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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das allgemeine Gebiet der
Turbinenschaufeln von Turbomaschinen und insbesondere auf die Turbinenleitschaufeln,
die mit integrierten Kühlkreisen
ausgestattet sind.
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Stand der
Technik
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In
an sich bekannter Weise umfaßt
eine Turbomaschine eine Brennkammer, in der Luft und Treibstoff
gemischt werden, bevor sie darin verbrannt werden. Die aus dieser
Verbrennung hervorgehenden Gase strömen zur stromabwärtigen Seite
der Brennkammer und beaufschlagen anschließend eine Hochdruck- und eine
Niederdruckturbine. Jede Turbine umfaßt eine oder mehrere Reihe(n)
von Leitschaufeln (die als Leiträder
bezeichnet werden), die mit einer oder mehreren Reihe(n) von Laufschaufeln (die
als Laufräder
bezeichnet werden) abwechseln, die umfangseitig um den gesamten
Rotor der Turbine herum beabstandet angeordnet sind. Diese Turbinenschaufeln
sind den sehr hohen Temperaturen der Verbrennungsgase ausgesetzt,
die Werte erreichen, die weit über
denjenigen liegen, denen die Schaufeln, die mit diesen Gasen in
direktem Kontakt sind, schadlos standhalten können, was dazu führt, daß deren
Lebensdauer begrenzt wird.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist bekannt, diese Schaufeln mit internen Kühlkreisen auszustatten, deren
Ziel es ist, die Temperatur der Schaufeln dadurch zu verringern,
daß innerhalb
der Schaufel eine geregelte Zirkulation dieser Luft erzeugt wird und
in der Wand der Schaufel Perforierungen geschaffen werden, welche
dazu bestimmt sind, einen Schutzfilm für diese Schaufel zu erzeugen.
Ein Beispiel für
eine solche gekühlte
Schaufel ist in dem Patent
US
4,946,346 veranschaulicht.
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Die 4 und 5 zeigen
die Struktur einer herkömmlichen
gekühlten
Leitschaufel vom Typ mit durchgehender Ummantelung, mit welcher
derzeit die Leiträder
einiger Flugzeugtriebwerke ausgestattet sind.
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Die
Schaufel 10, die ein hohles Blatt 12 umfaßt, welches
zwischen einer äußeren Plattform 14 und
einer inneren Plattform 16 eingefügt ist, umfaßt eine Innenummantelung 18,
die einen ringförmigen Umfangshohlraum 20 zwischen
der Innenwand des Blattes und der Außenseite der Ummantelung definiert.
An ihrem oberen Teil 18A ist diese Ummantelung auf dichte
Weise an der äußeren Plattform
der Schaufel festgeschweißt
oder festgelötet,
und ihr unterer Teil 18B fügt sich unter Freilassen eines
bestimmten Spiels, das für
die Montage und das Verschieben oder Gleiten der Ummantelung unter
den Wirkungen der Wärmedehnung
erforderlich ist, im Bereich eines Führungs- oder Gleitbereichs 16A in die
innere Plattform der Schaufel ein. Stifte 22, die mit der
Innenwand fest verbunden sind oder durch Buckel der Ummantelung
gebildet sind, halten einen konstanten Abstand zwischen der Ummantelung
und dieser Innenwand aufrecht, und Brücken 23 stellen eine
Versteifung der Schaufel in dem verbleibenden Teil des Hohlraums 20 sicher.
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Diese
durchgehende Ummantelung 18 ist vom Typ mehrfachperforiert,
so daß die
durch eine Druckluftquelle, im allgemeinen den Verdichter der Turbomaschine
gelieferte Kühlluftmenge über eine Einlaßöffnung 24 in
die äußere Plattform 14 eindringt, in
das Innere der Ummantelung 18 gelangt und teilweise über die
Mehrfachperforierung der Ummantelung abströmt, wobei in dem Umfangshohlraum 20 Luftstrahlen
gebildet werden, die durch Auftreffen die Innenwand des Blattes 12 kühlen und
auch auf die Brücken 23 auftreffen,
anschließend über kalibrierte Bohrungen 26,
die an der Austrittskante oder der Unterseite dieses Blattes ausgebildet
sind, abgeführt werden,
um entlang dieser Austrittskante einen schützenden Luftfilm zu bilden.
Die verbleibende Kühlluftmenge
tritt über
die innere Plattform 16 aus, die sie durchläuft und
dabei kühlt,
um über
eine Austrittsöffnung 28 zur
Außenseite
der Schaufel hin zu weiteren Organen des Triebwerks, wie Scheiben
zu strömen,
die ebenfalls gekühlt
werden müssen.
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Diese
herkömmliche
Struktur ist im allgemeinen zufriedenstellend. Jedoch erzeugt die
Tatsache, daß die
Luft über
die Öffnungen
oder Löcher
der Ummantelung und indirekt über
den Durchlaßquerschnitt kalibriert
wird, eine weniger wirkungsvolle Kühlung des Blattes. Außerdem kommt
es zu erheblichen Schwankungen des lokalen Temperaturgradienten an
der Wand der Schaufel, vor allem in der Nähe der Eintrittskante, welche
die Ursache für
radiale Spannungen sind, die sich im Falle extremer Einsätze für den Betrieb
dieser Schaufel als schädlich
erweisen.
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Aufgabe und
Zusammenfassung der Erfindung
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es folglich, die mit diesen erheblichen
Schwankungen des Temperaturgradienten verbundenen Nachteile dadurch
zu beheben, daß sie
eine Turbomaschinenleitschaufel vorschlägt, die über eine durchgehende Ummantelung
gekühlt
wird, welche die auf die Schaufel ausgeübten radialen Spannungen erheblich verringert.
Sie bezieht sich auch auf jede Turbomaschinenturbine, die mit derartigen über eine
durchgehende Ummantelung gekühlten
Leitschaufeln ausgestattet ist.
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Zu
diesem Zweck ist eine Leitschaufel einer Turbomaschine mit einer
Eintrittskante, einer Austrittskante sowie einer Unterseite und
einer Oberseite und mit einer durchgehenden perforierten Ummantelung,
die einen ringförmigen
Hohlraum zwischen einer Außenwand
dieser Ummantelung und einer Innenwand der Schaufel definiert, einer
Lufteinlaßöffnung,
um das Innere dieser Ummantelung mit Kühlluft zu versorgen, und einer
Luftabzugsöffnung,
um einen Teil dieser Kühlluft
zur Außenseite
der Schaufel abzuziehen, vorgesehen, wobei die Ummantelung an einem
Ende fest mit der Schaufel verbunden ist und an einem anderen Ende
entlang einer Innenkante der Schaufel unter den Wirkungen der relativen
Wärmedehnung
zwischen der Ummantelung und der Innenwand der Schaufel frei gleiten
kann, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehende Ummantelung
eine Vielzahl von Öffnungen
umfaßt,
die über
nur zwei bestimmte Bereiche dieser Ummantelung verteilt sind, wobei
eine erste Serie von Öffnungen
gegenüber
der Innenwand der Eintrittskante angeordnet ist und eine zweite
Serie von Öffnungen
gegenüber
der Innenwand der Austrittskante angeordnet ist, wobei die Öffnungen
der Ummantelung der zweiten Serie von Öffnungen außerdem angeordnet sind, um
jegliches Zusammenstoßen
mit den Brücken
der Schaufel zu vermeiden.
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Auf
diese Weise werden durch Begünstigen der
Kühlung
im Bereich der Eintritts- und der Austrittskante der Schaufel sowie
durch Begrenzen der Zusammenstöße mit den
Brücken
die lokalen Temperaturgradienten sowie der Grad der axialen Spannungen
an dem Blatt stark verringert.
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Vorteilhafterweise
umfassen die erste und die zweite Serie von Öffnungen oder Löchern jeweils höchstens
drei Reihen von Ummantelungsöffnungen,
typischerweise eine einzige Reihe von Ummantelungsöffnungen.
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Vorzugsweise
ist die zweite Serie von Öffnungen
derart angeordnet, daß eine
Linie kürzeren Weges
zwischen der Ummantelung und der Innenwand der Austrittskante definiert
wird. Nach der in Betracht gezogenen Gestaltung kann die genannte zweite
Serie von Öffnungen
derart angeordnet sein, daß eine
Linie kürzeren
Weges zwischen der Ummantelung und an der Unterseite ausgebildeten
kalibrierten Ausströmöffnungen
definiert wird, um einen schützenden
Luftfilm entlang der Austrittskante zu bilden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor,
die ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ohne jeden einschränkenden
Charakter darstellen und in denen:
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1 eine
Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Turbinenleitschaufel
zeigt,
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1A eine
Vergrößerung eines
Teils der 1 zeigt, 2 eine Querschnittansicht
der Schaufel der 1 ist,
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3 eine
Kurve zeigt, welche die Entwicklung der Temperatur am äußeren Teil
der Schaufel der 2 darstellt, und
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die 4 und 5 entlang
zweier senkrechter Schnitte eine Turbinenleitschaufel des Standes
der Technik zeigen.
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Detaillierte
Beschreibung einer Ausführungsform
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Die 1 und 2 zeigen
eine gekühlte Schaufel 10,
beispielsweise eine Turbinenleitschaufel einer Turbomaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung. Diese Schaufel, die von einem hohlen Blatt 12 gebildet
ist, das zwischen einer äußeren Plattform 14 und
einer inneren Plattform 16 angebracht ist, ist mittels
der äußeren Plattform,
die eine Außenwand für den Strömungskanal
der Verbrennungsgase durch die Turbine definiert, wobei die Innenwand
des Strömungskanals
durch die innere Plattform dieser Schaufel definiert ist, an einem
(nicht dargestellten) Gehäuse
der Turbine befestigt.
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Herkömmlicherweise
werden in Abhängigkeit
der Strömungsrichtung
der Verbrennungsgase, die in 1 durch
einen Pfeil veranschaulicht ist, für dieses Blatt eine Eintrittskante 12A,
eine Austrittskante 12B sowie eine Unterseite 12C und
eine Oberseite 12D definiert.
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Eine
solche Leitschaufel ist den sehr hohen Temperaturen der Verbrennungsgase
ausgesetzt und muß folglich
gekühlt
werden. Zu diesem Zweck, und in an sich bekannter Weise, umfaßt die Schaufel 10 wenigstens
eine durchgehende perforierte Ummantelung 18, die an einem
ihrer radialen Enden mit Kühlluft
beaufschlagt wird und die einen ringförmigen Umfangshohlraum 20 zwischen
der Innenwand der Schaufel und der Außenwand der Ummantelung definiert.
An ihrem oberen Ende 18A ist diese Ummantelung auf dichte
Weise an der äußeren Plattform 14 der
Schaufel festgeschweißt
oder festgelötet,
und an ihrem unteren Teil 18B fügt sie sich in die innere Plattform 16 der
Schaufel ein, und zwar im Bereich eines Führungs- oder Gleitbereichs 16A,
unter Freilassen eines ringförmigen
Raums, der ein bestimmtes Spiel schafft, welches für die Montage
und das Gleiten der Ummantelung im Betrieb aufgrund der unterschiedlichen
Entwicklung der Temperaturen der verschiedenen Komponenten der Schaufel
und folglich ihrer relativen Dehnung erforderlich ist, aber auch eines
Durchlaß-
oder Entweichungsbereichs für
die Kühlluft,
die außerdem,
nach Durchqueren der Ummantelung, über die an der Unterseite dieses
Blattes ausgebildeten kalibrierten Ausströmöffnungen 26 abgeführt wird,
um einen schützenden
Luftfilm entlang der Austrittskante 12B zu bilden. Lufteinlaßöffnungen 24 und
Luftauslaßöffnungen 28 sind
im Bereich der äußeren bzw.
der inneren Plattform für
das Zirkulieren der Kühlluft
vorgesehen.
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Gemäß der Erfindung
wird vorgeschlagen, die Öffnungen
der Ummantelung auf zwei besondere Bereiche zu konzentrieren, deren
Empfindlichkeit gegenüber
den heißen
Verbrennungsgasen, die in dem Strömungskanal dieser Gase zirkulieren,
gewichtiger ist, nämlich
auf die Bereiche der Ummantelung gegenüber der Eintrittskante bzw.
gegenüber
der Austrittskante des Blattes.
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Wie 2 zeigt
wird die Eintrittskante 12A durch Luftstrahlen gekühlt, die
aus einer ersten Serie von gegenüber
der Innenwand 12Ai dieser Eintrittskante angeordneten Öffnungen 30 der
Ummantelung austreten und die somit diesen Innenbereich des Blattes
durch Auftreffen kühlen.
Diese erste Serie von Öffnungen
umfaßt
vorteilhafterweise eine einzige Reihe von Öffnungen.
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Die
Austrittskante 12B wird ihrerseits über die kalibrierten Ausströmöffnungen 26 gekühlt, die mit
Luftstrahlen beaufschlagt werden, welche aus einer zweiten Serie
von im wesentlichen gegenüber der
Innenwand 12Bi der Austrittskante angeordneten Öffnungen 32 der
Ummantelung austreten und somit diesen Bereich der Innenwand des
Blattes durch Auftreffen kühlen.
Diese zweite Serie von Öffnungen
umfaßt
ebenfalls vorteilhafterweise eine einzige Reihe von Öffnungen.
Genauer gesagt, und wie dies das Detail der 1A zeigt,
sind diese Öffnungen
derart angeordnet, daß sie
den kürzesten
Weg zwischen der Ummantelung 18 und den kalibrierten Ausströmöffnungen 26 bilden
und daß jeglicher
Zusammenstoß mit
der Innenwand der Schaufel und den Schaufelbrücken 23 vermieden
wird. Auf diese Weise ist die Luft, welche die kalibrierten Ausströmöffnungen durchqueren
wird, relativ kalt, da sich lediglich der Teil, welcher von den
aus der ersten Serie von Öffnungen 30 austretenden
Luftstrahlen stammt, bei Kontakt mit der heißen Innenwand im Bereich der Eintrittskante
und der Unter- und Oberseite erwärmt hat,
während
der andere Teil aus den Luftstrahlen stammt, die direkt aus der
zweiten Serie von Öffnungen 32 austreten
und die aufgrund der Tatsache, daß sie keinen Zusammenstoß mit der
Innenwand und den Brücken
erfahren, vor ihrem Zugang zu den kalibrierten Ausströmöffnungen
keiner Erwärmung
unterworfen waren.
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Die
Beiträge
der Erfindung im Bereich der Temperaturschwankungen sind in 3 veranschaulicht,
welche eine Abwicklung eines Radialschnittes zeigt, der im Bereich
des Kanals – d.h.
dort, wo die Temperatur der Verbrennungsgase am höchsten ist – einer
Niederdruckleitschaufel, wie sie in den 1 und 2 dargestellt
ist, vollzogen ist.
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Die
erste Kurve 34 entspricht einer theoretischen Ausführung, bei
der die Anzahl der Ummantelungsöffnungen
sehr gering wäre
und bei der folglich die Kühlmenge
quasi vollständig
den zwischen der Ummantelung und der inneren Plattform bestehenden
Austritt passieren würde
(also ein äquivalenter Querschnitt
der Ummantelungsöffnungen << Querschnitt des Austritts). Es kann
nun angemerkt werden, daß bei
dieser extremen Ausführung
lediglich die Wand im Bereich der Austrittskante korrekt gekühlt wird,
während
die Wand im Bereich der Eintrittskante praktisch nicht gekühlt wird.
Dies hat zur Folge, daß die
Temperatur an dieser Stelle sehr nahe der Temperatur der Verbrennungsgase
ist und folglich die für
das Material zulässige
Grenze überschreitet.
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Die
zweite Kurve 36 entspricht einer Ausführung des Standes der Technik,
bei der die Ummantelungsöffnungen über die
gesamte Fläche
der Ummantelung verteilt sind. Bei dieser Ausführung wird die Eintrittskante
korrekt mit einer Temperatur diesseits der Bruchgrenze des Blattes
gekühlt;
man stellt aber außerdem
sehr große
Abweichungen hinsichtlich der Temperaturgradienten fest, die für die Widerstandsfähigkeit
der Schaufel aufgrund der erzeugten lokalen Spannungen und demzufolge
für ihre
Lebensdauer von Nachteil sind.
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Mit
der vorliegenden Erfindung (dritte Kurve 38 in durchgezogenen
Linien) sind diese Abweichungen hingegen erheblich verringert, und
es liegt zusätzlich
ein Temperaturgewinn von einigen Grad an der Eintrittskante und
an der Austrittskante, typischerweise in der Größenordnung von 4 bis 8 Grad vor.
Außerdem
kann auf beiden Seiten der Eintrittskante, über eine Strecke von höchstens
gleich der Hälfte
der zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante bestehenden
Strecke (also für
eine verkleinerte Abszisse < 0,5)
ein sehr großer
Gewinn hinsichtlich des Temperaturgradienten der Schaufel bewirkt
werden. Genauer gesagt wird ein Gewinn Δ von bis zu 60 Grad hinsichtlich
des Temperaturgradienten der Unterseite bei einer verkleinerten
Abszisse in der Größenordnung
von 0,2 bis 0,4 abgelesen.
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Mit
dieser Ausführung
der Ummantelungsöffnungen
werden die zu stark gekühlten
Teile des Standes der Technik mehr erwärmt und werden die unzureichend
gekühlten
Teile mehr gekühlt.
Auf diese Weise wird ein besseres Gleichgewicht bei den Temperaturgradienten
erzielt. Es versteht sich von selbst, daß wenn die Beschreibung im
wesentlichen im Hinblick auf eine Turbinenleitschaufel einer Turbomaschine
erfolgte, eine solche Struktur einer über eine durchgehende Ummantelung
gekühlten
Leitschaufel problemlos auf einen Stator eines Turbomaschinenverdichters
wie auch auf einen Turbomaschinengehäusearm anwendbar ist.
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ÜBERSETZUNG
DER ZEICHNUNGEN
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3
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- TEMPERATURE (°C): TEMPERATUR (°C)
- INTRADOS: UNTERSEITE
- EXTRADOS: OBERSEITE
- ABSCISSE REDUITE: VERKLEINERTE ABSZISSE
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4
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- ART ANTERIEUR: STAND DER TECHNIK
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5
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- ART ANTERIEUR: STAND DER TECHNIK