DE2202858B1 - Gekuehlte leitschaufel fuer gasturbinen - Google Patents

Description

verbindet und der erste Abschnitt der Luftaustritte ebenfalls direkt mit dem zweiten Druckraum verbunden ist.

b) Der zweite Strömungsweg verläuft über die ganze Länge des Schaufelblattes, wobei er am Ende des Schaufelblattes, innerhalb der Leitschaufel, um 180° umgelenkt nochmals das Schaufelblatt bis zum anderen Ende durchsetzt und von dort nach nochmaliger Umlenkung zum zweiten Abschnitt der Luftaustritte gelangt.

Bei der neuartigen Leitschaufel kühlt der erste Teilstrom, in Längsrichtung unmittelbar hinter und parallel zur Schaufeleintrittskante verlaufend, nicht nur wegen seiner hohen Geschwindigkeit diese Schaufeleintrittskante sehr intensiv, sondern wird darüber hinaus noch dazu benutzt, einen erheblichen Teil der Wärme an der Schaufelhinterkante aufzunehmen, ohne daß — infolge des zwischen der Eintrittskante und den Luftaustritten liegenden, praktisch verlustlosen Druckraumes — die Druckverluste unzulässig hoch werden. Der zweite Teilstrom durchsetzt den weniger intensiv zu kühlenden Mittelteil des Schaufelblattes ohne stark ins Gewicht fallende Druckverluste, so daß der größte Teil des Druckgefälles zur intensiven Kühlung der von ihm versorgten Teilhöhe der Schaufelhinterkante zur Verfügung steht.

Die völlige Trennung der beiden Strömungswege ermöglicht eine definierte Verteilung der Kühlluftmengen auf die beiden Teilströme, so daß die Notwendigkeit entfällt, wegen schwankender Aufteilung auf beide Ströme unnötig große Mengen an Kühlluft zur Verfügung stellen zu müssen.

Für die Aufteilung der Schaufelhöhe auf die beiden Abschnitte der Luftaustritte ist es vorteilhaft, wenn der erste Abschnitt der Luftaustritte von dem zweiten durch eine Querwand getrennt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert.

F i g. 1 stellt in einem Längsschnitt längs der Linie I-I von F i g. 2 eine mit dem neuartigen Kühlsystem versehene Leitschaufel dar:

Fig. 2 ist ihrerseits der Schnitt II-II von Fig. 1.
Die Leitschaufel, die durch einen Strömungskanal 2 von — von einer oder mehreren nicht dargestellten Brennkammern herkommenden — Heißgasen von links her angeströmt wird (Pfeile), ist gehalten im Leitschaufelträger 3. Der Heißgaskanal 2 ist stromaufwärts begrenzt durch verschiedene Teile eines Heißgasgehäuses 4. Die Kühlluft für die Leitschaufel gelangt durch die öffnung 10 im Schaufelträger 3 in einen Zwischenraum 11, von dem aus sie durch die öffnung 12 in den ersten Druckraum 13 strömt, der in der äußeren Schaufelabdeckung 14 vorhanden ist.

Vom ersten Druckraum 13 aus sind durch das Schaufelblatt zwei Strömungswege für die Kühlluft vorhanden. Der erste führt durch den relativ engen, unmittelbar hinter der Schaufeleintrittskante 8 liegenden Strömungskanal 15 in einen zweiten Druckraum 16, der in der inneren Schaufelabdeckung 17 angeordnet ist. Diesen zweiten Druckraum 16, der von der Kühlluft praktisch ohne Druckverluste durchströmt wird, verläßt die den ersten Strömungsweg durchsetzende Kühlluft durch einen über einen Teil der Schaufelhöhe verlaufenden ersten Abschnitt 18 von Luftaustritten im Bereich der Schaufelhinterkante 19.

Der zweite Strömungsweg führt parallel zum ersten durch den relativ weiten Kanal 20 über einen Umlenkraum 21 nach einer ersten Umlenkung um 180° in den, im Mittelteil der Schaufel angeordneten, ebenfalls relativ weiten Kanal 22: von diesem aus gelangt die Luft über einen für die Strömung — wegen des Druckvcrlustes — möglichst optimal ausgestalteten, zweiten Umlenkraum 23 nach einer weiteren Umlenkung um 180° in den zweiten Abschnitt 24 der Luftaustritte, der ebenfalls im Bereich der Hinterkante 19 liegt, vom ersten Abschnitt 18 der Luftaustritte durch eine Querwand 26 getennt ist und die vom ersten Abschnitt 18 der Luftaustritte nicht überdeckte Teilhöhe der Schaufel 1 ausfüllt. Selbstverständlich können die Luftaustritte in der Hinterkante 19 selbst (F i g. 2) oder auf der Saug- bzw. auf der Druckseite der Leitschaufel angeordnet sein. Der Kanal 22 ist dabei zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Flächen mit Rippen 25 versehen.

Das relativ geringe, zur Verfügung stehende Druckgefälle zwischen dem ersten Druckraum 13 und dem Strömungskanal 2 im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel dient im ersten Strömungsweg zunächst dazu, im engen Strömungskanal 15 eine relativ hohe Geschwindigkeit des Kühlmittels zu erzeugen und damit eine große Wärmeübergangszahl und eine intensive Kühlung der Schaufeleintrittskante 8 zu erreichen. In einem bereits ausgeführten Beispiel wird dabei beispielsweise etwa die Hälfte des Druckgefälles verbraucht. Nach praktisch verlustlosem Durchströmen des zweiten Druckraumes 16 bewirkt der noch vorhandene Überdruck gegenüber dem Strömungskanal 2 im ersten Abschnitt 18 der Luftaustritte wiederum hohe Geschwindigkeiten und damit eine gute Kühlung eines Teiles der Schaufelhöhe im Bereich der Hinterkante 19.

Im zweiten Strömungsweg gelangt die Kühlluft — da der Mittelteil des Schaufelblattes keiner so intensiven Kühlung bedarf — mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten praktisch, d. h. abgesehen von den beiden Umlenkungen um 180°, ohne Druckverluste in den Umlenkraum 23. Das ganze zur Verfügung stehende Druckgefälle wird damit benutzt, um im zweiten Abschnitt 24 der Luftaustritte eine über die restliche Schaufelhöhe möglichst gleichmäßige Ausströmung mit hohen Geschwindigkeiten und entsprechend guter Kühlung der Hinterkante 19 zu erreichen.

In den beiden Strömunsswegen sind die Strömungswiderstände, die durch Änderungen an den als Drosselstellen und als Strömungsleitflächen dienenden Rippen 30 in den Abschnitten 18 und 24 der Luftaustritte in gewissem Umfang verändert werden können, experimentell so aufeinander abgestimmt. daß sich die zur Verfügung stehende Kühlluftmenge mindestens annähernd in einem festen Verhältnis auf beide Wege verteilt. Dieses Verhältnis bestimmt dann auch die relative Höhenlage der Querwand 26, durch die, bei etwa konstanter Austrittsweite über die ganze Höhe, die Gesamtschaufelhöhe etwa im Verhältnis der Teilmengen auf die beiden Abschnitte 18 und 24 aufgeteilt ist.

Hierzu 1 Glatt Zeichnungen COPV

Claims (2)

tent 3 017159 bekannt. Bei der dortigen Konstruk- Patentansprüche: tion führt eine Vielzahl enger, zueinander im wesentlichen paralleler Kanäle vom Schaufelfuß radial nach

1. Gekühlte Leitschaufel für Gasturbinen, die außen und nach einer Umlenkung um 90° zu Luftfür Kühlluft zwei, das Schaufelblatt durchset- 5 austritten längs der Hinterkante. Zwar wird mit diezende, voneinander getrennte Strömungswege ser Konstruktion eine intensive Kühlung der besonaufweist, von denen der erste Strömungsweg, aus- ders gefährdeten Schaufeleintritts- und -hinterkante gehend von einem in einer Schaufelabdeckung erreicht; dabei ergeben sich in der Schaufel jedoch angeordneten ersten Druckraum, unmittelbar erhebliche Druckverluste, so daß ein relativ großes hinter der Schaufeleintrittskante über die ganze io Druckgefälle des Kühlmittels für die Schaufelküh-Länge des Schaufelblattes verläuft und über eine lung zur Verfügung stehen muß. Ein weiterer Nach-Umlenkung zu einem ersten Abschnitt von längs teil besteht darin, daß die Kühlung des Schaufelmitder Hinterkante angeordneten Luftaustritten telteils bei dieser Konstruktion unter Umständen zu führt, und der zweite Strömungsweg, ebenfalls intensiv ist und daher das Auftreten von Wärmeausgehend vom ersten Druckraum, den Mittelteil 15 spannungen begünstigt.

des Schaufelblattes durchsetzt und über Umlen- In der Zeitschrift »Luftfahrttechnik - Raumfahrt-

kungen zu dem anderen zweiten Abschnitt der technik«, 12(Dezember 1966), S. 330, Fig. 4, ist eine Luftaustritte der Hinterkante gelangt, g e k e η η - Leitschaufel für Gasturbinen gezeigt, bei der — auszeichnet durch die Kombination folgender gehend von einem ersten Druckraum — ein einziger Merkmale: 20 Kühlluftstrom zunächst das Schaufelblatt hinter der

a) Ein zweiter in einer Schaufelabdeckung an- und parallel zur Schaufeleintrittskante durchsetzt geordneter Druckraum (16) ist an dem Ende und in einen zweiten Druckraum mündet, der am des Schaufelblattes vorgesehen, das dem er- vom ersten Driickraum abgewandten Ende des sten Druckraum (13) abgewandt ist, wobei Schaufelblattes angeordnet ist. An diesen zweiten der hinter der Schaufeleintrittskante (8) ver- 25 Driickraum schließen sich im wesentlichen über die laufende Strömungskanal (15) des ersten Höhe des Schaufelblattes verlaufende Luftaustritte Strömungsweges die beiden Druckräume im Bereich der Schaufelhinterkante an. Trotzdem bei (13, 16) direkt verbindet und der erste Ab- dieser Konstruktion erhebliche Kühlluftmengen und schnitt (18) der Luftaustritte ebenfalls direkt ein relativ großes zur Verfügung stehendes Druckgemit dem zweiten Druckraum (16) verbunden 30 fälle zwischen dem ersten Druckraum und dem Ströist; mungskanal hinter den Luftaustritten notwendig

b) der zweite Strömungsweg (20, 22) verläuft sind, läßt sich damit nur eine schlechte Verteilung über die ganze Länge des Schaufelblattes, der Kühlwirkung mit einer unausgeglichenen Tempewo er am Ende des Schaufelblattes, inner- raturverteilung und daher mit hohen Wärmespanhalb der Leitschaufel, um 180° umgelenkt 35 nungen erreichen.

nochmals das Schaufelblatt bis zum anderen Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 476 804 Ende durchsetzt und von dort nach nochma- ist eine Leitschaufel bekannt, bei der ein einziger liger Umlenkung (23) zum zweiten Ab- Kühlluftstrom aus einem Druckraum das Schaufelschnitt (24) der Luftaustritte gelangt. blatt unmittelbar hinter der Eintrittskante durchsetzt

2. Gekühlte Leitschaufel für Gasturbinen nach 40 und nach zweimaligen Umlenkungen um 180° innerAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der er- halb des Schaufelblattes zu über die Schaufelhöhe ste Abschnitt (18) der Luftaustritte von dem verteilten Luftaustritten im Bereich der Schaufelzweiten (24) durch eine Querwand (26) getrennt hinterkante geführt ist. Bei dieser Konstruktion ist ist. ein erhebliches Druckgefälle notwendig, um eine aus-

45 reichende Kühlluftmenge auf dem langen, mit mehreren Umlenkungen versehenen Weg durch das Schau-

felblatt strömen zu lassen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe

zugrunde, eine Leitschaufel für Gasturbinen zu

50 schaffen, bei der mit relativ geringen Kühlluftmengen

und bei einem kleinen zur Verfügung stehenden

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Leitschaufel Druckgefälle des Kühlmittels eine optimale Kühlung für Gasturbinen, die für Kühlluft zwei das Schaufel- — d. h. insbesondere eine intensive Kühlung der blatt durchsetzende, voneinander getrennte Strö- Schaufeleintrilts- und der -hinterkante bei möglichst mungswege aufweist, von denen der erste Strömungs- 55 gleichmäßiger Temperaturverteilung innerhalb der weg, ausgehend von einem in einer Schaufelabdek- gesamten Schaufel — erreicht wird, und die vorstekung angeordneten ersten Druckraum, unmittelbar hend geschilderten Mängel bisheriger Konstruktiohinter der Schaufeleintrittskante über die ganze nen vermieden werden.

Länge des Schaufelblattes verläuft und über eine Diese Aufgabe wird bei einer Leitschaufel der ein-

Umlenkung zu einem ersten Abschnitt von längs der 60 gangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Hinterkante angeordneten Luftaustritten führt, und Kombination folgender Merkmale gelöst, für die der zweite Strömungsweg, ebenfalls ausgehend vom Schutz nur ;n ihrer Gesamtheit begehrt wird:
ersten Druckraum, den Mittelteil des Schaufelblattes a) Ein zweiter, in der Schaufelabdeckung angeorddurchsetzt und über Umlenkungen zu dem anderen neter Druckraum ist in dem Ende des Schaufel-

zweiten Abschnitt der Luftaustritte der Hinterkante 65 blattes vorgesehen, das dem ersten Druckraum gelangt. abgewandt ist, wobei der hinter der Schaufel-

Eine Schaufel mit den vorstehend genannten eintrittskante verlaufende Strömungskanal des

Merkmalen ist als Laufschaufel aus dem USA.-Pa- ersten Strömungsweges die beiden Druckräume