DE2313047A1

DE2313047A1 - Gekuehlte turbinenlaufschaufeln mit hoher festigkeit

Info

Publication number: DE2313047A1
Application number: DE19732313047
Authority: DE
Inventors: Thomas Alvin Auxier; Robert Barry Solda; Albert Philip Sterman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-03-09
Filing date: 1973-03-16
Publication date: 1974-09-19
Also published as: FR2221020A5

Description

Die Erfindung betrifft Turbinenlaufschaufeln' für Hochtemperaturturbinen und insbesondere eine Turbinenlaufschaufel mit verbesserten Einrichtungen zur Beherrschung und Ausrichtung des Kühlmittelstroms durch die Laufschaufel in einer wirksamen und angemessenen Weise bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Festigkeit und Integrität der Struktur.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad eines Gasturbinentriebwerkes in Beziehung steht zur Arbeitstemperatur der Turbine und durch Erhöhung der Arbeitstemperatur oder Betriebstemperatur gesteigert werden kann. In praktischer Hinsicht ist jedoch die maximale Betriebstemperatur der Turbine begrenzt durch Hochtemperatureigenschaften der verschiedenen Turbinenelemente. Da

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der Wirkungsgrad des Triebwerkes auf diese Weise auch durch Temperaturerwägungen beschränkt ist, haben die Konstrukteure von . Turbinen beträchtliche Anstrengungen darauf verwendet, die Hochtemperatureigenschaften der Turbinenelemente zu steigern, insbesondere bezüglich der tragflügelprofilförmig gestalteten Leitschaufeln und Laufschaufeln, auf welche die Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur auftreffen. Eine gewisse Erhöhung des Wirkungsgrades des Triebwerkes wurde erreicht durch die Entwicklung und Anwendung neuer Materialien, welche in der Lage sind, höheren Temperaturen zu widerstehen. Diese neuen Materialien sind jedoch im allgemeinen nicht fähig, den extrem hohen Temperaturen zu widerstehen, wie sie für moderne Gasturbinen gewünscht werden. Infolgedessen wurden die verschiedensten Kühleinrichtungen angegeben, um die obere Grenze der Betriebstemperatur dadurch auszudehnen, daß die Profilteile auf den niedrigeren Temperaturen gehalten werden, die sie ohne Bildung von Narben (pitting) oder verbrannten Stellen (burning out) ertragen können.

Die Kühlung von tragflügelprofilartig gestalteten Teilen wird allgemein dadurch bewerkstelligt, daß im Innern des Profilteils zur Aufnahme eines Stroms eines Kühlmittels innere Strömungskanäle vorgesehen werden. Dabei wird als Strömungsmittel typischerweise verdichtete Luft verwendet, die entweder am Verdichter oder am Brenner abgezweigt wird. Es ist jedoch ebenfalls gut bekannt, daß der theoretisch mögliche Wirkungsgrad des Triebwerkes durch die Abzweigung von Kühlluft vermindert wird. Es ist daher unbedingt erforderlich, daß die Kühlluft wirksam ausgenutzt wird, da sonst die durch das Abzweigen der Luft verursachte Verminderung des Wirkungsgrades größer ist als die Steigerung, welche sich aus der höheren Betriebstemperatur der Turbine ergibt. Mit anderen Worten muß das Kühlsystem einen guten Wirkungsgrad besitzen vom Standpunkt der Reduzierung der erforderlichen Kühlluftmenge auf ein Mindestmaß. Es ist weiterhin unerläßlich, daß alle Teile der Profilteile in der Turbine ausreichend gekühlt werden. Insbesondere muß eine ausreichende Kühlung für die Eintrittskantenbereiche und Austrittskantenbereiche für die Profilteile vorgesehen werden, da diese Teile besonders nachteilig durch die

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Verbrennungsgase hoher Temperatur beeinflußt werden. Es wurde auch gefunden, daß die in der Vergangenheit verfügbaren Kühlanordnungen dazu neigen, einige der vorgenannten Forderungen nicht ausreichend zu erfüllen. Kühlsysteme mit Verwendung einer Mindestmenge von Kühlluft ergeben gewöhnlich nicht eine ausreichende Kühlung aller Teile des Profils. Als Ergebnis kann ein kritischer Teil, beispielsweise der Eintrittskantenbereich, rissig werden, verbrennen oder Vertiefungen aufweisen, und zwar bereits nach einer relativ kurzen Betriebsdauer. Andererseits erfordern diejenigen Systeme, welche alle Teile des Profils einschließlich der Eintrittskanten- und Austrittskantenbereiche ausreichend kühlen, gewöhnlich zuviel Kühlluft im Hinblick auf ein wirkungsvolles Gesamtverhalten des Triebwerkes. Der Grund hierfür ist dabei die Tatsache, daß die Kühlluft nicht wirkungsvoll verwendet wird. Beispielsweise kann eine solche Anordnung mit schiechtem Wirkungsgrad die Kühlluft durch das Innere des Profils in einer solchen Weise leiten, daß dabei geringe Wärmeübergangskoeffizienten für Konvektion oder eine geringe Geschwindigkeit für den Wärmeübergang ergibt. Andere Eigenschaften, beispielsweise eine unzureichende Fläche für den übergang, können ebenfalls eine wirksame Verwendung der Kühlluft verhindern.

Weiterhin sollte eine ausgewählte Kühlanordnung die strukturelle Integrität und Festigkeit des Profilteils aufrechterhalten, ohne in unzulässiger Weise die Konstruktion des Teils zu komplizieren oder die Herstellungskosten zu erhöhen. Im Falle von Turbinenlaufschaufeln werden darüber hinaus die Profilteile von einem Turbinenrotor mit hoher Drehzahl getragen. Hier kann es schwierig sein, diese letzteren Anforderungen zu erfüllen in Kombination mit einem Kühlsystem, das theoretisch und praktisch einen guten Wirkungsgrad besitzt. Zum Verständnis dieser Schwierigkeiten ist zu beachten, daß während des Betriebs von typischen Gasturbinentriebwerken die gesamten Belastungswerte im Innern von typischen Turbinenlaufschaufeln eine Größe erreichen, die bedeutend höher sind als die Werte, wie sie normalerweise an den stationären Leitschaufeln auftreten. Es ist daher unbedingt erforderlich, daß die strukturelle Festigkeit und Integrität der Laufschaufeln aufrecht-

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erhalten bleibt, um während des Betriebs des Triebwerkes einen
ernsthaften oder sogar katastrophalen Ausfall zu verhindern. Dabei ist jedoch zu beachten, daß Kühlsysteme, welche bei der Verwendung für die Kühlluft von Statorleitschaufeln mit relativ geringer Belastung in höchstem Grade wirksam sind, nicht notwendigerweise für Turbinenlaufschaufeln geeignet sind, da die von solchen Systemen geforderte Anordnung von Kühlkanälen usw. die Integrität und Festigkeit der Laufschaufeln nachteilig beeinträchtigen kann.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Turbinenlaufschaufel zu schaffen, bei >
Integrität beibehalten werden.

laufschaufel zu schaffen, bei der hohe Festigkeit und strukturelle

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenlaufschaufel mit hoher Festigkeit zu schaffen, bei der das Kühlmittel mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird.

Es ist eine weitere Aufgabe, eine Turbinenlaufschaufel mit hoher Festigkeit zu schaffen, in der alle Teile der Laufschaufel ausreichend gekühlt werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Turbinenlaufschaufel mit verbesserten Einrichtungen zur Steuerung und Ausrichtung des Kühlmittelstroms durch die Laufschaufel in
einer angemessenen und wirksamen Weise zu erhalten, ohne dabei
nachteilig die Festigkeit und strukturelle Integrität der Laufschaufel zu beeinflussen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorgenannten Aufgabenstellungen in einer Turbinenlaufschaufel zu verwirklichen, welche haltbar und zuverlässig im Betrieb und bezüglich
der Herstellung relativ einfach und kostengünstig ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine hohle Turbinenlaufschaufel einen Basisteil zur Befestigung der Laufschaufel an einem Turbinenrotor und einen geschlossenen Tragflügelteil,

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der als integraler Teil zusammen mit dem Basisteil ausgebildet ist. Der Tragflügelteil enthält eine integrale Unterteilung in den hohlen Innenraum, welcher das Innere in einen ersten Bereich benachbart dem Bereich der Sehnenmitte der konkaven Seitenwand des Profils und einen zweiten Bereich benachbart zu den Eintrittsund Austrittskanten und der konvexen Seitenwand des Profils unterteilt. Es sind Einlaßeinrichtungen zum Einlaß eines Kühlmittels, beispielsweise Luft, in den ersten Bereich und weiterhin Auslaßeinrichtungen zum Ausstoß des Kühlmittels aus dem zweiten Bereich vorgesehen. Die Unterteilung besitzt eine Vielzahl von Drosselöffnungen, durch welche das Kühlmittel vom ersten Bereich zum zweiten Bereich unter Beschleunigung übertreten kann. Dabei trifft das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit auf ausgewählte Wandoberflächen im zweiten Bereich zur Erzeugung hoher örtlicher Wärmeübergangskoeffizienten. Insbesondere werden diese Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit gegen die inneren Wandoberflächen an der Eintrittskante und längs der stromaufwärts und in der Sehnenmitte gelegenen Abschnitte der konvexen Seitenwand gerichtet, da diese Bereiche vom Standpunkt des Wärmeübergangs kritisch sind. Um niedrige Wärmespannungen aufrecht zu erhalten, enthalten die Drosselöffnungen in der Unterteilung oder Trennwand vorzugsweise eine Nut, die sich über die gesamte Länge des Profilteils an einer Stelle unmittelbar benachbart der Verbindungsstelle der Trennwand und der konkaven Seitenwand erstreckt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Auslaßeinrichtung eine Vielzahl von radial im Abstand angebrachten Durchlässen an der Austrittskante des Profilteils, und es sind in dem zweiten Bereich stromaufwärts von den Auslaßkanälen Einrichtungen zur Erzeugung einer Turbulenz vorgesehen zwecks Erzeugung hoher örtlicher Koeffizienten des Wärmeübergangs durch Konvektion in diesem zweiten Bereich. Um die Festigkeit und strukturelle Integrität der Laufschaufel aufrecht zu erhalten, umfaßt diese Einrichtung zur Erzeugung von Turbulenz vorzugsweise Stifte, welche als integraler Bestandteil mit dem übrigen Profilteil ausgebildet sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die verschiedenen Teile der Laufschaufel einschließlich der Abmessungen

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und Anordnung der Drosselöffnungen so proportioniert, daß eine ausreichende Kühlung aller Teile des Profils mit einem praktisch erreichbaren Mindestmaß an Kühlmittelstrom gewährleistet ist.

Ein besseres Verständnis des Aufbaus der Erfindung und weiterer Aufgaben und Merkmale ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerkes mit gekühlten Turbinenlaufschaufeln als Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 ist eine Abbildung einer Turbinenlaufschaufel nach Figur 1.

Figur 3 ist eine Ansicht der Turbinenlaufschaufel nach Figur im Längsschnitt.

Figur 4 ist eine Ansicht längs der Linie 4-4 der Figur 3 und zeigt einen quer durch die Turbinenlaufschaufel gelegten Schnitt.

Figur 1 zeigt die Hochtemperaturteile eines Gasturbinentriebwerkes 10 mit Axialströmung. Das Triebwerk besitzt dabei ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11, das die Hochtemperaturteile außen umgibt. Die dargestellte Struktur einer Gasturbine enthält einen ringförmigen Brennerraum, der allgemein durch die Bezugsziffer 12 angedeutet ist. Dieser Brennerraum 12 ist dabei zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und einer inneren Wand ausgebildet. Im Innern des Raumes und im Abstand zum Gehäuse und der Wand 13 ist eine Brennerauskleidung 14 angeordnet und die tatsächliche Verbrennung erfolgt im Innern dieser ringförmigen Brennerauskleidung 14. Die ringförmigen Räume 15 und 16 zwischen der Brennerauskleidung 14 und dem Gehäuse 11 und der Wand sind angefüllt mit vom Verdichter abgegebener Hochdruckluft. Diese Hochdruckluft ist sehr kühl relativ zu den Brenngasen hoher Tem-

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peratur im Innern der Brennerauskleidung lH und wird in gesteuerter Weise in das Innere der Brennerauskleidung I¹J eingelassen, um dort die Verbrennung zu unterhalten und eine Kühlung zu schaffen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese relativ kalte Luft auch zur Kühlung der Turbinenlaufschaufeln verwendet, welche den Verbrennungsprodukten hoher temperatur ausgesetzt sind.

Figur 1 zeigt weiterhin eine ringförmige Düsenöffnung 20, welche am stromabwärts gelegenen Ende der Brennerauskleidung Ii angeordnet ist, um die heißen Verbrennungsprodukte einer Reihe von Turbinenlaufschaufeln 21 mit der richtigen Geschwindigkeit und unter dem richtigen Winkel zuzuführen. Von dort aus werden die Verbrennungsgase durch eine ringförmige Düsenöffnung 22 zu einer Reihe · von Turbinenlaufschaufeln 23 umgelenkt. Die Turbinenlaufschaufeln 21 sind am Umkreis einer Turbinenscheibe 24 befestigt und diese ist zusammen mit ihrer zugeordneten Welle 25 und einem zweiten Turbinenläufer 26 mit darauf befestigten Laufschaufeln 23 durch geeignete Lagerungseinrichtungen einschließlich einer Lageranordnung 28 drehbar um die Triebwerksachse 27 gelagert. Die Turbineneinheit besteht aus den Scheiben 2k und 26 und der Welle 25 und treibt den nicht gezeigten Verdichter des Triebwerks 10 an. Es ist zu beachten, daß der gesamte Strom der Verbrennungsprodukte die ringförmigen Düsenöffnungen 20 und 22 und die Reihen von Turbinenlaufschaufeln 21 und 23 durchsetzt. Wenn das Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Wirkungsgrad und mit Leistungswerten arbeiten soll, wie sie bei modernen Gasturbinentriebwerken erwünscht sind, dann müssen die Verbrennungsprodukte aus der Brennerauskleidung 14 mit Temperaturen austreten, die höher sind als die Temperaturen, denen die aus gegenwärtig verfügbaren Materialien hergestellten LeitscJiaufeln ohne Kühlung widerstehen können. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den erwünschten Wirkungsgrad dadurch, daß für die Turbinenlaufschaufeln eine ausreichende Kühlung in besonders wirksamer Weise geschaffen wird.

In den Figuren 2 - k ist eine der Turbinenlaufschaufeln 21 im einzelnen dargestellt, wobei der Aufbau der Turbinenlaufschaufeln 23 im wesentlichen gleichartig ist. Um ein hohes Maß von strukturel-

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ler Integrität und hoher Festigkeit beizubehalten, ist die Laufschaufel 21 ein einstückiges Gußteil oder ein Teil mit ähnlichem konstruktiven Aufbau: Insbesondere enthält die Laufschaufel 21 einen Basisteil 30 mit Ausgestaltung als Schwalbenschwanz oder Tannenbaum zur paßgerechten Einfügung in eine geeignete Nut 32 am Umfang der Turbinenscheibe 24- Weiterhin enthält sie einen tragflügeiförmig gestalteten Teil oder Profilteil 34, der integral mit dem Basisteil 30 ausgebildet ist und sich von dort aus relativ zum Turbinenläufer 24 in radialer Richtung erstreckt. Der Profilteil 34 ist im wesentlichen hohl und besitzt eine konvexe Seitenwand 35 bzw. eine konkave Seitenwand 36, welche stromaufwärts bzw. stromabwärts mit axialem Abstand angebrachte Eintrittskanten 38 bzw. Austrittskanten 39 miteinander verbinden. Wie am besten aus Figur 4 ersichtlich, ist die aerodynamische Form des Tragflügelteils 34 an der Eintrittskante 38 abgerundet und relativ stumpf, und der Austrittskantenbereich ist verjüngt und recht dünn ausgestaltet. Um diese kritischen Bereiche der Eintrittskante und der Austrittskante und auch den Bereich in der Sehnenmitte gemäß der vorliegenden Erfindung zu kühlen, ist jeder Profilteil 34 mit Wärmeaustauschkanälen ausgebildet. Zur Bildung dieser Kanäle ist der hohle Innenraum des Profilteils 34 der Laufschaufel 21 durch eine Trennwand 40 unterteilt. Diese erstreckt sich über die gesamte Längenausdehnung des Profilteils J>k und bildet einen ersten Wärmeaustauscherbereich 42, der nur benachbart ist zum Sehnenmittenbereich der konkaven Seitenwand 36, und einen zweiten Wärmeaustauscherbereich 44, welcher benachbart ist zur Eintrittskante 38» der konvexen Seitenwand 35 und der Austrittskante 39· Die zwei Bereiche 42 und 44 sind untereinander verbunden durch eine Vielzahl von. öffnungen 45 und 55 in der Trennwand 40, wobei die Öffnungen 45 und 55 kleine Strömun^squerschnitte besitzen. Es sind Einlaßkanäle 46 in Strömungsmittelverbindung mit dem ersten Bereich 42 im Basisteil 30 vorgesehen, um den Eintritt von Kühlluft oder von einem anderen geeigneten Kühlmittel in den Profilteil 34 zu gestatten. Weiterhin sind in der Austrittskante 39 Kanäle 48 mit axialem Verlauf und radialem Abstand vorgesehen, um den Austritt der verbrauchten Kühlluft aus dem zweiten Bereich 44 der Turbinenlaufschaufel 21 zu ermöglichen.

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Im Austrittskantenbereich des Profilteils 34 sind zwischen den öffnungen 45 und 55 und den Auslaßkanälen 48 im zweiten Bereich eine große Zahl von Stiften 50 angeordnet, um eine Turbulenz und weiterhin eine ausgedehnte Wärmeübergangsfläche zu schaffen. Dabei verlaufen die Stifte 50 quer über den zweiten Bereich 44 zwischen der Trennwand 40 und der konvexen Seitenwand 35· Zur Aufrechterhaltung einer hohen Festigkeit und eines hohen Maßes der strukturellen Integrität sind außerdem die Trennwand 40 und die Stifte 50 integral mit dem übrigen Teil der Turbinenlaufschaufel 21 ausgebildet.

Beim Betrieb wird relativ kalte Hochdruckluft vom Verbrennungsraum l6 über die innere Wand 13 abgezogen und dem Basisteil 30 der Turbinenlaufschaufel 21 gemäß der Darstellung durch die Pfeile der Figur 1 zugeführt. Die Luft strömt dann durch die Einlaßkanäle 46 im Basisteil 30 nach außen zu dem ersten Bereich 42. Dort kühlt die strömende Luft den Sehnenmittenbereich der konkaven Seitenwand 36 durch Konvektion, wobei dieser Teil des Profilteils 34 vom Standpunkt des Wärmeübergangs nicht so kritisch ist wie die anderen Bereiche, da die äußeren WärmeUbergangskoeffizienten an der konkaven Wand 36 den geringsten Wert besitzen. Demgemäß kann die konkave Wand 36 in ausreichender Weise mit praktisch laminarer Strömung der Kühlluft im Innern des ersten Bereiches gekühlt werden. Vom ersten Bereich 42 aus strömt die Kühlluft durch die kleinen öffnungen 45 und 55 in den zweiten Bereich 44, in dem diese Luft dann zur Konvektionskühlung der Eintrittskante 38, der konvexen Seitenwand 35 und der Austrittskante 39 verwendet wird. Diese letzteren Teile der Laufschaufel 21 sind äußerst kritisch, vom Standpunkt des Wärmeübergangs, da auf ihren äußeren Oberflächen hohe Übergangskoeffizienten vorhanden sind. Um diese Teile mit der gleichen Luft zu kühlen, welche zur Kühlung der konkaven Seitenwand 36 verwendet wurde (die Luft ist jetzt wärmer als während der Kühlung der Seitenwand 36), ist es erforderlich, daß auf den inneren Wandoberflächen äußerst hohe Wärmeübergangskoeffizienten für die Konvektion vorhanden sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen die öffnungen 45 und 55 solche hohen Wärmeübergangskoeffizienten durch

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eine Beschleunigung der Kühlluft und dadurch, daß sie diese in Form einer großen Zahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit gegen die Innenwandflächen an der Eintrittskante 38 und den stromaufwärts und in der Nähe der Sehnenmitte gelegenen Teil .der konvexen Wand 35 richten. Daher werden diese Oberflächen nicht durch einen laminaren Kühlluftstrom gekühlt, sondern durch einen äußerst turbulenten Kühlluftstrom. In gleicher Weise erzeugen die Stifte 50 in dem Austrifctskantenabschnitt des zweiten Bereiches 44 eine Turbulenz und entsprechend hohe Wärmeübergangskoeffizxenten in der Kühlluft während ihrer Strömung durch die Auslaßkanäle 48 in der Austrittskante 39· Weiterhin ergeben die Stifte 50 eine ausgedehnte Wärmeübergangsfläche, an der die hohen Wärmeübergangskoeffizienten wirksam werden können.

Zu einer ausreichenden Kühlung der Laufschaufel 21 ist erwünscht, daß alle äußeren Teile des Profilteils 34 auf praktisch die gleiche Temperatur gekühlt werden, so daß Wärmespannungen auf ein Mindestmaß gebracht werden. Demgemäß ist es erforderlich, daß die Größe des Wärmeübergangs an einigen Teilen des Profilteils höher ist als an anderen Teilen. Obwohl beispielsweise die Eintrittskante 38 und der Sehnenmittenabschnitt der konvexen Wand 35 durch die dort aufprallende Kühlluft gekühlt werden, ist es erwünscht, daß an der Eintrittskante 38 eine größere Wärmeübergangsgeschwindigkeit besteht, da dieser Bereich der kritischste Bereich des gesamten Profilteils 34 ist. Dies kann gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht werden, daß die öffnungen 45 und 55 so angeordnet und bemessen werden, daß an und in der Nähe der Eintrittskante 38 eine größere Di_chte der Strahlen vorhanden ist als an dem Sehnenmittenabschnitt. In ähnlicher Weise kann die Temperatur der Austrittskante 39 relativ zum übrigen Teil des Profilteils 34 beherrscht werden durch Einstellung der Zahl und der Oberfläche der Stifte 50. Mit anderen Worten ist es für eine ausreichende und wirksame Ausnutzung der Kühlluft erforderlich, daß die Einlaßkanäle 46, die Trennwand 40 und damit die Bereiche 42 und 4ή, die öffnungen 45 und 55, die Stifte 50 und die Auslaßkanäle Ί8 so proportioniert werden, daß man einen ausreichenden aber nicht übermäßig großen Kühlmittelstrom durch alle Teile der

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Turbinenlaufschaufel 21 erhält. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß, wie bereits vorstehend bemerkt, die Anzahl und die Strömungsquerschnitte der verschiedenen Öffnungen, die Strömungsquerschnitte der inneren Wärmeübergangsbereiche und selbstverständlich die Druckdifferenz zwischen den inneren Bereichen des Profilteils 3¹» und dem statischen Druck der zur Turbinenlaufschaufel 21 zugeführten Kühlluft eingestellt werden. Zusammenfassend ist hierzu festzustellen, daß die Kühlanforderungen der verschiedenen Profilteilabschnitte die genauen relativen Proportionen vorgeben. Durch Vornahme kleiner Änderungen in den relativen Proportionen der einzelnen Abschnitte, aus denen sich die Turbinenlaufschaufeln 21 gemäß der Erfindung zusammensetzen, ist der Turbinenkonstrukteur in der Lage, einen sehr weiten Bereich von Kühlanforderungen zu erfüllen.

Es wurde bereits vorstehend darauf hingewiesen, daß die Öffnungen 45 und 55 so angeordnet und bemessen sind, daß sie die Kühlmittelstrahlen mit hoher Geschwindigkeit gegen die inneren Oberflächen des Profilteils 34 richten. Um dies zu erreichen, sind die öffnungen *»5 kleine Bohrungen in der Trennwand 40 und die Öffnung 55 an der Verbindungsstelle der Trennwand 40 und der konkaven Seitenwand 36 ist vorzugsweise eine schmale Nut, die sich über die gesamte Längenausdehnung des Profilteils 34 erstreckt. Diese Nut 55 trennt oder entkoppelt mechanisch die Trennwand 40, welche recht kühl ist, da sie vollständig von Kühlmittel umgeben ist, von der auf höherer Temperatur befindlichen konkaven Seitenwand 36. Das Ergebnis hiervon sind bedeutend geringere Wärmespannungen als sie bei einer mechanischen Kopplung der Trennwand 40 mit der äußeren Seitenwand 36 vorhanden wären: Obwohl die Nut 55 zur Spannungsbehebung vorgesehen ist, ist noch zu beachten, daß trotzdem die Trennwand zwecks einer guten Gesamtfestigkeit und strukturellen Integrität integral zusammen mit dem Basisteil 30 und der konvexen Seitenwand 35 ausgebildet ist.

Die vorstehend erörterte Turbinenlaufschaufel 21 besitzt einen solchen integralen Aufbau, daß hohe Festigkeit und strukturelle Integrität gewährleistet sind. Insbesondere kann diese Laufschau-

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fei 21 leicht aus irgendeiner geeigneten Kochtemperaturlegierung gegossen werden, wobei die Auslaßkanäle *i8 eine Möglichkeit zur Halterung geeigneter Kerne zur Ausbildung der ersten und zweiten Bereiche k2 bzw. M und der Stifte 50 während des Gießvorgangs ergeben. Die Einlaßkanäle 46 und die öffnungen ^5 und 55 in der Trennwand können dann gebohrt oder auf andere Weise mit konventionellen Verfahren ausgebildet werden und der Kopf der Laufschaufel 21 kann durch eine Abdeckkappe bei 60 in Figur 2 verschlossen werden, beispielsweise durch ein geeignetes Schweißverfahren, um die integrale Laufschaufel 21 zu vervollständigen. Der Fachmann wird leicht erkennen, daß die Laufschaufel 21 daher mit konventionellen Methoden und relativ geringen Kosten hergestellt werden kann. Andere geeignete Methoden zur Ausbildung der integralen Laufschaufel 21 sind selbstverständlich möglich. Beispielsweise kann die Laufschaufel in einer Anzahl von Abschnitten gegossen werden, welche dann durch Diffusionsverbindung zu einer integralen Struktur mit hoher Festigkeit verbunden werden können. Wegen der während des Triebwerksbetriebes in der Laufschaufel 21 vorhandenen sehr starken mechanischen Belastungen sollte jedoch die Laufschaufel 21 nicht in starkem Maße aus Einzelteilen zusammengefügt werden, da die Herstellung von Verbindungsstellen mit hoher Festigkeit mit Hilfe von konventionellen Verfahren schwierig ist.

Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß erfindungsgemäß eine gekühlte Turbinenlaufschaufel geschaffen wurde, bei der eine hohe Festigkeit und strukturelle Integrität beibehalten wurden und bei der praktisch die Mindestmenge des Kühlmittels verwendet wird, welche noch eine ausreichende Kühlung der Laufschaufel ergibt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht beschränkt auf bestimmte Einzelheiten der Konstruktion und die Anordnung der vorstehend beschriebenen bestimmten Ausführungsform.

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Claims

Patentansprüche

Turbinenlaufschaufel hoher Festigkeit für eine Turbine mit axialer Strömung, gekennzeichnet durch foleende Merkmale:

einen Basisteil (30) zur Befestigung der Laufschaufel (21) an einen Turbinenläufer (2M),

einen verschlossenen Profilteil (34), der integral mit dem Basisteil (30) ausgebildet ist und von diesem aus in radialer Ricntung herausragt, wobei der Profilteil (34) konvexe und konkave Seitenwände (35, 36) enthält, die axial mit Abstand stromaufwärts bzw. stromabwärts angeordnete Eintrittskanten bzw. Austrittskanten (38 bzw. 39) miteinander verbinden, eine integral mit der konvexen und konkaven Seitenwand ausgebildete Trennwand (40) zur Unterteilung des Inrienraums des Profilteils (34) in einen ersten und zweiten in radialer Richtung verlaufenden Wärmeübergangsbereich (42, 44), wobei der erste Bereich (42) lediglich benachbart zum Sehnenmittenabschnitt einer der Seitenwände (36) ist und der zweite Bereich (44) benachbart zu der Eintrittskante (38) und der Austrittskante (39) und dem gesamten Sehnenabschnitt der anderen Seitenwand (35) ist,

in dem Basisteil (30) Einlaßeinri'chtungen (46) zum Einlaß von Kühlmittel in den ersten Bereich (42) vorgesehen sind, eine Vielzahl von Drosselöffnungen (45, 55) in der Trennwand (40) zur Beschleunigung des Kühlmittels vorhanden sind, durch welche dieses als eine Vielzahl von Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit vom ersten Bereich (42) zum zweiten Bereich (44) gerichtet werden kann und das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit auf ausgewählte Oberflächen im Innern des zweiten Bereiches (44) so auftrifft, daß dort hohe örtliche Koeffizienten des Wärmeübergangs durch Konvektion erzeugbar sind,

sowie Auslaßeinrichtungen (48) zum Auslaß des Kühlmittels aus dem zweiten Bereich (44).

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2. Turbinenlaufschaufel mit hoher Festigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (42) benachbart zur konkaven Seitenwand (36) ist und der zweite Bereich (44) benachbart zur konvexen Seitenwand (35) ist und der zweite Bereich (44) dadurch benachbart zu den Teilen der Turbinenlaufschaufel mit besonders kritischer Temperatur angeordnet ist.
3. Turbinenlaufschaufel hoher Festigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung eine Vielzahl von in radialem Abstand angebrachten Kanälen (48) an der Austrittskante (39) des Profilteils (34) umfaßt.
Ü. Turbinenlaufschaufel hoher Festigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselöffnungen (45) in der Trennwand (40) zur Erzeugung von Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit gegen die inneren Wandoberflächen der Eintrittskante (38) und den stromaufwärts gelegenen und den Sehnenmittenabschnitt der konvexen Seitenwand (35) angeordnet sind.
5· Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselöffnungen (45) auch noch eine Nut (55) enthalten, welche sich für die ■Längsausdehnung des Profilteils (34) unmittelbar benachbart zur Verbindungsstelle der Trennwand.(40) und der konkaven Seitenwand (36) erstreckt.
6. Turbinenlaufschaufel nach An_spruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslaßeinrichtung eine Vielzahl mit radialem Abstand angebrachter Kanäle (48) an der Austrittskante (39) des Profilteils (34) umfaßt.
7. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 6_} dadurch gekennzeichnet , daß sie weiterhin in dem Austrittskantenteil (39) des zweiten Bereiches (44) Einrichtungen (50)

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zur Erzeugung einer Turbulenz und hoher örtlicher Wärmeübergangskoeffizienten durch Konvektion im Innern dieses Austrittskantenabschnittes enthält, wobei diese Einrichtungen zur Erzeugung einer Turbulenz als integraler Teil des übrigen Profilteils (3*0 ausgebildet sind.
8. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Turbulenzerzeugung Stifte (50) umfassen, welche sich zwischen der Trennwand (40) und der konvexen Seitenwand (35) erstrecken und eine vergrößerte Wärmeübergangsfläche in dem Austrittskantenabschnitt ergeben.
9. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselöffnungen (45) zu einer ausreichenden Kühlung der Eintrittskante (38) und des stromaufwärts gelegenen und Sehnenmittenbereiches der konvexen Seitenwand (35) mit einem Mindestmaß an Kühlmittelstrom angeordnet und bemessen sind.
10. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Einlaßeinrichtungen (46), die Trennwand (40), die Drosselöffnungen (45), die Stifte (50) und die Austrittskantenkanäle (48) so bemessen sind, daß eine ausreichende Kühlung aller Teile des Profilteils (34) mit der praktisch möglichen Mindestmenge von Kühlmittelstrom gewährleistet ist.
11. Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselöffnungen (45) eine Nut (55) beinhalten, welche sich über die gesamte Länge des Profilteils (34) benachbart zur Verbindung der Trennwand (40) und der konkaven Seitenwand (36) erstreckt.

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