Innengekühlte Gasturbinenschaufel Für die betriebssichere Gestaltung
von Gasturbinenläufiern, die mit Treibgas hoher Temperatur beaufschlagt werden,
ist eine Bauteil,-kühlung unbedingt ierforderlich, um die Wandtemperatur der heißen
Bauteile in den Grenzen zu halten, in denen die Festigkeit des verwendeten Werkstoffes
im Rahmen der verlangten Lebensdauer den mechanischen Beanspruchungen im Bietrieb
standhält. Von den Verfahren mit Luftkühlung verspricht die Ausführung des Läufers
gleichzeitig als Kühlluftfördeneinrichtung mit am Kranz sitzenden, hohlen, kühlluftdurchströmten
Gasturbinenschaufeln besondere Vorteile, da die Förderung der Kühlluft auf einfache
Weise # ohne jede . Vorverdichtung durch die Schleuderwirkung beim Umlauf erfolgt
und gegenüber anderen Kühlverfahren diese Bauart besonders für hohen Gasdurchsatz
bei großen Umfangsgeschwindigkeiten und Gastemperaturen bei passender Ausbildung
der Küh:lluftkanäle in den hauptsächlich zu kühlenden Bauteilen geeignet erscheint;
außerdem ist der erforderliche Kühlluftdurchsatz und damit die Verlustleistung für
die Förderung der Kühlluft gering.Internally cooled gas turbine blade For a reliable design
of gas turbine rotors that are exposed to high-temperature propellant gas,
a component cooling is absolutely necessary to keep the wall temperature of the hot
To keep components within the limits in which the strength of the material used
the mechanical stresses in operation within the framework of the required service life
withstands. The execution of the runner promises from the process with air cooling
at the same time as a cooling air delivery device with hollow, cooling air flowing through sitting on the wreath
Gas turbine blades have particular advantages, since the conveyance of the cooling air is easy
Way # without any. Pre-compression takes place through the centrifugal effect during circulation
and compared to other cooling methods, this design is particularly suitable for high gas throughput
at high peripheral speeds and gas temperatures with suitable training
the cooling air ducts in the components that are mainly to be cooled appear suitable;
in addition, the required cooling air throughput and thus the power loss for
the conveyance of the cooling air is low.
Die erreichbare Kühlwirkung hängt in erster Linie von der Kühlluftmenge
und deren Temperatur ab. Da ja nach der Bauart des Laufrades der Durchmesser, die
Widerstände und Querschnitte gegeben sind, ist die Menge infolge der Gesetzmäßigkeiten
der Kreiselmaschinen durch die Drehzahl begrenzt; dazu kommt noch der Wärmeeinfall,
von dem mehr oder weniger heißen Rad und der Schaufelung, der den Kühlluftdurchsatz
hemmt.The achievable cooling effect depends primarily on the amount of cooling air
and their temperature. Since, depending on the type of impeller, the diameter, the
Resistances and cross-sections are given, the amount is due to the laws
of the gyroscopes limited by the speed; in addition there is the incidence of heat,
of the more or less hot wheel and the blades, which regulate the cooling air flow
inhibits.
Es ist nun vorgeschlagen worden, durch die Austrittsgeschwindigkeit
der Treibgase aus dem Schaufelgitter eine saugende Wirkung auf die Kühlluft innerhalb
der hohlen Schaufeln auszuüben, indem die Austrittskante der Laufschaufel mit seinem
Schlitz versehen wird. Die Saugwirkung längs der Austrittskante durch Impulsübertragung
von den mit großer
Geschwindigkeit vorbeiströmenden Treibgasen wird
aber immerhin durch den Stau am Austrittsende der Schaufel (gekennzeichnet durch
die Wirbielzöpfe) beeinträchtigt. Ein' Schlitz mit großem Querschnitt, der sicli
bei der anzustrebenden Dünne des Austrittsendes über praktisch die ganze Länge der
Austrittskante der Schaufel erstrecken wird. hat, abgesehen von der verringerten
Festigkeit durch die Unterbrechung des normalerweise vorhandenen Ringquerschnittes
der Schaufelsichel, den Nachteil, daß gerade die besonders gut zu kühlenden Bauteile
in der Nähe der Eintrittskante von der durchgreifenden Bespülung mit Kühlluft :entblößt
werden, weil die Kühlluft durch die saugende Wirkung der Treibgase nach der Austrittskante
der Schaufel drängt. Außerdem wird durch die Öffnung der Saugschlitze die Dichte
der Kühlluft innerhalb der Schaufel herabgesetzt und damit die Kühlwirkung besonders
am Schaufelfuß beeinträchtigt, ferner wird durch die Austrittsmöglichkeit der Kühlluft
auf geringerem Durchmesser, als es der Schaufelspitze entspricht, die Förderwirkung
des Rades, d. h. mit dem Kühlluftdurchsatz, wiederum die Kühlwirkung herabgesetzt.
Wenn zur Beherrschung großer Umfangsgeschwindigkeiten, großer Schaufellängen und
hoher Treibgastemperaturen, wie sie z. B. bei Abgasturbinen unmittelbar hinter Ottomotoren
oder reinen Frischgastriebwerken auftreten, besonders hohe Anforderungen an die
zu erreichende Kühlwirkung gestellt werden, ist innerhalb der hauptsächlich zu kühlenden
Schaufel eine Unterteilung des Kühlluftströmungsquerschnittes notwendig, um ein
möglichst großes Verliältnis der kühlluftbestrichenen Oberfläche zu der vom heißen
Treibgas beaufschlagten Oberfläche zu schaffen, ganz abgesehen von der Notwendigkeit
der Erhöhung von Dichte und Geschwindigkeit des Kühlmittels; dies führt zur Anordnung
von Rippen praktisch längs der ganzen Schaufel. Für diese Bauweise kann nur in beschränktem
Maße, am obersten Ende der Schaufel, wo das Schaufelinnere unter Umständen keiner
Unterteilung durch Rippen mehr bedarf, ein Absaugequerschnitt am Austrittsende der
Schaufel geschaffen werden. Für Hohlschaufeln, die für hohe Anforderungen hinsichtlich
Gastemperatur und mechanischer Beanspruchung geeignet sind, kann aus bekanntgewordenen
Vorschlägen keine wesentliche Anweisung zur ausreichenden Verbesserung der erreichbaren
Kühlwirkung entnommen werden.It has now been suggested by the exit velocity
The propellant gases from the blade grille have a sucking effect on the cooling air inside
exercise the hollow blades by touching the trailing edge of the blade with its
Slit is provided. The suction effect along the trailing edge through the transfer of impulses
of those with great
Speed of propellant gases flowing past
but at least due to the jam at the outlet end of the shovel (marked by
the vertebral braids) impaired. A 'slot with a large cross-section, the sicli
at the desired thinness of the outlet end over practically the entire length of the
Trailing edge of the blade will extend. has, apart from the reduced
Strength through the interruption of the normally existing ring cross-section
the sickle blade, the disadvantage that it is the components that are particularly easy to cool
near the leading edge of the thorough flushing with cooling air: exposed
because the cooling air by the sucking effect of the propellant gases after the trailing edge
the shovel is pushing. In addition, the opening of the suction slots increases the density
the cooling air inside the blade is reduced and thus the cooling effect in particular
at the blade root is impaired, furthermore by the possibility of the cooling air escaping
on a smaller diameter than corresponds to the blade tip, the conveying effect
of the wheel, d. H. with the cooling air flow, in turn the cooling effect is reduced.
If to control large circumferential speeds, large blade lengths and
high propellant gas temperatures, as z. B. in exhaust gas turbines immediately behind gasoline engines
or pure fresh gas engines occur, particularly high demands on the
The cooling effect to be achieved is within the range to be mainly cooled
Shovel a subdivision of the cooling air flow cross-section is necessary in order to achieve a
The largest possible ratio of the surface coated with cooling air to that of the hot one
To create propellant-charged surface, quite apart from the need
increasing the density and speed of the coolant; this leads to the arrangement
of ribs practically along the entire length of the blade. This type of construction can only be used to a limited extent
Dimensions, at the top of the bucket, where the inside of the bucket may not have any
Subdivision by ribs more requires a suction cross-section at the outlet end of the
Shovel to be created. For hollow blades that meet high requirements in terms of
Gas temperature and mechanical stress are suitable, can become known from
Proposals are not an essential instruction to sufficiently improve the achievable
Cooling effect can be taken.
Der vorliegende Erfindungsvorschlag hat ebenfalls zum Ziel, den Kühlluftdurchsatz
durch eine Impulsübertragung der Treibgase an die Kühlluft zu steigern, derart;
daß eine Saugwirkung auf den Kühlluftstrom innerhalb der ganzen Schaufel entsteht.
Zu diesem Zweck besteht die Schaufel erfindungsgemäß an ihrem Kopfende nur aus dem
bauchseitigen "feil des Querschnittes, während der sonst im übrigen Schaufelteil
vorhandene Umfangsteil des Schaufelrückens am Schaufelkopf entfernt ist.The present proposal for the invention also aims at the cooling air throughput
to increase by a momentum transfer of the propellant gases to the cooling air, such;
that a suction effect on the cooling air flow arises within the whole blade.
For this purpose, the blade according to the invention consists only of the at its head end
ventral side "for the cross-section, while the other part of the blade
existing peripheral part of the blade back on the blade head is removed.
Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Höhlschaufelläufers
a mit einem eingebauten Laderstern b, innengekühlten Hohlschaufeln c und dem Düsenring
d mit einem Kragen zur Abdeckung des Gaskanals an den freien Schaufelenden. Abb.
z a zeigt als Beispiel des obere Ende einer normalen Hohlschaufel (ohne Rippen im
Innern des Schaftes) in Ansicht und Abb.2b den Schnitt 1-I. der zeigt, daß auf der
Länge d l ein Teil der Rückenbegrenzung des hohlen Schaufelendes entfernt
ist, um der austretenden Kühlluft eine genügend große .Berührungsfläche mit den
Treibgasen zur Impulsübertragung, zu geben (der passend gewählten Länge
d l am Schaufelkopf ist laut Abb. i ein entsprechender Betrag dlz am Düsenkopf
zugeordnet, der versuchsmäßig zur Erreichung bester Verhältnisse bestimmt ist).
Da die Bauchseite der Schaufel noch vorhanden ist, bleibt die Entstehung des Drehmomentes
auch am äußeren Teil des Schaufelgitters gewährleistet; mechanische Nachteile für
die Festigkeit an diesem außen wenig beanspruchten Ende der Schaufel .liegen kaum
vor, selbst für den Fall des Nachbrennens bei Verwendung von Treibgas mit Luftüberschußzahl
A, < I (Abgas von Ottomotoren). Die Impulsübertragung wird beim vorgeschlagenen
Verfahren besonders wirksam sein, da die Kühlluft infolge des in Abb.2a angedeuteten
Geschwindigkeitsdreiecks svl-rt-ci das Bestreben hat, sich mit dem Treibgas innerhalb
des Gitters und im Spalt zwischen dem Scbaufelkopf und dem Düsenkragen zu mischen,
ferner, da der Kühlluftaustritt nicht durch die Drucksteigerung im Kanal des Gitters,
als Folge der Fliehkraftwirkung bei der Umlenkung des Treibgasstrahles. beeinträchtigt
wird.Fig. I shows an embodiment of such a hollow blade rotor a with a built-in charger star b, internally cooled hollow blades c and the nozzle ring d with a collar for covering the gas channel at the free blade ends. As an example, Fig. Za shows the upper end of a normal hollow blade (without ribs inside the shaft) in a view and Fig. 2b shows section 1-I. This shows that on the length dl part of the back delimitation of the hollow blade end is removed in order to give the exiting cooling air a sufficiently large contact surface with the propellant gases for impulse transmission (the suitably selected length dl at the blade head is a corresponding one according to Fig Amount dlz assigned to the nozzle head, which is determined in experiments to achieve the best conditions). Since the belly side of the shovel is still present, the creation of the torque is also guaranteed on the outer part of the shovel grille; There are hardly any mechanical disadvantages for the strength at this end of the blade, which is not subject to much external stress, even in the case of afterburning when using propellant gas with an excess of air ratio A <I (exhaust gas from Otto engines). The impulse transmission will be particularly effective with the proposed method, since the cooling air tends to mix with the propellant gas within the grille and in the gap between the blade head and the nozzle collar as a result of the speed triangle svl-rt-ci indicated in Fig , because the cooling air outlet is not caused by the pressure increase in the channel of the grille, as a result of the centrifugal force when the jet of propellant gas is deflected. is affected.
Daß die Kühlluft an diesen hauptsächlich unter Unterdruck stehenden
Kanalteilen vom Rad ausgeschleudert wird, ist von besonderem Vorteil, weil bei Hohlschaufelläufern
für hohe Temperaturen die Kühlluftquerschnitte eng ausgeführt werden müssen und
bei der durch die Drehzahl festliegenden Drucksteigerung durch die Schleuderwirkung
beim Umlauf alle nur möglichen strömungstechnischen Maßnahmen ausgenutzt werden
müssen, um günstige Verhältnisse für den Durchtritt der Kühlluft zu erbalten, d.
h. mittels einer guten Kühlwirkung die erforderliche Betriebssicherheit und Lebensdauer
der kühlungsbedürftigen Bauteile zu erreichen. . . .
Besondere Bedeutung
erhält die Erfindung auch durch die Tatsache; daß die Kühlluftförderung ohne Vorverdichtung
von Hohlschaufelgasturbinen für Flugbetrieb in größeren Höhen, d. h. bei der dort
herrschenden geringen Ansaugdichte beschränkt ist, wodurch mit zunehmender Höhe
die Kühlwirkung und damit die Betriebssicherheit abnimmt; hier kann die beschriebene
Maßnahme ohne Vergrößerung des Bauaufwandes (wie Vorverdichtung) den zulässigen
Betriebsbereich solcher Turbinen erweitern, zumal. mit zunehmender Höhe bei gleichbleibendem
Gasdurchsatz die Treibgasgeschwindigkeiten im Schaufelgitter zunehmen, also ein
höherer Impuls zur Übertragung auf die Kühlluft verfügbar ist.That the cooling air at these is mainly under negative pressure
Channel parts are thrown out of the wheel, is of particular advantage, because with hollow blade runners
for high temperatures the cooling air cross-sections must be made narrow and
at the pressure increase determined by the speed due to the centrifugal effect
all possible fluidic measures are used during circulation
must in order to achieve favorable conditions for the passage of the cooling air, d.
H. the required operational reliability and service life by means of a good cooling effect
to achieve the components that need cooling. . . .
Special meaning
the invention also gets by the fact; that the cooling air delivery without pre-compression
of hollow blade gas turbines for flight operations at higher altitudes, d. H. at the there
prevailing low suction density is limited, whereby with increasing altitude
the cooling effect and thus the operational reliability decrease; here can the described
Measure without increasing the construction costs (such as pre-compaction) the permissible
Expand the operating range of such turbines, especially since. with increasing height with constant
Gas throughput the propellant gas speeds in the blade grid increase, so a
higher impulse is available for transmission to the cooling air.
Die Impulsabgabe der Abgase am Schaufelkopf hat praktisch keinen ungünstigen
Einfluß auf den Wirkungsgrad der Gasturbine, da diese Energieabgabe gering ist und
noch dazu in den Teilen des Schaufelgitterserfolgt, die durch die starke Fächerung
strömungstechnisch sowieso benachteiligt sind; außerdem wird der infolge der großen
Gitterteilung an sich weite Kanalquerschnitt durch die rechtzeitige Beimischung
der Kühlluft einigermaßen ausgefüllt. Nur bei Anwendung der vorgeschlagenen Maßnahmen
ist, zu erwarten, daß infolge der gesteigerten Kühlwirkung die Schaufelwandtemperatur
der luftgekühlten Hohlschaufelturbin:en gegenüber derjenigen der beaufschlagenden
Gase noch weiter, als bisher möglich war, gesenkt wird, und eine noch höhere Frischgastemperatur
vor den Düsen bei der, selben Lebensdauer und Betriebssicherheit und Verwendung
der zur Zeit üblichen Werkstoffe zugelassen werden kann, wodurch eine weitere Leistungserhöhung
der Gasturbine ohne besonders das Baugewicht vermehrende Maßnahmen möglich wird.
Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung hochwirtschaftlicher Frischgastriebwerke.The impulse emission of the exhaust gases at the blade head has practically no unfavorable
Influence on the efficiency of the gas turbine, since this energy output is low and
also takes place in the parts of the blade grille which are due to the strong fanning
are aerodynamically disadvantaged anyway; in addition, the result of the large
Grid division in itself wide duct cross-section due to the timely admixture
the cooling air to some extent filled. Only if the proposed measures are applied
It is to be expected that, as a result of the increased cooling effect, the blade wall temperature
of the air-cooled hollow blade turbines compared to that of the admitting ones
Gases is reduced even further than was previously possible, and an even higher fresh gas temperature
in front of the nozzles with the same service life and operational safety and use
the currently common materials can be approved, which further increases performance
the gas turbine is possible without measures that increase the structural weight in particular.
This is critical to the design of highly economical fresh gas engines.