DE3534905C2 - Gekühlte hohle Turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Durch diese innerhalb des Schaufelblattes verlaufenden gewundenen Kanäle wird vom Kompressor abgezweigte Kühlluft geführt, die die Schaufel von innen her kühlt und über Löcher im Schaufel­ blatt austritt, um die Saugseite bzw. die Druckseite des Schaufelblattes durch Filmkühlung auf einer annehmbaren Temperatur zu halten. Im Sinne einer optimalen Wärmeübertra­ gung auf die Kühlluft sollte diese innerhalb der Schaufel in einer möglichst laminaren Strömung ohne Turbulenzen und Wirbelbildungen abfließen. Diese Bedingung ist insbesondere in den Umlenkkanälen zwischen den in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kanälen schwer zu verwirklichen.

Bei einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel, wie sie in der DE-29 06 365 A1 beschrieben ist, sind im Bereich des Umlenk­ kanals parallel zueinander zwei Umlenkschaufeln vorgesehen, die drei voneinander getrennte düsenförmige Umlenkkanäle definieren, nämlich einen ersten inneren Umlenkkanal zwischen dem in Richtung des vorderen Randes nach außen geneigten Ende der Trennwand und der inneren Umlenkschaufel, einen zweiten zwischen den beiden Umlenkschaufeln und einen dritten zwischen 1 der äußeren Umlenkschaufel und der Schaufelspitzenwand. Sämt­ liche Kanäle bilden eine Konvergent-Divergent-Düse. Das obere Ende der Trennwand bildet einen relativ scharfen Knick im verengten Düsenabschnitt, was zu Turbulenzen Anlaß gibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömungsführung der Kühlluft im Umlenkbereich derart zu verbessern, daß Turbu­ lenzen und Wirbel weitgehend verhindert werden und eine im wesentlichen laminare Strömung gewährleistet wird, die eine günstige Wärmeabfuhr bedingt.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß der Endabschnitt der Trennwand aerodynamisch ge­ staltet ist, wird das Auftreten eines scharfen Knicks an dieser Übergangsstelle verhindert und durch die besondere Gestalt der Umlenkschaufel, die sich in den stromaufwärtigen und den strom­ abwärtigen Strömungskanal erstreckt, wird über einen relativ großen Radius die Strömungsumlenkung bewirkt, wobei durch die konvergierende Ausbildung des Umlenkkanals eine laminare Strömung auf der Innen- und der Außenseite gewährleistet und die Gefahr eines Abreißens der Strömung vermindert wird.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird erreicht, daß die Paral­ lelführung der Luft in dem stromabwärtigen in Längsrichtung verlaufenden Kanal verbessert wird.

Durch die Ausbildung der Anzapflöcher im Bereich des Umlenk­ kanals gemäß Anspruch 3 wird eine zusätzliche Kühlung auf der Saugseite des Schaufelblattes gewährleistet und es wird eine ablösungsfreie Strömung im Inneren der Schaufel durch Grenz­ schichtabsaugung verbessert.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 ergibt sich eine optimale Luftführung, wodurch die Gefahr der Ablösung der Kühllluft von der Trennwand und der Umlenkschaufel an der Saugseite weiter vermindert wird.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Fan-Gasturbinentriebwerks, dessen Turbine gekühlte hohle Rotor­ schaufeln gemäß der Erfindung aufweist;

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Schnittansicht einer hohlen, ge­ kühlten Rotorschaufel der Turbine gemäß Fig. 1;

Fig. 3 in größerem Maßstab die Kühlluftumkehr­ stelle der hohlen gekühlten Rotor­ schaufel nach Fig. 2;

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Teilschnitt­ ansicht einer abgewandelten Ausführungs­ form der Kühlluftumlenkung;

Fig. 5 eine den Fig. 3 und 4 entsprechende Teilschnittansicht einer weiteren Aus­ führungsform der Kühlluftumkehr;

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Turbofan-Triebwerk 10, das in Strömungs­ richtung hintereinander einen Lufteinlaß 12, ein Gebläse und einen Zwischendruck-Kompressor aufweist, die gemeinsam mit den Bezugszeichen 14 bezeichnet sind und weiter einen Hochdruck-Kompressor 18, eine Verbrennungseinrichtung 20, einen Turbinenteil 22 und eine Schubdüse 24 aufweisen. Das Gasturbinentrieb­ werk arbeitet in bekannter Weise, d. h. die Luft wird durch den Fan, den Zwischendruck-Kompressor und den Hochdruckkompressor 14 bzw. 18 verdichtet, bevor sie der Verbrennungseinrichtung 20 zugeführt wird. Der Brennstoff wird in die Verbrennungseinrichtung einge­ spritzt und in der komprimierten Luft verbrannt, um heiße Gase zu erzeugen, die die Turbinen im Turbinen­ teil 22 antreiben, bevor die Turbinengase das Gastur­ binentriebwerk 10 über die Schubdüse 24 verlassen. Die Turbinen treiben den Fan, den Zwischendruck- und den Hochdruck-Kompressor über in der Zeichnung nicht dargestellte Wellen an. Der Fan liefert einen zusätz­ lichen Schub, indem er die Luft in einem Fankanal 16 be­ schleunigt, der das Kerntriebwerk umschließt.

Der Turbinenteil 22 umfaßt einen Statoraufbau 26 mit einem Gehäuse 28, welches die Begrenzung für die Heiß­ gasströmung darstellt, die Statorschaufeln 30 trägt und eine Abschirmung für eine oder mehrere Stufen von Rotorschaufeln bildet. Eine Rotorstufe 32 umfaßt eine oder mehrere Turbinenscheiben 34, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete, radial verlaufende Rotor­ schaufeln 36 tragen. Die Turbinenscheiben 34 sind über Wellen 38 mit dem Kompressor verbunden.

Die Rotorschaufeln 36 sind im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Es sind hohle, gekühlte Turbinenschaufeln der Bauart mit mehreren, hintereinander liegenden Kanälen. Jede Rotorschaufel 36 weist einen Schaufel­ fuß 40, eine Schaufelplattform 42 und ein Schaufelblatt 44 auf. Das Schaufelblatt 44 weist eine Vorderkante 46 und eine Hinterkante 48 sowie eine Saugseite 50 und eine Druckseite 52 auf, die sich vom Vorderrand nach dem Hinterrand erstrecken, und das Schaufelprofil definieren. Das Schaufel­ blatt besitzt außerdem eine Abschlußwand 54 an der Schaufelspitze. Außerdem sind mehrere innere Trennwände 56, 58, 60, 62 und 64 vorgesehen, die in Längsrichtung des Schaufelblattes von der Plattform 42 oder der Abschlußwand 54 an der Schaufelspitze verlaufen, die innerhalb des Schaufel­ blattes mehrere, in Längsrichtung verlaufende Kanäle 66, 68, 70, 72, 74 und 76 bilden. An der Schaufelspitze sind Umlenkkanäle 78, 80 und 82 sowie 84 angeordnet, die die Kanäle 76, 74, 72 und 70 verbinden und einen durchgehenden Strömungskanal für die Kühlluft bilden. Die Spitzen- Abschlußwand 54 weist Öffnungen 86, 88 und 90 auf, die mit den Kanälen 66, 68 und 82 in Ver­ bindung stehen, damit die Kühlluft über die Schaufel­ spitze des Schaufelblattes 44 ausgeblasen werden kann, um eine Kühlung zu bewirken und um den Leckstrom des Antriebsmittels zwischen der Schaufelspitze und der äußeren Begrenzung des Strömungskanals zu vermindern.

Die in Längsrichtung verlaufende Trennwand 64 in der Nähe der Hinterkante des Schaufelblattes 44 besitzt einen aerodynamisch gestalteten Endabschnitt 92, be­ nachbart zum Umlenkkanal 78. Der aerodynamisch gestaltete Endabschnitt 92 der Trennwand 64 ist in einem Winkel gegenüber der übrigen Wand 64 angeordnet, und der stromlinienförmig gestaltete Endabschnitt 92 er­ streckt sich nach der Hinterkante 48.

Eine Umlenkschaufel 94 mit relativ großem Umlenk­ radius liegt innerhalb des Umlenkkanals 78 im Abstand zu dem aerodynamisch ge­ stalteten Endabschnitt 92 der Trennwand 64, um einen düsenförmigen Kanal 96 dazwischen zu erzeugen. Die Um­ lenkschaufel 94 erstreckt sich um den aerodynamisch gestalteten Endabschnitt 92 der Trennwand 64, derart, daß der Vorderrand der Umlenkschaufel 94 benachbart zum Vorderrand des aerodynamisch gestalteten Endabschnitts 92 der Wand 64 liegt und der Hinterrand der Umlenk­ schaufel 94 sich in den Kanal 74 hineinerstreckt und be­ nachbart zur Hinterkante des aerodynamisch gestalteten Endabschnitts 92 liegt, wo der Endabschnitt 92 in den übrigen Teil der Wand 64 übergeht.

Der düsenförmige Kanal 96 konvergiert in Richtung vom Vorderrand nach dem Hinterrand der Umlenkschaufel 94. Die Hinterkante 48 des Schaufelblattes 44 ist mit mehreren Auslaßschlitzen 98 versehen, um Kühlluft aus dem Kanal 76 über die Hinterkante des Schaufelblattes 44 zwecks Filmkühlung austreten zu lassen. Der Schaufelfuß 40 und die Plattform 42 besitzen Kanäle 100, 102 und 104, die Kühlluft zuführen, die vom Kompressor 14 oder 18 den in Längsrichtung verlaufenden Kanälen 66 und 76 des Schaufelblattes 44 der Turbinenschaufel 36 geliefert wird.

Fig. 3 zeigt den Umlenkkanal 78 und die zugeord­ nete Umlenkschaufel 94 und den aerodynamisch ge­ stalteten Endabschnitt 92 der in Längsrichtung verlaufenden Trennwand 64 in größerem Maßstab. Der düsenförmige Kanal 96 ist deutlich erkennbar, und er be­ findet sich zwischen dem glatt gestalteten aerody­ namischen Endabschnitt 92 und der Umlenkschaufel 94.

Im Betrieb strömt Kühlluft, die vom Kompressor 14 oder 18 geliefert wird, durch die Kanäle 100, 102 und 104 in die in Längsrichtung verlaufenden Kanäle 66 bzw. 76 im Schaufelblatt 44. Die Kühlluft im Kanal 66 am Vorderrand des Schaufelblattes 44 strömt in Längsrichtung des Schaufelblattes 44 nach der Schau­ felspitze, wo die Kühlluft durch die Öffnung 86 ab­ strömt.

Die Kühlluft im Kanal 76 strömt in Längsrichtung im Schaufelblatt 44 nach der Spitze, wo die Kühl­ luft in den Umlenkkanal 78 eintritt und um 180° abgelenkt wird und in den Kanal 74 einströmt. Dann strömt die Kühlluft längs des Kanals 74 und wird wiederum um 180° in dem Umlenkkanal 80 in den Kanal 72 umgelenkt, und in gleicher Weise wird die Kühlluft um 180° in den Umlenkkanälen 82 und 84 umgelenkt, um in die Kanäle 70 bzw. 68 einzutreten. Ein Teil der Kühlluft in dem Umlenkkanal 82 strömt durch die Öff­ nung 90 ab und die Kühlluft, die durch den Kanal 68 strömt, fließt durch die Öffnung 88, um die Schaufel­ spitzenwand 54 des Schaufelblattes 44 zu kühlen.

Wie oben erwähnt, löst sich die über die Umlenkkanäle fließende Kühlluft vom Endabschnitt der in Längsrich­ tung verlaufenden Wände ab, wenn sie um den Endab­ schnitt der Wände herumströmt und dies ergibt Turbu­ lenzen, die zu Druckverlusten in den Kanälen führen. Die bei bekannten Schaufeln angewandten Umlenkschau­ feln im Umlenkkanal der Turbinenschaufeln hatten keinen besonders günstigen Einfluß.

Durch die Erfindung werden die Druckverluste in dem Umlenkkanal 78 dadurch vermindert, daß die in Längs­ richtung verlaufende Trennwand 64 mit einem aerodynamisch gestalteten Endabschnitt 92 ausgestattet ist, der gegenüber der übrigen Wand 64 im Winkel angestellt ist. Dadurch wird der Umlenkradius für die Kühlluftströmung um den Endabschnitt 92 der Wand 64 vergrößert, und es wird eine glatte, gekrümmte Oberfläche für die Kühlluftströmung geschaffen, wodurch eine Ablösung der Grenzschicht verhindert wird. Die Umlenkschaufel 94 erstreckt sich um den aerodynamisch gestalteten Endabschnitt 92 der Wand 64 und die Umlenkschaufel 94 besitzt einen relativ großen Umlenkradius und einen relativ großen Oberflächenbereich im Hinblick auf die Breite des Kanals 96, wodurch das Anhaften der Grenzschicht der Kühlluft an der Umlenkschaufel 94 begünstigt wird. Die um die Umlenkschaufel 94 strömende Kühlluft wird durch die Umlenkschaufel 94 so gerichtet, daß sie im wesentlichen parallel zu der Trennwand 64 ab­ strömt, wenn sie in den Kanal 74 eintritt.

Es ist ersichtlich, daß durch Richtung der den Kon­ vergentkanal 96 verlassenden Luft und der Kühlluft, die um die Ablenkschaufel 94 im wesentlichen parallel zur Wand 64 und parallel zueinander in den Kanal 74 strömt, die Turbulenz und Ablösung der Kühlluft von der Wand 64 vermindert werden, weil diese beiden Kühlluftströme nicht aufeinandertreffen und sich stören.

Der Umlenkkanal 78 konvergiert ebenfalls in Richtung der Strömung der Kühlluft vom Kanal 76 nach dem Ka­ nal 74 und dies unterstützt eine Verhinderung oder Begrenzung der Ablösung der Strömung.

Fig. 4 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Umlenkkanals 78 gemäß Fig. 3. Die Umlenkschaufel 94 ist mit einem Schwanz 106 versehen, der von der Umlenkschaufel 94 parallel zur Trennwand 64 in den Kanal 74 hineinsteht um zu gewährleisten, daß die Kühlluft, die in den düsenförmigen Kanal 96 eintritt, längs des Kanals 74 parallel zur Wand 64 gerichtet wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Umlenkkanals 78 gemäß Fig. 3. Der Umlenkkanal 78 steht über Anzapflöcher 108 und 110 mit der Saugseite 50 des Schaufelblattes 44 in Verbindung. Das Anzapfloch 108 liegt in dem düsenförmigen Kanal 96 zwischen der Umlenkschaufel 94 und dem aerodynamisch gestalteten Endabschnitt 92 dicht am Vorderrand des End­ abschnitts 92, und das Anzapfloch 110 liegt über der Umlenkschaufel 94 nahe am Vorderrand. Die Anzapflöcher 108 und 110 verhindern eine Ablösung der Kühlluft­ strömung von dem aerodynamisch gestalteten Endabschnitt 92 und der Umlenkschaufel 94 an den Vorderrändern, wo die Ablösung beginnt, so daß eine glatte Strömung erzielt wird.

Fig. 6 zeigt die in Längsrichtung verlaufenden Kanäle 66, 68, 70, 72, 74 und 76 und die Trennwände 56, 58, 60, 62 und 64 im Querschnitt. Die Wände 56, 58, 60, 62 und 64 verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Saugseite und zur Druckseite 50 bzw. 52. Die Wände sind vorzugsweise unter diesem Winkel angeordnet, weil die Wände 56, 58, 60, 62 und 64 gegenüber der Senkrechten zu den Seiten­ wänden unter Winkeln angestellt sind, die wesentlich anders sind als die Winkel, unter denen eine Ablösung der Kühlluft auftritt. Wenn die Wände 56, 58, 60, 62 und 64 in einem Winkel von etwa 27° bis 30° gegenüber der Seitenwand angestellt sind, dann strömt die Kühlluft, die über die Umlenkschaufel 94 und den Endabschnitt 92 und die anderen Wände 56, 58, 60 und 62 fließt, auf die Druckseite 52 und von der Saugseite 50 weg. Dies kann als konvergierende Strömung an der Druckseitenwand betrachtet werden und als eine divergierende Strömung an der Saugseite, und demgemäß als Trennung der Kühlluftströmung von der Saugseite 50 über die Schaufel 94 und den aerodynamisch ge­ stalteten Endabschnitt 92 der Wand 64 im Kanal 102.

Die Verwendung einer Umlenkschaufel und des aerody­ namisch gestalteten Endabschnitts, der im Winkel gegen­ über der übrigen Innenwand angestellt ist, um einen konvergierenden Kanal zu erzeugen, kann auch auf die anderen Innenwände des Schaufelblattes angewandt werden und nicht nur auf die Innenwand, die benachbart zur Hinterkante liegt, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Ablenkschaufel und der aerodynamisch gestaltete Endabschnitt, der gegenüber dem restlichen Teil einer Innenwand im Winkel angestellt ist, kann auf die Schaufel­ blätter jeder hohlen Turbinenschaufel angewandt werden, die wenigstens zwei in Längsrichtung verlaufende Kanäle besitzt, welche durch eine Trennwandung getrennt sind.

Claims (5)

1. Gekühlte hohle Turbinenschaufel (36) mit einem Schaufelfuß (40), mit einer Plattform (42), mit einem Schaufel­ blatt (44) mit wenigstens zwei in Längsrichtung verlaufenden Kanälen (76, 74) für die Kühlluft, mit wenigstens einem Um­ lenkkanal (78) für die Kühlluft und mit einer Trennwand (64) zwischen den in Längsrichtung verlaufenden Kanälen (76, 74), wobei die Trennwand (64) mit einem Endabschnitt (92) benach­ bart zu einem Umlenkkanal (78) angeordnet ist, und wobei eine Umlenkschaufel (94) im Abstand zu dem Endabschnitt (92) der Trennwand (64) vorgesehen ist, die dazwischen einen düsen­ förmigen Kanal bildet, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) der Endabschnitt (92) der Trennwand (64) ist im Bezug zur Umlenkschaufel (94) aerodynamisch gestaltet und in einem Winkel gegenüber der Trennwand (64) angestellt, wobei der aerodynamische Endabschnitt (92) der Trennwand (64) sich nach einer Wand (48) erstreckt, die die gegenüberliegende Begrenzung des in Strömungsrichtung ersten Kanals (76) bildet;
• b) der düsenförmige Kanal (96) zwischen dem aerodynami­ schen Endabschnitt (92) und der Umlenkschaufel (94) konvergiert in Richtung der Kühlluftströmung von dem ersten in Längsrich­ tung verlaufenden Kanal (76) nach dem zweiten in Längsrichtung verlaufenden Kanal (74);
• c) die Umlenkschaufel (94) zeigt einen relativ großen Umlenkradius auf und die den düsenförmigen Kanal (96) ver­ lassende Kühlluft ist im wesentlichen parallel zur Trennwand (64) gerichtet.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkschaufel (94) einen Schwanz (106) aufweist, der sich in Längsrichtung der Schaufel parallel zur Wand (64) in Strömungsrichtung im zweiten Kanal (74) erstreckt.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt (44) in der Saug­ seite (50) mit Anzapflöchern (108, 110) versehen ist, von denen das eine Anzapfloch (108) in dem düsenförmigen Kanal (96) be­ nachbart zur Vorderkante des aerodynamischen Endabschnitts (92) der Trennwand (64) und das andere Anzapfloch (110) in dem Um­ lenkkanal (78) benachbart zur Vorderkante der Umlenkschaufel (94) mündet.

4. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (64) und die Umlenk­ schaufel (94) einen Winkel von etwa 90° gegenüber der Druck- und Saugseite (52 bzw. 50) des Schaufelblattes einschließen.

5. Gasturbinentriebwerk mit hohlen gekühlten Turbinen­ schaufeln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.