DE1476804A1

DE1476804A1 - Turbinenschaufel mit Tragflaechenprofil

Info

Publication number: DE1476804A1
Application number: DE19661476804
Authority: DE
Inventors: Kraimer Robert Henry; Theodore William Ralph
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-04-07
Filing date: 1966-11-22
Publication date: 1970-03-26
Also published as: FR1504913A; GB1115948A; SE307263B; CH470575A; NL6700156A; BE692211A; US3369792A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz

Dr. Gertrud HaiiMf eooo Menchen-Pa·!!·«,

Dlpl.-Ing. Gottfried Liter Br«.b.r_e.,.ir.„. i»

Patentanwälte 1476804

Telegramme! labyrinth MOndien ^{v w w} ~

Tel.foni 83 15 10 '

Mönchen 117078 Q-eneral Electric Company

Soheneotady, New York /USA

Unser Zeichen: Q 1075

Turbinensehaufel mit Tragfläohenprofil

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenachaufelbaugruppe, bei welcher hohle Schaufeln mit Tragflächenprofil verwendet werden, wobei diLese hohlen Schaufeln Einsätze haben, um eine minimale Strömung eines fluiden Mediums in diese Schaufeln zu leiten und zwar zum Zwecke der Kühlung von Strahltriebwerksteilen, wie beispielsweise der Kühlung von Turbinendüsen bzw. Turbinenleitschaufeisätzenο

Bei den gegenwärtigen, unter hohen Temperaturen arbeitenden Maschinen- oder Triebwerksteilen, wie beispielsweise bei Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken und zwar sowohl bei den sich drehenden Schaufeln als auch bei den stationären oder ieitschaufeln, ist es erforderlich, eine Kühlanordnung vorzusehen. Es ist möglich, Triebwerke herzustellen, die in wirkungsvoller Weise bei Grastemperattiren arbeiten, die viel höher sind, als die Temperaturen, denen die Materialien widerstehen

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können,

können. Es müssen deshalb entsprechende Kühlanlagen vorgesehen sein und die Bauteile müssen derart gestaltet sein, daß ein Betrieb bei erhöhten Gastemperaturen möglich ist, wobei diese Temperaturen über der Aufnahmefähigkeit des Materials liegen.

Zahlreiche Leitschaufelbaugruppen wurden bereits derart gestaltet, daß eine Strömung eines Kühlmediums ermöglicht wurde, sodaß in entsprechender Weise die Temperaturen vermindert wurden,, Einige Ausführungsformen weisen eingegossene Kanäle auf, in denen Kühlmedien längs einer sinusförmigen Bahn durch die Kanäle innerhalb der Wandungen von Abschnitten umlaufen, beispielsweise innerhalb des Trubinenschaufelabschnittes. Das Problem, das bei derartigen Ausführungsformen auftritt, ist das, daß das Gießen ein schwieriger Vorgang ist, wobei die Kanäle in der ¥ei3e hergestellt werden, daß die Querwandungen durch die Schaufeln als Teil des Gußkörpers hergestellt werden. Dies führt zu Temperaturgradienten, die tennisehe Spannungskonzentrationen erzeugen, die oft zu Brüchen und zu einer nicht ausreichenden lebensdauer führen» Weiterhin ist das Gießen schwierig und teuer.

Bessere Ergebnisse für einen Betrieb bei hohen Temperaturen wurden durch hohle Schaufeln erzielt, die entweder gegossen oder auf andere Weise hergestellt waren»

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Bei

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Bei dünnwandigen Schaufeln sind geeignete Einrichtungen wie beispielsweise Einsätze, vorgesehen, um das Kühlmedium einzuschließen und zu führen, um die gewünschten Teile der Schaufel, die den Heißgasen ausgesetzt sind, zu kühlen. Bei derartigen Aufbauten wirken die Einsätze als Prallbleche oder Gleitbauteile, um das Kühlmedium in einer sinusförmigen Bahn zu leiten und um das Kühlmedium abzugeben, nachdem dieses den Kühlungszweck erfüllt hat» Selbstverständlich ist eine maximale Kühlung mit einer minimalen Kühlmediummenge erwünscht und es wurden zahlreiche innere Aufbauten vorgeschlagen, um dieses Ziel zu erreichen» Es ist üblioh, das einströmende Kühlmedium aufzufangen und dieses längs der heißen Vorderkante zu leiten und dann zur Hinterkante» Danach wird das Kühlmedium verwendet, um die Hinterkante dadurch zu kühlen, daß dieses Kühlmedium quer durch die eine oder andere Seite oder quer über die eine oder andere Seite der Schaufel strömt, wonach das Kühlmedium zur Vermeidung von Verlusten in den Arbeitszyklus des Triebwerkes zurückgeleitet·wird_β

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Schaufel mit Tragflächenprofil insbesondere für einen Turbinenleitsatz oder für einen Turbinenlaufsatz zu schaffen, wobei jede Schaufel hohl ist und Einsätze aufweist, um ein Kühlmedium zu leiten, wobei diese Einsätze derart geformt

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sind, daß eine Minimalströmung durch. Kanäle innerhalb der Sohaufel mit hohem Wirkungsgrad geleitet wird. Die Sohaufel ist ein Gußbauteil und die Einsätze der Sohaufel sind in einfacher Weise hergestellte Bauteile, die in ihre Betriebslage eingeschoben werden« Die Einsätze umfassen verschiedene Einsätze, die kurzer sind als die Schaufel und die gegeneinander versetzt sind und die in einfacher Weise duroh die Schaufel selbst in ihrer Lage gehalten werden, um eine sinusförmige Kühlmittelströmungsbahn zu schaffen, um termische Spannungen auszuschalten.

Gemäß der Erfindung ist eine hohle Schaufel mit Iragfläohenprofil vorgesehen, die Vorderkanten und Hinterkanten aufweist und einen sinusförmigen Kanal innerhalb der Sohaufel, wobei ein Einsatz für den Eintritt des Kühlmediums vorgesehen ist und ein Kühlmediumaus tritt aüu der gegenüberliegenden Seite der Schaufel, wobei das Kühlmedium zuerst längs der Innenseite der Vorderkante der Schaufel geleitet wird und dann entlang den inneren Oberflächen der Schaufel und entlang der Hinterkante der Schaufel, wobei wenigstens ein Paar von in Schaufelblattlängsrichtung sich erstreckenden Rippen an entgegengesetzten Innenseiten der Schaufel vorgesehen ist und wobei ein dünnwandiger, im allgemeinen !I-förmiger Einsatz innerhalb der Schaufel angeordnet ist, der sich

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in Blattlängsrichtung der Schaufel von einem Ende aus erstreokt und wobei dieser Einsatz auf beiden Schenkeln des U-Profils gebogen ist und wobei diese gebogenen oder gekröpften Abschnitte die Rippen überspannen, damit der Einsatz längs der Rippen gleiten kann, um ein in Blattlängsriohtung der Schaufel sieh erstreckendes ieitbleoh oder erstreckende leitwandung innerhalb der Schaufel zu bilden und wobei am Einsatz ein Ansatz oder eine Zunge vorgesehen'ist, um das Ausmaß der Erstreokung des Hinsatzes in die Schaufel hinein zu begrenzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel mit Tragflächenprofil ist in den !Figuren der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

ELg« 1 eine perspektivische Ansicht eines Leitschaufelsegmentes, wie es in Turbineneintrittsdüsen verwendet wird,

ELg ο 2 eine Schnittansicht einer Schaufel und

ELg· 3 eine Querschnittansicht, genommen längs der linie 3-3 der Hg. 2.

Der Aufbau wird bei Sohaufeln eines Turbinenleitsatzes beschrieben· Ea sei jjedooh bemerkt, daß der spezielle beschriebene Aufbau überall Verwendung finden kann, bei-

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apielaweiae

spielaweiae bei Streben oder bei anderen Triebwerksteilen, beispielsweise bei anderen Bauteilen mit Tragflächenprofil, die in ähnlicher Weiae eine Kühlung benötigen,

Ea aei zuerat auf Figo 1 Bezug genommen· Ea iat ein einzelnea Schaufelaegment einea Turbinenleitachaufelaatzea dargeatellt, wobei dieaea Segment ein äußerea Band 10 und ein innerea Band 12 aufweiat und wobei zwiachen dieaen Bändern Leitachaufeln 14 angeordnet sind. Die Schaufel 14 iat, wie dargestellt, hohl und Leitelemente für strömende Medien, die ein Tragflächenprofil haben, sind an sich bekannt. Zur Abkühlung der einzelnen Schaufeln unter die Heißgastemperatur iat es erforderlich, ein Kühlungsmedium zu verwenden, wie beispielsweise die Kompressorabzapfluft bei einer Gasturbine oder andere geeignete Kühlmedien, die eine geringere Temperatur haben, als die Turbinenabgase. Ea aei nun auf Pig· 2 Bezug genommen. Das äußere Band 10 kann atromauf gelegene Flansche 16 und stromab gelegene Flansche 18 aufweisen, die sich an den benachbarten Triebwerkabauteilen in üblicher Weise abatützen. Ähnliche oder gleiche Flansche können am inneren Band 12 vorgeaehen sein, um einen inneren Dichtungabauteil in an sich bekannter Weise zu tragen. Um die Kosten zu vermindern und um für eine ausreichende Kühlung mit einer Minimalmenge an Kühlmedium hohe Wärmeübertragungskoeffizienten zu erhalten, iat ea möglich, die ganze in Fig· 1 dargestellte Baugruppe als Ganzes zu gießen und

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die

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die einzelnen Segmente oder Sohaufeln miteinander zu versohrauben oder zu verbinden.

Bei den üblichen Schaufelaatzbautexlen hat die hohle Schaufel 14 ein Tragflächenprofil und weist eine Vorderkante 20 und eine Hinterkante 22 auf. Durch das Tragflächenprofil wird eine konvexe oder Saugoberfläche 24 und eine konkave oder Druckoberfläche 26 geschaffen. Bei einem normalen Betrieb der Turbine ist die Oberfläche 24 höheren Wärmeübertragungakoeffizienten ausgesetzt als die Oberfläche 26 und deshalb benötigt die Oberfläche 24 eine größere innere Kühlung· Die Vorderkante 20 ist ebenfalls im allgemeinen höheren Temperaturen ausgesetzt und benötigt deshalb auoh eine größere Kühlung.

Kühlmedium von einer geeigneten Quelle wie beispielsweise von einer Kompressorabzapfstelle wird in die einzelnen Schaufeln in irgend einer Weise eingebracht. Um das Kühlmedium in entsprechender Weise innerhalb der dünnwandigen Schaufel zu verteilen, sind Einsätze vorgesehen, die nun beschrieben werden sollen. Es ist wünschenswert) daß diese Einsätze billig sind und leicht eingebaut werden können, beispielsweise dadurch, daß diese Einsätze lediglich in ihre Betriebslage hineingeschoben werden, um zu verhindern, daß eingegossene Querrippen verwendet werden müssen, die sehr sohwierig herzustellen sind.

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Um eine Halterung zu schaffen, weist jede der gegossenen Schaufeln als integral angegossenen Teil in Schaufelblattlängsrichtung sich erstreckende Rippen 28 auf, die auf gegenüberliegenden Innenoberflächen der hohlen Schaufel vorgesehen sind, wobei diese Hippen vorzugsweise, wie dargestellt, angeordnet sind und zwar einander direkt gegenüberliegend, wie es Figo 3 zeigt. Diese Rippen erstrecken sich von einem Ende der Schaufel bis zum anderen hin, wie es dargestellt ist» TJm eine Prall- oder leitwandung oder einen sinusförmigen Kanal zur- Leitung des Kühlmediums zu schaffen, sind dünnwandige, im allgemeinen TJ-förmige Einsätze 30 vorgesehen. Vorzugsweise sind zwei derartige Einsätze vorgesehen, wie es in Figo 3 dargestellt ist, wobei diese Einsätze zwischen den Rippen 28 eingespannt sind. Die Längsrichtung der Einsätze ist kürzer als die Länge de3 Schaufelblattes, wie es Fig« 2 zeigt und die Einsätze sind, wie noch erläutert werden soll, gegeneinander versetzt» Die Einsätze erstrecken sich in Längsrichtung der Schaufel von einem Ende aus und jeder Einsatz v/eist gebogene Oberflächen an den gegenüberliegenden Schenkeln des IT-Profils auf. Diese Oberflächen sind dazu bestimmt, die Rippen 28 zu umfassen und den Einsatz in seiner Stellung zu verriegeln Zusätzlich bilden diese Rippen Führungabahnen, an welchen der Einsatz längs der Rippen in die Sohaufel gleiten kann, um eine in Längsrichtung sich erstreckende Prall- oder Leitwandung zu bilden« Wenn, wie in Fig. 3

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gezeigt , BAD RIGINAL

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gezeigt, zwei Einsätze verwendet werden., so wird auf diese Weise ein in Längsrichtung sion erstreckender Kanal 34 zwischen diesen Einsätzen gebildet.

Die Längarippen 28 und die Einsätze 30 sind vorzugsweise von der Vorderkante und Hinterkante aus nach innen angeordnet* wie es in ften Jig. 2 und* 3 gezeigt ist, um in Längsrichtung sich erstreckende Kanäle 36 und 38 unmittelbar¹ neben dei* Vorderkante und der Hinterkante zu bilden» Dadurch,, daß die Einsätze kürzer aind als iüe Längserstreokung des Schaufelblattes ist es klar, daß Querkanäle 40 und 42 gebildet werden, v/eiin die Einsätze, wie in Figo 2 gezeigt, versetzt angeordnet werden. TJm diese Kanäle zu bilden,, können die Einsätze in die Schaufel von einem Ende aus eingesetzt werden, und dadurch in ihrer Lage gehalten werden, daß diese Einsätze Ansätze und 46 an den entsprechenden Enden der Ein.au tae aufweisen, um den sinusförmigen Kanal für das Kühlmedium zu bildeno Es können selbstverständlich beliebige Befeatigungaeinrichtungen, wie beispielsweise diese Ansätze 4-4 und 46 verwendet v/erden, um diese Einsätse in einer zueinander versetzten Lage zu halten.

Damit das Kühlmedium umgelenkt werden kann, um den Kühlkanälen zu folgen, können Kappen 48 und 50 als Abdeckungen quer -zu den Schaufelenden verwendet werden und diese Kappen sind gegenüber den Querkanälen, wie dargestellt,

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angeordnet

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angeordnet, sodaß die Kühlmittelströmung von einem Kanal in den nächsten umgeleitet oder umgelenkt wird*

Um eine Strömung durch die Schaufeln zu ermöglichen, ist ein Einlaß 52 und ein Auslaß 54 an gegenüberliegenden. Enden der Schaufel vorgesehen*. Es ist im allgemeinen -wünschenswert, die Hinterkante der Schaufel zu kühlen und zu diesem Zweck sind Öffnungen 56 vorgesehen, sodaß das Kühlmittel in den Kanal neben der Hinterkante quer durch die Öffnungen 56 und auch durch den Auslaß 54 austreten kann. Der Auslaß 54 und die Öffnungen 56 können Zumeßeinrichtungen sein, um die erforderliche Menge an Kühlmedium zu bestimmen.» liach dem Austritt aus dem Auslaß 54 kann das Kühlmedium in ir gend v/elcher Y/eise verwendet werden, beispielsweise für I/ichtungszwecke oder für eine Verwendung in anderen Bauteilen. Der Auslaß des Kühlmedium^ durch die Öffnungen 56 erfolgt vorzugsweise an der Hintarkante und quer zur Hinterkante, wie es in Fig» 3 gezeigt iüfc und ier Auslaß kann auf der Saug3eite 24 erfolgen, v/Le es dargestellt ist, oder der Auslaß kann in der Hitte der Hinterkante vorgesehen sein, und zwar je nach den entsprechend en Kühlungabedüx'fnisüen»

0er dargestellte Sohaufelaufbau kann in leichter Weise gegossen werden und ebenfalls können dia Längsrippen 28 in einfacher V/ei-je hergestellt werden« E.e igt klar, daß ILfJ oiiifuoh aui.^ti bauten Einsätze in ihrer Betriebes teilung

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eingeschoben

BAD ORIGINAL

eingeschoben werden können und daß diese Einsätze durch ihre Ansätze verriegelt werden können, um die Erstreckung der Einsätze in die Schaufel hinein zu begrenzen» Dadurch wird in sehr einfacher Weise eine leicht zusammensetzbare Baugruppe geschaffen, die eine Kühlung mit einer minimalen Kühlmittelmenge ermöglichte Die U-förmigen Einsätze können Pederclips sein, die in einfacher Weise in der in Pig» 3 dargestellten Lage gehalten werden können und diese Clips können von einem Ende aus eingesetzt werden, beispielsweise bei einer sich verjüngenden Schaufel vom weiten Ende'aus₀ Es können einfache Punktverschweißungen vorgenommen werden, um die Einsätze in ihrer Stellung durch die Ansätze zu verriegeln, wobei diese Ansätze an den Kappen 48 und 50 angeschweißt werden können und auf diese Weise wird eine leichte mit hohem Wirkungsgrad gekühlte Schaufel geschaffen. Durch diese Anordnung wird eine maximale Wärmeübertragung bei einer minimalen Kühl-, mittelströmung ermöglicht, wobei das Kühlmittel hinterher für andere Zwecke verwendet werden kann« Dies führt ganz allgemein zu einen besseren Betrieb des Triebwerkes, wenn die Schaufeln in einem Gasturbinentriebwerk verwendet werden, da eine geringe Menge aus dem Betriebszyklus des Triebwerkes entnommen wird.

_ΛΛΛΛΛ^ , „ _{A Ä Λ} Patentansprüche BADORIGtNAL 0 0 9 813/0330"—- *-

Claims

1.)Hohle Schaufel mit Tragflächenprofil, die eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist und im Innern einen sinusförmigen Kanal und wobei ein Kühlmitteleinlaß und ein Kühlmittelauslaß auf der gegenüberliegenden Seite der Schaufel vorgesehen ist, derart, daß das Kühlmittel zuerst längs der Innenseite der Vorderkante und dann längs der Innenseite der Schaufel und der Hinterkante geleitet v/ird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Paar in Schaufelblattlängsrichtung sich erstreckende Rippen (28) aufgegenüberliegenden Innenseiten der Schaufel (14) vorgesehen ist, daß ein dünnwandiger, im allgemeinen U-förmiger Einsatz (30) innerhalb der Schaufel vorgesehen i3t, der sich von einem Ende der Schaufel aus in BIattlängsrichtung erstreckt, daß der Einsatz (30) eine gebogene Oberfläche (32) auf den gegenüberliegenden Schenkeln des U-Profiles aufweist, die die Bippen umspannen, damit der Einsatz (30) längs der Hippen (28) gleiten kann, um eine in Längsrichtung sich erstreckende Prall- oder Leitwandung innerhalb der Schaufel zu bilden, daß ein Ansatz (44, 46) am Einsatz (30) vorgesehen ist, der die Erstreckung des Ansatzes in die Schaufel hinein begrenzt«

2ο Hohle Schaufel mit Tragflächenprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Einsätzen (30) innerhalb der Schaufel (14) vorgesehen ist, daß

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ORIGINAL sich

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sich: Jeder: Einsatz (50): i*£ längs rieht ung_: der Schaufel··. (14) von?.gegenüberliegenden. Enden aus erstrecfct, daß die Änai^e> (44 ί* 46) in. jedem; BiEnaairz. die Erstreclomg der Einsatz® int die Schaufel hinein, begrenzen: uad zwaur derart _r. daüiQiierkanüle (4Ό^,4·2*)' an; den gegenüfeerlie— genden Ehdent d©r. Sehauiel g:jgiblOIi^ii' werden, um. benaeh>baortee:· Banale? C5^ 54-^:3®^" ^s e-daimn: sinusf örmigeni Käaaal zw.: yerbtoidsiß^ daß Kappem C4®^-: SO) an; gegenüberliegernden Endenv dlear S^hauiEel; vOrgesehem sind= * um die Strömimgs⁵— richtung; de^lähliiiittel3_; inrJd&BtKanälen; umzulentoenv

3· Hohie- SühaUiEei;■ mi± (EragiläfilienBrofir nach Angpruch, 1 oder- 2:,. dad:iire& gekennzeiohagt.^ daJ3 Öffnungen (56) in: der Hinterkante dar Soliauf el: Ct4) auf der Saugseite' (24) der Schaufel in an sich beiamnter Vieise vorgesehen sind, um zusätzlich zum Auslaß (54) Zumei3öff~ nungen zu schaffen«,

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