DE1601555A1

DE1601555A1 - Gekuehlter Turbinenleitkranz fuer bei hohen Temperaturen arbeitende Turbinen

Info

Publication number: DE1601555A1
Application number: DE19671601555
Authority: DE
Inventors: Adiutori Eugene Frank; Kercher David Max
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-09-14
Filing date: 1967-05-18
Publication date: 1970-11-26
Also published as: US3388888A; BE699937A; GB1144036A

Description

Gekühlter. Turbinenleitkranz für bei hohen Temperaturen arbeitende Turbinen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen gekühlten Statoraufbau für bei hohen Temperaturen arbeitende Turbo-Triebwerke und insbesondere auf einen Turbinenleitkranz, der verbesserte Einrichtungen aufweist, um die Kühlmittelströmung durch den Leitkranz hindurch zu steuern und zu lenken. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Turbinenschaufelaufbau, durch welchen ein Kühlmittel im Innern der Schaufel und über die äußeren Oberflächen der Schaufeln in ausreichender und wirksamer Weise verteilt wird.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerkes in Beziehung zur Betriebstemperatur der

Gei/E

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Turbine

Turbine a teilt und daß der Wirkungsgrad theoretisch durch eine Erhöhung der Betriebstemperatur erhöht werden kann. Praktisch ist jedoch die maximale Turbinenbetriebstemperatur durch die Hochtemperaturaufnahmefähigkeit der verschiedenen Turbinenelemente begrenzt» Da der Triebwerkswirkungsgrad auf diese Weise durch Temperaturbedingungen begrenzt ist, haben sich Turbinenbauer im erheblichen Umfang bemüht, die Temperaturbeständigkeiten von Turbinenelementen zu verbessern bzw. zu erhöhen, und zwar insbesondere die Temperaturbeständigkeiten der tragflächenförmigen Schaufeln, auf die die sehr heißen Verbrennungsprodukte auftreffen.» Eine gewisse Erhöhung des Triebwerkwirkungsgrades wurde durch die Entwicklung und Verwendung von neuen Materialien erzielt, die in der Lage sind, höheren Temperaturen zu widerstehen. Diese neuen Materialien sind jedoch nicht ganz allgemein in der Lage, den extrem hohen . Temperaturen zu widerstehen, die in modernen Gasturbinen wünschenswert sind. Es wurden demzufolge verschiedene Kühlanordnungen für Turbinenleitschaufein entwickelt, um die obere Temperaturgrenze dadurch nach oben zu verschieben, daß das Schaufelmaterial auf tieferen Temperaturen gehalten wird, denen daa Material widerstehen kann, ohne daß das Material verbrennt oder angegriffen wird· In der folgenden Beschreibung wird

unter

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unter dem Ausdruck "Schaufel" ganz allgemein ein tragflächenförmiges Element verstanden, welches in Turbo-Triebwerken verwendet wird, die bei hohen Temperaturen arbeiten. Dieser Ausdruck soll sich nicht nur auf Teile beziehen, die allgemein als Schaufeln bekannt sind, sondern auch auf andere tragflächenförmige Bauteile, die als Flügel, Streben usw* bekannt sind.

Die Kühlung von Schaufeln wird im allgemeinen in der Weise durchgeführt, daß innere Strömungskanäle innerhalb der Schaufeln vorgesehen werden, welche eine Kühlmitte Is tr ömung aufnehmen. Dieses Kühlmittel ist üblicherweise komprimierte Luft, die entweder vom Kompressor oder vom Brennkammerabschnitt abgezapft wird. Es ist ebenfalls bekannt, daß der Triebwerkwirkungsgrad möglicherweise theoretisch durch den Abzug von Kühlluft verringert wird. Es ist deshalb Bedingung, daß die Kühlluft in wirksamer Weise verwendet wird, wobei verhindert werden muß, daß die Wirkungsgradabnahme, die durch die Abzapfung von Luft erzielt wird, größer ist als die Zunahme, die durch die höheren Turbinenbetriebstemperaturen erreicht wird· Dies bedeutet mit, anderen Worten, daß das Kühlsystem unter Berücksichtigung einer Herabsetzung der erforderlichen Kühlluftmenge einen hohen Wirkungsgrad haben muß. Es ist ferner wesentlich, daß

alle

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alle Seile der Turbinenschaufeln in ausreichender Weise gekühlt werden. Insbesondere muß eine ausreichende Kühlung für die Vorder- und Hinterkanten der Schaufeln vorgesehen sein, da die.se Teile der Schaufeln am meisten durch die heißen Verbrennungsgase angegriffen werden,

Es wurde gefunden, daß die bisher verwendeten Kühlanlagen Nachteile bezüglich der im vorstehenden aufgeführten Bedingungen haben« Kühlsysteme, bei denen minimale Mengen an Kühlluft verwendet werden, weisen üblicherweise den Fehler auf, daß diese keinesfalls alle Teile der Schaufeln in ausreichender ¥eise kühlen. Daraus folgt, daß kritische Teile, wie beispielsweise die Vorderkante, beschädigt, angegriffen werden können. oder verbrennen, und zwar bereits nach einer verhältnismäßig kurzen Betriebsdauer. Die Systeme, mit denen eine ausreichende Kühlung aller Teile der Schaufelnmöglich ist, und zwar einschließlich der Vorder— und Hinterkanten der Schaufeln, benötigen üblicherweise zu viel Luft für einen Gesamtbetrieb des Triebwerkes mit hohem Wirkungsgrad, und zwar aus dem Grund, weil die Kühlluft nicht mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Beispielsweise kann bei einer nicht-zureichenden Einrichtung die Kühlluft durch das Innere der Schaufel in einer solchen Weise geleitet werden, daß sich geringe Konvektionswärmeübertragungs-

koeffizienten

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Koeffizienten oder geringe Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten ergeben· Andere Merkmale, wie beispielsweise unzureichende Wärmeübertragungsflachen, können ebenfalls eine -wirkungsvolle Ausnutzung der Kühlluft verhindern.

Die tragflächenförmigen Schaufeln sind selbstverständlich nicht die einzigen Turbinenelemente, die den Verbrennungsprodukten ausgesetzt sind, welche hohe Temperaturen aufweisen. Es ist deshalb klar, daß es in der Praxis wünschenswert sein kann, geeignete Kühleinrichtungen für andere Elemente, die mit hohen Temperaturen arbeiten, vorzusehen, beispielsweise für die Umfangs— ringe, die üblicherweise verwendet werden, um die .leiter anz schaufeln in einer Turbine miteinander zu verbinden. In ähnlicher Weise können Kühlungen für andere Turbinenbauteile, wie beispielsweise Dichtungen, Gehäuse usw., erforderlich sein. Bezüglich der Kühlung dieser Elemente sei bemerkt, daß die vorstehenden Diskussionen, welche die wirkungsvolle und ausreichende Verwendung der Kühlluft betreffen, sowohl auf diese Elemente als auch auf die Schaufeln anwendbar sind-,

Ee iat deshalb ein Ziel der Erfindung, für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbo-Triebwerke einen verbesserten Sohaufelaufbau zu schaffen, durch den es möglich

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ist, das Kühlmittel in hoohwirksamer Weise auszunutzen·

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbo-Triebwerke einen verbesserten Schaufelaufbau zu schaffen, durch den es möglich ist, alle Teile der Schaufeln in ausreichender Weise zu kühlen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Turbinenleitkranz zu schaffen, bei dem verbesserte Einrichtungen vorgesehen sind, um die Kühlmittelströmung durch den Aufbau in einer wirksamen und ausreichenden Weise hindurchzuleiten und zu steuern«.

Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, die vorstehenden Ziele in einem Gasturbinenaufbau zu verwirklichen, der robust und in Betrieb unabhängig ist und der in einfacher und billiger Weise hergestellt werden kann.

Gemäß der Erfindung ist eine Schaufel für eine Axialströmungs-Turbomaschine vorgesehen, die einen radial sich erstreckenden hohlen Schaufelkörper aufweist, wobei dieser Schaufelkörper konvexe und konkave Seitenwandungen hat, welche im axialen Abstand voneinander angeordnete, stromauf gelegene Vorder- und stromab gelegene Hinter-

kanten

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kanten miteinander verbinden, wobei an einem Ende des Schaufelkörpers Einlaßkanäle vorgesehen sind, um ein Wärmeübertragungsmedium in eine in der Mitte angeordnete Kammer und in Kanäle einzugeben, und wobei Wandungen vorgesehen sind, welche die konvexen und die konkaven Seitenwandungen am Ende des Schaufelkörpers miteinander verbinden, und wobei erfindungsgemäß ein Trennwandungsaufbau innerhalb des Schaufelkörpers vorgesehen ist, der das hohle Innere des Schaufelkörpers in eine Anzahl von radial sich erstreckenden Wärmeübertragungsbereichen unterteilt, wobei diese Bereiche eine in der Mitte angeordnete Kammer aufweisen, eine Vorderkantenkammer, die zwischen der mittleren Kammer und der Vorderkante angeordnet ist, wobei Kanäle zwischen der in der Mitte angeordneten Kammer und den Seitenwandungen stromab von der Vorderkante vorgesehen sind, und wobei ein erster Auslaß vorgesehen ist, um Wärmeübertragungsmedien von der Vorderkantenkammer an das Äußere des Schaufelkörpers abzugeben, und wobei ein zweiter Auslaß vorgesehen ist, um Wärmeübertragungsmedien abzulassen·

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Trennwändungsaufbau, der das hohle Innere der Schaufel in die Wärmeübertragungsbereiche unterteilt, einen dünnwandigen Einsatz auf, der im Schaufelkörper durch Abstandhalte- "

rungen

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rungen angeordnet ist, wie "beispielsweise durch radiale Rippen, die ein Ganzes mit den Schaufelseitenwandungen bilden. Die Mittelkammer ist innerhalb des Einsatzes ausgebildet, und der Raum zwischen dem Einsatz und den Seitenwandungen der Schaufel ist durch die Abstandhalter unterteilt, und zwar in eine Yorderkantenkammer und in einen ersten, zweiten und dritten Durchgangskanal. Um eine wirkungsvolle Kühlung zu erzielen, sind der Einsatz, die Abstandhalter und die Austrittskanäle in der Vorder- und Hinterkante derart proportioniert, daß die Strömung des Kühlmittels durch die Schaufel entsprechend des Wärmeübertragungsbedarfs der verschiedenen Teile der Schaufel gesteuert wird.

G-emäI3 einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Turbinenleitkranz aus einer Anzahl von Schaufeln gebildet, die am Umfang durch Ringe miteinander verbunden sind, welche durch Kühlmittelfilme gekühlt werden, wobei das Kühlmittel für wenigstens einen der Ringe vorher zur Kühlung der Schaufeln entsprechend der Erfindung verwendet wurde.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es aeigen:

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Fig. 1 eine Sennittansicht eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes, welches einen Turbinenleitkranz aufweist, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist,

Pigο 2 eine Schaubildliche Darstellung eines Teiles des in Pig. 1 dargestellten Leitkranzes,

!"ige 3 eine von außen gesehene Endansicht eines Teils des Iieitkranzes,

Pig. 4 eine Schnittansicht, genommen längs der linie 4-4 der Fig. 3» welche die Schaufel und die zugeordneten Ringe und die Dichtung im Längsschnitt zeigt
und

Pig, 5 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 5-5 der Fig. 4.

Ea sei zunächst auf Pig. 1 Bezug genommen» Der Hochtemperaturabschnitt eines Axialströmungs-G-asturbinen— triebwerks 10 ist in dieser Figur dargestellt und dieses Triebwerk weist ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11 auf, welches den mit hohen. Temperaturen arbeitenden Abschnitt umgibt. Die. dargestellte Gasturbine weist einen ringförmigen Verbrennungsraum 12 auf, wobei dieser Verbrennungsraum 12 zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und einer inneren Wandung 13 aiiagebildeb iat. Eine ring-

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förmige Brennkammerauskleidung 14 ist innerhalb des Raumes 12 im Abstand gegenüber dem Gehäuse 11 und der Wandung 13 angeordnet. Die Verbrennung findet innerhalb der ringförmigen Brennkaminerauskleidung 14 statt. Die Ringräume 15 und 16 zwischen der Brennkammerauskleidung 14 und dem Gehäuse11 und der Wandung 13 sind mit unter hohem Druck stehender Luft ausgefüllt, die von einem nicht dargestellten Kompressor abgegeben wird« Diese unter hohem Druck stehende luft ist im Vergleich zu den unter hohen Temperaturen stehenden Verbrennungs— gasen innerhalb der Brennkammer 14 verhältnismäßig kühl und diese luft wird in gesteuerter Weise dem Innenraum der Brennkammer zugeführt, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten und um innerhalb dieser Brennkammer eine Kühlung zu erzielen. Gemäß der Erfindung wird diese verhältnismäßig kalte Luft ebenfalls zur Kühlung bestimmter Turbinenelemente verwendet, die den heißen Verbrennungsprodukten ausgesetzt sind.

Ein ringförmiger Leitkranz ist in Pig. 1 ganz allgemein mit 20 bezeichnet und dieser Leitkranz ist am-stromab gelegenen Ende der Brennkanmierauskleiduni; 14 angeordnet, um die heißen Verbrerinunyoprodukte einer Reihe von Tür— binensohaufeln "21 mit; der richtigem Geschwindigkeit und

im tor

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unter dem richtigen Winkel zuzuleiten. Von hier aus werden die Verbrennungsgase durch einen Leitkranz 22 auf eine weitere Reihe von Turbinenschaufeln 23 geleitet. Die Turbinenschaufeln 21 sind am Umfang an einem Turbinenrad 24 montiert, und dieses Turbinenrad ist mit der Welle 25 und einem zweiten Turbinenrad 26, welches die Schaufeln 23 trägt, drehbar auf der Triebwerkachse 27 gelagert, beispielsweise mittels einer Lageranordnung

28. Die Turbine, die die Laufräder 24 und 26 und die Welle 25 aufweist, treibt den nicht dargestellten Kompressor des Triebwerkes 10 an.

Unter Bezugnahme auf die Figo T sei bemerkt, daß die Gesamtströmung der Verbrennungsprodukte durch die Leitkränze 20 und 22 hindurch und durch die Turbinenschaufeln 21 und 23 erfolgtν Wenn die Gasturbine 10 mit einem Wirkungsgrad und mit einer Leistung arbeiten soll, die in modernen Gasturbinentriebwerken wünschenswert sind, müssen die Verbrennungsprodukte von der Brennkaminerauskleidung 14 mit Temperaturen abgegeben werden, die höher liegen als diejenigen, denen die Schaufeln, die aus den gegenwärtig zur Verfugung stellenden Materialien hergestellt sind, widerstehen können.

Durch die Erfindung wird dieser wünschenswerte Wirkungsgrad ermöglicht, und zwar dadurch, daß eine ausreichende

Kühlung

Kühlung in hochwirksamer Weise für alle Schaufelabschnitte vorgesehen ist„ Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird lediglich die zweite Stufe 22 des Leitkranzes gekühlt, jedoch sei bemerkt, daß die Prinzipien der Erfindung auch "bei jeder anderen Leitschaufel 20 oder bei den Turbinenschaufeln 21 und 23 angewendet werden können.

Ehe im einzelnen die Steuerung und Lenkung der Kühlmittelströmung durch denLeitkranz 22 beschrieben werden soll, sei kurz der allgemeine Aufbau des Loitkranzes dargelegt» Obwohl der Leitkranz 22 als einteiliger ringförmiger Aufbau Avirkt, weist dieser eine Anzahl von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten tragflügeiförmigen Schaufeln 30 auf, die sich radial zwischen einem inneren Ring/und einem äui3eren Ring erstrecken, wobei der Leitkranz aus einer Anzahl von gegeneinander anliegenden Ringsegmenten 33 besteht, wobei ein derartiges Ringsegment 33 in Fig. 2 dargestellt ist. Jedes Segment ist als Einheit ausgebildet und weist eine Anzahl von Schaufeln 30 und gebogene Ringsegmente 35 und 36 auf, welche die Enden der Sohaufeln 30 miteinander verbinden. Ein Tragflanschsegment ist als ganzteiliger Abschnitt des Segmentes vorgesehen. Das Flanschsegment 37 erstreckt sich von der stromab

gelegenen

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gelegenen Seite des inneren Hinges 35 aus radial nach innen» Wenn diese Segmente zusammenge "baut sind, liegen die Singsegmente 35 und 36 gegeneinander an, um den Tollständigen ringförmigen leltkranz 22 zu "bilden, der in I*ig. 1 gezeigt ist. Die ilanschsegmente 37 bilden einen ringförmigen Tragflansch 38, an-welchem ein Dichtungsring 39 montiert werden kann. Der Dichtungsring 39 erstreckt sich vom Tragflansch 38 in Richtung stromauf und arbeitet mit einem sich drehenden Dichtungsring 40 zusammen, der zwischen den Turbinenrädern 24 und 27 angeordnet ist, um unerwünschte Deckströmungen von heißen Gasen um die. Schaufeln 30 herum und um den Ring 31 herum zu verhindern. Jedes Segment 33 weist äußere !Planschaegmente 41 und 42 auf. Wenn der leitkranz 22 zusammenge "baut ist, wirken diese Planschsegmente zusammen, um Tragflansche 43 und 44 zu bilden, welche den leitkranz 22 innerhalb des Gehäuses 11 anordnen und tragen» Die beschriebenen Segmente 33 bestehen vorzugsweise aus Gußbauteilen, und es sei bemerkt, daß auch andere Konstruktionsformen zusammen mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

Wie die Fig. 2-5 zeigen, weisen die leitkranzaegmente 33 radiale Kanäle 50 auf, die 3ich duroh die Ringsegmente 35 und 36 und durch den Schaufelkörper 51 einer jeden

Sohaufel

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Schaufel 30 hindurch erstrecken« Der hohle Schaufelkörper 51 einer jeden Schaufel 30 ist ein tragflächenförmiger Bauteil, der eine konvexe Seitenwandung 52 und eine konkave Seitenwandung 53 aufweist, welche im axialen Abstand voneinander angeordnete Kanten, und zwar eine stromauf gelegene Vorderkante und eine stromauf gelegene Hinterkante 54- und 55 miteinander verbinden. Wie Pig. 5 zeigt, ist die aerodynamische Form des Sehaufelkörpers 51 an der Vorderkante 54 abgerundet und nicht stumpf, während die Hinterkante konisch verläuft und sehr dünn ist. Um die kritischen Vorderkanten- und Hinterkantenbereiche sowie den Mittelabschnitt zu kühlen, weist gemäß der Erfindung jeder Schaufelkörper Wärmeaustauschkanäle auf. Um diese Kanäle auszubilden, ist das innere Ende des hohlen Innenraumes 50 eines

jeden Sehaufelkörpers 51 im wesentlichen mittels einer Wandungsplatte 60 abgeschlossen, die am inneren Ringsegment 35 durch eine Verschweißung oder durch andere Befestigungsmittel befestigt ist. Ferner ist ein dünnwandiger Metallblecheinsatz 61 radial in dem hohlen Innenraum 50, und zwar durch die Öffnung im Außenringsegment 36, eingesetzt. Dieser Einsatz 61 ist im wesentlichen eine geschlossene Hülse, welche lediglich am äußeren Ende 62 offen ist, und zwar mib Ausnahme von

kleinen 009848/0371

kleinen Drosselöffnungen 63» die noch "beschrieben werden sollen· Der Einsatz 61, der so geformt ist, daß er im allgemeinen konform zur Innenform des Schaufelkörpers 51 gestaltet ist, wird im Abstand gegenüber den Seitenwandungen 52 und 53 durch radiale Rippen 64 und 65 gehalten, die ein Ganzes mit den Seitenwandungen bilden und die sich von diesen Seitenwandungen aus in den hohlen Innenraum 50 hinein erstrecken. Auf diese Weise wird eine in der Mitte angeordnete Kammer 66 innerhalb des Schaufelkörpers 51 ausgebildete Diese Mittelkammer 66 bildet einen radialen Kanal, der sich im wesentlichen über die gesamte radiale Erstreckung des Schaufelkörpers

51 erstreckt«

Der Einsatz 61 bildet zusammen mit den Seitenwandungen

52 und 53 und mit den Rippen 64 und 65 eine Anzahl von radialen Kanälen, die eine Vorderkantenkammer 70 umfassen, die zwischen der Mittelkammer 66 und der Vorderkante 54 liegt, wobei weitere Kanäle 71t 72 und 73 gebildet werden, die zwischen der MitteTkammer 66 und der konvexen Seitenwandung 52, der konkaven Seitenwandung

53 und der Hinterkante 55 liegen. Nachdem der Einsatz 61 in den Schaufelkörper 51·eingesetzt ist, wird eine äußere Wandungsplatte 74 am äußeren Ringoegment 36 mittels einer Verschweißimg oder durch andere geeignete

Elemente

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Elemente befestigt, um im wesentlichen die Vorderkantenkammer 70 abzuschließen. Die Rippen 64 erstrekken sich über die gesamte Länge des Kanals 50. Die Rippen 65 enden jedoch im Abstand oberhalb der Endwandung 60, und zwar derart, daß die Kanäle 71» 72 und 73 miteinander zu allen Zeiten in einer Strömungsverbindung stehen. Die Kanalstruktur, die durch diese Kanäle gebildet wird, steht in Strömungsverbindung mit kleinen Abzapföffnungen 75. in der inneren Endwandung 60o Um Druckluft aus dem Raum 15 zur Kühlung des Schaufelkörpers 51 und des inneren Ringes 31 zuzuführen, ist eine Einlaßöffnung 76 im äußeren Ringsegment 36 vorgesehen. Die Einlaßöffnung 76, die praktisch ein unverschlossener Abschnitt des Kanals 50 ist, ermöglicht eine Strömung von Kühlluft in die Mittelkammer 66 und in die Kanäle 71, 72 und 73·

Eine Vielzahl von Kanälen 80 ist im Vorderkantenabschnitt des Schaufelkörpers 51 vorgesehen. Die dargestellte Schaufel weist eine Reihe von im radialen Abstand angeordneten Kanälen 80a auf, die die Vorderkantenkammer 70 und die konvexe Außenoberfläche miteinander verbinden. Ferner ist eine Reihe von im radialen Abstand voneinander angeordneten Kanälen 80b vorgesehen,

welche

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welche die Vorderkantenkammer 70 und die konkave Außenseitenwandung miteinander verbinden. Weiterhin sind zwei Reihen von im radialen Abstand voneinander angeordneten Kanälen 80c vorgesehen, welche die Vorderkantenkammer und die äußere Wandungsoberfläche an der Vorderkante 54 miteinander verbinden. Diese Kanäle 80 haben sehr kleine Querschnitte und sind Iäng3 Achsen angeordnet, die spitze Winkel mit den äußeren Wandungsoberflächen bilden, und zwar derart, daß Kühlluft, die durch diese Kanäle 80 hindurchtritt, eine verhältnismäßig dünne Schicht auf den äußeren Schaufeloberflächen bildet, um eine sogenannte 3?ilmkühlung durchführen- zu können.

Bine Anzahl von Kanälen 82 ist ferner am konisch verlaufenden Hinterkantenabschnitt vorgesehen. Die im radialen Abstand voneinander angeordneten Kanäle 82 erstrecken sioh axial zwischen dem radialen Hinterkantenkanal 53 und der Hinterkante 55. Die im dichten Abstand voneinander angeordneten Kanäle weisen ebenfalls einen sehr kleinen Durohmesser auf. Is sei nooh bemerkt, daß der Einsatz 61 eine Anzahl von verhältnismäßig kleinen Drosaelöffnungen 63 aufweist, um eine Verbindung zwischen der Mittelkammer 66 und der Vorderkantenkammer 70 herzustellen.

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Im Betrieb wird die verhältnismäßig kühle, unter hohem Druck stehende luft aus dem Raum 15 durch die Einlaßöffnung 76 im äußeren Ringsegment 36 der Mittelkammer 66 und den Kanälen 71, 72 und 73 zugeführt. Von der Mittelkammer 66 aus strömt die Kühlluft durch die Drosselöffnungen 63 in die Vorderkantenkammer 70, von wo aus diese Luft durch die in der Vorderkante angeordneten Kanäle 80 abgegeben wird. Die Kühlluft strömt durch die Kanäle 71, 72 und 73 und wird durch die Hinterkantenkanäle 82 hindurohgeführt und wird ferner durch die Abzapföffnungen 75 abgegeben. Die Kühlluft, die durch die Abzapföffnungen 75 abgegeben wird, wird verwendet, um den inneren Ring 31 und' die Dichtungselemente 39 und 40 zu kühlen und um eine unerwünschte Leckströmung von Verbrennungsgasen durch diese Dichtungselemente hindurch zu verhindern. Die Art und Weise, wie die Kühlluft durch diese Abzapföffnungen abgegeben wird, soll noch an einer späteren Stelle beschrieben werden.

Der beschriebene Schaufelaufbau ermöglicht eine gleichmäßige und außerordentlich wirksame Schaufelkühlung, Beispielsweise wird an der Vorderkante, an welcher die Kühlprobleme bisher am schwierigsten zu lösen waren, duroh die Erfindung sowohl eine Konvektionskühlung als auoh eine Filmkühlung mit dem gleichen Kühlmittel erzielt.

Zusätzlich

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Zusätzlich -wird die Konvektionskühlung an der Hinter-kante ganz erheblich durch vergrößerte Wärmeübertragungsflächen und durch eine Aufprallkühlung verbessert. Es sei bemerkt, daß die Öffnungen 63 im Einsatz 61 Drosselöffnungen sind. Da die öffnungen 63 derart bemessen sind, daß diese die Kühlmittelströmung drosseln, wird das Kühlmittel beschleunigt, wenn es von der Mittelkammer 66 in die Vorderkantenkammer 70 strömt. Daraus folgt, daß die beschleunigte Strömung auf die inneren Wandungsoberflächen der Vorderkantenkammer 70 aufprallt, und zwar in Form einer Anzahl von Kühlmittelstrahlen mit hoher Geschwindigkeit, und dadurch werden außerordentlich starke Turbulenzen erzeugt und dies führt zu einem großen Wärnieübertragungskoeffizienten an der Vorderkante. Diese sogenannte Aufprallkühlung erzeugt also hohe Konvektionswärmeübertragungsraten an der Vorderkante. Aus der Vorderkantenkammer 70Wird die Kühlluft durch die Öffnungen 80 abgegeben, die durch ihre Winkelorientierung größere KonvektionswärmeÜbertragungsflächen schaffen als die, die vorhanden wären, wenn diese Kanäle senkrecht zu den Wandungsoberfläohen verliefen· Diese außerordentlich wirksame Konvektionskühlung wird durch eine PiIm- oder Grenzschichtkühlung ergänzt, da die Winkelorientierung der Kanäle 80 bewirkt, daß das abgegebene Kühlmittel in der Grenzschicht gehalten wird, wodurch

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im

im Vorderkantenbereicht auf den äußeren Schaufeloberflächen dünne ScMchten gebildet werden, so daß der Schaufelkörper 51 gegenüber den heißen Brenngasen in sicherer Weise dadurch isoliert wird.

Im Mittelabschnitt, in welchem sich der isolierende IiIm des Kühlmittels von den Oberflächen der konvexen und konkaven·Seitenwandungen 52 und 53 abheben kann, wird eine zusätzliche Kühlung durch eine Konvektionsübertragung auf die Kühlmedien geschaffen, die durch die radialen Kanäle 71 und 72 hindurch strömen. Diese spezielle Ausbildung des Mittelabschnittes ist vom Standpunkt des Wirkungsgrades aus gesehen sehr gut, da das gleiche Kühlmittel anschließend verwendet wird, um den inneren Ring B1 und möglicherweise die Hinterkante 55 in einer noch zu beschreibenden Weise zu kühlen«

Im kritischen Hinterkantenbereich wird eine Konvektionskühlung dadurch erzeugt, daß Kühlmittel durch den radialen Kanal 73 und die Kanäle 82 mit kleinem Querschnitt hindurchströmt, wobei sich diese Kanäle 82 axial-zwischen dem radialen Kanal 73 und der Hinterkante 55 erstrecken· Wie im Fall der Kanäle 80 im Vorderkantenabschnitt bilden die Kanäle 82 eine Konzentration von Wärmeaustauschfläohen, um in außerordentlich wirksamer Weise eine Wärmeleitung

durch 009848/0371

durch. Konvektion, zu ermöglichen. Das Kühlmittel, welches den Kanälen 82 zugeführt wird, ist dasjenige, welchea dem Kanal ^3 über den Einlaß 76 zugeführt wurde, und möglicherweise ein Teil des Kühlmittels, welches den Kanälen 71 und 72 zugeführt wurde_e

Wie "bereits dargelegt, strömt ein Teil der Kühlluft, die durch die Kanäle 71,' 72 und 73 strömt, durch die Abzapföffnungen 75 hindurch, um den inneren Ring 31 zu kühlen und um die Dichtungaelemente 39 und 40 abzuschirmen. Die Kühlluft_# die aus dem Schaufelkörper austritt·, tritt in einen Hingraum 85 ein, der innerhalb des inneren Ringes 31 und atromauf Vom llanach 3$ liegt, und dieaer Raum 85 liegt bezüglich dea Hauptatrömungawegea durch das Triebwerk stromauf von den Dichtungselementen 39 und 40, Die Anwesenheit von Kühlmittel im Ringraum 85 stellt sicher, daß kein Durchsickern von heißen Gasen durch den Dichtungszwischenraum hindurch erfolgt, und ferner werden die Dichtungselemente gekühlt, Die Kühlluft wird vom Ringraum 85 in den Hauptatrö'mungaweg wieder abgegeben, und zwar duroh kleine Öffnungen 86, die im inneren Ring 31 zwischen benachbarten Schaufeln 30 angeordnet sind, Diese Öffnungen 86 sind θο wie die Öffnungen 80 im Schaufelkörper 51 langa Achsen angeordnet, die spitze Winkel mit der Ringoberflache bilden, ao daß die Kühlluft eine verhältnismäßig

dünne 009848/0371

dünne Schicht auf der äußeren Oberfläche des inneren Ringes bildet, um auf diesem Ring eine Isolationsschicht aufzubauenο

TJm die Kühlluft mit hohem Wirkungsgrad auszunutzen, ist es wesentlich, daß die Öffnungen 80 im Vorderkantenabschnitt, die Öffnungen 82 im Hinterkantenabschnitt, die Absatζöffnungen 75» die Ringöffnungen 86, der Einsatz 61 und die Rippen 64 und 65 derart proportioniert sind, daß eine ausreichende, jedoch nicht übermäßige Strömung durch die verschiedenen Abschnitte des Leitkranzes 22 erfolgt« Dies kann in der Weise durchgeführt werden, daß die Anzahl und die einzelnen Strömungsquerschnitte der verschiedenen Öffnungen, die Strömungsquerschnittbereiche der inneren Schaufelkanäle und die Druckunterschiede zwischen den

inneren Bereichen des SchaufelkÖrpera und dem statischen Druck der heißen Gase an der Außenseite der Schaufeloberflächen in bestimmter Weise eingestellt werden. Mit anderen Worten sei bemerkt, daß die Kühlbedingungen der verschiedenen Schaufelabschnitte die genauen relativen- Proportionen der Schaufelelemente bestimmen. Beispielsweise können bei einer Ausführungsform die Kanäle derart gestaltet sein, daß die gesamte Kühlluftströmung für die Hinterkantenkanäle 82 durch den Kanal 73 zugeführt wird, während bei einer anderen Ausführungsform ein Teil der Kühlluftatrö-

mun«

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mung durch die Kanäle 82 ebenfalls durch die Kanäle 71 und 72 zugeführt wird«, Dadurch, daß kleine Änderungen in den relativen Proportionen dieser Elemente durchgeführt werden, ist der Turbinenbauer in der Lage, diese Bauteile an einen äußerordentlich großen Bereich von Kühlungsbedingungen anzupassen.

Dem Durchschnittsfachmann wird klar, daß die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung nicht auf einer Verwendung in Turbinenleitkränzen beschränkt ist. Diese Kühlungsanordnung kann mit gleichem Torteil auch bei Turbinenschaufeln von Gasturbinentriebwerken verwendet werden und bei Schaufeln, die bei anderen Turbotriebwerken verwendet werden, die mit hohen Temperaturen arbeiten, beispielsweise bei Hochdruckkompressoren, die mit außerordentlich hohen Drucken arbeiten. Es ist ferner klar, daß der beschriebene Aufbau auch für andere Zwecke verwendet werden kann, beispielsweise für. eine Enteisung des Kompressoreinlasses, und zwar für eine Enteisung dei Kompressoreinlaßstreben und der Kompressoreinlaßschaufeln. Die Erfindung kann auch bei Schaufeln verwendet werden, die eine andere 3?orm haben als die dargestellten Schaufeln, wobei die dargestellten Schaufeln gegossen sind, und wobei die Kanäle durch einen Einsatz gebildet werden. Beispielsweise können die Kanäle gebohrt werden oder können während des Gießens ausgebildet

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werden. Zusätzlich kann das Kühlmedium, falls gewünscht, verwendet werden, um den äußeren Ring sowie den inneren Ring zu kühlen.

Durch die Erfindung wird eine Statorbaugruppe für mit hohen Temperaturen arbeitende Turbo-Triebwerke geschaffen, bei der eine minimale Kühlmittelmenge verwendet wird, um in ausreichender Weise die gesamte Baugruppe zu kühlen.

Die gegossenen Leitkranzsegmente bilden mit ihren Schaufelkanälen, die durch einen Einsatz erzeugt werden, einen Aufbau, der verhältnismäßig einfach und in billiger Weise hergestellt werden kann und der im Betrieb robust und zuverlässig ist.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Schaufel frär ein Axialströmungs—Turbotriebwerk, welche einen radial sich erstreckenden hohlen Schaufelkörper aufweist, wobei dieser Schaufelkörper eine konvexe und eine konkave Seitenwandung hat, welche im axialen Abstand voneinander angeordnete Kanten, und zwar eine stromauf gelegene und eine stromab gelegene, miteinander verbinden, wobei an einem Ende der Schaufel Einlaßkanäle vorgesehen sind, um ein Wärmeübertragungsmedium einer Mittelkammer zuzuführen und um dieses Medium weiteren Kanälen zuzuführen, und wobei Wandungen vorgesehen sind, welche die konvexe und konkave Seitenwandung am Ende des Schaufel— körpers miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trennwandaufbau innerhalb des Schaufelkörpers vorgesehen ist, der den hohlen Innenraum des Schaufelkörpers in eine Anzahl von in radialer Richtung sich erstreckende Wärmeübertragungabereiche unterteilt, daß diese Bereiche eine Mittelkammer aufweisen, ferner eine Kammer, die zwischen der Mittelkammer und der Vorderkante angeordnet ist, und Kanäle, die zwischen der Mittelkammer und den Seiten— wandungen stromab von der Vorderkammter angeordnet sind-, wobei weiterhin ein erster Auslaß vorgesehen ist, um das Wärmeübertragungamedium aus der Vorderkammer auf die

Außenseite

Außenseite .des Schaufelkörpers abzugeben., und wobei ein zweiter Auslaß vorgesehen ist, um Wärmeübertragungsmedium abzugeben.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Auslaß eine Vielzahl von im radialen Abstand voneinander angeordneten Kanälen im Vorderkantenbereich der Schaufel aufweist, welche die Vorderkantenkammer mit den . Außenwandungen der Schaufel verbinden, daß diese Kanäle längs Achsen angeordnet sind, die spitze Winkel mit den Außenoberflächen bilden, und zwar derart, daß das abgegebene Wärmeübertragungsmedium eine relativ dünne Schicht auf der Außenwandung im Vorderkantenbereich des Schaufelkörpers bildet, und daß die zweiten Auslässe wenigstens teilweise eine Vielzahl von im radialen Abstand angeordneten in axialer Richtung sich erstreckenden Kanälen aufweist, die den dritten radialen Kanal mit der Hinterkante des Schaufelkörpers verbinden«

3ο Schaufel nach Anspruch und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandungsabschnitt des Einsatzes zwischen der Mittelkammer und der Vorderkammer öffnungen aufweist, die Dros-Belöffnungen bilden, um das WärmeübertragungsmediuiB zu beschleunigen und um dieses Medium mit hoher Geschwindigkeit aus der Mittelkammer gegen die Innenwandungen der

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Vorderkaimner austreten zu lassen, um an der Vorderkante

einen hohen Konvektionsübertragungskoeffizienten zu erzeugen.

4. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein radial sich erstreckender dünnwandiger Einsatz vorgesehen ist, der innerhalb des Schaufelkörpers angeordnet ist und der in diesem die Mittelkammer bildet, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Einsatz und den Seitenwandungen des Schaufelkörpers vorgesehen ist, und wobei dieser Zwischenraum zwischen dem Einsatz und den Seitenwandungen unterteilt ist, um die Vorderkantenkammer und die besagten Kanäle zu bilden, wobei die Kanäle in einen ersten, zweiten und dritten Kanal unterteilt sind, wobei diese Kanäle zwischen dem Einsatz und der konvexen Seitenwandung, der konkaven Seitenwandung und der Hinterkante liegen.

5» Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Zwischenraum radial sich erstreckende Rippen aufweist, die sich in den hohlen Innenraum des Schaufelkörpers von der Innenseite der konkaven und konvexen Seitenwand aus erstrecken, wobei diese Rippen gegen den Einsatz anliegen und dadurch mit dem Einsatz und den Seitenwandungen die Vorderkantenkammer, den ersten, zweiten und dritten radialen Kanal bilden, wobei die radialen Rippen zwischen dem

ersten, 009848/0371

ersten, zweiten und dritten Kanal im Abstand von der Endwandung enden, um eine Strömungsverbindung zwischen diesen radialen Kanälen zu erzeugen.

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