DE853534C

DE853534C - Luftgekuehlte Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE853534C
Application number: DEM967D
Authority: DE
Inventors: Christian Schoerner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1943-02-27
Filing date: 1943-02-27
Publication date: 1952-10-27

Description

Luftgekühlte Gasturbinenschaufel Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte Gasturbinenschaufel, insbesondere für eine Kühlung, bei welcher die Luftströmung in erster Linie durch die Schleuderwirkung innerhalb des umlaufenden Turbinenrades und der Schaufel erzeugt wird. Bei Hohlschaufelturbinenläufern, deren Kühlluftversorgung nur, durch die beim Umlauf auftretende Schleuderwirkung ohne jede Vorverdichtung vor sich geht, wird der Kühlmitteldurchfluß und damit die Bauteilkühlung in gewissen Betriebszuständen beeinträchtigt. Zum Beispiel treten solche der Lebensdauer der Schaufel abträglichen Verhältnisse insbesondere in Luftfahrzeugen beim Betrieb in großen Flughöhen, d. h. bei kleiner Ansaugdichte der Kühlluft, auf oder wenn durch die vorliegende Auslegung der statische Stufenenddruck infolg° einer nachgeschalteten Dehnung des Arbeitsmittels, infolge des anschließenden Druckverlustes (Rückstoßdüse, weitere Turbinenstufen) größer ist als der Ansaugedruck der Kühlluft vor dem Läufersaugmund. Die Kühlwirkung wird sich dann besonders schnell vermindern, wenn die kritische Reynoldsche Zahl mit sinkendem Kühlluftdurchsatz unterschritten wird, die Strömung also, abgesehen von den Einflüssen der sogenannten Anlaufstrecke, deren Verhältnisse für die Durchströmung der Schaufel maßgebend sind, laminar wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Beeinträchtigung der Kühlung zu vermindern oder ganz zu beheben. Zu diesem Zwecke soll die Kühlluft nicht geradewegs radial nach außen durch das Schaufelinnere strömen, sondern erhält erfindungsgemäß durch Einbau von Strömungsleitblechen, die nicht zur Wärmeabfuhr dienen, einen Drall, der die Luft längs eines größeren Weges mit der zu kühlenden Schaufelwand in Berührung bringt, eine starke Durchwirbelung und damit einen besseren Wärmeübergang von der Schaufelwand her ergibt. Außerdem tritt bei guter Durchbildung durch diese Schraubenbewegung des Kühlmittels eine. bessere Beaufschlagung der äußeren Kanalteile des sichelförmigen Strömungsquerschnittes besonders in der Nähe der Ein- und Austrittskante ein. Es sind darüber hinaus sogar örtliche, der Wärmeübertragung günstige Dichteerhöhungen möglich. Die Erfindung ist daher von großer Bedeutung für die Betriebssicherheit und weil eine bessere Ausnutzung der bei den gegebenen Verhältnissen geringen und nur durch besondere Maßnahmen zu steigernden Kühlluftmenge hinsichtlich ihrer Kühlwirkung erreicht wird.
Es ist bekannt, zur Vergrößerung der Wärme abgebenden Oberfläche im Innern einer zu kühlenden Trommelwelle vorgesehene Kühlrippen schraubenförmig auszubilden, um beim Umlauf der Welle eine gewisse fördernde Wirkung auf das Kühlmittel auszuüben und eine in Wandnähe, insbesondere in den Zwischenräumen der Rippen, intensive Strömung für die Abwicklung der Wärmeübertragung zu erhalten. Während hier eine ausgesprochene Beschleunigung des Kühlmittelstrom.es in axialer Richtung namentlich in Wandnähe angestrebt ist, soll bei der Hohlschaufel nach der Erfindung gerade umgekehrt das allzu schnelle Durchströmen des Hohlschaftinnern unter dem Einfluß der Fliehkraft vermindert werden und die Kühlluft durch Dralleinbauten gezwungen werden, auf einem möglichst langen Weg mit der Wärme abgebenden Innenfläche in Berührung zu sein. Im vorliegenden Fall wird die vorhandene Translationsenergie und verfügbare potentielle Druckenergie, der D!urchfluß in Richtung der Schaufelachse steht ja unter dem Einfluß der Fliehkraftwirkung, verwendet, um innerhalb der Dralleitflächen eine möglichst stark durchwirbelte und namentlich auch senkrecht zur Schaufelwand beschleunigte Kühlmittelströmung zu erreichen. Es haben die Drall erzeugenden Flächen bei der Hohlschaufel nach der Erfindung gar nichts mit Wärmeabfuhr zu tun, sie sind lediglich Leitflächen für die Beeinflussung der Strömung. Sie sind wegen des bewußten Verzichtes auf irgendwelche Wärmeaufnahmefähigkeit deshalb auch ohne besondere ausgeprägte größere metallische, d. h. Wärme leitende Verbindung mit Rad und Schaufel vorgesehen.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Hohlschaufeln 'nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb.ieinen Längsschnitt durch eine Hohlschaufel mit in die Schaufel ,eingesetztem Dralleinsatz, Abb. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Abb. i, Abb. 3 einen Längsschnitt durch eine Hohlschaufel mit im Turbinenrad eingesetztem Dralleinsatz, Abb. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Abb. 3, Abb. 5 einen Längsschnitt durch eine Hohlschaufel mit Anordnung der Dralleitflächen am Schaufelträger, i Abb. 6 einen Längsschnitt nach der Linie VI-VI in Abb. 5, Abb. 7 einen Querschnitt nach der Linie VII-VII in Abb. 5.
In den Abb. i und 2 ist die aus zwei Hälften ia und lb bestehende Hohlschaufel an der Nahtstelle 2 verschweißt und weist einen einzigen Kühlluft7utrittskanal auf.
Die Schaufeln sind mit den Scheibenhälfterl3a und 3b durch Schweißung zu einem einheitlichen Kranz verbunden. In der Durchtrittsöffnung 4 der Kühlluft durch diesen Kranz ist :ein Drallkörper 5 angeordnet und durch Schweißung 6 in seiner Lage gesichert. Der Drallkörp.er ist durch Verdrehen eines Flacheisenstückes hergestellt. Es können natürlich auch andere Drallkörper verwendet werden.
In den Abb.3 und 4 ist eine Anwendung des Erfindungsgedankens bei einer anderen Schaufelbauart dargestellt, bei der eine Blechhülse 7 durch Schweißung mit dem Radkranz 8 verbunden ist, wobei ein im Radkranz 8eingeschraubter Verdrängungskörper g die durchtretende Kühlluft längs der Schaufelwand verteilt. Zur Reinhaltung der Durchtrittsöffnungen beim Schweißen sind die überstehenden Bleche i o und i i angeordnet. Zur besseren Ausnützung der Kühlwirkung weist der Verdrängungskörper wendelflächenähnliche Rippen 12 auf, um der Kühlluft einen Drall zu erteilen. Die Steigung der Wendelflächen 12 kann zur Erzielung einer gewünschten Temperaturverteilung längs der Schaufelhülse 7 angepaßt werden, wobei mit Rücksicht auf das durch die Schleuderwirkung beim Umlauf im Betrieb verfügbare Druckgefälle auf einen möglichst großen Kühlluftdurchsatz zu achten ist.
Liegt eine Bauausführung vor, wie sie in Abb. 5 bis 7 dargestellt ist, bei der eine Schaufelblechhülse 13 durch Punktschweißungen 14 mit dem kühlluftdurchströmten Tragzapfen 15 des Radkranzes 16 verbunden ist, so erhält in diesem Fall der Tragzapfen 15 namentlich im unteren Teil der Schaufel die Wendelflächen 17, um der außerhalb des Tragzapfens 15 in den Bohrungen 18 und i g aus dem Radinnern austretenden Luft einen langen Wärmeaufnahmeweg bei verhältnismäßig geringen Widerständen vorzuschreiben. Zur Vermeidung von großen Undichtheiten beim Übertritt vom Rad 16 in die Schaufelhülse 13 sind Leitwände 20 und 21 in diesen Öffnungen angeordnet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Luftgekühlte Hohlschaufel, insbesondere für Gas- und Dampfturbinen, mit Kühlluftzuführung aus dem Turbinenrad, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß der Kühlluft durch die Schaufel durch Einbau von Strömungsleitblechen, die nicht zur Wärmeabfuhr dienen, mit einem Drall erfolgt, so daß der Kühlluftweg im Innern der Schaufel möglichst lang ist.
2. Luftgekühlte Hohlschaufel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb oder vor der Schaufel (i bzw. 7 bzw. 13) ein drallerzeugender Einsatz (5 bzw. 9 bzw. 15) mit Schraubenleitflächen (12 bzw. 17) angeordnet ist.
3. Luftgekühlte Hohlschaufel nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schraubenleitflächen an den besonders zu kühlenden Stellen der Schaufeln flach, am Anfang und Ende des drallerzeugenden Verdrängungskörpers jedoch steil ist. Angezogene Druckschriften Deutsche Patentschrift Nr. 499054.