DE2930949C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Hohlschaufel ist aus der US-PS 38 64 058 bekannt.

Es ist seit langem bekannt, daß Schaufeln, wie Turbinen­ laufschaufeln und -leitschaufeln, die in der Hochtemperatur­ gasumgebung eines Gasturbinentriebwerks arbeiten, durch ein Strömungsmittel gekühlt werden müssen, um eine günstige Lebensdauer und damit niedrige Wartungs- und Überholungs­ kosten des Triebwerks zu erzielen. Es ist üblich, Luft aus dem Verdichterabschnitt des Triebwerks in einen Hohl­ raum innerhalb der Schaufel abzuleiten und von dort aus durch eine Reihe von Kühlkanälen durch die Hohlschaufel zu leiten. Aus den Kühlkanälen austretende Luft soll einen sich bewegenden Kühlfilm zwischen der Schaufeloberfläche und den innerhalb des Triebwerkes strömenden heißen Gasen bilden und auf diese Weise die Übertragung von Wärme aus den Gasen auf die Schaufeloberfläche möglichst weitgehend verhindern (US-PS 40 26 659 und 38 85 609).

In der eingangs genannten US-PS 38 64 058 wird die Lehre gegeben, an der Schaufelhinterkante keine Kühlschlitze vorzusehen, da dadurch die Kühlmittelströmung drastisch eingeschränkt und möglicherweise sogar umgekehrt würde. Diese ungeteilte Schlitzanordnung mag zwar bei der bekannten Leitschaufel, die eine kurze radiale Ausdehnung besitzt, möglich und vorteilhaft sein, aber insbesondere bei langen Laufschaufeln kann eine ungleichförmige Kühlung der Schau­ felhinterkante auftreten.

Weiterhin ist in der DE-AS 22 32 229 eine luftgekühlte Hohlschaufel beschrieben, bei der im Bereich der Austritts­ kante einer Längskammer Längswände ausgebildet sind, die einen mehrfach gewundenen Kühlkanal ergeben. Dieser mündet am radial inneren Ende der Längskammer in einen Austrittsschlitz, der durch stromlinienförmige Streben überbrückt ist, um für eine mechanische Abstützung der beiden Schaufelseitenwände zu sorgen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hohlschaufel der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß deren Ausnehmung an der Schaufelhinterkante eine beliebige radiale Aus­ dehnung haben kann und im Betrieb mit einem vollflächigen, gleichförmigen Kühlfilm überzogen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen u. a. darin, daß die Kühlluft in dem inneren Schaufel­ hohlraum an den Einlässen zu den Kühlkanälen zwischen den Trennkörpern zunächst aufgestaut und gleichmäßig auf die Kühlkanäle verteilt wird. Die in die Kühlkanäle ein­ getretene Kühlluft wird in eine gradlinige axiale Strömung umgewandelt, die sich dann bei ihrem Durchtritt durch die Kühlkanäle divergierend erweitert, um an den messer­ förmigen Abströmkanten der Trennkörper auf die Ausnehmung auszutreten und sich mit den benachbarten Kühlluftströ­ mungen zu einem vollflächigen, gleichförmigen Kühlfilm zu vereinigen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt der Schaufel längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt der Schaufel längs der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 einen Teilschnitt von einem weiteren Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt perspektivisch den stromlinienförmigen Abschnitt einer Hohlschaufel 10, die nachfolgend kurz Schaufel genannt ist. Für Beschreibungszwecke soll sich der Begriff "radial" auf eine Richtung insgesamt längs einer in Fig. 1 vertikal angeordneten Linie beziehen. Der Begriff "axial" soll sich auf eine Richtung insgesamt längs einer Linie in Richtung der Strömung der heißen Gase vorbei an der Schaufel 10 von der Vorderkante zu der Hinterkante beziehen. Die Begriffe radial und axial sind gewählt worden, damit die Schaufel 10 in Übereinstimmung mit der normalen Position beschrieben werden kann, die sie in einem Gas­ turbinentriebwerk einnimmt. Die verwendeten Begriffe "stromaufwärts" und "stromabwärts" bezeichnen die Relativ­ position eines Ortes in bezug auf einen anderen Ort gegen­ über einer Gasströmung.

Die Schaufel 10 weist zwei im Abstand zueinander angeordnete dünne Wände 12 und 14 auf, die sich radial und axial er­ strecken und an einem stromaufwärtigen Ende, an dem sie miteinander verbunden sind, einen Vorderkantenteil 16 bilden. Die Wände 12 und 14 bilden an einem stromabwärtigen Ende, an dem sie miteinander verbunden sind, einen Hinter­ kantenteil 18 der Schaufel 10. Die Schaufel 10 hat weiter ein radial inneres Ende 13 und ein radial äußeres Ende 15.

Eine konkave Schaufelfläche 20 und eine konvexe Schaufel­ fläche 22 bilden Außenwandflächen der Wände 12 bzw. 14, die diejenigen Teile der Wände 12 und 14 einschließen, welche die Vorder- und Hinterkantenteile 16 bzw. 18 auf­ weisen. Die Schaufel 10 hat weiter mehrere Hohlräume 24, 26 und 28, die sich radial von dem inneren Ende 13 zu dem äußeren Ende 15 erstrecken. Die Hohlräume 24, 26 und 28 sind nebeneinander, aber mit axialem Abstand zuein­ ander zwischen den im Abstand angeordneten Seitenwänden 12 und 14 und zwischen dem Vorderkantenteil 16 und dem Hinterkantenteil 18 angeordnet. Kühlluft aus einer Druck­ luftquelle (nicht gezeigt), wie beispielsweise einem dem Gasturbinentriebwerk zugeordneten Verdichter, wird von den Hohlräumen 24, 26 und 28 empfangen. Es sind zwar mehrere Hohlräume 24, 26 und 28 dargestellt, die Filmkühl­ anordnung, die gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung gebildet ist, wird jedoch in Verbindung mit dem Hohlraum 28 beschrieben. Es ist aber klar, daß die Hohl­ räume 24 und 26 die gleiche Möglichkeit des Zusammen­ wirkens mit einer solchen Filmkühlanordnung haben.

Es wird nun auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen, von denen die erstgenannte einen Querschnitt der Schaufel 10 längs der Linie 2-2 in Fig. 1 und die zweit­ genannte einen Teilquerschnitt der Schaufel 10 längs der Linie 3-3 in Fig. 2 zeigt. Die Schaufel 10 hat eine Vertiefung oder Ausnehmung 30, die in der Wand 12 gebildet ist und einen Teil der äußeren konkaven Fläche 20 an dem Hinterkantenteil 18 umfaßt. Die Ausnehmung 30 erstreckt sich im wesentlichen radial über die Schaufel 10 von deren radial äußeren Ende 15 zu deren radial inne­ ren Ende 13. Die Ausnehmung 30 wird durch eine radiale Fläche 32, die in Stromabwärtsrichtung weist und sich im wesentlichen radial über die Schaufel 10 erstreckt, eine Bodenfläche 33 und getrennte Seitenwände 34 und 36 begrenzt. Die Ausnehmung 30 ist in axialer Richtung konisch zulaufend, d. h., die Tiefe der Ausnehmung 30 nimmt in Stromabwärtsrichtung ab und die Bodenfläche 33 geht schließlich an dem am weitesten stromabwärts ge­ legenen Ende der Ausnehmung 30 in die konkave Fläche 20 über.

Mehrere langgestreckte, mit radialem Abstand zueinander angeordnete, diskrete Kühlkanäle 38 bilden einen Weg für einen Kühlluftstrom aus dem Hohlraum 28 durch die Wand 12. Jeder Kanal 38 hat einen Einlaß 40, der eine Ver­ bindung zwischen dem Kanal 38 und dem Hohlraum 28 herstellt, und einen Auslaß 42, über den Kühlluft in einer Richtung abgegeben wird, die zu der Richtung der über die Schaufel 10 hinwegströmenden heißen Gase insgesamt parallel ist. Der Auslaß 42 des Kanals 38 hat eine radiale Auslaßbreite mit vorgewählter Größe b.

Mehrere Trennkörper 44 trennen die diskreten Kühlkanäle 38 voneinander. Jeder Trennkörper 44 ist zwischen benach­ barten Kühlkanälen 38 angeordnet und hat zwei radial ent­ gegengesetzt gerichtete Kanalwandflächen 46 und 48, die in radialem Abstand zueinander angeordnet sind.

Die Trennkörper 44 sind in stromabwärtiger Richtung konisch zulaufend. Das heißt, die Kanalwandflächen 46 und 48, die jeweils einem Trennkörper 44 zugeordnet sind, haben einen gegenseitigen radialen Abstand c, der eine erste stromaufwärtige Größe in der Nähe des stromaufwärtigen Einlasses 40 hat. Beginnend an einer Stelle 50, die sich zwischen dem Kanaleinlaß 40 und dem Kanalauslaß 42 be­ findet, nimmt die Größe des Abstands c zwischen den Wand­ flächen 46 und 48 in stromabwärtiger Richtung ab. Ins­ besondere ist die Größe des Abstands c zwischen den Wand­ flächen 46 und 48 an jedem Punkt stromabwärts der Stelle 50 kleiner als stromaufwärts der Stelle 50.

Die Größe des Abstands c zwischen den Wandflächen 46 und 48 am Auslaß 42 ist wesentlich kleiner als die Größe b der radialen Breite des Kanalauslasses 42. Der Abstand zwischen den Kanälen 38 unmittelbar an den Auslässen 42 ist wesentlich kleiner als die Kanalbreite und damit wird die Tendenz zur Bildung von Soggebieten bzw. Wirbelschleppen gegenüber den bekannten Vorrichtungen wesentlich verringert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel schneiden sich die Wandflächen 46 und 48 unmittelbar an dem Auslaß 42 und bilden eine scharfe Kante 52.

Aufgrund der scharfen Ausbildung der Kante 52 werden die bei bekannten Vorrichtungen auftretenden nachteiligen Soggebiete bzw. Wirbelschleppen nicht gebildet.

Die scharfen Kanten 52 und die Kanalauslässe 42 liegen mit der Fläche 32 der Ausnehmung 30 in einer Ebene, so daß die Kanäle 38 sich in die Ausnehmung 30 öffnen. Es ist zu beobachten, daß bei konisch zulaufenden und in einer scharfen stromabwärtigen Kante 52 endenden Trennkörpern 44 aus den Kanälen 38 austretende Kühlluft in der radialen Richtung im wesentlichen kontinuierlich ist und keine Wirbelschleppen entstehen. Damit haftet ein durchgehender Kühlluftschleier an der unteren Fläche 33 der Ausnehmung 30 und bildet einen sich bewegenden Sperrfilm zum Schutz der Fläche 33 vor den über die Schaufel 10 strömenden heißen Gasen. Auf diese Weise wird eine gleichför­ mige Filmkühlung des Hinterkantenteils 18 der Schaufel 10 erreicht.

Fig. 4 zeigt ein geringfügig abgewandeltes Ausführungs­ beispiel der Erfindung. In Fig. 4 ist die Ausnehmung 30 weiter stromaufwärts als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 angeordnet. Ansonsten ist der in Fig. 4 gezeigte Aufbau mit dem Aufbau des Ausführungsbeispiels der Fig. 1, 2 und 3 identisch. Bei so angeordneter Ausnehmung 30 tritt die Kühlluft aus den Auslässen 42 aus, strömt in einem durchgehenden Film stromabwärts längs der Boden­ fläche 33 zu dem stromabwärtigen Ende der Ausnehmung 30 und haftet an der konkaven Fläche 20. Die Kühlluft strömt von da aus in einem durchgehenden Schleier über die Fläche 20 in einer Richtung, die von dem Vorderkanten­ teil 16 wegführt. Die Fläche 20 wird deshalb vor den über die Schaufel 10 strömenden heißen Gasen geschützt.

Es sei außerdem erwähnt, daß eine Reihe von axial aufein­ anderfolgenden Ausnehmungen 30 benutzt werden kann, wobei jeder Ausnehmung 30 Kanäle zugeordnet sind, die sie mit einem der inneren Hohlräume 24, 26 oder 28 ver­ binden. In einer solchen Anordnung ist jede Ausnehmung 30 an einer axialen Stelle unmittelbar an dem Bereich angeordnet, an dem der Kühlfilm, der der vorhergehenden stromaufwärtigen Ausnehmung 30 zugeordnet ist, seine Wirksamkeit als vor heißen Gasen schützendem Schutzfilm zu verlieren beginnt.

Claims (3)

1. Hohlschaufel für ein von Heißgas durchströmtes Gasturbinentriebwerk, mit zwei im Abstand zueinander angeordneten Seitenwänden, die konkave bzw. konvexe Außen­ wandflächen, die sich radial und axial erstrecken, und mindestens einen radialen inneren Hohlraum bilden, der Kühlluft aus einer Druckluftquelle empfängt, ferner mit einer an der Schaufelhinterkante ausgebildeten Ausnehmung, die an ihrem stromaufwärtigen Ende wenigstens teilweise durch eine stromabwärts gerichtete Seitenfläche, die sich in radialer Richtung im wesentlichen über den gesamten Schaufel­ körper erstreckt, begrenzt ist und die eine Bodenfläche aufweist, die der Heißgasströmung zugewandt ist und einen Teil der einen Außenwandfläche bildet, wobei die Tiefe der Ausnehmung vom stromaufwärtigen zum stromab­ wärtigen Ende abnimmt, und mit einer Kühlluftleitung, die den inneren Hohlraum mit der Ausnehmung verbindet für eine Zufuhr von Kühlluft zur Schaufelhinterkante, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlluftleitung mehrere radial zueinander beabstandete, axial verlaufende Trennkörper (44) angeordnet sind, die zwischen einander bzw. mit den radial inneren und äußeren Schaufelwänden (34, 36) Kühlkanäle (38) von dem inneren Hohlraum (28) bis zu der stromabwärts gerichteten Seitenfläche (32) bilden, und daß die Breite (c) jedes Trennkörpers (44) von der am Kühlkanaleinlaß (40) vorhandenen Breite bis zu einer scharfen Kante (52) am Kühl­ kanalauslaß (42) abnimmt.

2. Hohlschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (c) jedes Trennkörpers (44) vom Kühlkanaleinlaß (40) bis zu einer stromabwärtigen Stelle (50) gleich bleibt und stromabwärts von der Stelle (50) bis zum Kühlkanalauslaß (42) auf Null abnimmt.

3. Hohlschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ausnehmungen (30) in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei jede Ausnehmung (30) mit einem inneren Hohlraum (24, 26, 28) in Verbindung steht.