DE2320581A1

DE2320581A1 - Luftgekuehlte turbinenschaufel

Info

Publication number: DE2320581A1
Application number: DE2320581A
Authority: DE
Inventors: Thomas Alvin Auxier
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-04-24
Filing date: 1973-04-24
Publication date: 1975-05-28
Also published as: GB1388260A; US3891348A; DE2320581C2; FR2331251A5

Description

Dipl.-fng. Egon Prihx-^

Dr. Gertrud Hauser_o,_.· - ^^Z....» ⁸?⁰⁰·^^?·".,^. 24.April 1973 Dipl.-lng. Gottfried leisei>

Patentanwälte ο ο Ο Π C Λ ·1

Telegramme: Labyrinth München Telefon t 83 IS10 Telex: 5 212 226 prhl d Postsdiecikonio: MEcdien 117078 Bank; Deutsche BanV-, AUndien, 66/05000

Unser Zeichen; G 1351
general Electric Company
Schenectady, N.Y./V.St.A.

Luftgekühlte Turbinenschaufel

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln für Turbinenmaschinen und insbesondere auf luftgekühlte Schaufeln für diese Maschinen.

In Turbinenmaschinen wird eine Strömung eines unter Druck stehenden Arbeitsmittels auf eine Anzahl von Turbinenschaufeln gerichtet, die an drehbaren Scheiben montiert sind, um ein Moment auszuüben, wodurch die kinetische Energie, des StrömungsmittelstDomes in ein Drehmoment umgewandelt wird. In einer großen Anzahl von Anwendungen von Turbinenmaschinen und insbesondere bei Turbinenstrahltriebwerken ist das Arbeitsmittel auf extrem hohe Temperaturen erhitzt und die Strömung erfolgt mit extrem hohen Geschwindigkeiten. Daraus hat sich das Erfordernis ergeben,Wege zu finden, die es ermöglichen, die Wirkungsweise oder Leistungsfähigkeit und die Betriebssicherheit der Turbinenschaufeln aufrecht zu erhalten, die

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Biner derartigen Arbeitsumgebung ausgesetzt;sind.

Verbesserungen von Metallegierungen sind frühere Lösungen für die gleichzeitig auftretenden Probleme der mechanischen Festigkeit und der Wärmebeständigkeit von Turbinenschaufeln. Ein zunehmender Leistungsbedarf und ein Bedarf an immer größer werdender abgegebener Leistung erfordert Änderungen in der Schaufelgestaltung und zwar zusätzlich zu den Verbesserungen in der Materialzusammensetzung.Viele dieser Gestaltungsabwandlungen bestehen darin, Einrichtungen zu schaffen, mit denen " ■ Kühlmittel zu Abschnitten oder durch Abschnitte von Schaufeln geführt wird, wobei diese Schaufelabechnitte einer besonderen Erhitzung ausgesetzt sind und wobei ferner der Aufbau der Turbinenschaufeln in den Bereichen verstärkt wird, in denen besondere mechanische Spannungen auftreten.

Eine Bauart von Schaufeln, die sich aus der Berücksichtigung dieser Kriterien ergibt, weist eine Anzahl von radial sich erstreckenden Hohlräumen auf, die in Serie im Abstand voneinander zwischen der Vorderkante und der Hinterkante der Schaufeln angeordnet sind. Diese Hohlräume haben die Wirkungsweise, eine Strömung eines fluiden Kühlmittels durch das Innere der Turbinenschaufeln hindurchzuleiten, um die entsprechenden Abschnitte dieser Schaufeln zu kühlne. Querrippen, die sich zwischen benachbarten Hohlräumen erstrecken, dienen dazu, die Festigkeit der Schaufeln in Richtung der Spannungsbelastungen zu verstärken, denen die Schaufeln ausgesetzt sind. Bei Schaufeln dieser Bauart ist es üblich, KUhllufteinlässe für die Hohlräume vorzusehen, die sich durch die Basis oder die Spitze einer jeden Schaufel, erstrecken und die zu Kanälen in der Scheibe führen, an denen die

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Schaufeln montiert sind oder zu einer Kammer oder zu einem Raum, der die Scheibe umgibt. Die Kühlmittelströmung gelangt von diesen Einlassen durch die Hohlräume hindurch und wird gegebenenfalls aus diesen Hohlräumen über Auslässe in die Umgebung der Auslässe abgegeben und wird zusammen mit dem Arbeitsmittel ausgestossen.

In modernen Hochleistungsturbomaschinen wird der Gesamtbetriebswirkungsgrad beeinträchtigt, wenn die Turbinenschaufeln durch eine unwirksame oder unrationelle Zuführung von großen Kühlluftmengen zu den einzelnen Schaufeln gekühlt werden, da die Arbeit, die erforderlich ist, um die Kühlluft zur Verfügung zu stellen, eine entsprechende Ausgangsleistung verbraucht, die vom Triebwerk zur Verfügung gestellt wird. Demzufolge sind. Schaufeln, bei denen minimale Mengen an fluidem Kühlungsmittel erforderlich sind, wünschenswert. Dadurch nimmt die höchste Kühlungsausnutzung des fluiden Kühlmittels fortschreitend an Bedeutung zu, welches durch jede Schaufel hindurchgeführt wird.

Es wurden Abänderungen des Strömungsweges des fluiden Kühlmittels durch die Schaufeln vorgeschlagen, wodurch ein erhöhter Teil der zur Verfügung stehenden Kühlleistung des fluiden Kühlmittels ausgenutzt wird. Bei einer üblichen Ausführungsform wird eine gegebene Kühlmittelströmung in einer serpentinenförmigen Bahn fortlaufend durch eine Anzahl von benachbarten Hohlräumen hindurchgeleitet, ehe dieses Kühlmittel ausgestossen wird. Es wurde früher bereits vorgeschlagen, eine Strömung eines fluiden Kühlmittels in einer serpentinenförmigen Bahn von einem an der Hinterkante liegenden Hohlraum in einen oder mehreren der Reihe nach angeordneten benachbarte. Hohlräume zu führen, ehe dieses fluide Kühlmittel aus Öffnungen ausgestossen wird, die in der Nähe der Blattschaufel, dem Blattspitzenende und/

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oder der Hinterkante liegen. Obwohl die serpentinenartige Strömungsbahn des fluiden Kühlmittels die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlleistung erhöht,' verhindert die Abgabe des verwendeten fluiden Kühlmittels aus der Schaufelspitze, der Schaufelbasis oder der Hinterkante der Schaufel eine weitere mögliche Verwendung des fluiden Kühlmittels, nämlich eine Ausnützung des Film-oder Schichtkühlungspotentials des fluiden Kühlmittels. Dieses Film-oder Schichtkühlungspotential wurde bisher bei der Kühlmittelströmung ausgenutzt, die in die Hohlräume an der Schaufelvorderkante eingeführt wurde. Das Film -oder Schichtkühlungspotential, das in der Kühlmittelströmung, die der Hinterkante der Schaufel zugeführt wird,verbleibt, wenn diese Strömung durch die serpentinenförmige Strömungsbahn hindurchgegangen ist ,-wurde jedoch bisher nicht in Betracht gezogen.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine luftgekühlte Turbinenschaufel zu schaffen, die eine Anzahl von inneren Hohlräumen aufweist, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, die es ermöglichen, das Kühlungspotential einer Kühlluftströmung zu verwenden und zwar anschliessend an die Verwendung dieser Luft zur Kühlung der Schaufeloberflächen, die die inneren Hohlräume begrenzen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, diese erhöhte Ausnützung des Kühlungspotentials durchzuführen, und zwar dadurch, daß die Kühlluftströmung von einem inneren Hohlraum in Form eines Kühlmittelfilmes auf die äußere Schaufeloberfläche geleitet wird.

.Ein spezielles Ziel der Erfindung ist es, die Leitung der .Kühlmittelluft in Form eines Filmes auf die äußere Schaufeloberfläche durchzuführen, nachdem die Luft eine serpentinenförmige Strömungsbahn durch nebeneinander angeordnete benachbarte innere Hohlräume durchströmt hat,

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wobei diese Hohlraumanordnung von dem Hohlraum an der hinteren Kante ausgeht.

Durch die Erfindung wird eine vollständigere Ausnützung der Kühlleistung der fluiden Kühlmittelmenge erzielt, die den Schaufelhinterkantenhohlräumen zugeführt wird, und zwar dadurch, daß ein spezieller Teil des fluiden Kühlmittels, der sonst in den Gasstrom abgegeben würde, in Form eines Filmes oder einer dünnen Schicht auf die äußere Oberfläche der Schaufel abgegeben wird. Um dieses durchzuführen, wird erfindungsgemäß eine Anzahl von Auslaßöffnungen vorgesehen, die die äußere Schaufeloberfläche mit dem Inneren eines speziellen Schaufelhohlraumes verbinden. Dieser Hohlraum ist derjenige, in den die Kühlmittelströmung gelangt, nachdem sie eine vorbestimmte Strömungsbahn durch die Schaufel hindurch durchflossen hat. Die Öffnungen sind in einer entsprechenden Weise angeordnet, um einen Kühlmittelfilm oder eine dünne Kühlmittelschicht auf der äußeren Oberfläche der Schaufeln zu erzeugen.Der ausgebildete Kühlmittelfilm oder die ausgebildete Kühlmittelschicht dient zur Abführung von Wärme von dieser Oberfläche durch Konvektion und dient ferner zur Ausbildung einer Sperrschicht, die ein direktes Aufschlagen des heißen Arbeitsmittels auf die Schaufel verhindert. Daraus folgt, daß die äußere Schaufeloberflächentemperatur auf einem tieferen Wert verbleibt, so daß weniger Kühlluft erforderlich ist.

Dadurch wird aber der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks erhöht.

Die Erfindung betrifft somit eine luftgekühlte Turbinenschaufel, die eine Anzahl aufeinanderfolgend und im Abstand voneinander angeordnete Hohlräume aufweist, wobei Kühlluft-

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einlasse an der Basis der Schaufeln vorgesehen sind. Einer dieser Kühllufteinlässe leitet eine Kühlmittelströmung in einen Hohlraum, der unmittelbar an der Hinterkante der Schaufeln angeordnet ist, um die Schaufelpberflachen zu kühlen, die diesen Hohlraum begrenzen. Von diesem Hohlraum aus gelangt die Strömung in einer serpentinenformigen Bahn in einen zweiten Hohlraum, der von der Hinterkante entfernt ist, um die Oberflächen, die diesen Hohlraum begrenzen, zu kühlen. Die Kühlmittelströmung wird dann in Form eines Filmes oder einer dünnen Schicht von dem zweitenHohlraum aus auf die äußere Oberfläche der Schaufel geleitet, um diese zu kühlen.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig.1 eine Schnittansicht eines üblichen Strahltriebswerkes, wobei die wesentlichen Teile dieses Strahltriebwerkes dargestellt sind,

Fig.2 eine Teilschnittansicht des in Fig.1 dargestellten Strahltriebwerkes, wobei die Turbine im Detail gezeigt ist,

Fig.3 einen Schnitt genommen längs der Linie 3-3 der Fig.2,

Fig.4 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln und

Fig.5 eine schematische Dartellung des Strömuhgsweges der Kühlluft in der in Fig.2 dargestellten Turbinenschaufel.

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Das in Fig.1 dargestellte Strahltriebwerk weist die für ein derartiges Triebwerk typischen Grundbauteile auf. Ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse umgibt einen Kompressor 10, Brennkammern 11 und eine Turbine 12, die alle um eine drehbare Welle 13 herum angeordnet sind. Wie bekannt, tritt atmosphärische Luft in das Triebwerk von links ein und wird verdichtet und erhitzt und nach rechts ausgestossen, um einen nutzbaren Schub zu erzeugen. Insbesondere wird Luft, die von links eintritt vom Kompressor 10 in Zusammenarbeit mit der Form des vorderen Endes der Welle 13 verdichtet und wird.zum Teil in die Brennkammern 11 geführt. Wärmeenergie wird der Luft innerhalb der Brennkammern zugeführt und zwar durch dieVerbrennung eines entsprechenden Brennstoffs, der diesen Brennkammern ebenfalls zugeführt wird. Ein Arbeitsmittel, welches aus einer Kombination von Luft und verbranntem Brennstoff besteht, tritt am rechten Ende der Brennkammern aus und trifft auf eine Anzahl von Turbinenschaufeln 14 auf, die von einer Anzahl von benachbarten Scheiben getragen werden und die Turbine 12 bilden. Die Beaufschlagung der Turbinenschaufeln 14 durch das Arbeitsmittel bewirkt, daß die Turbine gedreht wird. Diese Drehung wird auf die Welle 13 übertragen. Durch die Drehung der Welle 13 wird eine Antriebskraft zum Betrieb des Kompressors 10 am vorderen Ende des Triebwerks übertragen.

Die Turbinenschaufeln 14 müssen außerordentlich fest und wärmebeständig sein, um den Kräften und der Wärme zu widerstehen, die von den auftreffenden Arbeitsmitteln ausgehen. Das erfindungsgemäße Kühlsystem, durch das die Schaufeln gegen eine Überhitzung geschützt werden, ist in den Figuren bis 5 dargestellt und arbeitet unter Benutzung eines Teils der Luft, die vom Kompressor 10 verdichtet wird, die jedoch nicht den Brennkammern 11" zugeführt wird.

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Fig.2 zeigt eine typische Turbinenschaufel 14 und deren Zusammenwirkung mit. der Welle 13, und es sind ferner Teile des noch zu beschreibenden Kühlmittelsystems gezeigt. Die Schaufel 14 weist einen Schaufelmantel .16 in der Farbe eines Tragflächenprofils auf. Weiterhin ist eine Platte 18 vorgesehen, die mit der Scheibe 19 zusammenwirkt, von der die Schaufeln getragen werden. Der Schaufelmantel 16 weist eine äußere Oberfläche 17 auf und eine Anzahl von inneren Hohlräumen, die noch näher beschrieben werden sollen. An der Schaufelspitze (das Schaufelende, das der Platte oder Wurzel gegenüberliegt) ist ein Verschluß 20 vorgesehen, der die inneren Hohlräume der Schaufel von der Umgebungsatmosphäre abtrennt. Dieser Verschluß kann integral mit dem Schaufelmantel 16 ausgebildet sein oder als getrennter Bauteil an ■ diesem befestigt sein.

Der Schaufelmantel 16 weist ferner eine Vorderkante 26 und eine Hinterkante 28 auf.

Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform ermöglicht eine Öffnung 22 in der Welle 13 den Durchgang von Kühlluft, die von einem Kühlluftexpander 24 kommt, der mit einer nicht dargestellten Kammer zusammenarbeitet, um Kühlluft der Schaufel zuzuführen. Es sei bemerkt, daß die Erfindung auch bei Schaufeln verwendet werden kann, die so gestaltet sind, daß sie durch die Zuführung von Luft gekühlt werden, wobei die Zuführung durch Einlasse erfolgt, die in der Nähe der Spitze der Schaufel angeordnet sind, anstatt in der Hahe der PM;te oder der Wurzel, wobei diese Schaufeln aber auch durch innere Turbinenleitungen gekühlt werden können, so daß die Verwendung eines Kühlluftexpanders nicht erforderlich ist. Das dargestellte Ausführungsbeispiel dient nur zur Erläuterung der Erfindung und es sei bemerkt, daß dieses Ausführungsbeispiel

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nicht die einzige Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist.

Die Schnittansichten der Schaufeln 14 sind in den Fig.3 und dargestellt. Der Strömungsweg ist schematisch in Fig.5 dargestellt und diese Figuren zeigen einen Schaufelaufbau, bei dem die Kühlluft, die der Schaufelplatte 18 oder der Schaufelwurzel zugeführt wird, wie oben beschrieben, verwendet wird.

Die Figuren 3 und 4 zeigen, daß die dargestellte Ausführungsform der Turbinenschaufel einen ersten, zweiten und dritten Hohlraum 30, 32 und 34 aufweist, die der Reihe nach nebeneinander zwischen der Vorderkante 26 und der Hinterkante 28 des Schaufelmantels 16 angeordnet sind. Die Hohlräume werden innerhalb des Mantels durch innere Manteloberflächen 31,

33 und 35 begrenzt. Die drei Hohlräume haben eine Form und eine Größe, die dadurch bestimmt sind, daß sie eine optimale Kühlmittelwirkung und eine optimale mechanische Schaufelfestigkeit ergeben. Der Hohlraum 30 ist neben der Hinterkante 28 der Schaufel angeordnet, während der Hohlraum 32 im Abstand von der Hinterkante 28 angeordnet ist. Der Hohlraum 34 ist neben der .Vorderkante der Schaufel ausgebildet.

Einsätze 36 und 38 sind innerhalb der Hohlräume 32 und

34 angeordnet und weisen eine Anzahl von Öffnungen 37 und 39 auf, die dazu dienen, die Kühlluft in eine Strömung aufzuteilen, die auf die inneren Oberflächen eines jeden Hohlraums auftrifft. Die innereOberfläche 31 des Hohlraumes 30 v/eist eine Anzahl von Vorsprüngen 31a auf, die so angeordnet sind, daß sie zur Erzeugung eines minimalen Druckabfalls die Turbulenz der Strömung verstärken. Wie bekannt haben die aufschlagenden Ströme in den Hohlräumen 32 und 34 und die turbulente Strömung im Hohlraum 30 bessere Kühlwirkungen als die Ströme, die innerhalb der Hohlräume auftreten wurden,

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wenn diese die beschriebenen Einrichtungen nicht hätten.

Die erfindungsgemäße Schaufel 14 weist zwei Einlasse 40 und 42 zum Eintritt des fluiden Kühlmittels aus der Öffnung 22 (Fig.2) auf. Es sei bemerkt, daß die beiden Einlasse 40 und 42 für die Hohlräume 30 und 34 vorgesehen sind. Einrichtungen zur Leitung des fluiden Kühlmittels in den Hohlraum 32 umfassen einen Kanal 44 zwischen den Hohlräumen 32 und 30, der dicht neben der Spitze der Schaufel 14 und vom Einlaß 40 entfernt angeordnet ist. Die beiden Hohlräume 30 und 32 und der Kanal 44 bilden eine serpentinenförmige Strömungsbahn für das fluide Kühlmittel, das in den Einlaß 40 eintritt.

Die Anordnung von Auslaßen für das fluide Kühlmittel, die zusammen mit dem im vorstehenden beschriebenen Schaufelaufbau dafür sorgen, daß die Ausnutzung dee fluiden Kühlmittels optimal wird, bildet das Ziel der vorliegenden Erfindung. Wie bekannt, wird ein geringer Teil des fluiden Kühlmittels, der durch den Hinterkanteneinlaß 40 eingeführt .wird, durch eine Anzahl von Austrittsöffnungen 46 abgegeben, die an der Hinterkante 28 des Schaufelmantels 16 vorgesehen sind. Wie ebenfalls bekannt, wird ein Teil der Luft, der in den Vorderkantenhohlraum 34 durch den Einlaß 42 eintritt, durch drei Gruppen von Austrittsöffnungen 48, 50 und 52 abgegeben, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß das austretende Kühlmittel in Form eines Filmes oder einer dünnen Schicht über verschiedene Abschnitte der äußeren Oberfläche des Schaufelmantels 16 strömt.

Es wurde gefunden, daß die Film-oder Schichtkühlung nützlich ist, um die Kühlluft stärker auszunutzen, deren Kühlpotential nicht durch die Berührung mit den inneren Oberflächen des Schaufelmantels erschöpft wurde. Wenn die Luft, nachdem sie vom Einlaß 42 durch die Öffnungen 39 im Einsatz 38 ausgeströmt und gegen die Oberfläche 35 geströmt ist,verbleibt

die Luft innerhalb des Hohlraums 34, die geringer 509822/0014 .

ist als die, die im Arbeitsmittel in der Nähe der äußeren Oberflächen des Schaufelmantels 16 vorhanden ist md deshalb lern die Führung dieser Luft aus dem Raum 34 hinaus in Form eines Filmes über diese äußeren Oberflächen hinweg dazu dienen, diese Oberflächen zu kühlen und so·di.e Kühlmittelströmung weiter auszunutzen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dieses Filmkühlungskpnzept.

Obwohl bisher die Filmkühlung der Austrittsluft zur Maximalisierung der Ausnutzung der Kühlleistung der Luft bei derjenigen Luft verwendet wurde, die in die Vorderkanten hohlräume eingeführt wurde, war es üblich, die Kühlmittel-Strömung, die in die Hinterkantenhohlräume eingeführt wurde, durch Austrittsöffnungen an der Spitze, an der Basis oder an der Hinterkante der Schaufel abzugeben, nachdem diese Luft durch eine innere serpentinenförmige Bahn hindurchgegangen ist. Wenn das Arbeitsmittel in der Nähe der äußeren Oberflächen der Schaufel, dem die zuletzt genannte Strömung zugeführt wird, sich auf einer Temperatur befindet, die größer ist als die in der Kühlmittelströmung führt dieses zu einem Verlust der Kühlleistung.

Erfindungsgemäß ist eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten Anstrittsöffnungen 54 vorgesehen, durch die hindurch das fluideKühlmittel auf die äußere Oberfläche des Schaufelmantels 16 stromab von den Öffnungen 54 geleitet werden kann. Die Öffnungen 54 sind im wesentlichen entlang einer radialen Linie zwischen den Enden des Schaufelmantels 16 angeordnet und sind so ausgebildet, daß sie zur Ausbildung eines Kühlrnittelfilmes auf der äußeren Schaufeloberfläche geeignet sind. Der so ausgebildete Film dient als Sperrschicht, um die Schaufel gegen das direkte Aufschlagen des heißen Arbeitsmittels zu schützen.

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Der Film dient ferner dazu, Wärme der Schaufeloberfläche durch eine Konvektionsströmung zu entnehmen. Diese zusätzliche Ausnutzung der Kühlungsleistung' des fluiden Kühlmittels ermöglicht es, daß die Turbinenschaufel im gleichen Ausmaß wie biisher gekühlt wird, jedoch mit der Ausnahme, daß weniger Kühlmittel erforderlich ist. Wie bereits dargelegt werden hierdurch gute Auswirkungen auf dem Gesamtwirkungsgrad.¹ der Turbinenmaschine erzielt.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Kühlsystems soll nun unter Bezugnahme auf dje Buchstaben, die in den Figuren 3 und enthalten sind und unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in Fig.5 erläutert werden. Kühlluft aus der Kühlluftkammer gelangt durch den Kanal 22, der in Fig.2 gezeigt ist zur Platte oder Wurzel 18 der Schaufel 14 und wird zu den Einlassen 40 und 42 geführt, die in Fig.4 gezeigt sind. Der Teil der Strömung, der in den Einlaß 42 eintritt,gelangt vom Punkt A unterhalb des Hohlraumes 34 zum Punkt B innerhalb des Hohlraumes 34 und ferner in Kontakt mit dem Einlaß 38. Die Luft wird durch die Öffnungen 39 hindurchgeführt und gelangt in den Raum, der durch den Punkt C gekennzeichnet ist. Dieser Raum C wird durch den Einlaß 38 und die innere Oberfläche 35 des Schaufelmantels begrenzt. Das Auftreffen dieser Luft auf die Oberfläche 35 dient dazu, diese Oberfläche zu kühlen, ehe die Luft durch die Ausgangsöffnungen 48 und 50 an den Punkten D und E abgegeben wird. Das Arbeitsmittel, das an den Punkten D und E vorbeiströmt, trifft auf das austretende Kühlmittel auf und durch die zwischen diesen beiden Strömungen auftretenden viskosen Kräfte werden Filme auf den stromab gelegenen Seiten eines jeden Punktes erzeugt und diese Filme dienen dazu, die äußeren Oberflächen des Schäufelmantels 16 zu kühlen, bis diese Filme von diesen Oberflächen durch Turbulenz abgelöst werden.

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Ein zweiter Teil der Kühlluft, der in die Schaufel (durch den Einlaß 40) eintritt, strömt vom Punkt F unterhalb des Schaufelraantels zum Punkt G, der am Schaufelspitzenverschluß 20 liegt.Da die Strömung, die in die Schaufel an der Hinterkante mit ihrer tiefsten Temperatur eintritt, wird ein geringer Teil dieser Strömung aus dem Hohlraum 30 durch Öffnungen 46 in der Hinterkante ausgestossen. Der Hauptteil des Kühlmittels gelangt vom Punkt G durch den Kanal zum Punkt H innerhalb des Hohlraums 32. Diese Strömung verläuft dann bis zum Punkt I innerhalb des Hohlraums 32 und weiter bis zum Punkt J. Innerhalb des Hohlraums 30 strömt das Kühlmittel als turbulente Strömung zur Kühlung der Oberfläche 31. Wenn das Kühlmittel in den Hohlraum eintritt, so wird das Kühlmittel durch die Öffnungen 37 des Einsatzes in den Raum geführt, der durch K gekennzeichnet ist, und dieses Kühlmittel trifft auf die Oberfläche 33 auf, um diese zu kühlen. Die Temperatur des Kühlmittels, das bis zu dieser Stelle gelangt ist, hat sich durch den Kontakt mit den Oberflächen 31 und 33 des Schaufelmantels erhöht.Dennoch verbleibt das Kühlmittel auf einer Temperatur, die unterhalb der äußeren Oberflächentemperatur des Schaufelmantels liegt. Das Kühlmittel enthält noch nutzbare Kühlleistung. Es sind Öffnungen 54 vorgesehen, durch die das Kühlmittel anschließend zum Punkt L außerhalb des Schaufelmantels geführt wird. Die viskosen Kräfte des vorbeiströmenden Arbeitsmittels wirken auf das austretende Kühlmittel ein, um einen Kühlfilm stromab von den Austrittsöffnungen 54 zu erzeugen, und zwar auf der äußeren Oberfläche des Schaufelmantels in der Nähe der Hinterkante 28. Dieser Film bildet eine Sperrschicht zwischen der äußeren Schaufeloberfläche und dem Arbeitsmittel. Dieser Film kühlt ebenfalls die Schaufeloberfläche durch Wärmekonvektion. Demzufolge dient der Film zur weiteren Kühlung der Schaufel dadurch, daß der Wärmeübergang auf das Kühlmittel erhöht wird, nachdem

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dieses Kühlmittel aus der Schaufel ausgetreten ist.

Auf diese Weise wird die Ausnutzung der Kühlleistung einer gegebenen Menge eines fluiden Kühlmittels erhöht und zwar dadurch, daß der Kontakt des Teiles des fluiden Kühlmittels, das in,die Hinterkantenhohlräume eingeführt wird, mit den verschiedenen Turbinenschaufelmanteloberflachen maximal gemacht wird. Wenn das fluide Kühlmittel, welches jdu?ch den Einlaß 40 eintritt in das vorbeigehende Arbeitsmittel entweder vom spitzen Ende oder vom Basisende des Schaufelmantels abgegeben wird, so wird kein Film auf der äußeren Oberfläche der Schaufel durch dieses Kühlmittel erzeugt. Die verbleibende Kühlleistung dieses Kühlmittels geht verloren. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Turbinenschaufeln kann die Menge von Kühlmittel, die den hinteren Hohlräumen oder den Hinterkantenhohlräumen zugeführt werden muß, vermindert werden und dadurch wird der Wirkungsgrad des Triebwerkes erhöht.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben und ee sei bemerkt, daß Abänderungen durchgeführt werden können, die im Rahmen der Erfindung liegen. Beispielsweise kann eine Turbinenschaufel vorgesehen sein, die eine Anzahl von Hohlräumen hat, die größer ist als die der drei die dargestellt sind, wobei die Kühlluft, die einem der Hohlräume neben der Hinterkante zugeführt wird, . in einer serpentinenförmigen Bahn durch eine Reihe von benachbarten Hohlräumen geführt wird und schließlich in Form eines Kühlfilmes auf die äußeren Schaufeloberflächen abgegeben wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Kühlmittel durch Einlasse zugeführt werden, die statt in der Platte oder der Wurzel des Schaufelmantels in der Nähe der Schaufelspitze liegen. Beim dargestellten

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Ausführungsbeispiel wird ein Kühlfilm lediglich über eine Seite der äußeren Oberfläche des Schaufelmantels geführt. Es kann aber auch eine Anzahl von Öffnungen vorgesehen sein, die dazu dienen, die andere Seite des Mantels mit einem Hinterkantenhohlraum zu verbinden, um Kühlmittel über diese Fläche zu führen.

Patentansprüche

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Claims

Pat en tan sp rüche

TT) Luftgekühlte Schaufel für eine Turbineninaschine gekennzeichnet durch einenSchaufelmantel, der eine äußere Oberfläche und eine erste und eine zweite innere Oberfläche, eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, einen ersten Hohlraum in diesem Schaufelmantel, der an der Hinterkante liegt und der durch die erste innere Oberfläche des Mantels begrenzt wird, einen zweiten Hohlraum im Schaufelmantel, der von der Hinterkante entfernt angeordnet ist und durch die zweite innere Oberfläche des Mantels begrenzt wird, Einrichtungen, mit denen Kühlluft in den ersten Hohlraum eingeführt wird, um die erste innere Oberfläche zu kühlen, Einrichtungen, mit denen Kühlluft aus dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum geleitet wird, um die zweite innere Oberfläche zu kühlen' und Einrichtungen, mit denen diese Kühlluft in Form eines Filmes aus diesem zweiten Hohlraum auf die äußere Oberfläche geleitet wird, um· diese äußere Oberfläche zu kühlen.
2. Schaufel nach Anspruch 1,gekennzeichnet durch ein erstes und ein zweites Schaufelende, wobei die Einrichtungen zum Einführen der Kühlluft in den ersten Hohlraum neben dem ersten Schaufelende angeordnet sind und wobei die Einrichtungen, mit denen die Kühlluft in den zweiten Hohlraum geführt wird, neben dem zweiten Schaufelende angeordnet sind.
3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Führen der Kühlluft auf die äußere Oberfläche eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen umfassen, die eine Verbindung zwischen dem zweiten Hohlraum und der äußeraiOberfläche herstellen. .

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4. Schaufel nach Anspruch 1 mit einem radial außen liegenden spitzen Ende und einer radial innen liegenden Wurzel, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen zwischen dem spitzen Ende und der Wurzel angeordnet sind.
5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen im wesentlichen entlang einer radialen Linie längs des Schaufelmantels fluchtend angeordnet sind.
6. Luftgekühlte Schaufel für eine Turbinenmaschine, gekennzeichnet durch einen Schaufelmantel in Form eines Tragflächenprofils, der eine Vorderkante und eine Hinterkante und eine äußere Oberfläche aufweist, und ferner eine erste, eine zweite und eine dritte innere Oberfläche und ein erstes und ein zweites Ende, eine Schaufelplatte oder eine Schaufelwurzel, die am ersten Ende des Mantels angeordnet ist, einen ersten, zweiten und dritten Hohlraum, die aufeinanderfolgend und im Abstand voneinander angeordnet sind, die von der ersten, zweiten und dritten inneren Oberfläche des Schaufelmantels begrenzt werden, wobei einer dieser Hohlräume an der Hinterkante ein anderer im Abstand von der Hinterkante und ein weiterer an der Vorderkante angeordnet ist, einen Schaufelverschluß am zweiten Ende des Mantels, der die Hohlräume von einer Umgebungsatmosphäre abtrennt, Einrichtungen, mit denen eine erste Kühlluftströmung durch die Wurzel in den ersten Hohlraum eingeführt wird, um die erste innere Oberfläche zu kühlen, Einrichtungen, die in der Nähe des Verschlusses angeordnet sind, um diese erste Strömung aus dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum zu leiten, um die zweite innere Oberfläche zu kühlen, Einrichtungen, um diese erste Kühlluft-

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strömung in Form eines Filmes aus dem zweiten Hohlraum auf die äußere Oberfläche zu führen, um diese äußere Oberfläche zu kühlen, Einrichtungen, um eine zweite Kühlluftströmung durch die Wurzel oder die Platte hindurchzuführen und zwar in den dritten Hohlraum, um die dritte innere Oberfläche zu kühlen und Einrichtungen, um diese zweite Luftströmung in Form eines Filmes aus dem dritten Hohlraum auf die äußere Oberfläche zu führen, um diese äußere Oberfläche weiterhin zu kühlen.
7. Schaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Führung der ersten Strömung auf die äußere Oberfläche eine Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen umfassen, die im wesentlichen längs einer radialen Linie zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Schaufelmantels ausgefluchtet sind.

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