DE4042729C2 - Minimale Leckströmung zwischen Schaufelspitze und Gehäusewand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Einrichtungen, um die parasitäre Leckströ­ mung an den Spitzen von Axialturbinenschaufeln zu minimie­ ren.

Wie bekannt ist, hat die Flugzeug-Triebwerkindustrie, um die Leistungsfähigkeit der Triebwerke zu steigern, große Bemühungen aufgewendet in ihren Bestrebungen, um den Spalt oder Abstand zwischen dem äußeren Luftabschluss oder der äußeren Verkleidung und der Spitze der Turbinenschaufeln von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken zu minimieren. Bei­ spielsweise offenbart die US-PS 4 069 662 ein wirksam täti­ ges Spaltreguliersystem, das in ausgewählter Weise Luft auf das Triebwerkgehäuse einwirken lässt, um das Gehäuse zu schrumpfen oder einzuziehen und den äußeren Luftabschluss näher an die Spitzen der Turbinenschaufeln heranzubringen. Andere Systeme offenbaren die passive Bemühung, um den Spalt zu vermindern, indem Luft mit unterschiedlichen Tem­ peraturpegeln in die Nähe des äußeren Luftabschlusses zum Strömen gebracht wird, um diesen zu einem Kontrahieren oder Expandieren zu bringen.

Es ist auch bestens bekannt, dass die Kompliziertheit des Problems unmittelbar auf die Verwendung, für die das Trieb­ werk vorgesehen ist, bezogen ist. Beispielsweise stellen die bei Jagdflugzeugen ausgeführten Flugmanöver Anforderun­ gen an das Flugzeugtriebwerk, die weit über die hinausge­ hen, welche von einem Passagierflugzeug gefordert werden. Der Pilot eines Jagdflugzeugs wird sehr viel mehr Schwünge, Drehungen und Übergangszustände wählen, als das ein Pilot eines Passagierflugzeugs tun wird. Diese Zustände wirken offensichtlich sehr stark auf die Auslegung des Triebwerks ein, was insbesondere für die Verhältnisse des Turbinenro­ torraumes oder -abstandes zum äußeren Luftabschluss gilt. Diese Anforderungen, die durch den Piloten gestellt werden, rufen eine Erhitzung und Kühlung der Konstruktion des Tur­ binenteils derart hervor, dass das Schrumpfen und Expandie­ ren sowie deren Raten das parasitäre Leckströmungsproblem der Turbine beeinflussen. Hieraus folgt, dass jeglicher technische Beitrag, der dazu dient, den Spalt oder Zwi­ schenraum zu vermindern, während der Turbine ein Betrieb ohne ein unangebrachtes Schleifen am äußeren Luftabschluss ermöglicht wird, als äußerst wesentlich und bedeutungsvoll anzusehen ist, da die Leckströmung die Gesamtleistung des Triebwerks starken Einwirkungen unterwirft.

Ferner ist beispielsweise aus der DE 35 14 393 A1 eine Schaufel einer Axialturbine bekannt, in der Kühlluftöffnun­ gen im Bereich der Schaufelspitze vorgesehen sind, um die­ sen Bereich zu kühlen. Mit dieser Turbinenschaufel wird ei­ ne Minimierung des Spalts zwischen der Turbinenschaufel und der sie umgebenden Verkleidung dadurch erreicht, dass ein geeigneter Abriebsbelag auf der Schaufelspitze vorgesehen ist, damit die Turbine sich während ihres Laufs an die Ver­ kleidung anpassen kann, um somit Leckverluste an der Schau­ felspitze zu vermindern.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Turbinen­ schaufel vorzuschlagen, bei der die Leckströmung zwischen Turbine und Verkleidung minimiert ist.

Die Aufgabe wird mit einer Axialturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind auf einer der Verkleidung zugewandten Fläche der Schaufelspitze und längs der druckseitigen Kante dieser Fläche Austrittsmündungen zum Austritt der Kühlluft vorgesehen, die in Richtung auf die Druckseite der Schaufel geneigt sind, um durch Ausstoßen der Kühlluft unter Druck in dem Spalt zwischen der Schaufelspitze und der Verklei­ dung eine Pufferzone zu erzeugen, die eine Leckströmung zwischen der Schaufelspitze und der Verkleidung vermindert. Mit anderen Worten, es wurde gefunden, dass die Leckströ­ mung vermindert werden kann, indem ein Teil der im Inneren der Turbinenschaufeln vorhandenen Kühlluft von der Schau­ felspitze in einer besonderen Richtung diskret ausgestoßen wird.

Die Aufgabe sowie die Ziele wie auch die Vorteile und Merk­ male der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeich­ nung Bezug nehmenden Beschreibung deutlich. Es zeigt die einzige Figur einen Teilschnitt der Spitze einer Turbinenschaufel gemäß der Erfindung.

Der Erfindungsgegenstand ist insbesondere wirkungsvoll für Turbinenschaufeln eines Gasturbinentriebswerks, bei dem ei­ ne innere Kühlung der Schaufeln erwünscht ist. Die Kon­ struktion von innenseitig gekühlten Turbinenschaufeln ist in der Literatur beschrieben.

Die Figur zeigt eine Turbinenschaufel, wobei der Radialka­ nal 70 sich über die Schaufelfläche von der Sogseite 72 aus quer erstreckt, so dass die Luft an der Spitze benachbart zur Druckseite 74 ausgestoßen wird. Die Austrittsöffnung oder -düse 76 ist mit der ebenen Fläche 78 der Schaufel so ausgerichtet, dass sie einen Winkel von 20° bildet.

Gemäß der Erfindung wird eine aerodynamische Puffer- oder Trennzone in dem Spalt zwischen der Spitze einer luftge­ kühlten Schaufel einer Axialturbine eines Gasturbinentrieb­ werks und der umschließenden Verkleidung oder dem äußeren Luftabschluss erzeugt, indem ein Strom von Kühlluft von der Schaufelspitze in einer wohl überlegten Richtung diskret mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Dieser Strom ist unter einem Winkel mit Bezug zur Drehebene der Turbine ausgerichtet, so dass er in den Spalt in der Richtung der Druckseite der Turbine und vorzugsweise unter einem Winkel mit Bezug zur ebenen Fläche der Spitze der Schaufel zwi­ schen 15° und 45° ausgestoßen wird.

Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen erläutert und bildlich dargestellt wurde, so ist klar, dass dem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet der Technik bei Kenntnis der durch die Erfindung vermittel­ ten Lehre Abwandlungen und Abänderungen an die Hand gegeben sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind.

Claims (7)

1. Axialturbine für ein Gasturbinentriebwerk in Ver­ bindung mit einer die Turbine umschließenden ringförmigen Verkleidung (56), wobei die Turbine eine Mehrzahl von in­ nenseitig durch Luft gekühlte Turbinenschaufeln hat, die jeweils eine nahe der Verkleidung angeordnete Schaufelspit­ ze haben, die zwischen der Schaufelspitze und der Verklei­ dung einen Spalt (54) begrenzt, wobei die Turbinenschaufel eine Druck- und eine Sogseite hat, dadurch gekennzeichnet, dass entlang und benachbart zu der Sogseite (72) der Schaufel sich ein radial auswärts verlaufender Kanal (70) befindet, der in der Nähe der Schaufelspitze (78) seine Richtung auf die Druckseite hin ändert, der in der Nähe der Schaufelspitze zu mindestens einer an der Schaufelspitze vorgesehenen Austrittsmündung (76) hin zum Austritt der Kühlluft verläuft, die zur Druck­ seite der Schaufel geneigt und zur Druckseite (74) benach­ bart ist.

2. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die der Verkleidung (56) zugewandte Fläche (78) der Schaufelspitze eine im Wesentlichen ebene Fläche ist, in der die Austrittsmündung (76) vorgesehen ist.

3. Axialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine Vielzahl von Austrittmündungen (76) vorgesehen ist, wobei der Neigungswinkel von allen Aus­ trittsmündungen (76) bezüglich der Fläche (78) der Schau­ felspitze im Wesentlichen gleich ist.

4. Axialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Neigungswinkel mit Bezug zu der ebenen Fläche (78) der Schaufelspitze 15° bis 45° beträgt.

5. Axialturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel einen im Inneren der Schaufel angeordneten luftführenden Kanal aufweist, der sich als Zufuhrkanal radial gerade durch die Schaufel erstreckt und Kühlluft vom Schaufelfuß zur Schau­ felspitze führt, wobei der Zufuhrkanal dem Radialkanal (70) ergänzende Kühlluft durch Nachfüllöffnungen zuführt, die längs des Zufuhrkanals radial beabstandet sind.

6. Axialturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkanal (70) eine Vielzahl von in der Sogfläche (72) der Schaufel mit radialem Abstand zueinander angeordnete Filmkühlöffnungen speist.

7. Axialturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schaufel von Filmkühlkanälen durchgriffen ist, die Filmkühlöffnungen mit Kühlluft speisen, wobei die Filmkühlkanäle über Nachfüllöffnungen und den Zufuhrkanal mit Kühlluft aufgefüllt werden.