DE1476796A1

DE1476796A1 - Kuehlung von Bauteilen,insbesondere fuer Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE1476796A1
Application number: DE1966G0047873
Authority: DE
Inventors: Howald Werner Ernst
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-08-26
Filing date: 1966-09-08
Publication date: 1970-02-05
Also published as: BE686044A; DE1476796C3; DE1476796B2; US3527543A; FR1601730A; GB1164847A

Description

Unser Zeichen: Q 1069

GENERAL ELECTRIC COMPAHI
1 River Road
Schenectady, N.Ϊ./V.St.A.

Kühlung von Bauteilen« insbesondere für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von Gasturbinentriebwerken und insbesondere auf verbesserte Einrichtungen zum Kühlen von Bauteilen dieser Triebwerke.

Gasturbinentriebwerke weisen üblicherweise einen Axialströmungskompressor auf, der die Luft auf die richtige Dichte komprimiert, die zur Verbrennung von Brennstoff in einer Verbrennungskammer erforderlich ist. Die Verbrennungsgase gelangen dann zu einer Turbine, welche den Axialströraungskompressor antreibt. Nachdem die hochenergetischen Verbrennungsgase durch die Turbine hindurchgegangen sind, können diese verwendet werden, um eine Arbeitsturbine anzutreiben, die mit einer Ausgangs weile /crbunden ist, an der eine Luftschraube oder eine andere

Einrichtung 909886/0439

vs. v^iwyu Li^i _U7679e

Einrichtung montiert sein kann. Alternativ können die hochenergetischen Verbrennun^sgase direkt zur Erzeugung eines Schubes verwendet werden, um wie beispielsweise in Strahltriebwerken, die üblicherweise in Flugzeugen verwendet werden, eine Antriebskraft zu erzeugen.

Es sei speziell auf die Bauelemente einer Turbine Bezug genommen. Eine Umi'angsreihe von Leitschaufeln oder Düsen richtet die Verbrennungsgase auf eine Reihe von Turbinenschaufeln, die an einem Rotor montiert sind, wobei diese Teile in Kombination eine sogenannte Stufe bilden. Eine Vielzahl von Stufen kann verwendet werden, jedoch isc es in jedem Pail die erste Stufe, die den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist. Diese Statordüsen und Rotorschaufeln v/eisen ein sogenanntes Tragflächenprofil auf una sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt;, was insoesondere für die Rouorschaufein gilt.

Bei Kompressorturbinen für derartige Triebwerke oreten orhebiiche Probleme auf, wenn eine hohe Leistung erzielt werden soll, und zwar insbesondere wenn eine Schuberzeugung für einen Flug bei Geschwindigkeiten oberhalb dex· Machzahl 2,5 erforderlich isc. Das Gewicht der Turbine 1Λ ein. Faktor. Eine wesentliche Begrenzung liegt jedoch darin, dass der Turbinenaufbau zu einer maximalen Betriebs temperatur führu, wobei ein Betrieb bei höhen Temperaturen beispielsweise bei 4 000 P nicht möglich ist, wobei es bekanni; ist,

BAD ORIGINAL

das« bei dieser Temperatur der erforderliche hohe Wirkungegrad möglich ist·

Obwohl Materialien sur Verfügung etehen, die bei Temperaturen in der dröeeenordnung τοη 4 000⁹F nioht sohmelsen, ermOgliohen gegenwärtige und Torhersehbare Entwicklungen in der metallurgiaohen Teohnologie keineefalle die Schaffung von Materialien, welche die erforderllohe Strukturfeetigkeit für einen Turbinenbetrieb bei derartigen Temperaturen aufweisen.

Die Kenntnis dieses Temperatur-Materialprobleine ist nicht neu und es wurden eahlreiohe Vorschläge eur Kühlung der Turbinenbauteile und insbesondere der Schaufel der Turbine gemacht· Diese Vorschläge können in Tier allgemeine Kategorien unterteilt werden!

a) iMftkOnTektionskUhlung, bei welcher Kühlluft duroh Kanäle hixi_durohgeleitet wird, die sieh in Längsrichtung der Sohaufel erstrecken ι

b) FlüssigkeitskonTektionekühlung, bei welcher flüssiges Metall, wie beispielsweise Natrium durch radiale Kanäle in der Sohaufel hindurohgeleitet wird und duroh einen Kondensor in Umlauf gesetst wird$

o) Ittftfilmkühlung (U.S.Patentehrift 2 489 683), bei welcher ein Kühlluftfilm duroh Sohlitse in der Sohaufel hindurohgeleitet wird und

909886/0438 ^ Ü

d) eine sogenannte Transpirationskühlung (U.S.Patentschrift 3 067 982), bei welcher Kühlluft ' durch ein mit Poren versehenes Gehäuse htidurohsickert·

Es seien kurz die Grenzen dieser verschiedenen Vorschläge dargelegt.Der Versuch der Luftkonvektionskühlung ermöglicht lediglich einen relativ geringen Kühleffekt und es werden verhältnismässig grosse Kühlluftmengen benötigt, welche ihrerseits den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes herabsetzen Die Flüsaigkeitskonvektionskühlung weist einen grösseren Wirkungsgrad auf, jedoch ist diese Kühlung wegen der Handhabung des heissen Metalles sowohl kompliziert als auoh teuer· Die Luftfilmkühlung bringt einen grösseren Kühleffekt mit sich, jedoch benötigt diese Kühlung eine derart grosse Kühlluftmenge, dass der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerke erheblich beeinträchtigt wird.Bei der sogenannten Tränspirationskühlung erfordert das mit Poren versehene Gehäuse eine Unterstützung durch einen inn er en T. .ragkern »Obwohl eine derartige Kühlung einen guten Kühlungswirkungsgrad aufweist, ist diese Kühlung in unzulässiger Weise teuer und weiterhin fehlt hier die erforderliche strukturelle Festigkeit für die hohen Beanspruchungen, denen Turbinenbauteile ausgesetzt sind· Weiterhin sind die kleinen Kanäle des Gehäuses bei der Verwendung von Kühlluft unwirksam und diese Kanäle sind der Gefahr der Verstopfung ausgesetzt.

Ausser

BAD

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Auster den im Vorstehenden diskutierten Begrenzungen ist keiner der bisher bekannten Versuche der Kühlung von Sohaufen vollständig mit der Forderung vereinbar, dass Turbinengewioht dadurch herabzusetzen, dass die Sohaufein als dünnwandige Gehäuse mitTragfläohenprofil ausgebildet werden, wobei diese Teile lediglioh geringer oder gar keine inneren Versteifungen aufweisen·

Es ist ein Ziel der Erfindung, verbesserte Einrichtungen zur Kühlung der Bauteile von Gasturbinen zu sohaffen, und es ist insbesondere Ziel der Erfindung, es zu ermöglichen, dass derartige Turbinen bei extrem erhöhten Temperaturen betrieben werden·

Ein weiteres spezielles Ziel der Erfindung ist es, Kühleinrichtung en für die Hotor- und Statorsohaufein von derartigen Gasturbinentriebwerken in soloher Weise zu sohaffen, dass eine minimale Kühlmittelmenge verwendet wird und ein maximaler Gesamtwirkungsgrad sowohl hinsiohtlioh der Triebwerkeleistung als auch hinsichtlich der Kühlung erzielt wird und dass die Verwendung von leichten, dünnwandigen Sohalen als Sohaufelbauteil erleichtert wird.

Im weiteren Sinne ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, verbesserte Einrichtungen zur Kühlung von Bauteilen zu sohaffen, die verwendet werden, um wenigsten« teilweise einen Strömungskanal für Gase mit •xtrem hohen Temperaturen zu begrenzen und insbesondere für Gase, die sioh mit hohen Geschwindigkeiten bewegen·

Kurz 909886/0438 ■■ — ■

Kurz gesagt ist die Erfindung im weitesten Sinne durch einen Bauteil gekennzeichnet, dessen äussere Oberfläche einen Strömungskanal für einen heissen Grasstrom begrenzt, der sich an dieser äusseren Oberfläche mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit vorbeibewegt. Die gegenüberliegende

Oberfläche

ivS-Vi

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Oberfläohe dieses Bauteile begrenzt wenigstens teilweise eine Kammer»Es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein Kühl* mittel, vorzugsweise Luft, innerhalb dieser Kammer auf einen Druck su bringen, der etwas grosser ist, als der statische Druck des Gasstromes, der an der Kammer vorbeifltsst.Es sind im Bauteil diskrete öffnungen vorgesehen, so dass das Kühlmittel von der Druckkammer zur äusseren Oberfläche des Bauteils strömen kann· Diese Öffnungen sind wahlweise derart angeordnet, dass das Kühlmittel, welches aus diesen Öffnungen austritt, im wesentlichen eine Gesamtabdeckung dieser Oberfläohe bildet, und zwar dadurch, dass dieses Kühlmittel in der Grenzschicht zwisohen dem Gasstrom und der Oberfläohe eingefangen wird·

Vorzugsweise sind die Kühlmittelöffnungen oder Kühlmittelbohrungen derart orientiert, dass der auswärts gerichtete Impulsvektor des Kühlmittels minimal ist und dass im wesentlichen keine Impulsvektorkomponente in einer Richtung vorhanden ist, die entgegengesetzt zur Gasströmung in der Grenzsohicht verläuft· Insbesondere sind die Kühlmittel-Öffnungen oder Kühlmittelbohrungen unter ehern Winkel zur aussertn Oberfläohe angeordnet und das Massenströmungsverhältnis des Kühlmittels zum heissen Gasstrom wird auf einem derartigen Wert gehalten, dass die Kühlluft über eine breitere Fläche verteilt wird, als sie durch die

Öffnung der Bohrung selbst gebildet wird.

(Maasenströmung

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(Massenströmung gleich Gasgeschwindigkeit mal Gasdichte)· Weitere Vorteile werden dadurch erzielt, dass das Verhältnis von Bohrungslänge zu Bohrungsdurohmesser grosser als etwa 10:1 ist.Es kann ferner vorteilhaft sein, dass die Bohrungen divergent ausgebildet sind, um das Kühlmittelvolumerf zu vergrössern, welches in wirksamer Weise in der Grenzsohioht von einer gegebenen Bohrung aus verteilt werden kann·

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist in der Orientierung der Bohrungen zu sehen, so dass eine ausreichende Kühlwirkung erzielt werden kann, und dass es dennooh möglich ist, dass die vorteilhaften leichten sohalenartigen Schaufeln eine ausreichende Festigkeit aufweisen, damit diese den hohen Belastungen widerstehen können, denen sie ausgesetzt Bind. Die Kühlmittelbohrungen haben vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, so dass diese Bohrungen, wenn sie relativ zur ausseren Oberfläche unter einem Winkel angeordnet sind, elliptische Öffnungen bilden· Diese Öffnungen können in Richtung des Spannungsverlaufs derart orientiert sein, dass die nachteiligen Effekte von Spannungskonzentrationen insbesondere in Bereichen mit grossen Spannungen auf ein Minimum herabgesetzt werden· ferner werden diese Bohrungen vorzugsweise in Reihen angeordnet, um die Gesamtfestigkeit elites Bauteils und insbesondere die Gesamtfestigkeit von Turbinensohaufeln zu erhöhen·

Pnter

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Unter Bezugnahme auf derartige Schaufeln sei bemerkt, dass die Bohrungen in grosserem Masse an der Vorderkante des Tragflügelprofilquerschnittes konzentriert sind, um einen maximalen Wirkungsgrad der verbx^auchten Kühlluft zu erzielen und um Spannungen auf ein Minimum herabzusetzen, die durch thermische Gradienten erzeugt werden. Perner sind die Kühlbohrungen im Hinterkantenabschnitt vorzugsweise in Richtung des heissen Gasstromes gewinkelt angeordnet, um die in diesem Bereich auftretenden Probleme zu überwinden.

Turbinenschaufeln sind vorzugsweise mit Kühlbohrungen sowohl an den Enden als auch an den Wurzeln versehen, , um eine Lösung für einen Turbinenbetrieb bei extrem erhöhten Temperaturen zu schaffen. Diese Gesamtlösung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den gleichen Prinzipien ueruhende Kühlung für das Gehäuse und die Auskleidungen vorgesehen ist, welche ebenfalls die Strömungsbahn der heissen Gase in der Turbine begrenzen.

Die im vorstehenden aufgeführten und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unuer Bezugnahme auf die Figuren der Zeichngung erläutert werden. Eb zeigen:

3?ig.1 eine Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks,

Pig.2 eine vergrösserte Teillängssohnittansicht, welche die Kompresßorturbine zeigt, die bei dem in Fig.1 dargestellten Triebwerk verwendet wird,

,3

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Pig.3 eine vergrösserte Schnittansicht genommen längs der Linie III-III der Figur 2, wobei ein Beispiel einer Druckverteilung dargestellt ist,

Pig.4 eine perspektivische Ansicht in vergrössertcn Mass" stab der in Pig.2 dargesteilten Turbinenschauiein, wobei Teile fortgebrochen sind und Teile im Schnitt dargestellt sind,

Pig.5 eine ochnittansicht in vergrössertem I-iassstab, genommen längs der Linie V-V m Pig.4 mit einer graphischen Darstellung der Ga, geschwindigkeit,

Pig.6 eine Ansicht des Bereichs der Turbinenschaufeloberi'läche, die innerhalb des Gebietes VI in Pig.4 liegt in vergrössertem Masstab,

Pig.7 eine Schnittansicht genommen längs der Linie VII-VII der Pig.4,

Pig.8 eine ähnliche Schnittansicht wie Pig.7, welche eine andere Form von Kühlbohrungen zeigt,

Pig.9 eine Schnittansicht in vergrössertem Massstab, genommen längs der Linie IX-IX der Pig.2,

Pig.10

1 «ι / O fV Q

Fi;, .10 eine Schnittansicht in vergrössertem Massstab _f genommen längs der Linie X-X der Fig.4 und

Fig.11 eine geschnittene perspektivische Ansicht in vergrb'ssertem Massstab , wobei der Schnitt längs der Linie XI-XI der Fig.2 genommen ist.

Es sei zuerst auf Fig.1 Bezug genommen. Ein Gasturbinentriebwerk 10 ist schematisch in dieser ΐϊίζηΓ dargestellt. Dieses Triebwerk weise einen Axial—ötrümungskompressor 12 aui, welcher die Luft auf die richtige Dichte zur Auf- -echterhultung einer Verbrennung von Brennstoff in der Riη;;i-amner 14 komprimiere. Die Verbrennunr;sgase gehen durch exue Tux'bine 16 hindurch, die mi c dem Rotor des Kompressoi's verbunaen ist und die den Antrieb für den Kompressor bildet. Die Verbrennungsgase gexangen dann in eine Austrittsdüse 1Ö, in der dxese Gase einen Schub ex'zeugen, der als Antriebskraft xür das Flugzeug oder dergleichen verwenden wird.

Die aus der Verbrennungskammer H aus treuenden Verbrennungεgase haben, wenn sie in die Kompressortu^biue 16 eintreten, eine extrem hohe Temperatur und der Erfindun_b liegt die Aufgabe zugrunde, es zu ermöglichen, dass diese Gastemperaturen wesentlich hoher sind als das bisher möglich war. Die Turbine 1b (Fig.1 und 2) ist schematisch a..s eine Zweistufenturbine dargestellt, die eine Umfangsfceihe von ersten Düsen 20 und

ersten 309886/0438 ^TTς T"

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ersten Schaufeln 22 aufweist, welche eine Stufe bilden und eine Umfangereihe von «weiten Düsen 24 und zweiten Schaufeln 26, welche die zweite Stufe bilden· Sie erste Stufe der !Turbine wird am kritischsten duroh die hei β β en aase beeinflusst und deshalb soll sich die Beschreibung auf diese Stufe besiehen. Jede Düse 20 und jede Sohaufel ist vorsugsweise als dünnwandige Schale ausgebildet, wobei diese Schalmüblicherweise eine Sicke in der Grussenordnung Ton 0,030 bis zu 0,080 Zoll haben , wie es in den figuren 2, und 4 geseigt ist· Ein hochwarmfestes Material wird zur Herstellung dieser Schaufeln verwendet, beispielsweise ein nit Wolfram und Chrom legierter Kohlenstoffstahl oder andere auf demGtebiet der Metallurgie bekannte Materialien.

Sie Düsen 20 können an ihren gegenüberliegenden Enden Ton ringförmigen Verkleidungen 28 und 30 getragen worden· Jede Turbinenschaufel 22 weist einen Ansatz 32 auf, mit welchem die Sohaufel .an einem Hotor 34 montiert ist· Ser Rotor 34 ist an einer Welle 35 befestigt, an der ebenfalls der Rotor des Kompressors 12 befestigt ist· Kühlluft wird den Düsen 20 aus den Kammern 36 und 38 an den Enden der Düsen zugeführt, wobei diese Kammern teilweise duroh die Auskleidungen 28 und 30 begrenzt werden· Diese Kammern 36 und 38 sind duroh innere Kanäle mit einer Quelle für Kühlluft verbunden, welche vorzugsweise einer der Kompressorstmfen 12 entnommen wird, so dass ein vorbestimmter 809886/0438 , ~ Kühlmitteldruck

Kühlmitteldruck inarhalb der Düsen 20 aufrechterhalten werden kann·

In ähnlioher Weise wird Kühlluft in das Innere der Turbinenschaufel 22 geleitet· Kanäle 37t ^4ie eioh duroh jeden Ansatz 32 hinduroherβtrecken, sind deshalb mit einer hohlen Kammer 39 im Rotor 34- verbunden· Die Kammer 39 ist ebenfalls mit einer Quelle für unter Druok stehende Kühlluft verbunden, welche vorzugsweise einer der Stufen des Kompressors 12 entnommen wird, so dass ein vorbestimmtes Druokniveau zu allen Zeiten Innerhalb der Schaufel 22 aufrechterhalten werden kann·

Die aus dem Vrbrennungsabsohnltt 14 austretenden Verbrennungsgase gehen duroh die Düsen 20 hinduroh und werden duroh diese Düsen in rlohtiger Weise auf die Sohaufeln 22 gelenkt, um den Turbinejnroter mit einem maximalen Wirkungsgrad anzutreiben· Beim Antreiben des Rotors werden die Sohaufeln 22 erhebliohen Beanspruchungen ausgesetzt, die nicht nur duroh die Stosskräfte der hei se en Gtase erzeugt werden, sondern auoh im grossen Ausmass duroh die Zentrifugalkräfte, die sieh aus den eateem hohen Drehgesohwindigkeiten ergeben, die zur erzielung feines grösseren Wirkungsgrades beim Turbinen- und Komprsssorbetrieb bevorzugt werden· Der Strömungeweg der hei ssen Gtase, der sioh duroh die erste Stufe der Turbine hinduroherstreokt, wird

duroh 909886/0438

• \/ ^ _ V/ C D T D AIII I f ^ '

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durch, die dünnwandigen Düsen 20, die Schaufeln 22 und die Auskleidung 28 und 30 und durch ein Gehäuse 40 begrenzt, welches die Schaufeln 22 umgibt und durch sogenannte Plattformen 42, die an der Basis einer jeden Schaufel vorgesehen sind (siehe Fig.4)· Es sind geeignete Dichtungen vorgesehen, um die heissen Gase in diesem Strömungskanal zu halten, wie es in Mg.2 gezeigt ist.

Der dünnwandige Aufbau der Düsen 20 und der Rotorschaufeln ermöglicht eine erhebliche Verminderung des Turbinengesamtgewichtes gegenüber den üblichen bisher verwendeten Konstruktionen. Die Kühlung dieser Schaufeln bei extrem erhöhten Temperaturen bildet ein schwieriges Problem und zwar insbesondere wegen der hohen Spannungen, die notwendigerweise auftreten. Der Kühlungsmechanismus, der nun beschrieben werden soll, verhindert nicht nur eine Beschädigung der Schaufeln,sondern stellt auch die erforderlichen Festigkeitsbedingungen sicher.

Das Innere der Düsen 20 und 22 steht durch die Kühlluft unter Druck, so dass das Innere als Kammer für eine wirksame Verteilung von Kühlmittel durch in bestimmter Weise angeordnete diskrete KadLe über die äusseren Oberflächendüsensohaufeln wirksam ist, wobei diese äusseren tterflachen den Strömungskanal für die heissen Gase begrenzen. Bei der Beschreibung dieser Kühlmittekanäle soll insbesondere . auf die Figuren 4 bis 7 Bezug genommen werden, welche eine

der 809888/0438 — *

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Aar Sohaufein 82 daratallan·

Ma·· Kanal« haben Tariugawaiae dia Farm einer Aniahl ran Bohrungen 44, dia Blök τβ· Innern dar Sohaufein 22 rar auaaeren Oberfliohe oratreokan, walohe dia fora «in·· fragfläohanprofila ha>· Dia Anordnung und Oriantiaroag diaaar Bohrungen 44 iat ditart. daaa dia Luft au· diesen Bahrungan austritt und in wirkungavoller Waise ülier dia gaaaate ansaera Oberfl&ohe dar Sohaufal verteilt wird. Eine la hohem Maaae wirkungaralla Kühlung wird duroh eine Verteilung dar Kühlluft in dar Urenaaohioht ersielt, waloha ■wiaohen dan haiaaan Tar»rannungagasan, die alt hohar Gaaohwindigkeit etröeen und dar tragfläohenprofilartigan Oaarfläoha rorhanden ist.

Di··· Oransaohioht iat in ¥ig*5 darg··teilt, in der dia Kurra a dia Terteilung dar 8tftnngageaohwindigkeiten der heiaaan Tararennungagaae darateilt, wann die·· haiaaan Yararannungagaae an dar äuaaaran Oeerfläohe dar 8ohaufel 22 rorMgahana la iat au erkennen« daaa in eine« gewiesen kur&en Abstand Ton dir äuaseren Oberfltohe dar Sohaufal 22 die Gaegesohwindigkeit aoharf abfällt.Dieee Stelle der Q«eohwindigkaitaabnahae iat Ublioherweiae dar Baaugepunkt aur Beatiavung dar Orenisohioht aua Qae ait geringer Gesohwindigkeit, die an dar Sohaufeloberflftohe adar an anderen die Ströanuxg bagranaandan Oberflttahan rorhanden ist«Diese Grenssohioht iat extrem dünn und dia Stärke kann in dar Qröaaanordnung

Ton 0,010 Zoll liegen· In jedem fall halten die Einrichtungen, 909886/0438

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die gemäss der Erfindung vorgesehen sind, die Kühlluft in dieser Grenzschicht, so dass sich die Kühlluft mit einer verhältnismässig geringen Geschwindigkeit bewegt und einen hohen Wirkungsgrad beim Kühlen des Schaufelmaterials hat, ohne dass diese Kühlluft in .wirkungsloser Weise im heissen Gasstrom verteilt wird.

Zahlreiche, untereinander in Beziehung stehende Faktoren tragen zur Wirkung der Bohrungen 44 bei der Erzeugung der gewünschten Kühlung bei. Für die üblichen Parameter der Turbinenauslegung haben die verwendeten diskreten Bohrungen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt und haben einen Durchmesser, der nicht kleiner ist als etwa 0,005 Zoll, wobei ein maximaler Durchmesser von etwa 0,025 Zoll vorgesehen ist. Vorzugsweise sind die Bohrungen gegenüber der äusseren Oberfläche der Schaufel unter einem Winkel (siehe Winkel θ Fig. 7) von 4i?° oder weniger geneigt ,wobei vorzugsweise der Winkex zwischen den Grenzen von etwa 10° und etwa 30° liegt. - Ferner sind die Achsen der Bohrungen 44 vorzugsweise in Ebenen angeordnet, die senkrecht zur äusseren Strömungsoberfläche verlaufen unu senkrecht zur Eahn der heissen Gasströmung, wie es aus den Figuren 6 unu { zu erkennen i.:o. Heben der Abmessungen der Bohrungen ist die l-Ienge der Kühlluft_f- die durch die Bohrungen hindurchgeht, ebenfalls eine Funktion des Druckunterschiedes zwischen dem Innenraum der Schaufel 22 und dem statischen Druck des heissen Gases an der Aussenseiuu der Schaufel.Es sei au.1 Fig.3 Bezug

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genommen, in der ein Beispiel einer Verteilung des statischen Druckes des heissen Gases an der äusseren Oberfläche der tragflächenartigen Turbinenschaufel dargestellt ist.Der höchste Druck tritt an der Vorderkante der Schaufel auf und die konkave Druckseite der Schaufel ist ebenfalls einem wesentlich höheren Druck ausgesetzt als die konvexe Sogseits der Schaufel. Es wurde gefunden, dass der Druck im Schaufelinnaraum vorzugsweise auf einen Wert eingestellt werden soll, der 5 bis 8$ , über dem maximalen statischen Druck des neissen Gases liegt. Es sei ferner bemerkt, dass der Innanraum der Schaufel 22 als "Vorratskammer wirkt, wobei an allen Stellen dieses Raumes im wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Dies uedeutet, dass die Summe der Querschnittsflächen aUer Bohrungen 44 kleiner ist als der Querschnitt des Kühllufteintrittskanals in diesem Raum.

Pig.6 zeigt die Verteilung der aus den Bohrungen 44 austretenden Kühlluft über .die äussere Oberfläche der Schaufel 22. Wegen der Winke.lanordnung dieser Bohrungen werden elliptische Öffnungen In der äjüsseren Schaufeloberfläche erzeugt, ^: Die Kühlluft, die in der Grenzschicht eingeschlossen ist, wird über eine Fläche verDilt und ist auf einer Pläohe wirksam, die im wesentlichen grosser ist als die Fläohe der elliptischen Öffnung der Bohrung und diese Fläche erstreckt sich über eine grosse Strecke in Sehnenrichtung der Schaufel.

Die

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Die wirksame Ausbreitung des Kühlmittelstromes ist ebenfalls eine Funktion des Massenströmungsverhältnisses zwischen der Kühlluft und dem Verbrennungsgas (Massenströmung gleich Gasgeschwindigkeit mal Gasdichte). Vorzugsweise sollte dieses Verhältnis drei betragen oder geringer sein. Bie im vorstehenden dargelegt wurde, treten erhebliche Variationen des statischen Druckes des heissen Gases in verschiedenen Bereichen der Schaufel auf (Pig.3). Wie bereits dargelegt, ist der Kühlmitteldruck im Innern der Schaufel, ι da dieser Innenraum ein Speicherraum ist, an allen Stellen im wesentlichen konstant. An den Stellen, an denen ein maximaler Druckunterschied in den Bohrungen 44 vorhanden ist, wie auf der Saugseite der Schaufel,wird die Kühlmittelgeschwindigkeit erheblich erhöht. In vorteilhafter Weise wird in derartigen Bereichen, in denen ein verminderter statischer Drucyvorhanden ist, die Geschwindigkeit der heissen Gase erhöht, so dass das Massenstrümungsverhältnis /on 3:1 oder weniger an allen Stellen aufrecht erhalten wird, ohne dass der Innenraumo der Schaufel-unterteilt werden muss, wobei die gleiche Grosse und Orientierung der Bohrungen verwendet wird.

Die wirksame Verteilung der Kühlluft in die Grenzschicht dee heissen Gases kann ferner dadurch T»rbe«e#itwerden, > dass sogenannte Diffusorbohrungen 44' verwendet werden, wie es in Pig.8 dargestellt ist. Diese Bohrungen divergieren koniech und der Konus weist einen eingeschlossenen Winkel ß von etwa 4° bis .zu etwa 12° auf. Dadurch wird die Kühlmittel-809086/0438 ... . geschwindigkeit

geschwindigkeit auf ein Minimum herabgesetzt, wenn das Kühlmittel die äussere Schaufeloberfläche- erreicht, so dass Kühlmittel in einem höheren Masse in der Grenzschicht des heissen Gases eingeschlossen oder eingefangen wird.

Es sei bemerkt, dass der Kühlmittelbedarf an den verschiedenen Stellen um das Schaufelprofil herum verschieden ist, wobei die grösste Wärmekonzentration im Vorderkantenabschnitt der Schaufeo. vorhanden ist. Die B_ohrungen 44 sind deshalb in diesem Bereich konzentriert, wie es aus der Fig.4 zu erkennen ist.Es wurde gefunden, dass ein maximaler Wirkungsgrad sowohl hinsichtlich der Kühlung als auch der Festigkeit bei dieser konzentration dadurch erzielt wurde, dass ein Minimalabstand, gemessen in einer Richtung senkrecht zu den Bohrungsachsen von zwei Durchmessern verwendet wurde . (24 in Fig.7). Stromab von der Vorderkante können die Kühlmittelbohrungen sowohl in Längsrichtung als auch in Sehnenrichtung der Schaufel in grösserem Abstand voneinander angeordnet sein, da die Kühlluft, die in der Grenzschicht der heissen Gase eingeschlossen ist, die Neigung hat, sich zu sammeln wd (feein verinindex'ter Kühlbedarf vorhanden ist.

In Verbindung mit der Kühlung der Vorderkante der Schaufel sei bemerkt, dass die Konzentration von geneigten Bohrungen in diesem Bereich einen Konvek^ionskühleffekt erzeugt, der kombiniert mic ddr Kühlwirkung an der äusseren Oberfläche dazu beitragt, ein scheinbar unüberwindliches Problem zu

lösen. 809886/0438

?0

lösen. Durch einen Minimalabstand zwischen benachbarten Bohrungen in der Grössenocdnung von zwei Durchmessern γίίϊϊΑ Wärme vom Schaufelmaterial mit grösserem Wirkungsgrad aufgenommen, da das Kühlmittel durch Kanäle hindurchgeht, die wesentlich ' langer sind, als die Schaufel selbst dick ist. Es wurde gefunden, dass die Konvektionskühlungswirkung, auf die oben hingewiesen wurde, sowie das wirkungsvolle Einfangen der Kühlluft in der Grenzschicht am besten dadurch beeinflusst wird, dass die Bohrungen 44 als sogenannte Rohrleitungen gestaltet werden. Dies bedeutet, dass im Rahmen der anderen Parameter es vorteilhaft ist, dass das Verhältnis von Bohrungslänge zu Bohrun&sdurchmesser in der Grössenordnung von 10:1 oder höher liegt.

Es wurde bereits dargelegt, dass es eines der Ziele der Erfindung ist, es zu ermöglichen, leichte Tragflächenschalen bei der Herstellung von Turbinendüsen und Turbinenschaufeln au verwenden. Hierbei muss das Schaufelmaterial den ausserordentlich gro^sen Belastungen und Spannungen widerstehen können. Die beschriebene Orientierung der Bohrung)3a44 oder 44' i-t insbesondere bei der Herabsetzung von PeotigkeitsverluGten von Bedeutung, die sich natürlicherweise aus dem Untfernen von Material aus der Schaufelwandung ergeben. Us sei nochmals bemerkt, dacs durch die kreisförmigen Bohrungen eiliptxsclie Öffnungen in den inneren und äusseren Oberflächen der Schaufel erzeugt werden. Die langen Achsen dieser Ellipsen sind in Längsrichtung der Schaufel angeordnet

und

809886/0438 wc"* '^^s^tfT^L·^

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und fluohten alt den Spannungelinien (Tig· 6) in der Sohaufel, da die Haujptspannungen in der Sohaufel in Längsrichtung auftreten· Diese Orientierung der elliptisohen öffnungen bildet einen faktor bei der Herabsetzung von Spannungskonientrationen·

In Verbindung alt der gressen festigkeit, die bei der Kühlung von !Eurbinensohaufeln gemäss der Erfindung erzielbar ist, sei bemerkt, dass die Bohrungen 44 vorzugsweise in Reihen angeordnet sind, die in Längsriohtung der Sohaufel verlaufen und die in Sehnenriohtung der Sohaufel im Abstand voneinander angeordnet sind· Biese Anordnung setzt ferner die Spannungekons entrat ionen herab, und es wird eine grössere Gesamtfestigkeit erzielt.Es ist zu erkennen, dass die in Längsrichtung fluohtende Anordnung von Bohrungen in benaohbarten Reihen vorzugsweise derart gewählt ist, dass das Kühlmittel aus den stromaufjllegenden Bohrungen zwischen den Bohrungen der nächsten Reihe (siehe 7ig«6) hindurchgeht, um die beste G-esamtbedeokung des Kühlmittels zu erreichen·

Es wurde bereits dargelegt, dass die bevorzugte Orientierung der Achsen der Bohrungen 44 und 44* in einer Ebene erfolgt, die senkrecht tür Riohtung der Gasströmung erläuft, woduroh wiederum die Spannungskonzentrationen auf ein Minimum herabgesetzt werden· Wo Spannungskonsentrationen keine primäre Bedeutung haben, können die Bohrungen in einer Riohtung teilweise gegen die der Gasströmung geneigt werden,

beispielsweise 909886/0438

beispielsweise 30° gegenüber der dargestellten Längsrichtung, um weiterhin die Kühlwirkung zu erhöhen.

Wie (fergelegt, bezieht sich die Erfindung auf den speziellen Betrieb von Gasturbinen mit extremen Temperaturen. Dies umfasst nicht nur die Kühlung des iragflächenförmigen Abschnittes einer Schaufel sondern auch die Kühlung anderer lüPitieoheiTeile. Es sei auf die Figuren 4 und 10 Bezug genommen.Es ist zu erkennen, dass der Hinterkantenabschnitt der Sragflächenförmigen Schaufel verhältnismässig dick ist und zwar wegen des relativ geringen Konvergenzwinkels zwischen der Druckfläche und der Sogfläche der Schaufel. Dieser Bereich wird am besten dadurch gekühlt, dass die Kühlbohrungen 44t in einer Richtung stromab zum Gasstrom geneigt werden. Die Beziehungen für eine verbesserte Kühlung, die in Verbindung mit den anderen Bohrungen 44 diskutiert wurden, sind ebenfalls bei den Bohrungen 44t anwendbar. Würde die Anordnung der elliptischen Öffnungen der Bohrungen nicht zur Herabsetzung von Spannungskonzentrationen beitragen, wie es gewünscht wäre, so ist doch die Menge des Mata?ials, welches in diesem Bereich vorgesehen ist, eine ausreichende. Zur weiteren Kühlung des hinteren Abschnittes der Schaufel mit Iragflächenprofil erstrecken sich Bohrungen 44te durch die Mitte des Endabschnittes.

Es sei ferner bemerkt, dass Bohrungen 44e (Fig.4) im freien Ende der Schaufel 22 vorgesehen sind.Diese Bohrungenkönnen senkrecht zur Endoberfläche der Schaufel verlaufen,

06/0436 ' \tc ΐΤΡΐνϊ^-Λ-ΤΤΤΤίΞ^ damit

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damit diese Bohrungen leiohter hergestellt werden können, da die Testigkeitsbedingungen und der Kühlbedarf in diesem Bereioh nioht allsu gross sind· Zusätslloh können Einrichtungen Torgesehen sein, um die Plattform 42 der 8ohaufel su kühlen· Ss werden wiederum Bohrungen 44p verwendet, die einen Durohmesem? in der OVOssenordnung von 0,005 bis su 0,25 Zoll haben und die sioh duroh die Plattform hinduroh orstreoken, wie es in Tig·4 geseigt ist· Die Unterseite der Plattform wird τοη KUhldruokluft beerionen, die ebenfalls wieder in dr Srenssohioht des heissen Oases Torteilt wird, welohes über die Plattform hinweg streioht·

Die Düsen 20 weisen KUhlbohrungen auf, die entspreohend den Prinsipien orientiert sind, die in Verbindung mit den Sohaufeln 22 diskutiert wurden· Weiterhin sei bemerkt, dase die Orientierung der Bohrungen 44 in der Sohaufel 22 derart ist, dass der Strömungsweg des Kühlmittels, welohes duroh den Ansäts 32 eintritt, duroh eine Drehung hervorgerufene Bnergieverluste auf ein Minimum herabsetzt, wobei duroh diesen Strömungsweg das Herausnehmen von 8ohmuts erleiohtert wird· Im Tall der festen Düsen 20 ist die Situation eine andere, weil nämlioh Kühlluft von beiden Enden aus eintreten kann,Es ist deshalb vorteilhaft, die Behrungsorientierung su verwenden, die in Tig.9 dargestellt ist, wobei die obere Hälfte einer Reihe von KUhlbohrungen 44m naoh unten geneigt iet, und die untere Hälfte naoh oben geneigt ist·

Bosüglioh 909886/0430

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«I

Besüglioh des Gesmmtproblems des Turbinenbetriebes eel bemerkt, dass ebenfalls KtUileinriohtungtn für di· Auskleidungen 28 und 30 lud für das G«haue· 40 vergesehen eind.Diese Einrichtungen werden untere Besugnahme auf die Verkleidung 28 beschrieben und können in ähnlicher Weise bei den anderen Teilen,rerwendet werden· Ss sei auf die figuren 2 und 11 Beiug genommenes iet su erkennen, dass eine Ansahl von Bohrungen 44-1 vorgesehen ist, um Kühlluft aus der Kammer 36 sur äusseren Oberfläohe der Verkleidung ku führen, welche die Strömung begrenzt.Die gleiohen Verhältnisse, die im vorstehenden dargelegt wurden, werden verwendet, um die Kühlluft in der Gkrenssohieht d·* heissen Gases su halten und um eine Kühlung mit hohem Wirkungsgrad ■ und eine maximale Festigkeit bu ersielen·

Duroh die Erfindung wird eine gesteuerte Kühlluftströmung bei allen Betriebssuständen ersielt und es wird ein Betrieb bei Temperaturen ermöglioht, die derart hoch sind, dass bisher angenommen wurde, dass bei selehen Temperaturen ein Turbinenbetrieb nicht durchgeführt werden kann· Dies wird duroh eineVerwendung von einer minimalen Kühlluftmenge erreicht, so dass die Vorteile eines Betriebes bei erhöhten Temperaturen nicht dadurch wieder verloren gehen, dass soviel Luft vom Kompressor abgezapft wird, dass der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks verringert wird·

Es

9?

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Es können Abänderungen und Veränderungen in den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Pat entansprüohe

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Claims

Patentanspruch.·

./Ganzteiliger Bauteil, der aus einem hoohfeeten Material besteht und der eine Wandung aufweist, dessen aussere Oberfläche wenigstens teilweise einen Strömungskanal für einen heissen Gasstrom begrenzt, der sieh an dieser fläche mit verhältniemäseig hoher Geschwindigkeit vorbeibewegt, wobei eine Grenzschicht im Grasstrom vorhanden ist, die an der ausaeren Oberfläche haftet, wobei in dieser Grenzschicht die Gasgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt ist, daduroh gekennzeichnet, dass die gegenüberliegende , innere Oberfläche der Wandung wenigstens teilweise eine Vorratskammer begrenzt, dass diese Wandung eine Anzahl von diskreten, verhältnismässig kleinen Bohrungen aufweist, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Kühlgas innerhalb dieser Speioherkammer auf einen Druck zu bringen, der etwas grosser ist als der maximale statisch· Drmok des heiseen Gases an der ausβeren Oberfläche und der ausreicht, um Kühlgas durch die Bohrungen abzugeben, dass diese Bohrungen derart orientiert sind, dass das Kühlgas, welches aus den Bohrungen ausströmt, eine wesentliche Impulsvoktorkomponente in der Ebene der äusseren Oberfläche aufweist und im wesentlichen keine Impulsvektorkomponente in einer Biohtang aufweist, die entgegengesetzt zur Strömungenchtung des heissen Gases ist, so dass im wesentlichen das gesamte aus einer gegebenen

Bohrung

BAD

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Bohrung ausströmende Kühlgas in dieser Grenzschicht eingefangen wird und über eine Fläche verteilt wird, die wesentlich breiter

ist als die Öffnung dieser Bohrung in der äusseren Oberfläche, dass die Bohrungen weiterhin relativ zueinander derart angeordnet sind, dass die Kühlmittelströrae, die in der Grenzschicht eingeschlossen sind, im wesentlichen die gesamte äussere Oberfläche der Schaufel mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken.
2. Ganzteiliger Bauteil, der aus einem hochfesten Material hergestellt ist und der eine Wandung aufweist, deren äussere Oberfläche wenigstens teilweise einen Strömungskanal für ein heisses GaH begrenzt, welches sich an dieser Wand mit einer verhältnismässig hohen Geschwindigkeit vorbeibewegt, wobei dieser Gasstrom eine Grenzschicht aufweist, die an der äusseren Oberfläche der Wand anliegt, wobei in dieser Grenzschicht die Gasgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegende innere Oberfläche dieser Wandung wenigstens teilweise eine Speicherkanmer begrenzt, dass diese Wandung eine Anzahl von diskreten, verhältnimässig kleinen Bohrungen aufweist, dass diese Bohrungen im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt haben, und zur fcusseren Oberfläche hin konisch divergieren, dass Ein—richtungen vorgesehen sind, um innerhalb der Speichericammer ein Kühlgas .auf einen Druck zu bringen, der etwas grossr ist als der maximale statische Druck des heissen Gases an der äusseren Oberfläche und der ausreicht,

um

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um Kühlgas aus den Bohrungen abzugeben, dass die Bohrungen derart orientiert sind, dass das Kühlgas, welches durch diese Bohrungen strömt, eine wesentliche Impulsvektorkomponente in der Ebene der äusseren Oberfläche hat und im wesentlichen keine Impulsvektorkomponente in einer Richtung, die der Richtung der heissen Gasströmung entgegengesetzt ist, so dass im wesentlichen das gesamte aus einer gegebenen Bohrung austretende Kühlgas in dieser Grenzschicht eingeschlossen wird und über eine Fläche verteilt wird, die wesentlich grosser ist, als die Öffnung der Bohrung in der besagten äusseren Oberfläche, dass diese Bohrungen ferner relativ zueinander derart angeordnet sind, dass die Kühlmittelströmungen, die in der Grenzschicht eingefangen sind, im wesentlichen die gesamte äussere Oberfläche der Wandung mit Kühlluft in dieser Grenzschicht bedecken.
3. Ganzteiliger Bauteil, der aus einem hochfesten Material hergestellt ist und der eine Wandung aufweist, deren äussere Oberfläche wenigstens teilweise einen Strömungskanal für einen heissen Gasstrom begrenzt, wobei sich das Gas an dieser Wandung mit einer verhältnismässig hohen Geschwindigkeit vorbeibewegt, und wobei der Gasstrom eine Grenzschicht aufweist, die an der äusseren Oberfläche anliegt und in der die Gasgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegende innere Oberfläche der Wandung wenigstens teilweise eine Speicherkammer begrenzt, dass die Wandung

eine

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eine Anzahl von diskreten Bonrungen hat,' dass diese Bohrungen im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt haben und einen Durchmesser, der zwischen etwa 0,012 und 0,063 cm liegt, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Kühlgas innerhalb der Speicherkammer auf einen Druck zu bringen, der um 5 bis 8$ grosser ist als der maximale statische Druck des heissen Gases an der äusseren Oberfläche, dass die Bohrungen zur äusseren Oberfläche hin derart geneigt sind, dass das Kühlgas, welches aus den Bohrungen ausströmt, eine wesentliche Impulsvektorkomponente hat, die in der Ebene der äusseren Oberfläche liegt und im wesentlichen keine Impulsvektorkomponente in einer Richtung, die der Strömung des heissen Gases entgegengesetzt ist, so dass im wesentlichen das gesamte Kühlgas einer gegebenen Bohrung in der Grenzschicht eingeschlossen wird und über eine Fläche verteilt wird, die wesentlich grosser ist als die Öffnung der Bohrung in der äusseren Oberfläche, dass die Bohrungen ferner relativ zueinander derart angeordnet sind, dass die Kühlmittelströme, die in der Grenzsdicht eingeschlossen sind, im wesentlichen die gesamte äussere Oberfläche mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken.
4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Achse der Bohrungen relativ zur äusseren Oberfläche zwischen 10° und 30° liegt.

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5. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

die Bohrungen die StrömungsCharakteristiken von Rohrleitungen haben und dass das Verhältnis der Länge der Bohrungen zum Durchmesser der Bohrungen wenigstens 10:1 beträgt.
6. Ganzteiliger Bauteil, der aus einem hochfesten Material hergestellt ist und der eine Wandung aufweist, die in einer Richtung durch Spannungen beaufschlagt ist, die Spannungslinien erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die läussere Oberfläche dieser Wandung wenigstens teilweise einen Strömungskanal für einen Gasstrom bildet, der sich an der Wandung mit hoher Geschwindigkeit vorbeibewegt, wobei dieser Gasstrom eine Grenzschicht aufweist, die an der äusseren Oberfläche liegt, wobei in dieser Grenzschicht die Gasgeschwindigkeit wesentlich hergesetzt ist, dass die gegenüberliegende innere Oberfläche dieser Wandung wenigstens teilweise eine Speicherkammer begrenzt, dass die Wandung eine Anzahl von diskreten, verhältnismässig kleinen Bohrungen aufweist, dass diese Bohrungen einen kreisförmigen Querschnitt haben und unter einem Winkel gegenüber der äusseren Oberfläche geneigt sind, so dass elliptische öffnungen in der äusseren Oberfläche erzeugt werden", dass die längeren Achsen dieser elliptischen Öffnungen im allgemeinen mit den Spannungslinien im Bauteil fluchten, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Kühlgas innerhalb der Speicherkammer auf einen Druck zu bringen, der etwas grosser ist als der maximale Gasdruck des heissen Gases an der äusseren Oberfläche und ausreichend,

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um Kühlgas aus den Bohrungen abzugeben, so dass im wesentlichen das gesarate Kühlgas in der Grenzschicht * . eingeschlossen wird und über einen Bereich verteilt wird, der im wesentlichen breiter ist, als die öffnung der Bohrung in der üusseren Oberfläche, dass diese Bohrungen ferner relativ zueinander derart angeordnet sind, dass die Kühlmittelstrüme, die in der Grenzschicht eingeschlossen sind, im wesentlichen die gesamt'e äussere Oberfläche mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken, wobei ein Minimum ;vn Spannun<;skonzent rat ionen erzeugt wird.
7. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die längeren Achsen im wesentlichen mit den Spannungslinien fluchten und dass die Bohrungen in Reihen angeordnet sind und dass die Reihen derart im Abstand voneinander angeordnet sind, dass eine maximale Festigkeit für den Bauteil geechaffen wird, wobei der Kühlmittelbedarf erfüllt wird.
8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen in einer gegebenen Reihe einen ttinimalabstand voneinander von 2 Durchmessern zwischen den Achsen haben und zwar pemessen in einer Richtung normal dazu.
9. Schaufel für eine Gasturbine, die bei extrem .hohen Temperaturen arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine ^anze, dünnwandige Schale mit Tragflächenquerschnitt aus hochfestem Material aufweist, dass die äussere Oberfläche

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co: Schale wenigstens teilweise einen Strömungskanal für einenGasstrom bildet, der sich mit hoher Geschwindigkeit an der Oberfläche vorbeibewegt, dass dieser Gssstrom . eine Grenzschicht aufweist, die an dieser Oberfläche liegt, wobei in dieser Grenzschicht die Gasgeschwindigkeit wesentlich vermindert ist, dass das Innere der Schale wenigstens teilweise

eine Speicherkammer bildet, dass die Schale eine Anzahl von diskreten, verhältnismässig kleinen Bohrungen aufweist, dass diese Bohrungen in dichtem Abstand über dem Vorderkantenabschnitt des Tragflächenprofils angeordnet sind und auf beiden Seiten im Abstand voneinander in Sehnenrichtung r.ngeordnet sind, dass die Bohrungen unter einem Winkel realtiv zur äusseren Oberfläche geneigt sind und sich in einer Richtung erstrecken, die keine Komponente aufweist, die entgegengesetzt zur Richtung der Gasströmung verläuft, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Kühlgas innerhalb der Speicherkammer, die durch das Innere der Schale begrenzt wird, auf einen Dz'uck zu bringen, der etwas grosser ist als der maximale statische Druck des heissen Gases, der auf die äussere Oberfläche einwirkt und der ausreicht, um Kühlgas aufi den Öffnungen abzugeben, so dass im wesentlichen das gesarate Kühlgas, welches aus einer gegebenen Öffnung austritt, in der Grenzschicht gehalten wird und über eine Fläche verteilt wird, die wesentlich grosser ist als die Öffnung der Bohrung in der äusseren Oberfläche, dass die Bohrungen ferner relativ zueinander derart angeordnet sind, dass Kühlmittelströme gebildet werden, die in der Grenzschicht enthalten sind und die

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■ im wesentlichen die geBaate äussere Oberfläche des Tragflächenprofiles mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken.
10. Schaufel für Gasturbinen, die mit extram hohen Temperaturen arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine ganzteilige, dünnwandige Schale mit Tragflächenquerschnitt aufweist, wobei diese Schale aus einem hochfesten Metall besteht, dass die äussere Oberfläche dieser Schale wenigstens teilweise einen Strömungskanal für einen heissen Gasstrom begrenzt, der sich an der äusseren Oberfläche mit einer hohen Geschwindigkeit vorbeibewegt, dass der Gasstrom eine Grenzschicht aufweist, die an der äusseren Oberfläche liegt und in der die Gasgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt ist, dass das Innere der Schale wenigstens teilweise eine Speicherkammer bildet, dass die Schale eine Anzahl von diskreten, relativ kleinen Bohrungen aufweist, dass diese Bohrungen im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt haben und zur äusseren Oberfläche hin konisch divergierend verlaufen, dass diese Bohrungen in dichtem Abstand um die Vorderkante des Tragflächenprofils angeordnet sind, dass diese Bohrungen in grösserem Abstand zu beiden Seiten in Sehnenrichtung angeordnet sind, dass diese Bohrungen unter einem Winkel relativ zur äusseren Oberfläche geneigt sind und sich in einer Richtung erstrecken, die keine Komponente hat, die entgegengesetzt zu der der heissen Gasströmung gerichtet ist, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Kühlgas innerhalb der Speicherkammer, welche

in

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Ib Inneren der Schale ausgebildet ist, auf einen Druck zu bringen, der etwas grosser ist als der maximale statische Druck des heissen Gases an der äusseren Oberfläche und der ausreicht, um Kühlgas aus den Bohrungen abzugeben, so dass im wesentlichen das gesamte Kühlgas aus einer gegebenen Bohrung in dieser Grenzschicht gehalten wird und über eine Fläche verteilt wird, die wesentlich grosser ist als die Öffnung der Bohrung in der äusseren Oberfläche, dass die Bohrungen ferner derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die Kühlmittelströme, die in der Grenzschicht enthalten sind, im wesentlichen die gesamte äussere Oberfläche des Tragflächenprofils mit Kühlluft in der Grenzachicht bedecken.
11. Schaufel für Gasturbinen, die bei extrem !hohen Temperaturen arbeiten , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine ganzteilige, dünnwandige Schale mit Tragflächenprofil auiweist, die aus einem hochfesten Metall besteht, wobei diese Schale in einer Richtung durch Spannungen beaufschlagt wird, wobei Spannungslinien in Längsrichtung der Schaufel erzeugt v/erden, dass die äussere Obeffläche der Schale wenigstens teilweise einen Strömungskänal für einen heissen Gasstrom begrenzt, der sich an der Fläche mit hoher Geschwindigkeit vorbeibewegt, dass dieser Gasstrom eine Grenzschicht aufweist, die an der äusseren Oberfläche liegt, wobei in dieser Grenzschiebt die Gasgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt ist, dass das Innere der Schale wenigstens teilweise eine Speicherkammer begrenzt, dass die Schale eine Anzahl von diskreten,

B 0 9 8 8 6 / 0 k 3 8 ίΤ/FT«Fp~-' ~. '7,^^ relativ

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relativ kleinen Bohrungen aufweist, dass die Bohrungen im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt haben und einen Durchmesser haben, der zwischen etwa 0,015 und 0,066 cm liegt, dass die Bohrungen weiterhin unter einem Winkel gegenüber der Oberfläche in einer Richtung in Längsrichtung der Schaufel geneigt sind, so dass elliptische Öffnungen in der äusseren Oberfläche erzeugt v/erden, dass die längeren Achsen dieser Ellipsen mit den Spannungelinien in der Schaufel fluchten, dass diese Bohrungen in dichtem Abstand um den Yorderkantenabschnitt des Tragflächenprofils herum angeordnet sind und dass die Bohrungen zu beiden Seiten in Sehnenrichtung in grosserein Abstand voneinandei* angeordnet siud, das3 Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Kühlgas innerhalb der Speicherkammer, welche im Inneren der Schale ausgebildet ist, auf einen Druck zu bringen, der etwa 5 bis 3;j grosser ist als der maximale statische Druck des heissen -lases an der äusseren Oberflache, um Kühlgas aus den Öffnungen

b^ebeu zu können, so dass im wesentlichen das gesarate Kühlgas aus einer gegebenen Bohrung in der Grenzschicht eingefangen wird xuid über einen Bereich verteilt wird, der im wesentlichen grosser ist als die Öffnung der Bohrung in der äusseren Oberfläche, dass diese Bohrungen ferner derart relativ zueinander angeox'dnet sind, dass die Kühlmittel-

tröme in der Grenzschicht eingefangen werden und im wesentlichen die gesamte äussere Oberfläche mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken.

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12. schaufel nach A_nspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen in der Schale in Reihen angeordnet sind, die sich in Längsrichtung in der Schaufel erstrecken, dass die Reihen um den Vorderkantenabschnitt des Tragflächenprofils herum · in dichtem Abstand voneinander angeordnet sind, und dass in Sehnenrichtung diese Reihen in grösserem Abstand zueinander angeordnet sind, dass die Bohrungen in den Reihen um den Vorderkantenabschnitt herum in einem Abstand von etwa zwei Durchmessern zwischen benachbarten Achsen angeordnet sind und zwar gemessen in einer Richtung senkrecht dazu;
13. Schaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Achsen der Bohrungen und der äusseren Oberfläche zwischen 10° und 30° liegt und dass die Bohrungen Strömungscharakteristiken von sogenannten Rohrlängen haben und dass das Verhältnis der Länge der Bohrungen zum Durchmesser der Bohrungen wenigstens 10:1 beträgt.
14. Schaufel Tür Gasturbinen , die mitjextrem hohen Temperaturen arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine ganzteilige dünnwandige Schale mit Tragflächenprofil aufweist, die aus einem hochfesten Metall hergestellt ist,

dass die äussere Oberfläche der Schale wenigstens teilweise einen Strömungskanal für einen heissen Gasstrom begrenzt, der sich mit grosser Geschwindigkeit an der Oberfläche vorbeibewegt, dass der Gasstrom eine Grenzscücht aufweist, die an .der äusseren Oberfläche der Schale liegt, wobei in der Grenzschicht

_t die.

909886/0439 ■■ :\^ S^yj^efi^Tynf/jjlf)

BAD OFHGiNAL

die Gasgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt ist, dass das Innere dieser Schale wenigstens teilweise eine Speicherkammer aufnimmt, dass diese Schale eine Anzahl von diskre_fcen, relativ kleinen Bohrungen aufweist, dass diese Bohrungen relativ zur äusseren Oberfläche in Längsrichtung der Schaufel geleitet sind, dass die Bohrungen um die Vorderkante des Tragflächenprofils herum in dichtem Abstand voneinander angeordnet sind, und dass sie zu beiden Seiten der Schaufel in Sehnenrichtung in einem grüsseren Abstand voneinander angeordnet sind, dass die Schale ferner eine Anzahl von diskreten, relativ kleinen Bohrungen in der Nähe der Hinterkante aufweist, dass diese Bohrungen unter einem Winkel zur äusseren Oberfläche geneigt sind und aich in Richtung des Gasstromes erstrecken, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Kühlgas innerhalb der Speicherkammer, die innerhalb der Schale angeordnet ist, auf einen Druck zu bringen, der etwas grosser ist als der maximale statische Druck des heissen Gases an der äusseren Oberfläche und der ausreicht, um Kühlgas aus den öffnungen abzugeben, dass im wesentlichen das gesamte Kühlgas aus einer gegebenen Bohrung in der Grenzschicht enthalten ist und über einen Bereich verteilt wird, der wesentlich grosser ist als die Öffnung der Bohrung in der Oberfläche, dass die Bohrungen, relativ zueinander derart angeordnet sind, dass die Kühlmittelströme in der Grenzschicht enthalten sind und im wesentlichen die gesamte äussere Oberfläche des Tragfläohenprofils mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken.

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15. Schaufel nach Anspruch 13·, dadurch gekennzeichnet, dass

sich eine weitere Reihe von Bohrungen durch den Hinterkantenabschnitt der Schale zentral zur Schale erstrecken und sich in die äussere Kante des Abschnittes hinein öffnen.
16. Turbinenrotorschaufel für eine Gasturbine, die mit hohen Betriebstemperaturen arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufel eine ganzteilige, dünnwandige Schale aufweist, die ein Tragfläehenprofil hat und die aus einem hochfesten Metall besteht, wobei diese Schale an ihrem äusseren Ende geschlossen ist, dass die äussere Oberfläche dieser Schale wenigstens teilweise einen Strömungskanal für einen heissen Gasstrom begrenzt, aer sich mit hoher Geschwindigkeit an der Schale vorbeibewegt, dass der Gasstrom eine Grenzschicht aufweist, die an der äusseren Oberfläche liegt, wobei die Gasgeschwindigkeit in dieser Grenzschicht wesentlich vermindert ist, dass das Innere der Schale wenigstens teilweise eine Speicherkammer bildet, dass das innere Ende der Schaufel Durchlässe aufweist, dass diese Durchlässe mit einer Druckgasquelle verbunden ist, so dass die Speicherkammer auf einen Druck gebracht werden kann, der etwas grosser ist als der statische Druck des heissen Gases an der äusseren Oberfläche der Schale, dass diese Schale eine Anzahl von diskreten, verhältnismässig kleinen Bohrungen aufweist, dass diese Bohrungen im dichten Abstand um die Vorderkante des Tragflächenprofils herum angeordnet sind und dass die Abstände zwischen den Bohrungen zu beiden Seiten in Sehnenrichtung grosser ist, dass die Bohrungen unter

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einem Winkel relativ zur Aussenseite geneigt sind und sich in einer Richtung zum äusseren Ende der Schaufel hin erstrecken, so dass elliptische öffnungen in der Oberfläche der Schale gebildet werden, wobei die längeren Achsen der Ellipsen mit der Spannungslinie in der Schaufel fluchten, so dass Kühlgas innerhalb der Speicherkammer, welche im Innern der Schale ausgebildet ist , durch die Bohrungen abgegeben werden, wobei äBB Kühlgas einer gegebenen. Bohrung in der Grenzschicht eingeschlossen ist und über einen Bereich verteilt ist, der wesentlich grosser ist als die Öffnung der Bohrung an der äusseren Oberfläche, dass die Bohrungen relativ zueinander derart angeordnet sind dass Kühlmittelströme, die in der Grenzschicht eingeschlossen sind, im wesentlichen die gesarate äussere Oberfläche des Tragflächenprofils mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken.
17. Turbinenschaufel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass cine Plattform gansteilig an der Basis des Tragflächenp-ofils ausgebildet ist und eine Anzahl von diskreten, relativ kleineu Bohrungen aufweist, um Kühlmittel durchzulassen, dass das geschlossene äussere Ende der Schale mit einer Anzahl von relativ kleinen diskreten Bohrungen versehen ist, so dass Kühlgas aus der Jpeicherkammer hindurchtreten kann, die diesen Teil der dchaufel ebenfalls kühlt.

i8. Turbinenstatorschaufel für Gasturbinen, die bei e::trem hohen Temperataren arbeiten, dadux"ch gekennzeichnet, dass diese Jtatorschaufel eine gancteilige, dünnwandige Schale

90988^/0438 ~Z? aufweist,

HO

aufweist, die ein Tragflächenprofil hat und die aus einem hochfesten Metall hergestellt ist, dass die äussere Oberfläche dieser Schale wenigstens teilweise einen Strömungskanal ji.'j..e einen heissen Gasstrom begrenzt, der sich an der Oberfläche mi; hoher Geschwindigkeit vorbeibewegt, dass der Gasstrom .ine Grenzschicht aufweist, die an der äusseren Oberfläche liegt, wobei die Gasgeschwindigkeit in dieser Grenzschicht wesentlich herabgesetzt ist, dass im Innern dieser Schale wenigstens teilweise vine Speicherkammer angeordnet ist, dass die gegenüberliegenden Snden der Schaufeln Kanäle ausweiscn, dass diese Kanäle mit einer Quelle für ein unter Druck stellendes Kühlgas verbunden sind, so dass die fJpeicheri:^:!,;Liier auf einen Druck gebracht werden kann, der cuwas ,ji-jseer xs⁴j aln dex- statische Druck des heissen Gases un eier /unsenseite der .jchalc, dass die Schale eine ..nsahl von diskreten, relativ kleinen Bohrungen aufweist,

ans diese Bohrungen u.n die Vorderkante des Tragflächenprofils iieru:n in dichten Abctand angeordnet sind und dass diese Bohrungen r.ij. beiden Zeicon des i'ragfluc::enprofils in .Jelinenriclitung einen ^r-Jsceroii Abstund voneinander haben, dass die Bohrungen i:: L:In_i;öriciitu.n_c- der Jch-.:.„e unter einen Winkel relativ zur Aiösenseite r;e:ieir;-i sind, so dass elliptioolie öffnungen in de^ Oberi'lHcho.". da* Jch^;^.le enuctoiien, wobei die längeren -chsen diener >_ ff nungen im v/e π ent liehen nit den Spannungs linien in der Sciiaufel flucnuen, wobei die Bohrungen in der liähe des einen lindes der 3chale zura andöron ihide dor Schale hingeneigt sind und die 3ohrunren in der i7ähe des anderen lindes der Schale zu den gesagten einen Ende der Schale

hin

0 9 8 8 6 / 0 I* 3 8 ^^^^7%'·

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hin geneigt sind, so dass das Kühlgas innerhalb der Speicherkammer, welche innerhalb der Schale ausgebildet ist, durch die Bohrungen abgegeben werden kann, wobei das aus einer gebenen Bohrung austretende Kühlgas in dieser Grenzschicht gehalten wird und über einen Bereich verteilt wird, der grosser ist als die Öffnung der Bohrung in der äusseren Oberfläche, dass diese Bohrungen ferner derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die Kühlmittelströme, die in der Grenzschicht enthalten sind, im wesentlichen die gesamte äussere Oberfläche des Tragflächenprofils mit Kühlluft in der Grenzschicht bedecken.

Gasturbine, die mit hohen Betriebsgeschwindigkeiten arbeitet, gekennzeichnet durch eine Umfangsreihe von relativ festen Statorschaufeln und eine Umfangsreihe von Rotorschaufeln, die eine Turbinenstufe bilden, wobei jede der Schaufeln aus einer ganzteiligen, dünnwandigen Schale besteht, die eineu Tar^efläehenquerschnitt hat und die aus einem hochfesten Metall hergestellt ist, dass ein ringförmiges dünnwandiges Glied vorgesehen ist, dessen äussere Oberflächen in Kombination zu den äusseren Oberflächen der Stator- und Rotorschaufel den Strömungskanal für einen heissen Gasstrom begrenzen, der durch diese Turbinenstufe hindurchströmt und zwar mit hoher Geschwindigkeit, dass dieser Gasstrom Grenzschichten aufweist, die an dem besagten äusseren Oberflächen ailiegen, wobei in diesen Schichten die Gasgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt ist, dass die inneren Oberflächen dieses Gliedes,

der

9886/0438 _ _ ^

BAD

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Hl

der Statorschaufeln und der Rotorscliaufein, die den äusseren Oberflächen gegenüber liegen, wenigstens teilweise Speicherkammern begrenzen, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um das Kühlgas innerhalb der Speicherka;nmern auf einen Druck zu bringen, der etwas grosser isj als der muicimale Druck des heissen Gases an der äusseren Oberfläche, dass die ringförmigen Glieder una die otatorschaufeln und die Rotorschaufeln eine Anzahl von diskreten, relativ kleinen Bohrungen aufweisen, um Kühlgas über die Oberflächen zu verteilen, dass diese Bohrungen derart orientiert sinu, dass die Kühlgasströmung von diesen Bohrungen im wesentlichen eine Impulsvektorkomponente hat, die in der übene der äusseren Oberfläche liegt und im 'v/es ent liehen keine Iiapulsvektorkomponente, die in einer Richtung liegt, die zu der der Gasströmung entgegengesetzt ist, so dass im wesentlichen der gesamte Kühlgasstrom von einer gegebenen öffnung, der in der Grenzschicht enthalten ist, über eine fläche verteilt wird, die wesentlich grüsser ist als die Öffnung dieser Bohrung an der äusseren Oberfläche und dass diese Bohrungen ferner derart relativ zueinander ..ngeordnet sind, dass die Kühlströme , die in der Grenzschicht enthalten sind, im wesentlichen die gesamten Oberflächen bedecken, die den Strömungskanui durch die Turbinenstufe begrenzen.

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