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Hohlschaufel für Kreiselmaschinen, insbesondere Dampf- oder Gasturbinen
Die Entwicklung von mit Treibmitteln hoher Temperaturen arbeitenden Kreiselmaschinen,
insbesondere Gasturbinen, ist zum großen Teil abhängig von der Ausbildung der thermisch
sowie mechanisch hoch beanspruchten Schaufeln. Fas sind vielerlei Mittel angewandt
worden, um; durch Kühlung die thermische Beanspruchung in zulässigen Grenzen zu
halten, somit die Festigkeitseigenschaften des: Schaufelwerkstoffes günstiger zu
gestalten und seine Spannungsgrenzen hinaufzusetzen. Auf solche Maßnahmen beziehen
sich Ausführungen, welche die Schaufel gleichsam in zwei Teile zerlegen, die den
beiden Aufgaben der Schaufeln, nämlich einmal thermische und; zum anderen, mechanische
Beanspruchungen aufzunehmen, einzeln- gerecht werden. So sind Schaufeln bekannt,
die aus einem Leistung übertragenden, mit dem Schaufelträger fest verbundenen Körper
und einem mit ihm, durch Schweißen bzw. Löten verbundenen Teil bestehen, der zur
Tre@ibmittelführung dient. Die entstehenden Hohlräume können mit Kühlmittel aller
Art beschickt werden. Kennzeichnend für alle solche Ausführungen ist die Maßnahme,
daß ein Teil des die Leistung übertragenden Körpers mit zur Treibmittelführung herangezogen
wird.
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Auf eine solche Hohlschaufel bezieht seich die Erfindung, die vom
folgenden übe:rlegunr
gen ausgeht: Aus Festigkeitsgründen ist es
zweckmäßig, den Leistung übertragenden Körper. im folgenden kurz Schaufelkörl,er
genannt. von dem zur Treibmittelführung dienenden Teil, im folgenden als Schaufelhülse
gekennzeichnet, nicht nur teilweise, sondern völlig zu trennen, indem die aus zunderfestem
Werkstoff bestehende, im Querschnitt Schaufelprofil besitzende Schaufelhülse den
im Querschnitt ungefähr Schaufelprofil besitzenden Scha.ufellzörper vor allem in
Richtung des Treibmittelflusses allseitig umgibt und mit dem Schaufelkörper durch
Stege oder warzenälinliche Erhebungen verbunden ist. deren Zahl und Abmessungen
im Hinblick auf die zu übertragenden Kräfte kleinstmöglich gehalten sind. Auf diese
Weise entstellt eine Hohlschaufel aus einem Schaufelkörper und einer Schaufelhülse
mit einem zwischen beiden liegenden geschlossenen Hohlraum. der genügend groß ist,
um zur Kühlung des Schaufelkörpers g.ceign°te Mittel aufnehmen zu können.. Der Querschnitt
des Schaufelkörpers besitzt ungefähr den Querschnitt des Schaufelprofils. während
selbstverständlich die Scha.uf°Ihülse Schaufelprofil aufweist. Es sind Schaufeln
mit einer Hülse vorgeschlagen -%eord°n. die als in sich geschlossener Teil auf den
Schaufelkörper aufgezogen wird. Derartige Schaufelhülsen liegen aber zuin Teil am
Schaufelkörper flächig an, so daß zwischen Hülse und Körper all diesen @"erbindurigsflächen
ein lebhafter Wärmeaustausch stattfinden kann. Eine solche Ausführung ist insbesondere
dann erwünscht, wenn das durch den ILern geführte ILühlmittel die Hülse mit kühlen
soll. Die Erfindung dagegen geht von . einem anderen Grundsatz aus. Sie will den
Wärmefluß zwischen der aus zunderfestenl und hochllitzebceständige m Werkstoff bestell,nden
Hülse und dem Schaufelkörper überhaupt dämmen, und deshalb ist zwischen beiden ein
geschlossener Hohlraum vorhanden, der lediglich durch warzenähnliche Erhebungen
oder Stege ohne flächige Berührung unterbrochen ist, deren Abmessungen kleinstmöglich
gehalten sind, um die Verkleinerung des Hohlraumes auf einem Mindestmaß zu halten.
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Es ist einmal möglich, entweder den Hohlraun mit einem die Wärme schlecht
leitenden Mittel zu versehen, ihn also gleichsam als Wärmedrossel zu betrachten,
so daß die auf die Schaufelhülse übertragene Wärmemenge nur ganz allmählich dem
Scbaufelkörper mitgeteilt wird. Ein derartiger Wärnlosta.u wirkt sich besonders
vorteilhaft bei Verpuftungsbrennkraftmaschinen aus, die mit stoßweise aufeinanderfolgenden
Einzelverbrenilungen arbeiten. oder bei häufigen Betriebsunterbrechungen, also in
Fällen, in denen eine gleichmäßig hohe thermische Beanspruchung ausgeschlossen ist.
Die Erschwerung des @t'ärmedu.rchganges von der Schaufelhülse zum Schaufelkörper
kann dabei dadurch bewirkt «-erden, daß der Hohlraum mit Isoliermassen, wie z. E.
keramiselien hassen, oder mit anderen die Wärme schlecht leitenden Werkstoffen ausgefüllt
ist. In manchen Fällen wird es sogar geiliig°n. die in dem Hohlraum befindliche
Luft als wärmestauendes -Mittel heranzuziehen. ja. es kann unter Umständen sogar
ausreichen, den Hohlraum mit einem Stahl, wie z. B. einem Chromstahl, auszufüllen,
der die Wärme schlechter leitet als der Stahl. aus dem der Schaufelkörper ge-I arbeitet
ist.
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Die andere .llögliclikeit der Kühlung d:es die Leistung übertragenden
Schaufelkörpers bestellt darin, daß kein Wärmestau geschaffen. vielmehr mit einem
Wärmegefälle gearbeitet wird, d.li. daß der zwischen Schaufelkörper f und Schaufelhülle
befindliche Hohlraum mit Kühlmitteln irgendwelcher Art beschickt wird, «-elche die
durch die Sdiaufelliiiilse dringenden @Z-ärm-em@engen abzuleiten haben. Es ist ersichtlich.
daß der erfindungsgemäß zwischen Schaufelkörper und Schaufelhülse geschaffene Hohlraum
hinreichend groß ist. um genügend hühlmittelm,engen durchzufördern.
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Das Kühlen von Schaufeln mittels Kühlmitteln ist an sich bekannt.
Der Erfindungsgedanke bezieht sich daher auf die Anwendung einer Schaufelhülse,
die lediglich durch Stege oder warzenähnliche Erhebungen nnit deni Schaufelkörper
verbunden ist. Darüber hinaus ist aber die Erfindung noch durch ein weiteres Merkmal
gekennzeichnet: Damit der Wärmea.bfluß von der aus zunderfesteni Werkstofff bestehenden
Schaufelhülse schnell -,or sich geht, ist die Schaufelhülse im Innern. also all
ihren nach dein Schaufelkörper zu liegenden S"iten. 2rfindungsg;rlläß mit ein .ein
die Wärme sehr gut leitenden Werkstoff versehen, der die voll den- Schaufelhülse
ernpfangellen Wärinemiengen schnell an das in dem Hohlraum fließende Kühlmittel
abzugeben in der Lage ist. Die Verbindung dieser eine sehr gute Wä.rmel,eitfähiglzeit
besitzenden Schicht mit der Schaufelhülse ist für den Erfindungsgedanken unwesentlich:
sie kann z. B. aufgewalzt oder verschweißt oder aber elektrolytisch aufgebracht
sein. Kennzeichnend bleibt auch bei dieser Gestaltung die Tatsache, daß die Schaufelhülse
bzw. die in ihr aufgebrachte Schicht mit guter Wärmeleitfähigkeit mittels Stege
oder warzenähnlicher Erhebungen ohne flächige Berührung mit dein Schaufelkörper
verbunden ist, so daß zwischen der Schaufelhülse mitsamt dieser Schicht und dem
Schaufelk;irp:r ein hinreichend großer Hohlraum zur Aufnahme von Kühlmitteln bleibt.
Schließlich
ist auch eine Schaufelhülse aus einem die Wärme gut leitenden Werkstoff, insbesondere
Leichtmetall, möglich, dessen dem Treibmittel zugewandte Oberfläche durch eine Oberflächenbehandlung
hitzebeständig gemacht ist.
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Da die Schaufelkanten wärmemäßig besonders hoch beansprucht sind,
ist es zweckmäßig, diese Schaufelistellen besonders nachhaltig zu kühlen, d. h.
die Wärmebeanspruchungen vom Schaufelkörper an diesen Stellen fernzuhalten, was
im Sinne der Erfindung entweder durch einen Wärmestau oder durch eine gesteigerte
Wärmeabfuhr erreicht werd kann. Zu diesem Zweck ist der Abstand der Schaufelhülse
vom Schaufelkörper nicht an allen Stellen des Querschnittes gleichmäßig, vielmehr
in der Gegend: der Schaufelkanten etwas größer als an Bauch und Rücken der Schaufel.
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Die Zeichnung stellt wesenhaft eine erfindungsgemäße Hohlschaufel
im Querschnitt dar: i ist der Schaufelkörper, der warzenähnliche Erhebungen :2 besitzt,
an die sich die Hüls'3 anlegt, ohne daß sie an einer Stelle den Schaufelkörper i
flächig berührt. Auf diese Weise entstehen die, Hohlräume 5 und 6, welche die erwähnten
Vorteile erbringen.. Diese Hohlräume können nach den Schaufelkanten zu größer sein
als an den übrigen Stellen der Schaufelhülse, wie es bei 6- dargestellt ist, Mit
4 sind die verschiedenen, an; der Schaufelhülse anzubringend ein Schichten angedeutet.