DE2358521A1

DE2358521A1 - Turbinenschaufel fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2358521A1
Application number: DE2358521A
Authority: DE
Inventors: Alexander Scott
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-11-24
Publication date: 1979-08-30
Also published as: FR2417640A1; DE2358521C2; IT1044243B; US4229140A; GB1560683A

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

909835/0002

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

909835/0002

23S8521

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 -.

23S8521

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

- 5 -0 9835/0002

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-

909835/0002

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

909835/0002

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

- 8 909835/0002

2368521

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

909835/0002

2318521

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

- 10 909835/0002

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

9 0983 5/00 02

2318521

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.

- 12 909835/0002

Claims

P atentansρrüehe

Iy 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^)

909835/0002

gelegenen 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-