DE2060123B2 - Innengekühlte Gasturbinenlaufschaufel - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine innengekühlte Gasturbinenlaufschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Häufig wählt man bei innengekühlten Gasturbinenlaufschaufeln das Schaufelspiel zwischen Schaufelkopf und Turbinengehäuse verhältnismäßig groß und läßt die inneren Kühlkanäle einfach am Schaufelkopf in den aufgrund des Schaufelspiels vorhandenen Spalt ausmünden. Hier tritt aber das Problem auf, daß einerseits wegen des zur Kieinhaltung des Turbinenleistungsverlusts möglichst klein gewählten Schaufelspiels eine & verhältnismäßig starke Drosselung der Kühlluftaustrittsströmung am Schaufelkopf auftritt und andererseits der Treibmitteldruck im Bereich der Schaufeleintrittskante höher als im Bereich der Schaufelaustrittskante ist, wodurch die aus nahe der Schaufeleintrittskan- w te verlaufenden Kühlkanälen austretende Kühlluft stärker als die aus nahe der Schaufelaustrittskante verlaufenden Kühlkanälen austretende Kühlluft gedrosselt wird und deshalb die Kühlung des Eintrittskantenbereiches der Schaufel schlechter als die Kühlung des Austrittskantenbereiches ist.

Zur Beherrschung des Problems des Turbinenleistungsverlusts bei verhältnismäßig großem Schaufelspiel ist in »Motortechnische Zeitschrift«, Oktober 1963, Seite 431, ein Lösungsversuch beschrieben, das Schau- so feispiel zu verkleinern und die inneren Kühlkanäle in einer von einer Kronenschärfung begrenzten Vertiefung des Schaufelkopfes ausmünden zu lassen, die längs einer Schaufelseite, nämlich längs der gesamten Hochdruckseite der Schaufel, zum Teibmittelkanal hin offen ist. Dadurch wird erreicht, daß die Strömungsrichtung der Kühlluft beim Austritt aus der Schaufel der Umfangsgeschwindigkeit entgegengerichtet und die absolute Austrittsgeschwindigkeit reduziert ist. Diese Art der Schaufelkühlung wird in der genannten *>o Literaturstelle als Rückstoßkühlung bezeichnet, weil die Kühlluft hierbei auf die Schaufel gewissermaßen eine Rückstoßwirkung ausübt.

Dieser bekannte Lösungsversuch führt zwar, wenn die Turbine für sich allein betrachtet wird, tatsächlich zu einer Verringerung der Turbinenverluste, stößt jedoch in der Praxis auf neue Schwierigkeiten. Da die Kühlluft bei diesem bekannten Lösungsversuch auf der Hochdruckseite der Schaufel austritt, muß ihr Druck großer sein als der Treibmitteldruck. Dies erfordert aber gegenüber einer Schaufel der oben zuerst erwähnten herkömmlichen Bauart mit unmittelbar am Schaufelkopf ausmündenden Kühlkanälen eine Erhöhung des Kühlluftdruckes. Aus diesem Grund ist es bei dem genannten Lösungsversuch nicht möglich, die Kühlluft für die Schaufelkühlkanäle einfach aus dem Verdichter abzuzweigen, wie es bei Gasturbinentriebwerken mit innengekühlten Turbinenlaufschaufeln üblich und zweckmäßig ist Im Hinblick auf diesen Nachteil, der auf der unbedingt erforderlichen, wesentlich stärkeren Verdichtung der Kühlluft für die Schaufelkühlkanäle beruht, läßt sich daher bei dem bekannten Lösungsversuch in der Praxis kaum eine merkliche Verbesserung der Verhältnisse gegenüber einer Schaufel mit unmittelbar am Schaufelkopf ausmündenden Kühlkanälen erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hinsichtlich der oben erwähnten Probleme eine wesentliche Verbesserung herbeizuführen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die erfindungsgemäße Konstruktion bringt zwei wesentliche Vorteile:

Einerseits reicht wegen der Anordnung der Austrittsöffnung der Vertiefung des Schaufelkopfes an der Niedercrucicseite der Schaufel ein Kühlluftdruck für die Schaufelkühlkanäle aus, der niedriger als der Treibgasdruck und sogar niedriger als der Druck der vom Verdichter eines Gasturbinentriebwerks abgegebenen Luft sein kann, so daß die Kühlluft für die Schaufelkühlkanäle einfach aus dem Verdichter abgezweigt werden kann.

Andererseits ist, da die gesamte, aus den verschiedenen Kühlkanälen der Schaufel in die Vertiefung des Schaufelkopfes austretende Kühlluft im Bereich der Schaufelaustrittskante in den Treibgaskanal austritt, der zwischen Schaufeleintrittskante und Schaufelaustrittskante vorhandene Druckunterschied im Treibgasstrom ohne Einfluß auf den Kühlluftaustritt aus den einzelnen Kühlkanälen in den verschiedenen Bereichen der Schaufel.

Eine zweckmäßige Bemessung der Austrittsöffnung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilstirnansicht eines mit erfindungsgemäßen Schaufeln bestückten Turbinenläufers,

F i g. 2 eine abgewickelte Radialaufsicht auf die Beschaufelung des Turbinenläufers längs der Linie 11-11 in F i g. 1,

Fig. 3 einen abgewickelten Schnitt längs der Profilmittellinie HI-III einer Schaufel in F i g. 2 und

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht des Schaufelkopfes einer erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel.

F i g. 1 zeigt einen Turbinenläufer mit einer Welle 10, einer darauf befestigten Laufradscheibe 12 und einem Kranz von Laufschaufeln 18. Der Umfang des Laufradscheibenkranzes 14 ist mit achsparallelen Haltenuten 16 mit gezahnten Seitenwandungen 17 zur Aufnahme der Tannenbaumfüße 24 der Schaufeln 18 versehen. Die Schaufeln 18 haben, wie aus den Fig.2 und 4 ersichtlich ist, das übliche Tragflügelprofil mit gerundeter Eintrittskante 20, annähernd spitz auslaufender Austrittskante 22 und gekrümmter Profilmittellinie.

Die Schaufeln 18 sind von KOhlkanalen 26 durchzogen, die über die Schaufelfüße 24 mit Kühlluft gespeist werden und sich vom Schaufelfuß bis zum Schaufelkopf über die gesamte Länge des Schaufelblattes erstrecken. Am Schaufelkopf münden die Kühlkanäle "26 am Boden 37 einer von einer Kronenschärfung 38 begrenzten Vertiefung 36 des Schaufelkopfes aus.

Die Kronenschärfung 38 verläuft jeweils entlang der gesamten Hochdruckseite 29 der Schaufel von der Schaufelaustrittskante 22 zur Schaufeleintrittskante 20 und von dort über etwa die Hälfte der Profillänge entlang der Niederdruckseite 30 der Schaufel bis zu einer Stelle A, die sich etwas stromab des Austrittsquerschnitts Bzwischen der Niederdruckseite der betreffenden Schaufel und der Schaufelaustrittskante 22 der jeweils benachbarten Schaufel befindet Zwischen der Stelle A, bis zu welcher sich die Kronenschärfung 38 an der Niederdruckseite 30 der Schaufel erstreckt, und der Austrittskante 22 der betreffenden Schaufel verbleibt also eine Austrittsöffnung, durch welche die aus den Kühlkanälen 26 in die Vertiefung 36 ausgetretene Kühlluft in den Treibmittelkanal ausströmen kann.

Während das, das Turbinenlaufrad in Richtung des Pfeiles 39 drehende Treibmittel in Richtung der Pfeile 34 zwischen den Schaufeln 18 hindurchtritt, expandiert es zwischen den Eintrittkanten 20 und den Austrittskanten 22 der Schaufeln 18, so daß ein entsprechender Druckabfall im Treibmittel auftritt und folglich im Bereich der Schaufeleintrittskanten ein höherer Treibmitteldruck herrscht als im Bereich der Schaufelaustrittskanten. Der höchste Druck herrscht jeweils nahe der Schaufeleintrittskante an der Hochdruckseite 29 der Schaufeln, während der niedrigste Druck jeweils im Bereich des Austrittsquerschnitts San der Niederdruckseite 30 der Schaufeln auftritt. Demz'ifolge tritt die

ίο Kühlluft aus der Vertiefung 36 jeweils an einer Stelle niedrigen Treibmitteldruckes in den Treibmittelkanal aus. Innerhalb der Vertiefung 36 herrschen etwa gleichförmige Druckverhältnisse, was bedeutet, daß die aus eintrittskantennahen Kühlkanälen 26 austretende Kühlluft auf ungefähr denselben Gegendruck stößt wie die aus austrittskantennahen Kühlkanälen 26 austretende Kühlluft

Die Tiefe der Vertiefung 36 ist so gewählt, daß sich an der Stelle C ein Austrittsquerschnitt ergibt, der wesentlich größer als der Gesamtquerschnitt der Kühlkanäle 26 stromauf der Stelle A ist. Dadurch läßt sich der Austrittsdruck der Kühlluft an den stromauf der Stelle A gelegenen Kühikanalausmündungen so einstellen, daß er dem an der Stelle A herrschenden Gegendruck entspricht, der seinerseits den niedrigsten, am Schaufelumfang herrschenden Druck darstellt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: Ii I; S

1. innengekühlte Gasturbinenlaufschaufel mit sich vom Schaufelfuß bis zum Schaufelkopf erstreckenden inneren Kühlkanälen, die in einer von einer Kronenschärfung begrenzten Vertiefung des Schaufelendes mit einer seitlichen, zum Treibmittelkanal hin offenen Austrittsöffnung ausmünden, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung auf der Niederdruckseite (3) der Schaufel angeordnet und auf einen Bereich nahe der Schaufelaustrittskante (22) beschränkt ist, und daß der Austrittsöffnungsquerschnitt wesentlich größer als der Gesamtquerschnitt sämtlicher Kühlkanäle (22) ist.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung sich von der Schaufelaustrittskante (22) bis zur senkrechten Projektion der Austrittskante der bei zusammengebautem Turbinenläufer benachbarten Schaufel auf die betreffende Schaufel erstreckt

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