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.Air-Cooled Gas Turbine Blade The invention relates to an air-cooled one
Gas turbine blade, in particular for cooling in which the air flow
primarily through the centrifugal effect within the rotating turbine wheel
and the blade is created. In the case of hollow blade turbine rotors, their cooling air supply
only because of the centrifugal effect occurring during circulation without any pre-compression
goes on, the coolant flow and thus the component cooling is in certain
Operating conditions impaired. For example, those occur in the lifetime of the
Conditions that are detrimental to blades, especially in aircraft when operating in
high altitudes, d. H. with low intake density of the cooling air, on or when through
the present design of the static final stage pressure as a result of a downstream
Expansion of the working medium as a result of the subsequent pressure loss (thrust nozzle,
further turbine stages) is greater than the suction pressure of the cooling air in front of the rotor suction mouth.
The cooling effect will then decrease particularly quickly if the critical one
Reynolds number with decreasing cooling air throughput falls below the flow
So, apart from the influences of the so-called run-up stretch, its conditions
are decisive for the flow through the blade, becomes laminar.
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.It is the object of the invention to prevent this impairment of cooling
to reduce or to remedy completely. For this purpose, the cooling air should not go straight
flow radially outward through the vane interior, but according to the invention
by installing flow baffles that do not serve to dissipate heat, a swirl,
which the air along a larger path in contact with the blade wall to be cooled
brings a strong
Turbulence and thus a better heat transfer
results from the blade wall. It also occurs with good training through this
Helical movement of the coolant one. better exposure of the outer duct parts
of the sickle-shaped flow cross-section, especially near the inlet and outlet edges
a. In addition, there are even local increases in density which are favorable for heat transfer
possible. The invention is therefore of great importance for operational safety
and because a better utilization of the low and under the given circumstances
The amount of cooling air that can only be increased by special measures with regard to its cooling effect
is achieved.
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.It is known to increase the heat-emitting surface in the
To design helical cooling fins provided inside a drum shaft to be cooled,
in order to exert a certain positive effect on the coolant as the shaft rotates
and an intense flow near the wall, especially in the spaces between the ribs
for handling the heat transfer. While here an outspoken
Acceleration of the coolant flow in the axial direction, especially near the wall
is aimed at, the reverse should be the case with the hollow blade according to the invention
too rapid a flow through the inside of the hollow shaft under the influence of centrifugal force
be reduced and the cooling air are forced by swirl fittings on a
To be in contact with the heat-emitting inner surface as long as possible.
In the present case, the available translational energy and available potential
Pressure energy, the flow in the direction of the blade axis is under the influence
the centrifugal force, used to achieve a possible within the twist guide surfaces
strongly swirled and especially accelerated perpendicular to the blade wall
To achieve coolant flow. The swirl-generating surfaces have
Hollow blades according to the invention have nothing to do with heat dissipation, they are only
Guide surfaces for influencing the flow. You are because of the conscious renunciation
on any heat absorption capacity, therefore, even without a particularly pronounced one
larger metallic ones, d. H. Heat-conducting connection with wheel and shovel provided.
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.The drawing shows several exemplary embodiments of hollow blades
'Shown according to the invention, namely Fig.ie shows a longitudinal section through a
Hollow blade with swirl insert inserted into the blade, Fig. 2 shows a cross section
according to the line II-II in Fig. i, Fig. 3, a longitudinal section through a hollow blade
with the swirl insert inserted in the turbine wheel, Fig. 4 shows a cross-section according to the
Line IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 shows a longitudinal section through a hollow blade with an arrangement
the twist guide surfaces on the blade carrier, i Fig. 6 a longitudinal section along the line
VI-VI in Fig. 5, Fig. 7 a cross section along the line VII-VII in Fig. 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.In Figs. I and 2 is the two halves ia and lb existing
Hollow blade welded at the seam 2 and has a single cooling air inlet channel
on.
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.The blades are welded to the disk halves 3a and 3b
connected to a uniform wreath. In the passage opening 4 of the cooling air
through this wreath is: a swirl body 5 is arranged and welded 6 in its
Secure location. The swirl body is made by twisting a piece of flat iron.
Of course, other swirl bodies can also be used.
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.In Figs. 3 and 4, an application of the inventive concept is at
Another blade design shown in which a sheet metal sleeve 7 by welding
is connected to the wheel rim 8, a displacement body screwed into the wheel rim 8
g distributes the passing cooling air along the blade wall. To keep the
The protruding sheets i o and i i are arranged through openings during welding.
For better utilization of the cooling effect, the displacement body has helical surfaces
Ribs 12 to give the cooling air a swirl. The slope of the helical surfaces
12 can be used to achieve a desired temperature distribution along the blade sleeve
7 can be adjusted, taking into account that caused by the centrifugal effect during circulation
pressure gradient available during operation to the greatest possible cooling air throughput
to pay attention to.
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.Is there a construction as shown in Fig. 5 to 7
is, in which a blade sleeve 13 by spot welds 14 with the cooling air flowing through
Support pin 15 of the wheel rim 16 is connected, so in this case the support pin
15 namely in the lower part of the blade the helical surfaces 17 to the outside
of the support pin 15 in the bores 18 and i g exiting air from the inside of the wheel
to prescribe a long heat absorption path with relatively low resistances.
To avoid large leaks when passing from the wheel 16 into the shovel sleeve
13 guide walls 20 and 21 are arranged in these openings.