DE4028439A1 - Innengekuehlte, stromlinienfoermige schaufel - Google Patents
Innengekuehlte, stromlinienfoermige schaufelInfo
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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.
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