DE952222C

DE952222C - Stator blade for gas turbines

Info

Publication number: DE952222C
Application number: DEA20380A
Authority: DE
Inventors: Hans Juergen Peter Bruno Kahn; Horace Sinclair Rainbow
Original assignee: Armstrong Siddeley Motors Ltd
Current assignee: Armstrong Siddeley Motors Ltd
Priority date: 1953-06-01
Filing date: 1954-05-22
Publication date: 1956-11-15
Also published as: US2833514A; FR1101346A; GB738213A; BE529252A

Description

AUSGEGEBEN AM 15. NOVEMBER 1956ISSUED NOVEMBER 15, 1956

A 20380 Ia/46fA 20380 Ia / 46f

(Großbritannien)(Great Britain)

Die Erfindung bezieht sich auf Statorschaufehl für Gasturbinen, die an ihrem Fuß eine Bolzenbefestigung besitzen, während sie an ihrem Kopf von einem Gehäuseteil der Maschine so abgestützt werden, daß dieses Ende der Schaufel gegen eine Bewegung in Umfangsrichtung gehalten wird.The invention relates to stator blades for gas turbines that have a bolt attachment at their base own while they are supported on their head by a housing part of the machine be that this end of the blade is held against movement in the circumferential direction.

Es sind bereits derartige Statorschaufeln bekannt, die einen Kern besitzen, der an seinem Fuß die Bolzenbefestigung aufweist, und die mit einer Ummantelung von geeignetem tragflügelähnlichem Profil verkleidet sind.There are already known such stator blades that have a core that is at its foot Has bolt fastening, and with a jacket of suitable airfoil-like profile are disguised.

Außerdem ist es bekannt, den Kern mit in Längsrichtung legenden Rippen zu versehen, die mit der Ummantelung über die ganze Länge der Schaufel verschweißt sind.. .It is also known to provide the core with longitudinally laying ribs with the Sheath are welded over the entire length of the blade ...

Eine derartige Anordnung hat den Nachteil, daß bei Erwärmung der Statorschaufel erhebliche innere Spannungen auftreten, die zu einer Zerstörung führen können.Such an arrangement has the disadvantage that when the stator blade is heated, considerable internal Tensions occur that can lead to destruction.

Hauptziel der Erfindung ist es, eine Turbinen-Statorschaufel der obenerwähnten Art mit einer inneren Luftkühlung zu versehen, bei der die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden.The main object of the invention is to provide a turbine stator blade of the aforementioned type with a to provide internal air cooling, in which the disadvantages of the known arrangements are avoided.

Erfindungsgemäß ist jede Statorschaufel so ausgebildet, daß sie an ihrem Fuß durch einen einzigen' quer hindurchgehenden Bolzen einzeln anAccording to the invention, each stator blade is designed in such a way that that they are individually attached to their foot by a single 'transverse bolt

einem feststehenden Gehäuseteil der Maschine an gebracht ist und daß die Ummantelung an ihrem Fußende einen sich nach den Seiten erstreckenden Flansch besitzt, der an einer entsprechend geformten und mit einer entsprechenden Ausnehmung versehenen Plattform befestigt ist, die ihrerseits auf dem in an sich bekannter Weise mit in Längsrichtung angeordneten Rippen versehenen Kern in der Nähe des Bolzenendes ausgebildet ist, wobei ίο zwischen Flansch und Plattform eine flache Kammer gebildet wird, die mit den sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen zwischen den Rippen und wenigstens einem Luftzufuhrduxchgang in Verbindung steht, der sich frei von dem Bolzenloch durch den Fuß des Kerns hindurch erstreckt.a fixed housing part of the machine is brought to and that the casing on her The foot end has a flange which extends to the sides and which is attached to a correspondingly shaped and is attached with a corresponding recess provided platform, which in turn on the core provided in a manner known per se with longitudinally arranged ribs in is formed near the end of the bolt, with ίο a flat chamber between the flange and platform is formed with the longitudinally extending channels between the ribs and communicating with at least one air supply passage clear of the bolt hole extends through the base of the core.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Ummantelung nur an einem Ende, und zwar am Fuß, an dem Kern befestigt, so daß, zwischen dem Kern und der Ummantelung bei der unter-. 20 schiedlichen Expansion bzw. Kontraktion von Kern und Ummantelung eine Relativbewegung stattfinden kann.According to a further feature of the invention, the sheath is only at one end, namely at the foot, attached to the core, so that, between the core and the sheath at the under-. 20 different expansion or contraction of the core and cladding a relative movement take place can.

Die erfindungsgemäße Schaufel vermeidet alleThe blade of the present invention avoids all of them

inneren Spannungen dadurch, daß sie eine freie Ausdehnung der verschiedenen Teile zuläßt, was dadurch erreicht wird, daß einmal der Schaufelkern mit dem Mantel nur an einem Ende, und zwar am Fußende, verbunden ist und daß zum anderen die Befestigung mittels eines einzigen Bolzens vorgenommen ward, der quer durch das Befestigungsende hindurchgeht.internal tensions in that it allows a free expansion of the various parts, what is achieved in that once the blade core with the jacket only at one end, namely at the Foot end, is connected and that on the other hand, the attachment is made by means of a single bolt which goes straight through the end of the attachment.

Normalerweise wird quer über die Schaufel von dem Eingangs- zum Austrittsende eine Änderung des Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Außenseite auftreten. Um diese Unterschiede auszugleichen, wird erfindungsgemäß die Menge der Kühlluft, die längs der entsprechenden Kanäle zwischen den Stegen hindurchströmt, geregelt, indem man den Kanälen unterschiedliche Querschnittsflächen an ihren Auslaßenden gibt, wodurch längs der entsprechenden Kanäle bestimmte unterschiedliche Strömungen hervorgerufen werden. Dies kann bewirkt werden, indem man auf dem Kern an dem Auslaßende zwischen den Rippen aufrecht stehende Grate vorsieht, deren Höhe natürlich kleiner als die Höhe der Rippen ist, jedoch individuell so festgelegt ist, daß die erforderlichen Austrittsquerschnitte entstehen.Usually there will be a change across the bucket from the inlet to the outlet end of the heat transfer coefficient occur on the outside. To compensate for these differences, according to the invention, the amount of cooling air flowing along the corresponding channels between flows through the webs, regulated by giving the channels different cross-sectional areas at their outlet ends, whereby along the respective channels certain different Currents are caused. This can be done by looking at the core on the The outlet end provides upright ridges between the ribs, the height of which is of course less than the height of the ribs is, however, determined individually so that the required exit cross-sections develop.

Wenn die Querschnittsfläche der Kühlkanäle'über die gesamte Länge der Schaufel vom Einlaßende bis zum Auslaßende konstant wäre, würde die Menge der übertragenen Wärme über die Länge der Schaufel an den verschiedenen Punkten variieren, und zwar auf Grund der Veränderungen der Temperaturen des Gases und der Kühlluft (d. h. auf Grund der Erwärmung der Kühlluft), wodurch die Schaufel nicht gleichmäßig gekühlt werden kann.When the cross-sectional area of the cooling channels' over the entire length of the blade from the inlet end would be constant up to the outlet end, the amount of heat transferred over the length of the Blade vary at different points due to changes in temperatures of the gas and the cooling air (i.e. due to the heating of the cooling air), whereby the Blade cannot be cooled evenly.

Um diesen Mangel zu beheben, wird nach einem noch weiteren Merkmal der Erfindung die Querschnittsfläche der einzelnen Kanäle, vom Einlaßende ausgehend, über ihre Länge so reduziert, daß die Geschwindigkeit der Kühlluft in dem Maße wächst, wie sie längs der Kanäle vorrückt.In order to remedy this deficiency, according to yet another feature of the invention, the cross-sectional area of the individual channels, starting from the inlet end, reduced over their length so that the The speed of the cooling air increases as it advances along the channels.

Diese Verkleinerung der Querschnittsfläche kann einmal erreicht werden durch entsprechende zunehmende Verbreiterung der Stege zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende, wodurch die Breite der Kühlkanäle verringert wird; vorzugsweise wird die Erhöhung der Luftgeschwindigkeit bzw. die Verkleinerung der Querschnittsfläche der Luftkanäle durch entsprechende Herabsetzung der Steghöhen zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende erreicht, wodurch die Stege eine gleichförmige Mindestbreite behalten und die durch die Kühlluft bespülte Fläche der Ummantelung nicht verringert wird.This reduction in the cross-sectional area can be achieved once by increasing it accordingly Widening of the webs between the inlet and outlet ends, thereby increasing the width the cooling channels is reduced; preferably the increase in air speed or the Reduction of the cross-sectional area of the air ducts by reducing the height of the webs accordingly between the inlet and outlet ends, whereby the ridges have a uniform minimum width retained and the surface of the jacket flushed by the cooling air is not reduced.

Bei der erfindungsgemäßen Schaufel wird also in Verbindung mit hoher Festigkeit eine wirksame Kühlung über die gesamte Oberfläche der Schaufel erreicht, wobei es durch besondere Ausbildung der Kanäle, wie sie im einzelnen durch die erwähnten Merkmale beschrieben wird, möglich ist, die Temperatur über die ganze Schaufeloberfläche konstant zu halten.In the case of the blade according to the invention, therefore, an effective one becomes an effective one in connection with high strength Cooling is achieved over the entire surface of the blade, it being achieved through special training of the Channels, as described in detail by the features mentioned, is possible, the temperature to be kept constant over the entire blade surface.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden an Hand dieser Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Fig. ι ist ein Schnitt in Längsrichtung durch einen Teil eines Turbinenstators, der eine Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel im Schnitt zeigt,· 'The invention is illustrated by way of example in the drawings and in the following Hand of these drawings described in detail. Fig. Ι is a section in the longitudinal direction a part of a turbine stator, which is an embodiment of a blade according to the invention in Section shows · '

Fig. 2 ist eine abgewickelte Draufsicht längs der Linie 2-2 in Fdg. 1 und zeigt zwei benachbarte Schaufeln;Fig. 2 is a developed plan view taken along line 2-2 in Fig. 1 and showing two adjacent ones Shovels;

Fig. 3 stellt eine vergrößerte Ansicht einer der in Fig. 2 gezeigten Schaufeln dar;Figure 3 is an enlarged view of one of the blades shown in Figure 2;

Fig. 4 gibt einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3 wieder;Fig. 4 shows a section along the line 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Schaufel in auseinandergezogenem Zustand, wobei die Ummantelung teilweise weggebrochen ist. iooFig. 5 is an exploded perspective view of a bucket showing the sheathing has partially broken away. ioo

Fig. ι zeigt einen Schaufelkern 11, der an seinem in radialer Richtung außenliegenden Fuß eine Verlängerung 12 aufweist, die durch einen Bolzen 13 zwischen ringförmigen Ansätzen 14 und 15 festgeklemmt wird, die sich an den angrenzenden Enden von zwei Ringen 16 bzw. 17 befinden, die an dieser Stelle die ringförmige Außenwand des Gasdurchganges durch den Stator bilden. Der ringförmige Ansatz 15 steht, wie in der Zeichnung dargestellt, über Klauen 18 mit einem Ring 19 im Eingriff, der durch eine Mehrzahl von Bolzen 20 (von denen in Fig. 1 nur einer gezeigt ist), diie durch Flansche 21 und 22 der Abschnitte 23 und 24 des Außengehäuses hindurchgehen, festgeklemmt wird. Die Klauen bilden die Umfangsfixierung für die Ringe 16 und 17.Fig. Ι shows a blade core 11, which on his in the radial direction outer foot has an extension 12 which is secured by a bolt 13 clamped between annular lugs 14 and 15 which are located at the adjacent ends of two rings 16 and 17, respectively, which are attached to this point form the annular outer wall of the gas passage through the stator. The ring-shaped one Approach 15 is, as shown in the drawing, via claws 18 with a ring 19 in engagement, by a plurality of bolts 20 (only one of which is shown in Figure 1) passing through Flanges 21 and 22 of sections 23 and 24 of the outer housing pass through, is clamped. The claws form the circumferential fixation for the rings 16 and 17.

An seinem in radialer Richtung innenliegenden Kopf besitzt der Kern einen mit ihm aus einem Stück bestehenden Stift 25, der gleitend in eine radiale Bohrung eines inneren Befestigungsringes 26 eingreift, der bei 27 über Zähne, die hier wiederum die Umfangsfixierung bilden, mit einem Gehäuseteil 28 der Maschine im Eingriff steht.At its head, which is on the inside in the radial direction, the core has one with it Piece of existing pin 25 that slides into a radial bore of an inner mounting ring 26 engages, which at 27 over teeth, which in turn form the circumferential fixation here, with a housing part 28 of the machine is engaged.

Der Kern besitzt, wie am besten aus Fig. 5 ersichtlich, einen gerippten Teil 29 mit einem tragflügelähnlichen Profil, der in einer Plattform 30As best seen in FIG. 5, the core has a ribbed part 29 with an airfoil-like shape Profile in a platform 30

endet, die auf ihrem Umfang mit einer Brüstung 31 versehen ist. Auf die Rippen 32 des Abschnittes 29 ist eine Ummantelung 33 dicht aufgepaßt, deren Außenfläche die wirksame Oberfläche der Schaufel bildet und die an ihren Enden Flansche 34, 35 trägt. Der Flansch 3 4 ist dichtend mit der Lippe der Brüstung 31 verbunden, beispielsweise durch eine Schweißnaht 36 (Fig. 1), und bildet mit der Plattform 30 eine flache Kammer 50, in die durch ein Paar Durchgänge 37, die zu beiden Seiten einer Bohrung 3 8 für den Bolzen 13 in der Verlängerung 12 liegen und durch diese Verlängerung' hindurch zum Fuß der Schaufel hindurchführen, Luft eingeführt wird. Diese Durchgänge erhalten die Luft aus einem Durchgang 39, der von dem Ring 16 und dem äußeren Gehäuseteil 23 gebildet wird. Die Luft kommt von dem Luftkompressor der Gasturbinenanlage (nicht gezeigt). Diese Luft geht dann durch die Kanäle hindurch, die zwischen den Stegen 32 und der Innenwand der Ummantelung 33 gebildet werden, und tritt dann am Kopf der Schaufel aus, von wo sie frei stromabwärts strömt, wie durch den Pfeil 40 in Fig. 1 gezeigt.ends, which is provided with a parapet 31 on its circumference. On the ribs 32 of the section 29 a casing 33 is tightly fitted, the outer surface of which is the effective surface of the blade forms and the flanges 34, 35 at their ends wearing. The flange 3 4 is sealingly connected to the lip of the parapet 31, for example by a weld 36 (Fig. 1), and forms with the platform 30 a flat chamber 50, into which a pair of passages 37 on either side of a hole 3 8 for the bolt 13 in the extension 12 lie and through this extension 'through to the base of the shovel, air is introduced. These passages receive the air from a passage 39 which is formed by the ring 16 and the outer housing part 23. the Air comes from the air compressor of the gas turbine plant (not shown). This air goes then through the channels between the webs 32 and the inner wall of the casing 33 and then exits at the head of the vane, from where it flows freely downstream, such as shown by arrow 40 in FIG.

Die Flansche 34 und 35 bilden Dichtungen zwisehen den benachbarten Schaufeln, um ein Entweichen des Arbeitsmediums von dem gewünschten Weg zu verhindern. Die stromabwärtigen Enden der Ringe 16 und 26 sind, wie in Fig. 1 gezeigt, mit entsprechenden Übergängen 41 und 42 versehen.The flanges 34 and 35 form seals between the adjacent blades to prevent escape to prevent the working medium from the desired route. The downstream ends of the rings 16 and 26 are, as shown in Fig. 1, with corresponding transitions 41 and 42 are provided.

An der stromabwärts gelegenen Seite der Übergangsverkleidung 42 besitzt der Kopf der Schaufel von der angrenzenden Oberfläche des Ringes 26-einen solchen Abstand, daß eine Kammer 43 gebildet wird, durch die hindurch die Kühlluft, die in diesem Bereich ausgeblasen wird, in die stromabwärtige Richtung abgeführt werden kann, wie durch den Pfeil 40 angedeutet.On the downstream side of the transition fairing 42, the head has the bucket from the adjacent surface of the ring 26-such a distance that a chamber 43 is formed through which the cooling air that is blown out in this area into the downstream Direction can be removed, as indicated by arrow 40.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der der Kern 29 in der Nähe seines Kopfes zwischen benachbarten Rippen mit konischen Erweiterungen 44 versehen ist, durch die der Querschnitt der Auslaßenden der Kanäle zwischen den Rippen und der Ummantelung verringert wird. Indem man diesen Erweiterungen jeweils bestimmte unterschiedliche Höhen gibt, kann die Geschwindigkeit der Luft längs der verschiedenen Kanäle so gesteuert werden, daß der gewünschte Wärmeübergangskoeffizient von dem Eingangs- bis zum Ausgangsende gleichmäßig quer über die Schaufel erreicht wird.Fig. 4 shows an arrangement in which the core 29 in the vicinity of its head between adjacent Ribs with conical extensions 44 is provided, through which the cross section of the outlet ends of the Channels between the ribs and the sheath is reduced. By getting these extensions In each case there are certain different heights, the speed of air along the different can Channels are controlled so that the desired heat transfer coefficient from the input until the exit end is reached evenly across the shovel.

Wie ersichtlich, wird die Luft während ihres Durchganges durch die Kanäle erwärmt. Falls diese Kanäle nun einen konstanten Querschnitt besitzen würden, würde sich die abgeführte Wärmemenge über die Schaufellänge verändern. Um derartige Unterschiede in. der Wärmeabfuhr zu verhindern, kann die Tiefe der Kanäle zwischen den Rippen, wie gleichfalls aus Fig. 4 ersichtlich, von dem Einlaß- zum Auslaßende hin stetig verringert werden. Auf diese Weise wird die Luft, wenn sie auf ihrem Wege vom Einlaß- zum Auslaßende erwärmt wird, zum Auslaßende hin beschleunigt, wodurch eine gleichmäßige Kühlwirkung aufrechterhalten und die steigende Temperatur der Kühlluft kompensiert wird.As can be seen, the air is heated as it passes through the channels. If this Channels would now have a constant cross-section, the amount of heat dissipated would increase Change over the length of the shovel. To prevent such differences in heat dissipation, the depth of the channels between the ribs, as can also be seen in Fig. 4, from the inlet are steadily reduced towards the outlet end. This way the air gets when it is on yours Paths from the inlet to the outlet end is heated, accelerated towards the outlet end, whereby a Maintain a uniform cooling effect and compensate for the rising temperature of the cooling air.

Da die Schaufelummantelung nur am Lufteintrittsende an der Kernhalterung befestigt ist, können sich der Kern und die Ummantelung radial zueinander, d.h. in Richtung der Achse der Schaufel sowohl verlängern als auch zusammenziehen.Since the blade casing is only attached to the core holder at the air inlet end, the core and the shroud can move radially to each other, i.e. in the direction of the axis of the blade both lengthen and contract.

Die Rippen auf dem Kern stützen die Ummantelung über ihre gesamte Länge innen hinreichend ab, so daß Biegekräfte, die auf die Ummantelung wirken, auf den Kern übertragen werden, der so ausgebildet ist, daß er diesen Belastungen einen hinreichenden Widerstand entgegensetzen kann.The ribs on the core provide sufficient internal support over its entire length from, so that bending forces that act on the cladding are transmitted to the core, which so is designed so that it can provide adequate resistance to these loads.

Claims

75 claims:

1. Stator blade for gas turbines, which has a bolt attachment at its foot, while it is carried on its head by a housing part of the machine so that a movement the blade in the circumferential direction of the stator is not possible, and one core owns, which has the bolt attachment at its foot and with a sheath with suitable is clad with a wing-like profile, characterized in that each blade is individually attached to a stationary housing part the machine is attached to said foot by a single transverse bolt, and that the casing has at its foot a flange (34) which extends to the sides and which is attached to a correspondingly shaped platform provided with a corresponding recess (30) is attached, which in turn is arranged in a manner known per se in the longitudinal direction Ribbed core is formed near the bolt end, with between the platform (30) and the flange (34) a flat chamber (50) is formed, which with the longitudinally extending channels between the ribs (32) and at least one Air supply passage (37) communicates, which is free of the bolt hole (38) through extends through the base of the core.

2. stator blade according to claim 1, characterized in that the casing (33) only is attached to the core at the foot, so that between the core and the sheath at the no different expansion or contraction of the core and cladding cause a relative movement can take place.

3. Shovel according to claim 1 or 2, characterized in that the channels between the "5 Ribs (32) are designed so that they have different cross-sections at their outlet ends have, so that certain different amounts of air through the corresponding channels flow through it, creating differences in the heat transfer coefficient across the Blade are compensated from their inlet to their outlet end.

4. Shovel according to one of the preceding 'claims, characterized in that the Cross-sections of the individual channels between the

Ribs (32) become smaller along their length, starting from the inlet end, so that the speed the cooling air increases as it advances along the ducts, thus creating differences in heat transfer at different points along the length of the Blade must be compensated for due to changes in gas and cooling air temperatures.

Considered publications:
German Patent Nos. 872695, 823823; French patent specification No. 949459.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings