially solid.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:The following is an embodiment of the invention described with reference to the drawing. In the drawing show:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks, teilweise aufgebrochen, um den Turbinenabschnitt erkennen zu lassen;1 is a schematic view of a gas turbine engine, partially broken away, to reveal the turbine section;
Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teilschnitt des Turbinenteils;2 shows a partial section of the turbine part on a larger scale;
Fig. 3 in größerem Maßstab eine Ausführungsform der Spitze der Turbinenlaufschaufel gemäß Fig. 2;3 shows an embodiment of the tip of the turbine blade on a larger scale according to FIG. 2;
Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 3;Fig. 4 is a section along the line A-A of Fig. 3;
Fig. 5 in größerem Maßstab die Richtung derFig. 5 shows on a larger scale the direction of
Leckströmung über die Spitze der Turbinenlaufschaufel gemäß Fig. 2;Leakage flow over the tip of the turbine blade according to FIG. 2;
Fig. 6 in größerem Maßstab eine Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Spitze der Turbinenrotorschaufel gemäß Fig. 2;6 shows, on a larger scale, a view of a modified embodiment the tip of the turbine rotor blade according to FIG. 2;
Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 6;7 shows a section along the line B-B according to FIG. 6;
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie C-C gemäß Fig. 7.FIG. 8 shows a section along the line C-C according to FIG. 7.
Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Figur 1 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen Fan 12, einen Kompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 16, einen Turbinenabschnitt 18 und eine Schubdüse 20 auf. Der Turbinenteil 18 umfaßt mehrere Rotorstufen 22 und Statorschaufeln 26, wobei jeder Rotor 22 mehrere Turbinenschaufeln 24 aufweist, die radial vom Rotor vorstehen.The gas turbine engine 10 according to FIG. 1 has a fan 12, one behind the other, in the direction of flow Compressor 14, a combustion device 16, a turbine section 18 and an exhaust nozzle 20. The turbine part 18 comprises a plurality of rotor stages 22 and stator blades 26, each rotor 22 having a plurality Has turbine blades 24 which protrude radially from the rotor.
Figur 2 zeigt einen Rotor 22 und eine Turbinenschaufel 24, die an diesem Rotor festgelegt ist, und außerdem sind die benachbarten Statorschaufeln 26 ersichtlich. Die Turbinenschaufel 24 weist einen Schaufelfuß 28, eine Schaufelfußplattform 30 und ein Schaufelblatt 32 auf, wobei Schaufelfuß 28 und Schaufelblatt 32 an gegenüberliegenden Seiten der Schaufelplattform 30 befestigt sind. Das Schaufelblatt 32 weist eine Schaufelspitze 34 an dem der Plattform 30 gegenüberliegenden Ende Figure 2 shows a rotor 22 and a turbine blade 24, which is fixed to this rotor, and also the adjacent stator blades 26 can be seen. The turbine blade 24 has a blade root 28, a blade root platform 30 and an airfoil 32 on, with blade root 28 and blade 32 on opposite sides of the bucket platform 30 are attached. The airfoil 32 has a blade tip 34 at the end opposite the platform 30
auf, und die Schaufelspitze 34 besitzt eine Ausnehmung 36. Ein Schaufelring 38 verläuft in Umfangsrichtung im Abstand zum Rotor 22 und ist von den radial verlaufenden Turbinenschaufeln 24 durch einen Spalt 40 im Abstand angeordnet-on, and the blade tip 34 has a recess 36. A blade ring 38 extends in the circumferential direction at a distance from the rotor 22 and is from the radial turbine blades 24 arranged at a distance through a gap 40-
Figur 3 und 4 zeigen die Ausnehmung 36 in der Schaufelspitze 34 des Schaufelblattes 32. Das Schaufelblatt 32 weist eine Vorderkante 42 und eine Hinterkante 44 sowie eine Umfangswand 46 auf, die am radial äußeren Ende des Schaufelblattes eine Ausnehmung 36 definiert. Die Ausnehmung 36 ist in eine Anzahl von Kammern 48, 50, 52 und 54 durch mehrere Wände 56, 58, 60 unterteilt, die quer über die Ausnehmung 36 verlaufen und die mittlere Sehnenlinie des Schaufelblattes schneiden.Figures 3 and 4 show the recess 36 in the blade tip 34 of the blade 32. Das The airfoil 32 has a leading edge 42 and a trailing edge 44 and a peripheral wall 46, which defines a recess 36 at the radially outer end of the airfoil. The recess 36 is in a number of chambers 48, 50, 52 and 54 through a plurality of walls 56, 58, 60 divided across the recess 36 and the central chord line cut the shovel blade.
Figur 5 zeigt die Leckstromrichtung über der Spitze 34 einer Turbinenschaufel 24. Bei Turbinen, bei denen die Turbinenlaufschaufeln kein Deckband besitzen besteht die Neigung, daß ein kleiner Anteil des Arbeitsmittels, das die Turbine durchströmt, von der konkaven Druckoberfläche 100 des Schaufelblattes nach der konvexen Saugoberfläche 102 des Schaufelblattes durch den Spalt 40 zwischen der Schaufelspitze des Schaufelblattes und dem stationären Schaufelring strömt. Diese Leckströmung ergibt sich wegen einer Druckdifferenz, die zwischen den Druck- und Saugoberflächen des Schaufelblattes besteht, und die Leckströmung bewirkt außerdem Strömungswirbel über einen großen Abschnitt der Höhe des Schaufelblattes, wodurch die Leistung der Turbine absinkt.FIG. 5 shows the direction of the leakage flow over the tip 34 of a turbine blade 24. In the case of turbines in which the turbine blades do not have a shroud the tendency that a small portion of the working fluid that flows through the turbine, from the concave Pressure surface 100 of the airfoil after the convex Suction surface 102 of the airfoil through the gap 40 between the airfoil tip and the stationary vane ring flows. This leakage flow results from a pressure difference which exists between the pressure and suction surfaces of the airfoil and which causes the leakage flow In addition, flow vortices over a large section of the height of the airfoil, reducing the performance the turbine sinks.
Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen die Ausnehmung 36 in der Spitze 34 eines Schaufelblattes 32, die eine unterschiedliche Anzahl von Wänden aufweisen, die quer über die Ausnehmung verlaufen, wobei außerdem die Innenkonstruktion des Schaufelblattes 32 ersichtlich ist. Das Schaufelblatt besitzt einen Vorderrand 62 und einen Hinterrand 64,und eine Umfangswand 66 am radial äußeren Ende des Schaufelblattes definiert die Ausnehmung 36. Die Ausnehmung 36 ist in mehrere Kammern 68, 70 und 72 durch mehrere Wände 74, 76 unterteilt, die über die Ausnehmung verlaufen und die mittlere Sehnenlinie des Schaufelblattes schneiden. Die Innenkonstruktion des Schaufelblattes ist ebenfalls dargestellt, und diese besteht bei dem Ausführungsbeispiel aus einer inneren Kammer 80 bzw. einer äußeren Kammer 78, die durch eine Innenwand 82 voneinander getrennt sind. Die Innenwand besitzt mehrere Öffnungen 84, die die Innenkammer mit der Außenkammer 78 verbinden, so daß Kühlluft in der inneren Kammer 80 durch die Öffnungen 84 strömen und auf die innere Oberfläche der Außenwand 86 des Schaufelblattes auftreffen kann, um die Kühlung zu unterstützen. Es können auch andere Kühlmaßnahmen vorgesehen werden, beispielsweise Öffnungen 88 in der Außenwand des Schaufelblattes, um eine Filmkühlung auf der äußeren Oberfläche der Außenwand zu erzeugen.Figures 6, 7 and 8 show the recess 36 in the tip 34 of an airfoil 32, the one have different numbers of walls running across the recess, and also the inner construction of the airfoil 32 can be seen. The airfoil has a Leading edge 62 and a trailing edge 64, and a peripheral wall 66 at the radially outer end of the airfoil defines the recess 36. The recess 36 is divided into several chambers 68, 70 and 72 by several Walls 74, 76 divided, which extend over the recess and the central chord line of the airfoil cut. The internal structure of the airfoil is also shown, and this exists in the exemplary embodiment from an inner chamber 80 or an outer chamber 78, which is defined by an inner wall 82 are separated from each other. The inner wall has a plurality of openings 84 that define the inner chamber with the outer chamber 78 so that cooling air in the inner chamber 80 flows through the openings 84 and impinging on the inner surface of the outer wall 86 of the airfoil to provide cooling support. Other cooling measures can also be provided, for example openings 88 in the outer wall of the airfoil to create film cooling on the outer surface of the outer wall.
Eine Turbinenschaufel 24, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, wird allgemein durch Gießen von Schaufelfuß, Plattform und Außenwand des Schaufel-A turbine blade 24 as shown in the drawing is generally made by casting Blade root, platform and outer wall of the blade
blattes hergestellt, und die Innenwand 82 wird durch Hartverlötung mit einer Zahl von Stegen verbunden, die von der inneren Oberfläche der Außenwand 86 vorstehen. Die Spitze 34 des Schaufelblattes wird dann am radial äußeren Ende des Schaufelblattes durch Hartverlötung oder andere metallurgische Maßnahmen oder durch mechanische Mittel festgelegt.sheet made, and the inner wall 82 is brazed with a number of webs which protrude from the inner surface of the outer wall 86. The tip 34 of the airfoil is then brazed or otherwise at the radially outer end of the airfoil metallurgical measures or determined by mechanical means.
Im Betrieb tritt Luft in das Gasturbinentriebwerk 10 ein und durchströmt dieses, wobei die Luft durch den Fan 12 und den Kompressor 14 verdichtet wird. In der komprimierten Luft wird innerhalb des Verbrennungssystems 16 Brennstoff verbrannt und die durch Verbrennung von Brennstoff und Luft erzeugten heißen Gase strömen durch den Turbinenteil 18 nach der Schubdüse 20 und von dort in die Atmosphäre. Die heißen Gase treiben die Turbinen an, die ihrerseits den Fan 12 und den Kompressor 14 über Wellen in Drehung versetzen.In operation, air enters the gas turbine engine 10 and flows through it, with the air passing through the fan 12 and the compressor 14 is compressed. In the compressed air, fuel is burned within the combustion system 16 and that by combustion Hot gases generated by fuel and air flow through the turbine part 18 according to the Thrust nozzle 20 and from there into the atmosphere. The hot gases drive the turbines, which in turn set the fan 12 and the compressor 14 in rotation via shafts.
Der Turbinenteil 18 weist Statorschaufeln 26 und Rotorschaufeln 24 auf, die abwechselnd aufeinanderfolgen und jede Statorschaufel 26 richtet die heißen Gase auf das Schaufelblatt 32 der Rotorschaufel 24 unter dem optimalen Winkel. Jede Rotorschaufel 24 entnimmt den heißen Gasen kinetische Energie, wenn sie über den Turbinenteil 18 abströmen, um Fan 12 und Kompressor 14 anzutreiben.The turbine part 18 has stator blades 26 and rotor blades 24 which alternate one behind the other and each stator blade 26 directs the hot gases onto the airfoil 32 of the rotor blade 24 at the optimal angle. Each rotor blade 24 takes kinetic energy from the hot gases when they flow off via the turbine part 18 in order to drive the fan 12 and compressor 14.
Der Wirkungsgrad, mit dem die Rotorschaufeln 24 kinetische Energie aus den Heißgasen entnehmen, bestimmt den Wirkungsgrad der Turbine, und dies wiederum ist teilweise abhängig von dem Leckstrom der Heißgase zwischen der Spitze 34 des Schaufelblattes 32 und dem ringsum verlaufenden Mantelring 38. Durch Einstellung der Leckströmung zwischen der Spitze 34 des Schaufelblattes 32 und dem ringsherum verlaufenden Mantelring 38 kann der Wirkungsgrad der Turbine verbessert werden.The efficiency with which the rotor blades 24 extract kinetic energy from the hot gases, determines the efficiency of the turbine and this in turn is in part dependent on the leakage current of the hot gases between the tip 34 of the airfoil 32 and the circumferential jacket ring 38. By adjusting the leakage flow between the tip 34 of the airfoil 32 and that around it extending jacket ring 38, the efficiency of the turbine can be improved.
Die Leckströmung über die Spitze 34 des Schaufelblattes 32 kann dadurch vermindert werden, daß in der Spitze 34 des Schaufelblattes 32 eine Ausnehmung 36 vorgesehen wird, und diese Ausnehmung 36 besitzt mehrere Wände 56, 58 und 60, die über die Ausnehmung 36 verlaufen und die mittlere Sehnenlinie des Schaufelblattes schneiden, um mehrere Kammern 48, 50, 52 und 54 zu bilden, wie dies aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist. Die Wände 56, 58 und 60 sind im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Leckströmung angeordnet, um eine optimale Verminderung der Leckströmung zu erreichenThe leakage flow over the tip 34 of the airfoil 32 can be reduced in that in the tip 34 of the airfoil 32 has a recess 36 is provided, and this recess 36 has a plurality of walls 56, 58 and 60 which extend over the recess 36 and intersect the central chord line of the airfoil to several chambers 48, 50, 52 and 54, as can be seen from FIGS. 3 and 4. The walls 56, 58 and 60 are essentially arranged perpendicular to the direction of the leakage flow in order to achieve an optimal reduction in the leakage flow
Die Wände 56, 58 und 60 und die Umfangswand 46 bilden eine Labyrinthdichtung zusammen mit dem in Umfangsrichtung verlaufenden Mantelring 38. Es wird angenommen, daß eingeschlossene Wirbel in jeder Kammer 48, 50, und 54 erzeugt werden, und diese eingeschlossenen Wirbel vermindern die Leckströmung zwischen der Spitze 34 der Turbinenrotorschaufel 24 und dem Mantelring 38.The walls 56, 58 and 60 and the peripheral wall 46 form a labyrinth seal together with the circumferential casing ring 38. It is assumed that trapped vortices are created in each chamber 48, 50, and 54, and these trapped vortices reduce the leakage flow between the tip 34 of the turbine rotor blade 24 and the shroud 38.
Die Leckströmung muß über mehrere Wände 56, 58 und 60 abströmen, die direkt über den Strömungspfad verlaufen, und die Leckströmung wird in jeder Kammer 48, 50, 52 und 54 nacheinander durch die zugeordneten Wirbel verringert, die in jeder Kammer vorhanden sind.The leakage flow must flow out over several walls 56, 58 and 60, which run directly over the flow path, and the leakage flow in each chamber 48, 50, 52 and 54 is sequentially through the associated Reduced vortices present in each chamber.
In ähnlicher Weise bilden die Wände 74 und 76 und die Umfangswand 66 eine Labyrinthdichtung zusammen mit dem in Umfangsrichtung verlaufenden Schaufelring 38 gemäß Fig. 6 und 7, und die in den Kammern 68, 70 und 72 eingeschlossenen Wirbel vermindern die Leckströmung zwischen der Spitze 34, der Turbinenlaufschaufel 24 und dem Schaufelring 38.Similarly, walls 74 and 76 and peripheral wall 66 together form a labyrinth seal with the blade ring running in the circumferential direction 38 according to FIGS. 6 and 7, and the vortices enclosed in chambers 68, 70 and 72 reduce the Leakage flow between tip 34, turbine blade 24, and blade ring 38.
Die Kammern, die in der Ausnehmung der Spitze des Schaufelblattes ausgebildet sind, müssen genügend groß sein um einen oder mehrere eingeschlossene Wirbel in jeder Kammer aufnehmen zu können. Wenn beispielsweise ein Honigwabenaufbau mit einer großen Zahl von Kammern benutzt wird, dann läßt sich die Leckströmung zwischen der Spitze des Schaufelblattes und dem Schaufelring nicht wesentlich vermindern, weil keine Wirbel in den Kammern des Honigwabenaufbaus sich ausbilden können.The chambers that are formed in the recess in the tip of the airfoil must be sufficient be large to accommodate one or more trapped vertebrae in each chamber. For example, if If a honeycomb structure with a large number of chambers is used, the leakage flow can be reduced between the tip of the airfoil and the airfoil does not decrease significantly because there are no vortices can develop in the chambers of the honeycomb structure.
Die Ausnehmung in der Spitze des Schaufelblattes und die Wände, die quer über die Ausnehmung verlaufen, können bei massiven Turbinenschaufeln oder bei Turbinen· schaufeln Anwendung finden, die hohl ausgebildet sind und innere Kühlkanäle besitzen.The recess in the tip of the airfoil and the walls that run across the recess, can be used with solid turbine blades or with turbine blades that are hollow and have internal cooling channels.
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1985
- 1985-02-22 JP JP60034268A patent/JPS60206903A/en active Pending
- 1985-02-28 FR FR8502930A patent/FR2560929A1/en active Pending
- 1985-03-04 DE DE19853507578 patent/DE3507578A1/en not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2560929A1 (en) | 1985-09-13 |
| GB2155558A (en) | 1985-09-25 |
| JPS60206903A (en) | 1985-10-18 |
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