DE4028439A1 - Innengekuehlte, stromlinienfoermige schaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine stromlinienförmige Schaufel für Turbinen, Kompressoren, Gebläse und ähnliches, und sie betrifft mehr im besonderen eine solche strom­ linienförmige Schaufel mit einer verbesserten, inneren Kühlung.

Turbinen haben stromlinienförmig gestaltete Schaufeln, die benutzt werden, nutzbare Arbeit aus einem heißen, sich bewegenden Strömungsmittel zu machen. Strahltrieb­ werke schließen Turbinen ein, bei denen Turbinenschaufeln an einer rotierenden Turbinenrotorscheibe befestigt sind, sowie Turbinenschaufeln, die bisweilen als Leitschaufeln bezeichnet werden, die an einem nicht-rotierenden Turbinen­ statorgehäuse befestigt sind. Moderne Flugzeug-Strahl­ triebwerke weisen intern gekühlte Strahlturbinen auf, um die Schaufeltemperaturen innerhalb vorgesehener Grenzen zu halten. Üblicherweise werden solche Schaufeln durch Luft gekühlt, die durch innere Durchgänge strömt, wobei die Luft nahe dem Schaufelfuß (dem befestigten Teil der Schaufel) eintritt und nahe der Schaufelspitze (dem freien Endteil der Schaufel) austritt. Bekannte Kühldurchgänge von Turbinenschaufeln haben eine serpentinenförmige oder schraubenförmige Gestalt, die die Kühlwirksamkeit durch Vergrößern der Länge des Kühlmittel-Strömungspfades über die Pfadlänge für eine geradlinige Strömung hinaus ver­ bessern. Ein serpentinenförmiger Durchgang erzeugt eine Serpentinenströmung und weist eine serpentinenförmige Mittellinie auf, die innerhalb der Mitte des Durchgangs verläuft, während ein schraubenförmiger Durchgang eine schrauben- bzw. spiralförmige Strömung erzeugt und eine schraubenförmige Mittellinie aufweist, die in der Mitte des Durchgangs verläuft. Andererseits gibt es ein Problem der thermischen Spannung bei einer Schaufel mit einem serpentinenförmigen Durchgang, weil das Kühlmittel kon­ tinuierlich Wärme aufnimmt, wenn es in der Schaufel hin­ und herströmt, was zu einer nicht gleichmäßigen Temperatur über die Schaufel von ihrer Vorderkante zu ihrer Rück­ kante führt. Andererseits wird bei einer Schaufel mit einem schraubenförmigen Durchgang der nicht-benutzte zentrale Bereich, um den herum der spiralförmige Durch­ gang verläuft, zu stark gekühlt, was wiederum zu einer nicht gleichförmigen Temperatur über die Schaufel hinweg führt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine stromlinien­ förmige Schaufel zu schaffen, die eine verbesserte interne Kühlung hat.

Es ist eine weitere Aufgabe, eine solche stromlinienförmige Schaufel mit einem ausgedehnten Kühlmittel-Strömungspfad zu schaffen.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine solche stromlinienförmige Schaufel zu schaffen, die eine gleich­ mäßigere Temperatur über den Schaufelquerschnitt aufweist.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung schließt die stromlinienförmige Schaufel einen stromlinienförmigen Körper mit einem Kühlmitteldurchgang ein, der eine Mittel­ linie aufweist, die allgemein gerade und allgemein parallel zur Längsachse des stromlinienförmigen Körpers verläuft, um eine Kühlmittelströmung allgemein in einer Längsrich­ tung zu dirigieren. Die stromlinienförmige Schaufel schließt auch einen Einsatz ein, der innerhalb des Kühlmitteldurch­ gangs angeordnet ist, um der längsgerichteten Kühlmittel­ strömung eine Rotation zu verleihen, so daß der längsge­ richtete Kühlmittelstrom mindestens eine vollständige Umdrehung um eine Drehachse rotiert, die allgemein parallel zur Mittellinie des Kühlmitteldurchgangs verläuft. Die Kühlmittelströmung folgt einem schraubenförmigen Pfad in einem Durchgang, der eine gerade Mittellinie hat. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung schließt die stromlinienförmige Schaufel einen stromlinienförmigen Körper mit einem Kühlmitteldurchgang ein, dessen Mittel­ linie im allgemeinen gerade und im allgemein parallel zur Längsachse des stromlinienförmigen Körpers verläuft, um Kühlmittel allgemein in einer Längsrichtung zu diri­ gieren. In dieser Ausführungsform hat der Kühlmitteldurch­ gang einen nicht kreisförmigen Querschnitt und er ist entlang seiner Länge mindestens eine vollständige Drehung um eine Drehachse verdreht, die allgemein parallel zur Mittellinie des Kühlmitteldurchgangs verläuft. Die Wir­ kung des verdrehten Durchgangs besteht darin, die längs­ gerichtete Kühlmittelströmung mindestens eine vollständige Drehung um die Drehachse rotieren zu lassen. In dieser Ausführungsform folgt die Kühlmittelströmung also einem schraubenförmigen Pfad in einem Durchgang, der eine gerade Mittellinie hat.

Es werden verschiedene Vorteile aus der Erfindung abge­ leitet, die eine stromlinienförmige Schaufel mit einer schraubenförmigen Strömung innerhalb eines Kühlmittel­ durchgangs schafft, der eine gerade Mittellinie hat. Der schraubenförmigen Kühlmittel-Strömungspfad ist länger als wenn die Kühlmittelströmung einem geradlinigen Pfad in dem Durchgang folgen würde. Die verlängerte Strömungs­ bahn vergrößert den Wärmeübertragungsbereich, während die schraubenförmige Bewegung der Strömung die Wandung des Durchgangs berieselt, was den Wärmeübertragungs­ koeffizienten erhöht. Die gerade Mittellinie des Durch­ gangs gestattet eine gleichmäßigere Temperatur über die Schaufel, weil dadurch das Problem der ungleichförmigen Temperatur, das entweder durch das Auf- und Abströmen in einem serpentinenförmigen Durchgang oder durch das Überkühlen des nicht benutzten zentralen Bereiches, um den herum sich ein spiralförmiger Durchgang erstreckt, verursacht wird, vermeidet.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinen­ schaufel eines Strahltriebwerks, das die Erfindung ein­ schließt;

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene Ansicht der Turbinenschaufel nach Fig. 1, die die vier Kühlmittel­ durchgänge des stromlinienförmigen Flügelteiles er­ kennen läßt, die dem längsgerichteten Kühlmittelstrom eine Drehung verleihen und

Fig. 3, 4 und 5 planare Querschnittsansichten des stromlinienförmigen Flügelteiles der Fig. 1, die der Klarheit halber Hintergrundstruktur weglassen, wobei die vorgenannten Figuren Ansichten bei aufeinander­ folgenden Längsabständen zwischen der Spitze des strom­ linienförmigen Flügelteiles und des Fußes wiedergeben, die die Drehung einer Querwand im am meisten links ge­ legenen Durchgang, die Drehung eines quadratischen Durchgangs, die Rotation eines schraubenförmigen Leit­ bleches in einem kreisförmigen Durchgang und die Rotation eines Leitblech in dem willkürlich gestalteten, am meisten rechts gelegenen Durchgang zeigen.

Eine in Fig. 1 gezeigte Turbinenschaufel 10 eines Flug­ zeugtriebwerkes schließt einen Schaftteil 12 mit einem Schwalbenschwanz 14 zur Befestigung an einer nicht dar­ gestellten Turbinen-Rotorscheibe und einen stromlinien­ förmigen Flügelteil 16 ein, dessen Fuß 18 am Schaftteil 12 befestigt ist. Kühlluft tritt in den Schaftteil 12 ein und strömt durch die inneren Kühlmitteldurchgänge 20, 22, 24 und 26 im stromlinienförmigen Flügelteil 16 und tritt an dessen Spitze 28 aus. Der stromlinien­ förmige Flügelteil 16 weist einen stromlinienförmigen Körper 30 auf, der, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, vier innere Wandoberflächen 32, 34, 36 und 38 einschließt, die jeweils einen der vier Kühlmitteldurchgänge 20, 22, 24 und 26 begrenzen, die jeweils eine Mittellinie 56, 58, 42 und 48 haben (in Fig. 3 an einem Ende als Punkt dargestellt), die innerhalb und in der Mitte jedes Durch­ gangs verläuft. Jede Mittellinie ist allgemein gerade und allgemein parallel zur Längsachse 31 des stromlinien­ förmigen Körpers 30, um den Kühlmittelstrom allgemein in einer Längsrichtung zu dirigieren.

In dreien der Durchgänge 20, 24 und 26, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, weist der stromlinienförmige Schaufelteil auch eine Ein­ richtung auf, die innerhalb des Durchgangs angeordnet ist, um dem längsgerichteten Kühlmittelstrom eine Rotation zu verleihen, die diesem zumindest eine vollständige Drehung um eine Drehachse machen läßt, die allgemein parallel zur Mittellinie des Kühlmitteldurchgangs ver­ läuft. Vorzugsweise schließt eine solche Einrichtung schraubenförmige Leitbleche, verdrehte Trennwände im Durchgang, Vorsprünge im Durchgang und ähnliches ein, die durch Befestigung an der inneren Wandoberfläche oder durch Befestigung außerhalb des Durchgangs, wie an dem Fuß und/oder der Spitze der Schaufel innerhalb des Durchgangs befestigt sind.

Im Falle des ersten Durchgangs 24 schließt die Strömungs- Rotationseinrichtung ein schraubenförmiges Leitblech 40 ein, das an der inneren Wandoberfläche 36 befestigt ist. Das schraubenförmige Leitblech 40 hat eine zentrale Achse, die allgemein mit der Drehachse zusammenfällt, und die Drehachse fällt allgemein mit der Mittellinie 42 des Kühlmitteldurchgangs zusammen. Der erste Durch­ gang 44 hat einen allgemein kreisförmigen Querschnitt, und das schraubenförmige Leitblech 40 hat eine Gestalt, die allgemein gleich der Gestalt von Gewindegängen in einer Mutter ist.

Eine flügelförmige Schaufel mit einem ersten Durchgang 24 kann zum Beispiel durch Gießen eines metallischen stromlinienförmigen Körpers um einen keramischen Gieß­ kern herum hergestellt werden, der die Gestalt eines mit Gewinde versehenen Bolzens hat, wobei der Gießkern später chemisch aus dem gegossenen stromlinienförmigen Körper entfernt wird. Ein zweiter Durchgang 26 hat ebenfalls ein schraubenförmiges Leitblech 46, doch ist die Dreh­ achse 44 (die in Fig. 3 am Ende als ein Punkt gezeigt ist) von der Mittellinie 48 des Kühlmitteldurchgangs versetzt.

Für den dritten Durchgang 20 schließt die Einrichtung zur Strömungsrotation eine Trennwand 50 ein, die an der inneren Wandoberfläche 32 befestigt ist, um den Durch­ gang in zwei allgemein gleiche Unterdurchgänge 52 und 54 zu unterteilen. Die Trennwand hat eine Längsachse, die allgemein mit der Drehachse zusammenfällt und die Drehachse fällt allgemein mit der Mittellinie 56 des Kühlmitteldurchgangs zusammen. Der dritte Durchgang 20 hat einen allgemein kreisförmigen Querschnitt und die Trennwand 50 ist entlang ihrer Länge um die Drehachse verdreht.

Eine stromlinienförmige Schaufel mit einem dritten Durch­ gang 20 kann zum Beispiel folgendermaßen hergestellt werden: Man stellt einen stromlinienförmigen Körper mit einem kreisförmigen Kühlmitteldurchgang her. Gleicher­ maßen stellt man einen Trennwandeinsatz her, der in dem Durchgang angeordnet werden kann, um diesen in zwei all­ gemein gleiche Unterdurchgänge zu unterteilen. Der Trenn­ wandeinsatz wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der er verformbar ist, und dann dreht man den erhitzen Ein­ satz mindestens eine vollständige Drehung um seine Längs­ achse. Als nächstes wird der gedrehte Einsatz im Durch­ gang 20 angeordnet und danach der eingeführte Einsatz innerhalb des Durchgangs befestigt. Das Befestigen kann zum Beispiel durch metallurgisches Befestigen des Ein­ satzes an der Innenwand des Durchgangs erfolgen.

Der vierte Durchgang 22 wird gemäß einer zweiten Aus­ führungsform der Erfindung eingeführt, wobei dieser einen nicht kreisförmigen und vorzugsweise quadratischen Quer­ schnitt hat. Der Kühlmitteldurchgang 22 wird entlang seiner Länge zumindest eine vollständige Drehung um eine Drehachse verdreht, die allgemein parallel zur Mittel­ linie 58 des Kühlmitteldurchgangs liegt und vorzugsweise damit zusammenfällt.

Eine stromlinienförmige Schaufel mit dem vierten Durch­ gang 22 kann zum Beispiel folgendermaßen hergestellt werden: Ein Quarzstab als Gießkern mit einer nicht kreis­ förmigen zylindrischen Gestalt (wie der einer quadratischen Säule) wird hergestellt. Der Gießkern wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der er verformbar ist, und dann dreht man den erhitzten Gießkern mindestens eine voll­ ständige Drehung um seine Längsachse. Als nächstes wird ein metallischer stromlinienförmiger Körper um den ge­ drehten Gießkern gegossen, und dann entfernt man den Gießkern chemisch vom gegossenen, stromlinienförmigen Körper.

Die Erfindung schafft eine innengekühlte, stromlinien­ förmige Schaufel, mit der man eine vorteilhafte schrau­ benförmige Strömung in Durchgängen erzielt, die bevor­ zugte gerade Mittellinien haben. Der stromlinienförmige Flügelteil der Erfindung kann, neben anderen Dingen, in einer rotierende oder stationäre Turbine, eine Kompressor­ oder Gebläseschaufel, -Leitschaufel oder einen Stator eingebaut werden, die verschiedene Anwendungen haben, einschließlich aber nicht beschränkt darauf, in Flugzeug- Strahlturbinen, wobei das Kühlmittel ein Gas und/oder eine Flüssigkeit sein kann. Die stromlinienförmige Schau­ fel der Erfindung kann irgendeine Anzahl, irgendeine Kombination, irgendeine Querschnittskonfiguration usw. der oben beschriebenen Durchgänge aufweisen.

Die obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dient dem Zweck der Veranschaulichung. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die beispiel­ haft offenbarte genaue Form zu beschränken. Es sind offensichtlich viele Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Lehren möglich, die alle in den Rahmen der Patentansprüche fallen.

Claims (11)

1. Stromlinienförmige Schaufel, umfassend:

• (a) einen stromlinienförmigen Körper (30) mit einer Längsachse und einem Kühlmitteldurchgang (24; 26; 20; 22), wobei der Kühlmitteldurchgang eine Mittellinie (42; 48; 56; 58) hat, die allgemein gerade und allgemein parallel zu der genannten Längsachse des stromlinien­ förmigen Körpers verläuft, um den Kühlmittelstrom in einer allgemeinen Längsrichtung zu dirigieren und
• (b) eine Einrichtung (40; 46; 22; 50), die in dem Kühlmitteldurchgang angeordnet ist, um der längsge­ richteten Kühlmittelströmung Rotation zu verleihen, so daß sich der längsgerichtete Kühlmittelstrom mindestens einmal vollständig um eine Drehachse dreht, die allge­ mein parallel zur Mittellinie des Kühlmitteldurchgangs liegt.

2. Schaufel nach Anspruch 1, worin die genannte Einrichtung ein schraubenförmiges Leitblech (40) ein­ schließt, das eine Mittelachse hat, die allgemein mit der Drehachse zusammenfällt.

3. Schaufel nach Anspruch 2, worin die Drehachse allgemein mit der Mittellinie des Kühlmitteldurchgangs zusammenfällt.

4. Schaufel nach Anspruch 3, worin der Kühlmittel­ durchgang (24; 20) einen allgemein kreisförmigen Quer­ schnitt hat.

5. Schaufel nach Anspruch 4, worin das schrauben­ förmige Leitblech (40) eine Gestalt hat, die allgemein der eines Gewindes in einer Mutter gleich ist.

6. Schaufel nach Anspruch 1, worin die genannte Einrichtung eine Trennwand (50) einschließt, die den Kühlmitteldurchgang (20) in zwei Unterdurchgänge (52, 54) unterteilt, wobei die Trennwand eine Längsachse hat, die allgemein mit der Drehachse zusammenfällt und die Trennwand entlang ihrer Länge um die genannte Drehachse verdreht ist.

7. Schaufel nach Anspruch 6, worin die Drehachse allgemein mit der Mittellinie des Kühlmitteldurchgangs zusammenfällt.

8. Schaufel nach Anspruch 7, worin der Kühlmittel­ durchgang (24; 20) einen allgemein kreisförmigen Quer­ schnitt hat.

9. Stromlinienförmige Schaufel, umfassend einen stromlinienförmigen Körper (30) mit einer Längsachse und einem Kühlmitteldurchgang (22), der eine Mittellinie (58) hat, die allgemein gerade und allgemein parallel zu der genannten Längsachse des Körpers (30) verläuft, der Kühl­ mitteldurchgang (22) einen nicht kreisförmigen Querschnitt hat und er entlang seiner Länge mindestens eine voll­ ständige Drehung um eine Drehachse verdreht ist, die im allgemeinen parallel zur Mittellinie des Kühlmitteldurch­ gangs verläuft.

10. Schaufel nach Anspruch 9, worin die Drehachse allgemein mit der Mittellinie (58) des Kühlmitteldurch­ gangs (22) zusammenfällt.

11. Schaufel nach Anspruch 10, worin der Kühlmittel­ durchgang (22) einen allgemein quadratischen Querschnitt hat.