DE3248162C2 - Kühlbare Schaufel - Google Patents
Kühlbare SchaufelInfo
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
- F01D5/187—Convection cooling
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2260/221—Improvement of heat transfer
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine kühlbare Schaufel ge
mäß Patentanspruch 1.
Solche Schaufeln finden z. B. in auf hoher Temperatur ar
beitenden umlaufenden Maschinen Verwendung. Die beschrie
benen Konzepte können sowohl bei Turbinenleitschaufeln als
auch bei Turbinenlaufschaufeln angewendet werden.
In einer umlaufenden Maschine oder Strömungsmaschine wird
Brennstoff in Brennkammern verbrannt, um der Maschine Ener
gie in Form von heißen Arbeitsgasen zu liefern. Die
heißen Arbeitsgase strömen zu dem Turbinenabschnitt
der Maschine. In dem Turbinenabschnitt bilden die Schaufeln
feststehende Kränze von Leitschaufeln und umlaufende Kränze
von Laufschaufeln. Diese Schaufeln werden benutzt, um die
strömenden Gase zu lenken und den Gasen Energie zu entzie
hen. Infolgedessen sind die Schaufeln im Betrieb des Trieb
werks von heißen Arbeitsgasen umströmt, wodurch Wär
mespannungen in den Schaufeln verursacht werden, die den
Festigkeitsverband und die Dauerfestigkeit der Schaufel
nachteilig beeinflussen. Diese Wärmespannungen bilden ein
ständiges Problem seit dem Aufkommen von auf hoher Tempe
ratur arbeitenden umlaufenden Maschinen, wie beispielsweise
Gasturbinentriebwerken, weil es erforderlich ist, das
Triebwerk bei hohen Temperaturen zu betreiben, um den Trieb
werkswirkungsgrad zu maximieren. Beispielsweise können
die Schaufeln in den Turbinen von solchen Triebwerken
Temperaturen in den Arbeitsgasen von bis zu 1371°C aus
gesetzt sein. Die Laufschaufeln und die Leitschaufeln die
ser Triebwerke werden typisch gekühlt, um den Festigkeits
verband und die Dauerfestigkeit der Schaufel durch Verrin
gern der Größe der Wärmespannungen in der Schaufel zu be
wahren.
Eine ältere Lösung für die Schaufelkühlung ist in der US
31 71 631 beschrieben. Gemäß dieser US-Patentschrift
wird Kühlluft in den Hohlraum zwischen der saugseiti
gen Wand und der druckseitigen Wand der Schaufel geleitet
und durch die Verwendung von Umlenksockeln oder Leitschau
feln zu verschiedenen Stellen in dem Hohlraum gelenkt. Die
Sockel dienen außerdem als tragende Teile zum Verstärken
der Laufschaufel.
Mit der Zeit sind ausgeklügeltere Lösungen entwickelt wor
den, bei denen gewundene Durchlässe benutzt werden, wie
es beispielsweise in der US 35 33 712 beschrieben ist.
Diese US-Patentschrift beschreibt die Verwendung von
schlangenförmigen Durchlässen, die sich durch den gesam
ten Hohlraum in der Laufschaufel erstrecken, um eine maß
geschneiderte Kühlung der verschiedenen Teile der Schaufel
zu erreichen. Das Schaufelmaterial, das die Durchlässe be
grenzt, sorgt für die notwendige bauliche Festigkeit der
Schaufel.
Spätere Patentschriften, wie die US 40 73 599, beschrei
ben die Verwendung von verwickelten Kühldurchlässen in Ver
bindung mit anderen Techniken zum Kühlen der Schaufel. Bei
spielsweise wird der Vorderkantenbereich gemäß dieser US-Pa
tentschrift durch Aufprallkühlung gekühlt, woran sich das
Abgeben von Kühlluft über einen sich in Richtung der Spann
weite erstreckenden Durchlaß in dem Vorderkantenbereich der
Laufschaufel anschließt. Die in dem Durchlaß strömende Luft
bewirkt außerdem eine Konvektionskühlung des Vorderkantenbereichs,
wie es bei dem Durchlaß gemäß der US 31 71 631
der Fall ist.
Das Kühlen von Turbinenschaufeln unter Verwendung von ver
wickelten Kühldurchlässen und Filmkühllöchern allein oder
in Verbindung mit Rippen zum Fördern
der Kühlung des Vorderkantenbereichs bildet den Gegenstand
von vielen jüngeren Patentschriften, wie den US
41 77 010, 41 80 373, 42 24 011 und 42 78 400. Die aus
diesen US-Patentschriften bekannten Laufschaufeln sind
durch große Kühlluftdurchlässe im Verhältnis zur Dicke der
Wände in dem Vorderkantenbereich der Laufschaufel gekenn
zeichnet.
Die GB 14 10 014 offenbart eine kühlbare Schaufel, bei der Kühl
luft durch in einem spitzen Winkel angeordnete Leitrippen zur
Vorderkante geleitet wird. Die Leitrippen stehen sehr weit in
den Kühllufthohlraum hinein vor und setzen dem schnellen Durch
gang von Kühlluft großen Widerstand entgegen.
Dagegen offenbart die DE-OS 29 06 366 eine kühlbare Schaufel,
bei der Rippen zur Turbulenzauslösung und -förderung quer zur
Strömungsrichtung des Kühlfluids angeordnet sind. Diese Rippen
verhindern das Ausbilden einer laminaren Grenzschicht an der
druckseitigen bzw. saugseitigen Wand der Schaufel und verbessern
so die Kühlwirkung. Allerdings ist es bei dieser Schaufel notwe
ndig, einen besonderen Kühlfluidkanal zur Kühlung des besonders
kritischen Vorderkantenbereichs vorzusehen. Kühlfluid strömt
durch den Sockel in diesen Kanal ein und durch Löcher im Vorder
kantenbereich zur Filmkühlung wieder aus. Ein zweiter Kühlfluid
weg erstreckt sich schlangenförmig durch einen zweiten Hohlraum
in der Laufschaufel. Das Vorsehen zweier Kühlfluidwege bedeutet
einen komplizierten Aufbau mit den damit verbunden Nachteilen
wie hohe Fertigungskosten und hohes Gewicht. Außerdem ist es mit
Hinblick auf den Wirkungsgrad einer Turbine oft wünschenswert,
in bestimmten Stufen der Turbine kühlbare Schaufeln ohne Film
kühlung einzusetzen.
Jüngere aerodynamische Untersuchungen zeigen, daß eine
elliptische Vorderkante Vorteile hinsichtlich der Leistung
im Betrieb des Gasturbinentriebwerks hat. Die elliptische
Vorderkante wird in Verbindung mit einer Schaufel benutzt,
die eine dünnere Querschnittsform (Dicke zu Profilsehnen
länge) im Vergleich zu früheren Schaufeln hat. Trotz
des dünnen Profils ist eine Mindestdicke der Wände erfor
derlich, damit die Schaufel eine ausreichende bauliche
Festigkeit erhält und ein gewisses Ausmaß an statistisch
zu erwartender Beschädigung durch Fremdobjekte aushalten
kann. Es ist laut diesen Untersuchungen also wünschenswert, eine Schaufel
für aerodynamische Zwecke mit einer elliptischen
Vorderkante und dickeren Wänden relativ zu der Größe der
Kühlfluiddurchlässe im Vergleich zu dem Verhältnis zwischen den
Wänden und der Größe der Durchlässe in früheren Schaufeln zu versehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kühlbare
Schaufel, insbesondere zur Verwendung in Hochtemperaturturbinen,
so auszubilden, daß das Kühlfluid wirksam ausgenutzt wird
und der Vorderkantenbereich der Schaufel auch bei einem schmalen Durchlaß
im Vergleich zur Dicke der Schaufelwände ausreichend
gekühlt und trotzdem die Aufgabe von Kühlfluid durch Film
kühlung aus dem Vorderkantenbereich der Schaufel vermieden
wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1
angegebenen Merkmale gelöst.
Gemäß der Erfindung hat eine kühlbare Schaufel, die einen
Kühlfluiddurchlaß an einer Vorderkantenwand
aufweist, mehrere sich über den Kühlfluiddurchlaß erstreckende
Rippen zur Turbulenzauslösung und -förderung, die schräg zu der sich nähernden
Strömung und in einem spitzen Winkel zu der Innenseite der Vorderkantenwand
angeordnet sind. Die Höhe dieser Rippen liegt dabei in einem Bereich
zwischen 10 und 33% der örtlichen Höhe des Kühlfluiddurchlasses.
Durch die Verwendung von Rippen zur Turbulenzauslösung und -för
derung ist im Gegensatz zu einer Verwendung von Leitrippen ge
währleistet, daß das Kühlfluid ohne großen Widerstand durch die
gesamte Schaufel geleitet werden kann. Durch die Anordnung die
ser Rippen in einem spitzen Winkel zur Innenseite der Vorderkan
tenwand erhalten Wirbel, die an diesen Rippen entstehen, eine
Geschwindigkeitskomponente zur Vorderkantenwand hin. Dies führt
dazu, daß das Kühlfluid insgesamt zum Vorderkantenbereich der
Schaufel abgelenkt wird. Dieser kritische Bereich wird so effek
tiv auch ohne Filmkühlung gekühlt. So ist es möglich, den Kühl
fluiddurchlaß im Vergleich zur Dicke der Schaufelwand schmal zu
halten. Weiter ist es nicht notwendig, einen zusätzlichen Kühl
luftweg für die Kühlung des Vorderkantenbereiches vorzusehen.
Dies vereinfacht den Aufbau der kühlbaren Schaufel.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen
stände der Unteransprüche.
In einer Ausführungsform steht der Kühlfluiddurchlaß in dem Vorder
kantenbereich in Strömungsverbindung mit dem Hinterkantenbereich
über einen Umlenkdurchlaß und ein Loch, das
den Umlenkdurchlaß mit dem Hinterkantenbereich zum Abgeben von
Teilchenmaterial aus dem Kühlfluiddurchlaß und zum zusätzlichen
Kühlen des Vorderkantenbereichs, des Umlenkdurchlasses und
des Hinterkantenbereichs verbindet.
In einer weiteren Ausführungsform hat der Vorderkanten
bereich der Schaufel an der Außenseite eine elliptisch geformte
Oberfläche und an der Inneneite eine zylindrisch geformte Oberfläche
mit einem Radius ri. Die Rippen, die zu der sich
nähernden Strömung abgewinkelt sind, haben eine Höhe, die
größer als oder gleich dem Radius ri ist.
Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Lebensdauer der
Schaufel, die aus der Dicke der Wände in dem Vorderkanten
bereich resultiert, welche die Schaufel vor einer Beschädi
gung durch Fremdobjekte schützt, und aus der Kühlung der
verdickten Wände, die übermäßige Wärmespannungen in den
Wänden verhindert. In einer Ausführungsform wird die Le
bensdauer der Schaufel verlängert, indem Teilchenmaterial
aus dem Bereich an der Spitze der Schaufel über einen Kanal
abgeführt wird, der Kühlfluid durch die Gebiete geringer Strö
mung der Schaufel leitet. Ein weiterer Vorteil ist die Ver
größerung des Wirkungsgrades der umlaufenden Maschine, die
daraus resultiert, daß ein Teil der Kühlströmung kanali
siert wird, um die Kühlwirkung der Strömung zu steigern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un
ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine Ansicht einer Schaufel,
die teilweise im Schnitt und teil
weise weggebrochen dargestellt ist,
um die saugseitige Wand der
Schaufel sichtbar zu machen,
Fig. 2 eine Querschnittansicht nach der
Linie 2-2 in Fig. 1 und
Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht
nach der Linie 3-3 in Fig. 2, die
einen Teil der Strömung in dem Vor
derkantenbereich der Schaufel
zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Schaufel 10 für eine umlaufende Maschine
oder Strömungsmaschine. Die Schaufel 10 hat einen
Wurzelabschnitt 12, einen Plattformabschnitt 14 und einen
Flügelprofilabschnitt 16. Der Wurzelabschnitt 12 faßt in den
Rotor der Maschine ein. Der Plattformabschnitt 14 bildet einen
Teil der Innenwand des Strömungsweges für Arbeitsgase
in der Mascine. Der Flügelprofilabschnitt 16 erstreckt sich
durch den Strömungsweg der Arbeitsgase nach außen und
hat eine Spitze 18 an seinem äußersten Ende. Die Schaufel
10 hat Bezugsrichtungen, wie die Spannweitenrichtung S
und die Profilsehnenrichtung C.
Der Wurzelabschnitt 12 hat eine sich in Richtung der Profil
sehne erstreckende Wurzelwand 20. Ein vorderer Kanal 22 steht
über die Wurzelwand 20 mit einer Kühlfluidquelle, wie beispiels
weise einem Verdichter für Kühlluft (nicht dargestellt), in Strömungs
verbindung. Ein hinterer Kanal 24 erstreckt sich durch die
Wurzelwand 20. Eine Platte 25 erstreckt sich über den hinteren
Kanal 24 und blockiert eine Strömungsverbindung mit einer
Kühlfluidquelle (nicht dargestellt). In einer anderen Aus
führungsform steht der hintere Kanal 24 in Strömungsverbindung
mit der Kühlfluidquelle.
Der Flügelprofilabschnitt 16 hat einen Vorderkantenbereich 26 und
eine Hinterkante 28. Eine saugseitige Wand 30 und eine
druckseitige Wand 32 (in Fig. 1 der Übersichtlichkeit hal
ber weggebrochen und in Fig. 2 gezeigt) sind in dem Vorderkanten
bereich 26 und an der Hinterkante 28 miteinander verbunden. Die
druckseitige Wand 32 ist mit Abstand von der saugseitigen
Wand 30 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Hohlraum 34
vorhanden ist. Eine Spitzenwand 36 und die Wurzelwand 20
begrenzen den Hohlraum 34 in der Richtung der Spannweite. Eine
Begrenzungswand 38 erstreckt sich in Richtung der Spannweite
von der Spitzenwand 36 aus und unterteilt den Hohlraum 34
in einen hinteren Teil 40 und einen vorderen Teil 42. Die
Begrenzungswand 38 hat Abstand von der Wurzelwand 20, so daß
ein hinterer Umlenkdurchlaß 44 zwischen ihnen verbleibt, über
den der hintere Teil 40 der Schaufel 10 mit dem vorderen
Teil 42 und mit dem sich durch den Wurzelabschnitt 12 der
Schaufel 10 erstreckenden hinteren Kanal 24 in Strömungsverbin
dung ist. Der hintere Teil 40 der Schaufel 10 enthält einen
Hinterkantenbereich 46. Der Hinterkantenbereich 46 steht mit
dem Strömungsweg der Arbeitsgase über die Zwischenräume von in gegensei
tigem Abstand angeordneten Sockeln 48 in Strömungsverbindung. Jeder
Sockel 48 erstreckt sich zwischen der saugseitigen Wand 30
und der druckseitigen Wand 32, um die Strömung örtlich zu
blockieren, und begrenzt mit der Begrenzungswand 38 einen
sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Durchlaß 50
für Kühlfluid im hinteren Teil 40. Mehrere Rippen 52 zur
Turbulenzauslösung und -förderung sind rechtwinkelig
zu der sich nähernden Strömung angeordnet und stören die
Bildung einer laminaren Grenzschicht, indem sie in der
Grenzschicht eine turbulente Strömung auslösen, wenn die
Strömung über die Rippen 52 hinweggeht.
Eine Leitwand 53 erstreckt sich in Richtung der
Spannweite von der Wurzelwand 20 aus und unterteilt den vor
deren Teil 42 der Schaufel 10 in einen Kühlfluiddurchlaß
54 und einen Kühlfluidkanal 56. Der Kühlfluiddurchlaß 54
ist einer Vorderkantenwand 58 in dem Vorderkantenbereich 26 der
Schaufel 10 benachbart. Der Kühlfluiddurchlaß 54 hat ein
stromaufwärtiges Ende 60 in Strömungsverbindung mit dem
vorderen Kanal 22 und eine stromabwärtiges Ende 62, das über
einen vorderen Umlenkdurchlaß 64 mit dem Kühlfluidkanal 56 in
Strömungsverbindung ist. Eine erste Anzahl von
Rippen 66s zur Turbulenzauslösung und -förderung erstreckt
sich durch den Kühlfluiddurchlaß 54 und von der
saugseitigen Wand 30 aus. Eine zweite Anzahl von Rippen
66p zur Turbulenzauslösung und -förderung erstreckt sich
von der druckseitigen Wand 32 aus.
Die zweiten Rippen 66p der druckseitigen Wand 32 sind
in bezug auf die ersten Rippen
66s der saugseitigen Wand 30 veretzt, so daß die ersten
und zweiten Rippen 66s, 66p sich abwechselnd
über den Kühlfluiddurchlaß 54 erstrecken. Die
Rippen 66s, 66p sind schräg zu der sich nähernden Strömung und
abgewinkelt unter einem spitzen Winkel α in bezug auf die
Vorderkantenwand 58 angeordnet. Der spitze Winkel α beträgt un
gefähr 30°. Der Kühlfluiddurchlaß 54 hat eine Achse Ap. Die Ge
samtrichtung der Strömung des Kühlfluids ist zu der Achse Ap
parallel. Mehrere Umlenkschaufeln 68 sind in dem vorderen Umlenk
durchlaß 64 angeordnet, der zwischen der Spitzenwand 36 und
der Leitwand 53, die mit Abstand von der Spitzenwand 36
angeordnet ist, gebildet ist. Die Umlenkschaufeln 68 erstrecken
sich zwischen der saugseitigen Wand 30 und der druckseitigen
Wand 32 und lenken die Strömung aus dem Kühlfluiddurchlaß 54
in den Kühlfluidkanal 56. Der Kühlfluidkanal 56 hat mehrere
Rippen 69 zur Turbulenzauslösung und -förderung, die normal zu
dem Strömungsweg des Kühlfluids angeordnet sind.
Der vordere Umlenkdurchlaß 64 ht ein Eckgebiet 70. In einer anderen
Ausführungsform ist die Schaufel 10 mit einem Loch 72
an dem Eckgebiet 70 versehen, um einen Teil der Strömung
aus dem vorderen Umlenkdurchlaß 64 in den Hinterkantenbereich 46 der
Schaufel 10 abzuleiten. Das Loch 72 vergrößert die Strömung von
Kühlfluid durch das Eckgebiet 70, was eine zusätzliche Kühlung
des Eckgebietes 70 ergibt. Der Querschnitt des Loches 72 in der
Begrenzungswand 38 ist kleiner als 2% des Strömungsquerschnittes
des Kühlfluiddurchlasses 54 und kleiner als 2% des Strömungs
querschnittes des Kühlfluidkanals 56. Das Loch 72 bildet
außerdem einen Kanal zum Wegleiten von Teilchenmaterial,
das durch Kühlfluid eingeleitet und in dem Eckgebiet 70 durch
Drehkräfte aus dem Bereich an der Spitze 18 der Schaufel 10 eingefangen
worden ist, zu dem hinteren Teil 40 der Schaufel 10, um es aus
der Schaufel 10 abzugeben.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht eines Teils der
Schaufel 10 nach der Linie 2-2 in Fig. 1. Die Schaufel 10
hat an der Außenseite eine elliptisch geformte Oberfläche 74 und an der Innenseite eine
zylindrisch geformte Oberfläche 76 mit einem Radius
ri. Der Kühlfluiddurchlaß 54 in dem Profilsehnenquerschnitt nach der
Linie 2-2 in Fig. 1 hat eine Mittellinie M, eine längs der
Mittellinie M gemessene Breite W und eine Höhe H in irgendeinem
Punkt längs einer Linie, die zu der Mittellinie rechtwinkelig
ist. Die Rippen 66s, 66p haben eine entsprechende Höhe
h, die größer als 10%, aber kleiner als 33% der Höhe des Kühlfluid
durchlasses 54 ist. Jede Rippe 66s, 66p erstreckt sich über
die Breite des Kühlfluiddurchlasses 54 in die Nähe des Vorderkantenbereichs
26 der Schaufel 10. Jede Rippe 66s, 66p hat ein Übergangsstück
78, das sich von der druckseitigen Wand 32 und von der saug
seitigen Wand 30 zu jeder Rippe 66s, 66p erstreckt. Das Über
gangsstück 78 ist einstückig mit der Rippe 66s, 66p gebildet,
um Spannungskonzentrationen an dem Ende der Rippe 66s, 66p zu
reduzieren. Die Rippen 66s, 66p haben einen Abstand d von der
Vorderkantenwand 58 in dem Vorderkantenbereich 26. Der Abstand d hat
einen Wert, der gleich der oder größer als die Höhe h der
Rippen 66s, 66p, aber kleiner als das oder gleich dem Fünf
fachen der Höhe h der Rippen 66s, 66p ist (hd5 h). Gemäß den
Fig. 1 und 2 sind die an der druckseitigen Wand 32 angeord
neten Rippen 66p jeweils parallel zu und haben in
Richtung der Spannweite Abstand von einer benachbarten ersten
Rippe 66s an der saugseitigen Wand 30.
Im Betrieb der Schaufel 10 strömt Kühlfluid in dem Wurzel
abschnitt 12 durch den vorderen Kanal 22. Kühlfluid, das den
vorderen Kanal 22 verläßt, tritt in das stromaufwärtige Ende
60 des Kühlfluiddurchlasses 54 in dem Vorderkantenbereich 26
der Schaufel 10 ein. Das Fluid strömt über die Rippen 66s, 66p
hinweg, und der überwiegende Teil des Fluids bewegt sich parallel
zu der Achse Ap, die in Fig. 1 als ein Pfeil dargestellt
ist, des Kühlfluiddurchlasses 54.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Wechselwirkung
zwischen zwei Stromlinien S₁ und S₂ des Kühlfluids, wenn
das Kühlfluid über zwei erste Rippen 66s auf der saugseitigen
Wand 30 der Schaufel 10 hinweggeht. Diese beiden Stromlinien
S₁, S₂ sind an der saugseitigen Wand 30 des Flügelprofilabschnitts
16, und, wenn sie über die ersten Rippen 66s hinweggehen, wird
ein Teil der Strömung längs der Stromlinie S₁, S₂ zu dem Vorderkanten
bereich 26 hin abgelenkt, wie es durch die gestrichelten Linien
S₁′, S₁′′, S₂′ und S₂′′ gezeigt ist. Wenn die Stromlinien
S₁, S₂ über die ersten Rippen 66s hinweggehen, werden darüberhinaus
kleine Wirbel V₁′, V₁′′, V₂′, V₂′′ an der stromaufwärtigen Seite der ersten
Rippen 66s gebildet, die sich mit einer Geschwindigkeits
komponente ablösen, die sich in der Profilsehnenrichtung C
erstreckt, was zur Folge hat, daß sich die kleinen Wirbel V₁′, V₁′′
zu dem Vorderkantengebiet und in dieses bewegen, was durch
die Wirbel V₁′ und V₁′′ gezeigt ist, wodurch in dem Vorder
kantenbereich 26 Turbulenz verursacht und die Bildung einer la
minaren Grenzschicht in dem Vorderkantenbereich 26 gestört wird.
Weitere Wirbel V₂′ und V₂′′ bewegen sich in dieser Gesamt
richtung und stören die Bildung der laminaren Grenzschicht zwischen
der Hauptströmung und der saugseitigen Wand 30 durch Verursachung
einer turbulenten Strömung in der Grenzschicht. Dieser Vorgang
verbessert die Wärmeübertragung zwischen der saugseitigen
Wand 30 und der Kühlfluidströmung. Experimente an
Wassermodellen der Schaufeln bestätigen (durch Einspritzen
eines Farbstoffes an dem Punkt A in Fig. 1), daß die
Rippen 66s, 66p den Teil der Strömung, der sich an den
Rippen 66s, 66p befindet, veranlassen, sich in den Vorderkantenbereich 26
der Grenzschicht zu bewegen, wie es durch die gestrichelte
Linie A′ gezeigt ist. Diese Strömungsablenkung ist
insbesondere hilfreich, wenn die Strömung in ein Gebiet MCR
der mittleren Profilsehne der Schaufel 10 eintritt, weil
Turbulenz und eine zusätzliche Kühlung in dem sehr schmalen
Vorderkantenbereich 26 des Kühlfluiddurchlasses 54 verursacht werden.
Das Gebiet MCR der mittleren Profilsehne der Schaufel
10 ist für die Wärmeübertragung ein kritischer Bereich, und
zwar wegen der Dicke der Wände 58, 30, 32 und der Wärmemenge, die durch
die Arbeitsgase auf das Gebiet MCR übertragen wird. Das
kritische Gebiet MCR der mittleren Profilsehne wird mit der
verstärkten, turbulenten Strömung, die durch die abgewinkelten
Rippen 66s, 66p hervorgerufen wird, wirksam gekühlt. Wenn
die Strömung den Kühlfluiddurchlaß 54 verläßt und sich über
die Umlenkschaufeln 68 bewegt, wird die Strömung von Teilen
der Schaufel 10 durch die Umlenkschaufeln 68 teilweise fern
gehalten. Wegen der geringen Dicke des Bereichs an der Spitze 18 ist das
Fernhalten der Strömung nicht von starken Wärmespannungen
begleitet, wie es der Fall wäre, wenn die Strömung in dem
Gebiet MCR der mittleren Profilsehne der Schaufel 10 blockiert
würde. Das Kühlfluid durchströmt die Kurve und strömt durch
den Kühlfluidkanal 56 und den hinteren Umlenkdurchlaß 44 zu
dem Durchlaß 50 in dem hinteren Teil 40 der Schaufel 10.
In der anderen Ausführungsform, in der der hintere Kanal 24
und der hintere Umlenkdurchlaß 44 in Strömungsverbindung mit einer
Kühlfluidquelle sind, dienen der hintere Kanal 24 und der hintere Umlenk
durchlaß 44 als ein Injektor an der Verbindungsstelle zwischen
dem hinteren Umlenkdurchlaß 44 und dem hinteren Kanal 24, wodurch die Kühl
fluidströmung durch den Vorderkantenbereich 26 hindurch zu dem
Hinerkantenbereich 46 gesaugt wird, wo sie zum weiteren Kühlen
benutzt wird, bevor sie aus der Schaufel 10 abgegeben wird.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die verstärkte Tur
bulenz in dem Vorderkantenbereich 26, die zu verstärkter
Kühlung in dem kritischen Gebiet MCR der mittleren Profilsehne
der Schaufel 10 führt. Es werden zwar Rippen 66s, 66p benutzt,
die einen Winkel von 30° haben, es ist jedoch anzunehmen,
daß Rippen 66s, 66p, die einen Winkel haben, der zwischen
15° und 60° liegt, sich als wirksam erweisen werden, und
zwar in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Strömung
in dem Kühlfluiddurchlaß und der der Höhe der Rippen 66s, 66p. In der
gezeigten besonderen Ausführungsform haben die Rippen
66s und 66p eine nominelle Höhe von 0,389 mm, bei einer
Toleranz von plus oder minus 0,0762 mm.
Claims (5)
1. Kühlbare Schaufel ohne Filmkühlung im Vorderkantenbe
reich (26), mit einer Vorderkantenwand (58) in dem Vorder
kantenbereich (26), mit einem Kühlfluiddurchlaß (54), der
durch die Vorderkantenwand (58) in dem Vorderkantenbereich
(26) begrenzt ist, und mit Rippen (66s, 66p) zur Turbu
lenzauslösung und -förderung, die sich über die Breite des
Kühlfluiddurchlasses (54) bis in die Nähe des Vorderkan
tenbereichs (26) erstrecken, wobei die Rippen (66s, 66p)
in einem spitzen Winkel α zu der Innenseite der Vorderkan
tenwand (58) schräg entgegen der Kühlfluidströmungsrich
tung in dem Kühlfluiddurchlaß (54) angeordnet sind und an
jeder Stelle eine Höhe (h) aufweisen, welche zwischen 10
und 33% der örtlichen Höhe (H) des Kühlfluiddurchlasses
(54) liegt.
2. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß weiter eine Leitwand (53) vorgesehen ist, die Ab
stand von der Vorderkantenwand (58) hat und sich in der
selben Richtung wie die Vorderkantenwand (58) erstreckt,
wobei sich die Rippen (66p, 66s) von der Leitwand (53) aus
zu der Vorderkantenwand (58) erstrecken und einen Abstand (d)
von der Vorderkantenwand (58) haben, der gleich der
oder größer als die Höhe (h) der Rippen (66s, 66p), aber
kleiner als das Fünffache oder gleich dem Fünffachen der
Höhe (h) der Rippen (66s, 66p) ist (hd5 h).
3. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß eine erste Anzahl der Rippen (66s) auf einer
saugseitigen Wand (30) der Schaufel (10) angeordnet ist
und daß eine zweite Anzahl der Rippen (66p) auf einer
druckseitigen Wand (32) der Schaufel (10) und in Richtung
der Spannweite mit Abstand von und parallel zu den ersten
Rippen (66s) auf der saugseitigen Wand (30) so angeordnet
ist, daß die ersten und zweiten Rippen (66s, 66p) längs
des Kühlfluiddurchlasses (54) miteinander abwechseln.
4. Kühlbare Schaufel nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel α
gleich 30° ist.
5. Kühlbare Schaufel nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkantenwand (58)
an der Außenseite in dem Vorderkantenbereich (26) eine el
liptisch geformte Oberfläche (74) und an der Innenseite
eine zylindrisch geformte Oberfläche (76) mit einem Radius
ri hat und daß die Höhe (h) der Rippen (66s, 66p) größer
als der Radius ri ist.
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