DE2358521A1 - Turbinenschaufel fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents
Turbinenschaufel fuer gasturbinentriebwerkeInfo
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Description
1. Ausfertigung
T | ■ 14 |
DIPT,. | |
IHIIJI | |
•ATB IfTAJfWAIiT | |
ing. K. HOLSI | |
AUGSBURG | |
'PDiE-AVEI-SBK-STKASS | |
R. 870
Augsburg, den 22. November 1973
Rolls-Royce (1971) Limited,"14/15 Conduit Street,
London W.l, England
Turbinenschaufel für Gasturbinentriebwerke
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für Gasturbinentriebwerke,
mit tragflügelförinigem Schaufelblatt, welches einen einstückig mit dem übrigen Schaufelblatt
ausgebildeten austrittsseitigen Schaufelblatteil aufweist.
Aus aerodynamischen Gründen ist der austrittsseitige
Schaufelblatteil im Vergleich zum übrigen Schaufelblatt
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dünn, was zu Schwierigkeiten hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und der Kühlung führt.
Hinsichtlich der mechanischen Festigkeit liegt die Schwierigkeit darin, daß, wenn beispielsweise während des
Anlassens oder des Absteilens des Triebwerks sich die Temperatur der die Schaufel umgebenden Gase ändert, sich
der verhältnismäßig dünne austrittsseitige Schaufelblatteil
schneller dehnt bzw. zusammenzieht als das übrige Schaufelblatt, was zu ungünstigen Spannungszuständen führt. Außerdem
ist der austrittsseitige Schaufelblatteil Gaskräften ausgesetzt, welche ihn in Schwingung versetzen oder relativ zum
übrigen Schaufelblatt zu biegen versuchen.
Was die Kühlung betrifft, so ist es offensichtlich,
daß» der verhältnismäßig dünne Querschnitt des austrittsseitigen
SchaufelblattesIs die Anordnung von Kühlluftkanälen
in diesem Teil schwierig macht. Wenn derartige Kanäle vom Inneren des Schaufelblatts durch den austrittsseitigen
Schaufelblatteil zur Schaufelhinterkante geführt werden
sollen, müssen lange Bohrungen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser gebohrt werden. Wenn andererseits solche Kanäle
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aus dem Inneren des Schaufelblatts zu einer stromauf der
Schaufelhinterkante gelegenen Stelle der Sehaüfeloberflaehe
geführt werden, sollen diese Kanäle die Schaufeloberfläche
in einer Richtung durchstoßen, die so weit wie möglich parallel zur Richtung der örtlichen Grenzschichtströmung
am Schaufelprofil verlaufen soll. Diese beiden Forderungen führen zu Herstellungsschwierigkeiten.
Die beiden Forderungen nach mechanischer Festigkeit und Kühlung des austrittsseitigen Teils des Schaufelblatts
bestimmen überwiegend die Konstruktion dieses Teils zum
Nachteil der aerodynamischen Eigenschaften.\
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ,eine Turbinenschaufel
der eingangs dargelegten allgemeinen Art. so zu
verbessern, daß die mechanische Festigkeit des austrittsseitigen Teils des Schaufelblatts vergrößert wird. Außerdem
soll die Kühlung dieses Teils des Schaufelblatts verbessert werden. ....
Im Sinne der Lösung dieser.Aufgabe ist eine solche
Turbinenschaufel gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet s
--■ 3 -.
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daß der austrittsseitige Teil des Schaufelblatts eine
gewellte Form aufweist, indem auf beiden Seiten dieses Teils in Richtung der Profilsehnen verlaufende Rillen
gebildet sind.
Die gewellte Form ermöglicht es, daß sich das austrittsseitige Schaufelblatteil relativ zum übrigen Schaufelblatt
bei geringeren Spannungen dehnen oder zusammenziehen kann,
als dies bei bekannten Schaufeln mit geraden Hinterkanten der Fall ist.
In Weiterbildung der Erfindung sind Kühlkanäle vorgesehen, die zwischen dem Inneren-des Schaufelblatts und
mindestens den auf einer Seite des austrittsseitigen Schaufelblatteils gelegenen Rillen verlaufen.
Dadurch ist es möglich, den austrittsseitigen Teil
des Schaufelblatts durch Kühlluft zu kühlen, welche an stromauf
der Schaufelblatthinterkante gelegenen Stellen in diese Rillen hinein ausströmt, wobei die Kühlluftkanäle die
Schaufeloberfläche in einer Richtung durchstoßen, die im wesentlichen parallel zur Richtung der örtlichen Grenz-
— h
schicht strömung am Schaufelprofil ist.
Einige bevorzugte Ausführungsformeη der Erfindung
werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 eine in Axialrichtung gesehene
Hinteransicht einer erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel
eines Gasturbinentriebwerks,
Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1
dargestellten Schaufel,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der
Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt entlang der
Linie IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung
eines in Richtung des Pfeiles V
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in Fig. 3 gesehenen Ausschnitts der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten
Schaufel,
Fig. 6 einen Schnitt entlang der
Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7 einen Schnitt entlang der
Linie VII-VII in Fig. 5,
Fig. 8 eine in Richtung des Pfeiles VIII
in Fig. 5 gesehene Hinteransicht des in Fig. 5 dargestellten
Schaufelteils, und
Fig. 9 eine Schnittdarstellung ähnlich
den Fig. 6 und 7 einer abgewandelten Ausführungsform eines
Laufschaufelkranzes und eines
Leitschaufelkranzes jeweils nach der Erfindung.
In den Fig. 1 bis 8 ist eine gegossene Schaufel dar-
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gestellt, die ein tragflügeIförmiges Schaufelblatt 10 und
einen Schaufelfuß 11 aufweist, mit welch letzterem die ;
Schaufel in an sich bekannter Weise an /einem nicht dargestellten Turbinenrotor befestigbar ist. Das Schaufelblatt
weist einen Hauptteil 12 und einen damit einstückig ausgebildeten
austrittsseitigen Teil 13 auf. Normalerweise gibt
es keine bestimmte Grenzlinie zur Abgrenzung des Hauptteils
und des austrittsseitigen Teils des Schaufelblatts ,jedoch
ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung mit
dem Ausdruck "austrittsseitiger Teil" derjenige Teil des
Schaufelblatts 10 gemeint, der im Vergleich zum übrigen
Schaufelblatt so dünn ist, daß besondere Schwierigkeiten
hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und der Kühlung
auftreten. Zum Zwecke der Erläuterung gibt eine Linie 15
die Grenze zwischen dem Hauptteil und dem austrittsseitigen
Teil des Schaufelblatts an.
'- Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des austrittsseitigen
Teils 13 ist derselbe gemäß Fig. 8 gewellt ausgebildet,
so daß beiderseits der Schaufel in Richtung der
Profilsehnen verlaufende Rillen 18 gebildet sind, die
stromabseitig an der Schaufelhinterkante 17 und stromaufseitig
bei der Linie 15 enden. Es ist klar, daß- sich der
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austrittsseitige Schaufelblatteil 13 infolge der gewellten Form in Schaufellängsrichtung relativ zum Hauptteil 12
des Schaufelblatts bei viel geringerer Bruchgefahr dehnen
oder zusammenziehen kann, als dies bei einer in Schaufellängsrichtung
geradlinig verlaufenden Form der Fall wäre. Außerdem ergibt sich durch die gewellte Form eine größere
Festigkeit gegen Querkräfte, als dies bei einem geradlinigen austrittsseitigen Schaufelblatteil gleichen Gewichts der
Fall ist.
Ferner ermöglichen die Rillen 18 eine zweckmäßige Art der Kühlung des austrittsseitigen Schaufelblatteils 13
durch Kanäle 16, welche zwischen einem Kanal 14 und einigen
oder sämtlichen Rillen 18 verlaufen. Während einer oder mehrere Kanäle 16 an irgendeiner gewählten Stelle durch die Wandung
einer Rille 18 durchstoßen können, ist vorzugsweise jeweils nur ein Kanal l6 vorgesehen, der am stromaufseitigen Rillenende
in Längsrichtung der Rille in dieselbe ausmündet. Auf diese Weise ist es möglich, gemäß den Fig. 6 und 7 einen
Kühlluftstrahl 21 in einer Richtung in die Rille einströmen zu lassen, welche parallel zur örtlichen Richtung 22 der
Grenzschicht strömung ist, wobei zu erwarten ist, daß sieh
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der Kühlluftstrahl auf dem Weg zum stromabseitigen Ende
der Rille über die ganze Pdllenoberflache ausbreitet und
dadurch einen wirksamen Kühlfilm bildet. Zur Vermeidung einer übermäßigen Länge der Kanäle 16 sind die Rillen 18
so tief ausgebildet, daß die Kanäle 16 nahe dem st romaufsei tigen Rillenende in einer Wandung 2 3 in die Rillen
ausmünden können. Im Vergleich zu Schaufeln, bei denen Kühlluft durch Bohrungen zugeführt wird, welche durch das
Innere des austrittsseitigen Schaufelt latte ils verlaufen
und an der Schaufelhinterkante ausmünden, ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung eine bessere Kühlung, eine
aerodynamisch wünschenswerte geringere Dicke der Schaufelhinterkante und kürzere Kühlluftkanäle. Außerdem ergänzen
sich die vergrößerte mechanische Festigkeit und die verbesserte Kühlung im Sinne einer Verminderung der Empfindlichkeit
des austrittsseitigen Schaufelblatteils gegen unterschiedliche
Temperaturänderungen.
Selbstverständlich kann der austrittsseitige Teil im
Bereich der gesamten Schaufelblattlänge oder nur innerhalb desjenigen Teils gewellt ausgebildet sein, bei welchem die
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Betriebsanforderungen dies wünschenswert machen. Der Einfachheit
halber sind in den Fig. 1 und 2 nur einige der durch die Wellung entstandenen Rillen dargestellt.
In Fig. 2 sind zwei Turbinenleitschaufeln 50 und 51
dargestellt, die jeweils ein tragflügelförmiges Schaufelblatt
52 mit Hoch- und Niederdruckseiten 52a bzw. 52b
aufweisen. Die Schaufelblätter 52 weisen jeweils einen Hauptteil 53 und einen damit einstückig ausgebildeten
austrittsseitigen Teil 51* auf, der gewellt ausgebildet ist,
so daß beiderseits dieses Teils 5^ in Sehnenrichtung verlaufende
Rillen gebildet sind. Die Rillen auf den Schaufelseiten 52A sind mit 55A und die Rillen auf den Schaufelseiten
52B mit 55B bezeichnet.
Die Schaufeln bilden zwischen sich eine Strömungskanaleinschnürung
56, an welcher der Abstand zwischen den
Schaufeln am kleinsten ist. Die Schaufeln sind nach bekannten Grundsätzen für Überschall-Gasgeschwindigkeiten stromab
der Strömungskanaleinschnürung 56 ausgebildet. Es ist einzusehen, daß bei jeder Schaufel die über den austrittsseitigen
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Schaufelblatteil strömende Strömung auf der Niederdruckseite, nicht aber auf der Hochdruckseite Überschallgeschwindigkeit aufweist. Außerdem ist die Niederdruckseite des austrittsseitigen
Teils einer geringeren Temperatur als die Hochdruckseite ausgesetzt, so daß dort die Kühlung notwendiger
als auf der Niederdruckseite ist. Andererseits ist auf
der Niederdruckseite 52B die Forderung nach aerodynamischer
Kontinuität wichtiger als auf der Hochdruckseite wegen der Notwendigkeit der Vermeidung von Stoßwellen, die auftreten, wenn eine übers cn anströmung über diskontinuierliche
Oberflächen strömt. Demgemäß sind, wie anhand der Schaufel
dargestellt ist, die Rillen 55A desaustrittsseitigen
Schaufelblatteils hinsichtlich ihrer Tiefe so ausgebildet,
daß an ihren stromaufseitigen Enden jeweils eine Wandung
für ein das Ausmünden eines Kühlluftkanals 58 in die Rille in ähnlicher Weise wie bei der mit Bezug auf die Fig. 1
bis 7 beschriebenen Anordnung gebildet ist. Die durch die Wandung 57 dargestellte aerodynamische Diskontinuität stellt
keine Schwierigkeit dar, da einerseits die aus dem Kanal austretende Luft Wirbel der über die Wandung 57 strömenden
Grenzschiehtstromung verhindert und weil andererseits eine
Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit keine Stoßwellen
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erzeugt. An der Niederdruckseite ist eine solche Diskontinuität,
wie sie durch die Wandung 57 gebildet wird, jedoch nicht zulässig und, wie anhand der Schaufel 21 dargestellt ist,
weisen die Rillen 55B eine allmählich größer werdende Tiefe auf, so daß sie glatt in die Oberfläche des Hauptteils des
Schaufelblatts übergehen.
Fig. 9 zeigt ferner Laufschaufeln 60 und 61, die mit
den L ei ts ch auf ein 50 und 51 zusammenwirken. Die Schaufeln 60
und 61 weisen eine ähnliche Ausbildung des austrittsseitigen SchaufeIblatteiIs wie die Schaufeln 50 und 51 auf, wobei
Kühlluftkanäle 62 ebenfalls nur an der Hochdruckseite der
Schaufeln angeordnet sind.
Es muß bemerkt werden, daß Fig. 9 Leitschaufeln und
Laufschaufeln einer Turbine zwar in ihrer richtigen gegenseitigen Betriebsstellung zeigt, daß aber die Schnittebenen
der Schaufeln 50 und 51 auf verschiedenen Stellen der Schaufellänge liegen, so daß die Rillen 55A und 55B sichtbar
werden. Das gleiche gilt für die Schaufeln 60 und 6l.
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Claims (1)
- P atentansρrüeheIy Turbinenschaufel für Gasturbinentriebwerke, mit tragflügeiförmigem Schaufelblatt, welches einen einstückig mit dem übrigen Schaufelblatt ausgebildeten austrittsseitigen Schaufelblatt eil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der austrittsseitige Teil (13 bzw. 54) des Schaufelblatts eine gewellte Form aufweist, indem auf beiden Seiten dieses Teils in Richtung der Profilsehnen verlaufende Rillen (18 : bzw. 55A, 55B) gebildet sind.2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rillen (55B) auf mindestens einer Schaufelseite (52B) stromaufwärts allmählich abnimmt, so daß die Oberflächen der Rillen und des übrigen Teils (52) des Schaufelblatts aerodynamisch kontinuierlich ineinander übergehen.3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den auf mindestens einer Seite des austrittsseitigen Schaufelblatteils (13 bzw. 5^)909835/0002gelegenen Rillen (18 bzw. 55A) und dem Inneren des übrigen Schaufelblatts C12 bzw. 52) Kühlluftkanäle (16 bzw. 58) verlaufen.*J, Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftkanäle (16 bzw. 58) in Längsrichtung der Rillen (18 bzw. 55A) in die Rillen ausmünden.5. Turbinenschaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite des austrittsseitigen Schaufelblatteils (13 bzw. 52O-die Rillen (18 bzw. 55A) eine solche Tiefe aufweisen, daß jeweils am stromaufseitigen Rillenende eine Wandung (23 bzw. 57) gebildet ist, deren Oberfläche mit der Oberfläche des übrigen Schaufelblatts aerodynamisch diskontinuierlich ist, und daß die Kühlluftkanäle (16 bzw. 58) jeweils an dieser Wandung in die Rillen ausmünden.909835/0002-Ik-
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