DE3930324A1 - Stromlinienfoermige turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine stromlinienförmige Turbinen­ schaufel und insbesondere auf eine mit Schaufelringen versehene Turbinenschaufel zur Benutzung in einer Axialströmungsturbine.

Der Wirkungsgrad von Axialströmungsturbinen hängt u.a. von dem Zwischenraum zwischen den radial äußeren Enden der Turbinen- Rotorschaufeln und dem Gehäuse ab, das normalerweise die Schaufeln umgibt. Wenn der Zwischenraum zu groß ist, erfolgt ein Gasleckstrom über den dazwischen liegenden Spalt, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine abgesenkt wird. Wenn der Zwischen­ raum jedoch zu klein ist besteht die Gefahr, daß unter gewissen Umständen eine zerstörende Berührung zwischen Schaufelspitzen und Gehäuse auftritt.

Eine Möglichkeit, diesen Leckstrom zu verringern, besteht darin jede Turbinenschaufel mit einem Schaufelringabschnitt am radial äußeren Ende zu versehen. Die Schaufelringabschnitte benachbar­ ter Turbinenschaufeln wirken zusammen, um für den Gasleckstrom eine ringförmige Begrenzung zu schaffen.

Damit eine wirksame Gasleckstrom-Barriere geschaffen wird und Vibrationsprobleme der Schaufel vermindert werden, werden Schritte durchgeführt um zu gewährleisten, daß benachbarte Schaufelringabschnitte aneinander anstoßen und so zusammen­ wirken, um einen starren Schaufelringaufbau zu bilden. Dies erfordert die Anordnung eines harten, abnutzungsfesten Legie­ rungsüberzugs auf den aneinanderstoßenden Schaufelringober­ flächen. In der Praxis hat es sich jedoch gelegentlich gezeigt, daß diese Überzüge sehr heiß werden und dies kann sowohl zu einer Kriechextrusion als Folge der Zentrifugalbelastung führen und sogar zu einem Abbrennen. Beide Effekte können zum Auftreten von Spalten zwischen benachbarten Schaufelringabschnitten führen, so daß der Turbinenwirkungsgrad infolge des Gasleck­ stroms durch die Spalte abfällt und Vibrationsprobleme auftreten können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine stromlinien­ förmig aufgebaute Turbinenschaufel mit Schaufelringabschnitten zu schaffen, die einen harten, verschleißfesten Legierungs­ überzug auf den einander berührenden Oberflächen aufweisen, wobei der Überzug im Betrieb der Turbine so gekühlt wird, daß eine Kriechextrusion und Verbrennungsprobleme vermieden oder vermindert werden.

Gemäß der Erfindung ist eine stromlinienförmige Turbinenschaufel an einem Ende mit Mitteln zur Befestigung am Umfang einer dreh­ baren Scheibe und am gegenüberliegenden Ende mit einem Schaufel­ ringabschnitt versehen, der Teile mit Oberflächen aufweist, die an entsprechenden Oberflächen entsprechender Teile von Schaufel­ ringabschnitten benachbarter Turbinenschaufeln anstoßen, wobei wenigstens einer der aneinanderstoßenden Teile mit einer Kühl­ mittelquelle über eine Leitung verbunden ist, die innerhalb des Schaufelringabschnittes verläuft und teilweise durch wenigstens einen Anschlagteil definiert ist, so daß im Betrieb die Kühl­ mittelströmung durch die Leitung eine Kühlung des Anschlagteils bewirkt und wobei die Leitung zusätzlich mit wenigstens einer Kühlmittelauslaßöffnung versehen ist, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß das Kühlmittel aus der Leitung in einer solchen Richtung ausgeblasen wird, daß eine Kühlmittelströmung über einen äußeren Bereich wenigstens des einen Anschlagteils geliefert wird, um eine zusätzliche Kühlung des Anschlagteils zu bewirken.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht der oberen Hälfte eines Mantel­ strom-Gasturbinentriebwerks mit einer Turbine, welche strom­ linienförmige Schaufeln gemäß der Erfindung aufweist;

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Teils der Turbine des Mantelstrom-Gasturbinentriebwerks nach Fig. 1.

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie C-C gemäß Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 weist ein Mantelstromtriebwerk bzw. ein Fantrieb­ werk (10) in herkömmlicher Weise in Strömungsrichtung hinter­ einander einen Lufteinlaß (11), einen Fan (12), einen Mittel­ druck- und einen Hochdruckkompressor (13) bzw. (14), eine Ver­ brennungseinrichtung (15), eine Hochdruckturbine (16), eine Zwischendruckturbine (17) und eine Niederdruckturbine (18) auf, die jeweils mit dem Hochdruckkompressor (14), dem Zwischen­ druckkompressor (13) und dem Fan (12) verbunden sind, und schließlich eine Abgasdüse (19). Das Triebwerk (10) arbeitet in der üblichen Weise, wobei Luft über den Einlaß (11) einge­ saugt und in zwei Strömungen unterteilt wird: Die eine Strömung liefert einen Vorschub und die andere wird in den Zwischendruck­ kompressor (13) geleitet. Die aus dem Zwischendruckkompressor (13) austretende Luft wird weiter durch den Hochdruckkompressor (14) komprimiert bevor sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung in der Verbrennungseinrichtung (15) verbrannt wird. Die sich hieraus ergebenden Abgase expandieren durch die Hoch­ druck-, die Mitteldruck- und die Niederdruckturbinen (16, 17, 18) und treiben diese an, bevor sie durch die Abgasdüse (19) aus­ geblasen werden und dabei einen zusätzlichen Antriebsschub liefern.

Ein Teil der Rotorstufe der Hochdruckturbine (16) ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die Rotorstufe umfaßt eine Rotorscheibe (20) mit mehreren radial vorstehenden Stromlinienschaufeln (21), die am Umfang festgelegt sind. Jede Stromlinienschaufel (21) besitzt am radial inneren Ende einen Schaufelfuß (22) mit Tannenbaum­ profil, der in einem entsprechend gestalteten Schlitz (23) im Umfang der Scheibe (20) eingeschoben ist, so daß die Schaufel (21) in der Scheibe (20) formschlüssig verankert ist. Ein im Querschnitt stromlinienförmiger Abschnitt (24) erstreckt sich vom Schaufelfuß (22) radial nach außen und endet in einem Schaufelringabschnitt (25). Die Schaufelringabschnitte (25) der stromlinienförmigen Schaufeln (21) arbeiten in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise zusammen, um einen Schaufelring zu bilden, der seinerseits dazu dient, einen Teil des radial äußeren Abgaskanals zu definieren, in dem die Hochdruckturbine (16) liegt.

Der Aufbau der Schaufelringteile (25) ist deutlicher aus Fig. 3 ersichtlich. Jeder Schaufelringabschnitt (25) besitzt zwei in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegende parallele Flächen (26 und 27), die so angeordnet sind, daß die entsprechenden Flächen (26 und 27) benachbarter Schaufelringabschnitte (25) aneinanderstoßen.

Die Flächen (26 und 27) sind axial im Winkel angestellt und verlaufen allgemein senkrecht zu dem Rest der in Umfangsrichtung verlaufenden Schaufelringabschnitte (28). Außerdem sind die Schaufelringabschnitte (28) so angeordnet, daß ein schmaler Spalt (29) zwischen den in Umfangsrichtung verlaufenden Ab­ schnitten (28) benachbarter Schaufelringabschnitte (25) ver­ bleibt.

Die aneinanderstoßenden Flächen (26) der Schaufelringabschnitte werden durch einen Überzug (30) einer Legierung definiert, die härter ist als der übrige Schaufelringabschnitt (25), so daß diese Flächen in der Lage sind, mit benachbarten Flächen (26) aneinanderzustoßen.

Um zu gewährleisten, daß die Überzüge (30) auf einer annehmbar niedrigen Temperatur gehalten werden während das Triebwerk arbeitet, werden diese durch eine Kühlluftströmung gekühlt, die vom Kühlluftkanal abgezweigt ist, der innerhalb des stromlinien­ förmigen Schaufelteils (24) verläuft. Insbesondere kann einer der Überzüge (30) eines jeden Schaufelringabschnitts (25) mit einem Kühlluftkanal (31) verbunden sein, der in dem stromlinien­ förmigen Schaufelteil (24) verläuft, und zwar über einen Kanal (32), der innerhalb des Schaufelringabschnitts (25) verläuft und von diesem definiert wird. Der Kühlluftkanal innerhalb des stromlinienförmigen Teils ist einer der normalerweise innerhalb dieses Abschnitts (24) vorhanden ist, um diesen mit Kühlluft zu versorgen, und der Kanal (31) wird mit Luft vom Zwischendruck- Kompressor (13) in herkömmlicher Weise versorgt.

Der Kanal (32), der wie aus Fig. 4 ersichtlich, einen recht­ eckigen Querschnitt besitzt, wird durch ein Verfahren erzeugt, welches bekannt ist als Elektro-Funkenentladungsbearbeitung, und diese Bearbeitung erfolgt vor Aufbringen des harten Legie­ rungsüberzugs (30) auf den Schaufelringabschnitt (25), z.B. durch Schweißen. Während der anfänglichen Elektroentladungs­ bearbeitung wird die Bearbeitungselektrode derart geführt, daß die Querschnittsfläche des Kanals (32) im Bereich des Überzugs (30) vergrößert wird. Dies dient dazu zu gewährleisten, daß soviel als möglich vom Überzug (30) nach dem Inneren des Kanals (32) freiliegt. Es ist demgemäß ersichtlich, daß obgleich der Kanal (32) in der Hauptsache durch den Schaufelringabschnitt (25) definiert wird, indem er angeordnet ist, ein Teil des Kanals (25) auch durch den Überzug (30) definiert wird.

Im Betrieb strömt Kühlluft aus dem Kanal (31) des stromlinien­ förmigen Abschnitts in den Kanal (32) und gelangt in Berührung mit dem Überzug (30), wodurch der Überzug (30) einer Aufprall­ kühlung unterworfen wird und dies führt wiederum zu einer Kühlung des Anschlagüberzuges (30) des benachbarten Schaufel­ ringabschnitts (25). Dann strömt die Kühlluft vom Kanal (32) durch drei Öffnungen, die in der radial inneren Oberfläche des Schaufelringabschnitts (25) in der Nähe des Überzugs (30) vorgesehen sind. Die Öffnungen (33) sind - wie aus Fig. 5 ersichtlich - im Winkel derart angestellt, daß die ausgeblasene Kühlluft über einen Teil der Außenseite des Überzugs (30) strömt und außerdem über den Teil der Außenseite des Überzugs (30) auf dem benachbarten Schaufelringabschnitt (25), wodurch beide Überzüge (30) einer Filmkühlung unterworfen werden.

Es ist somit ersichtlich, daß jeder Kühlluftkanal (32) eine Kühlung sowohl des Überzugs (30) bewirkt, dem der Kanal zuge­ ordnet ist, als auch dem anstoßenden Überzug (30) eines benachbarten Schaufelringabschnitts (25). Dies ist der Fall, obgleich jeder Schaufelringabschnitt (25) mit zwei Anschlag­ flächen (26) auf entgegengesetzten Umfangserstreckungen ver­ sehen ist, wobei nur ein Kühlluftkanal (32) in jedem Schaufel­ ringabschnitt (25) notwendig ist, um eine wirksame Kühlung jener Flächen (26) zu bewirken. Es kann jedoch unter gewissen Umständen zweckmäßig sein, zwei Kühlluftkanäle (32) in jedem Schaufelringabschnitt (25) vorzusehen, um eine Kühlluftströmung nach beiden Anschlagoberflächen (26) des Schaufelringabschnitts (25) zu schaffen.

Auf diese Weise werden die Überzüge (30) auf den Schaufelring­ abschnitten (25) in wirksamer Weise gekühlt, wodurch die Wahr­ scheinlichkeit vermindert wird, daß diese Überzüge (30) einer Kriechextrusion oder einem Verbrennen ausgesetzt werden.

Claims (8)

1. Stromlinienförmige Turbinenschaufel, die an einem Ende mit Befestigungsmitteln zum Festlegen am Umfang einer drehbaren Scheibe und an ihrem gegenüberliegenden äußeren Ende mit einem Schaufelringabschnitt versehen sind, welche Oberflächenab­ schnitte besitzen, die mit entsprechenden Oberflächen ent­ sprechender Abschnitte eines Schaufelringabschnitts benach­ barter Turbinenschaufeln in Reibberührung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der in Reibbe­ rührung stehenden Abschnitte (30) mit einer Kühlmittelquelle über eine Leitung (32) verbunden ist, die innerhalb des Schaufelringabschnitts (25) verläuft, daß die Leitung (32) teilweise durch wenigstens einen Anschlagteil (30) derart definiert wird, daß im Betrieb Kühlmittel, welches die Leitung (32) durchströmt, eine Kühlung des Anschlagteiles (30) bewirkt, daß die Leitung (32) außerdem mit wenigstens einer Kühlmittel­ ausblasöffnung (33) versehen ist, die so angeordnet und aus­ gebildet ist, daß das Kühlmittel aus der Leitung (32) in einer solchen Richtung ausgeblasen wird, und daß eine Strömung des Kühlmittels über einen äußeren Bereich des wenigstens einen Anschlagteils (30) erfolgt, um eine zusätzliche Kühlung jenes Anschlagabschnitts (30) zu bewirken.

2. Stromlinienförmige Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung (32) so angeordnet ist, daß eine Aufprallkühlung des Anschlagteils (30) erfolgt.

3. Stromlinienförmige Turbinenschaufel nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel mit einem Kühlluft­ kanal versehen ist, der in Längsrichtung verläuft und eine Kühlung bewirkt, wobei der Kühlmittelkanal in Strömungsver­ bindung mit der Leitung (32) steht, um dadurch die Kühlmittel­ quelle zu bilden.

4. Stromlinienförmige Turbinenschaufel nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagoberflächen (26, 27) nur einen Teil der gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schaufelringabschnitte (25) bilden.

5. Stromlinienförmige Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt des Kanals (32), der nicht durch die Anschlagabschnitte (30) gebildet wird, von dem Schaufelringabschnitt (25) definiert wird.

6. Stromlinienförmige Turbinenschaufel nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kühlmittelausblas­ öffnung (33) auf der radial inneren Oberfläche des Schaufel­ ringabschnitts (25) vorgesehen ist.

7. Stromlinienförmige Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelringabschnitt (25) mit zwei Anschlagoberflächen (26, 27) versehen ist, die je im Umfangsabschnitt der Schaufelringabschnitte (25) befindlich sind.

8. Stromlinienförmige Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Luft ist.