DE862691C

DE862691C - Turbinen- od. dgl. Schaufel

Info

Publication number: DE862691C
Application number: DEB12761A
Authority: DE
Original assignee: Bristol Aeroplane Co Ltd
Current assignee: Bristol Aeroplane Co Ltd
Priority date: 1949-12-02
Filing date: 1950-12-01
Publication date: 1953-01-12
Also published as: FR1028630A; CH290667A; GB679931A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 12. JANUAR 1953

B 12/01 Ia/ 46 f

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft Schaufeln für Turbinen od. dgl., die bei erhöhten Temperaturen arbeiten, z. B. Gasturbinen, mit Abgas betriebene Turbinen, Dampfturbinen; sie bezieht sich auf die Kühlung derartiger Schaufeln in solcher Weise, daß' der Kühleffe'kt an den Stellen eintritt, wo er am notwendigsten ist.

Erfindungsgemäß sindeine oder beide Oberflächen der Schaufel, also die konkave und/oder konvexe ίο Oberfläche, so ausgebildet, daß sie über ihre ganze Länge und Breite der Kühlung unterliegen.

Die Kühlung erfolgt durch ein Medium, welches durch die Schaufel strömt und an oder nächst der End- oder Schwanzkante der Schaufel austritt.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe sind in dem Flügel oder der Schaufel Durchgangskanäle angeordnet, längs welcher das kühlende Medium von dem an die Schaufelwurzel anschließenden Ende

gegen den Stirnteil und außerdem in der Querrichtung durch die Schaufel strömt, und zwar unmittelbar unter einer Oberfläche oder beiden Oberflächen.

Unter Stirnteil des Flügels oder der Schaufel ist derjenige Teil zu verstehen, der gegen die Leitkante zu gerichtet ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Durchgangsquerschnitt für das Kühlmittel gebildet durch einen Hauptkanal, der sich in der Längsrichtung der Schaufel erstreckt, und durch eine Mehrzahl von gesonderten Nebenkanälen, die von dem Hauptkanal abzweigen und quer bis zur End- oder Schwanzkante oder in die Nähe derselben verlaufen. ·

Zur Bildung dieser Kanäle sind in- die konkave und/oder konvexe Oberfläche des Schaufelkörpers' Rillen eingelassen; die mit Rillen versehene Ober-

fläche ist durch eine Platte abgedeckt, welche zusammen mit den Rillen die Durchströmkanäle für das kühlende Medium begrenzt und zugleich die konkave oder konvexe Oberfläche bildet. Die erwähnte Platte wird an der Oberfläche des Schaufelkörpers durch Löten, Hartlöten oder Schweißen befestigt, und zwar an den zwischen den Zweigkanälen liegenden Oberflächenteilen, so daß die benachbarten Zweigkanäle· nicht miteinander kommunizieren. Der Hauptkanal wird durch eine in die Oberfläche des Schaufelkörpers eingelassene Nut gebildet, die sich von nahe der Spitze der Schaufel bis zur Schaufelwurzel erstreckt und welche an eine Zuleitungsbohrung am Wurzelende angeschlossen ist. Der Hauptkanal hat entweder auf seiner ganzen Länge eine gleichmäßige Tiefe oder aber es nimmt die Tiefe gegen die Spitze zu allmählich ab.

Die Zweig- oder Querkanäle, die ebenfalls in die

Oberfläche des Schaufelkörpers eingeschnitten, sind, erstrecken sich bis zur Enidkante der Deckplatte oder bis über diese Kante hinaus, so daß das Kühlmedium unmittelbar unter dieser Endkante der Deckplatte entweichen kann.

Die Zweig- oder Ouerkanäle sind in gleichem Abas stand voneinander; der gegenseitige Abstand kann aber auch verschieden sein, um· an verschiedenen Teilen der Schaufel den gewünschten Grad der Kühlung zu erreichen.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel, und zwar

Fig. ι die Draufsicht einer erfindungsgemäßen Schaufel auf deren konkave Oberfläche,

Fig. 2, 3, 4 und 5 Schnitte nach den Linien H-II, HI-III₅ IV-IV und V-V der Fig. 1,

- Fig. 6 den Schnitt nach Linie VI-VI zu Fig. 3.

Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel besitzt die Turbinenschaufel, die generell mit 10 bezeichnet ist, eine konkave Oberfläche 11 und eine konvexe Oberfläche 12¹; sie ist in üblicher Weise durch eine Schaufel wurzel 13 getragen, mittels . deren sie am der Turbinenscheibe befestigt ist, Die Schaufel 10 besteht aus dem Schaufelkörper 14, der aus einem Stück -mit der Schaufelwurzel gefertigt ist, und einer Deckplatte 15., die an der konkaven Oberfläche des Schaufelkörpers befestigt ist. Letzterer ist in bekannter und üblicher Weise ausgeführt.

In die Schaufelwurzel 13 ist eine Bohrung 16 eingelassen, die sich etwa über die halbe Stärke des· ■ 50 Teiles 13 erstreckt (Fig. 1 und 3). Etwa im ersten Viertel der Breite, von der Leitkante 17 der Schaufel aus gesehen, befindet sich in dem Schaufelkörper 14 eine Längsnut 18. Diese beginnt an der Schaufelwurzel 13 und endigt kurz vor der Schaufelspitze 19; sie verläuft im wesentlichen parallel mit der Leitkante und der Schwanzkante (Fig. 1). Die Nut 18 bildet zusammen mit der Deckplatte iSden obenerwähnten Hauptkanal, dessen Tiefe gegen die Spitze zu abnimmt (s. Fig. 3, 4 und 5); indessen kann die Tiefe über die ganze Länge des Hauptkanals auch die gleiche sein. Die Nut 18 steht über eine Bohrung 20 (Fig. 6) in Verbindung mit der erwähnten Einlaßbohrung 16 der Schaufelwurzel 13.

Die Bohrung 16 mündet an einer Seite der Turbinenscheibe nach außen und ist an eine Kühlmittelquelle, beispielsweise Druckluft, angeschlossen. Die mit der Bohrung 16 zusammenarbeitenden Mittel für die Zuführung des Kühlmediums bestehen beispielsweise aus Überströmkanälen, die mit. der Turbinenscheibe umlaufen. Eine andere Ausfüh- 7« rungsmöglichkeit wäre die Anordnung eines Ringkanals in einem feststehenden Gehäuse, das an die Turbinenscheibe anliegt, wobei der Ringkanal mit der Bohrung 16 kommuniziert, wenn die Turbinenscheibe umläuft.

Von der Nut 18 zweigt eine Mehrzahl von im gegenseitigen Abstand angeordneten Kanälen 21 ab. Diese verlaufen in' der Querrichtung gegen die Schwanzkante 22 zu. Die Zweig- oder Ouerkanäle 21 erstrecken sich, wie die Fig. 1, 3 und 4 zeigen,- ⁸Q von kurz hinter der Leitkante 17 bis fast an die Endkante 22 der Schaufel. Sie können aber, wenn es erwünscht ist, bis an die Kante 22 heranreichen.

Die Deckplatte 15 ist an der genuteten konkaven Oberfläche 25 des Schaufelkörpers 14 befestigt und ⁸S bildet die konkave Oberfläche 11 der Schaufel. Die Befestigung erfolgt durch Löten, Hartlöten, Schweißen oder auf andere geeignete Weise, derart, daß ein Lecken des Kühlmittels zwischen der Deckplatte und der konkaven Oberfläche nicht möglieh ist, ausgenommen an den nächst der Schwanzkante liegenden Enden der Querkanäle 21. Die Ver- ■ schweißung, Verlötung oder sonstige Befestigung der Deckplatte erfolgt an den Stegen oder Erhöhungen zwischen benachbarten Ouerkanälen, so daß das Kühlmittel auch nicht von einem Querkanal zum anderen lecken kann. Die Spannweite der Deckplatte 15 ist so bemessen, daß die Enden der Querkanäle 21 nächst der. Leitkante verschlossen sind, während die gegenüberliegenden Enden nächst der Schwanzkante frei liegen (Fig. 1, 3 und 4). Die Deckplatte 15 geht in die Oberfläche der Schaufel bei 23 und in die Schaufelwurzel bei 24 über (Fig. 2 und 6).

Bei einer anderen Ausführungsform, können sich die Querkanäle bis zur Schwanzkante erstrecken, jedoch ist die beschriebene Ausführungsform, vorzuziehen.

Das durch die Bohrung 16 zugeführte Kühlmittel durchströmt die Bohrung 20 und bewegt sich dann längs der Nut 18, von wo aus es in die Querkanäle 21 verteilt wird, um kurz vor der End- oder Schwanzkante 22 unter der Deckplatte 15 zu entweichen. Es wird daher die konkave Oberfläche 11 der Schaufel 10 über ihre ganze Länge und Breite gekühlt, da die Ouerkanäle sich auf die ganze Fläche zwischen der S chaufel wurzel und der Schaufelspitze verteilen (Fig. 1).

Die Querkanäle 21 können gleichen Abstand voneinander besitzen. Wenn aber festgestellt wurde, daß die Temperatur gegen die Spitze der Schaufel zu beträchtlich höher wird als gegen die Schaufelwurzel zu, so können die Kanäle in unterschiedlichen Abständen voneinander liegen, um die Kühlwirkung unter dem Gesichtspunkt einer gleichmäßigen Verteilung über die ganze Schaufel zu

Claims

variieren. Dasselbe Ziel läßt sich erreichen, wenn man die Ouerkanäle in gleichem Abstand anordnet, jedoch die Querschnitte unterschiedlich ausführt, wobei die Kanäle größeren Querschnitts dort vorgesehen sind, wo eine stärkere Kühlung verlangt ist. Selbstverständlich können beide Ausführungsarten, nämlich die Anordnung der Kanäle in verschiedenen Abständen zueinander und ihre Ausführung in verschiedenen Tiefen, vereinigt sein. ίο Die Schaufel und die Deckplatte werden aus hitzebeständiger Legierung hergestellt, vorzugsweise aus einer Legierung der gleichen Zusammensetzung oder der gleichen physikalischen Eigenschaften; im besonderen sollen die Legierungen im wesentlichen den gleichen Dehnungskoeffizienten besitzen. Das verwendete Lot- oder Hartlötmetall wird unter Berücksichtigung 'der Betriebstemperaturen der Schaufel sowie des Metalls, aus welchem die Schaufel und die Deckplatte bestehen, ausgewählt. Die Deckplatte wird auf der Schaufel dadurch befestigt, daß man sie an der Schaufel unter Zwischenschaltung einer Folie aus einem geeigneten Lötmittel an Ort bringt. Schaufel und Platte werden sodann gegeneinandergepreßt und in einem verschlossenen Behälter auf die gewünschte Löttemperatur gebracht. Die Erhitzung kann, entweder in einem Ofen erfolgen, in welchem gekraktes (gespaltenes) Ammoniak eine inerte Atmosphäre bildet, oder aber durch Eintauchen der Schaufel und der Deckplatte in ein auf der gewünschten Temperatur gehaltenes Hitzebad. Es kann aber das Lötmittel auf die Schaufel und/oder die Deckplatte auch auf elektrolytischem Weg erzeugt oder als Pulver aufgestreut oder aufgesprüht werden; in jedem Fall soll der Lötprozeß in einer nicht oxydierenden Atmosphäre stattfinden. Bei Verwendung eines Lötmittels mit einem Schmelzpunkt von 1050° C wird als Hitzebad in bekannter Weise eine Barium-Chlorid-Mischung verwendet, die Bariumchlorid und Kieselerde enthält, und auf einer Temperatur von 1100 bis 11500 C gehalten wird. Bei der zeichnerisch wiedergegebenen Ausführungsform beträgt die Länge der Schaufel über die Schaufelwurzel 44,83 mm, die Entfernung zwischen Leitkante und Endkante 22,23 mm; der Hauptkanal 18 ist 6,299 mm von der Leitkante entfernt. Er besitzt teilkreisförmigen Querschnitt mit einer Tiefe von etwas unter 1,194 mm an dem nächst der Schaufelwurzel liegenden Ende; die Tiefe nimmt stetig ab und endigt in kurzer Entfernung von der Schaufelspitze. Die Quer- und Zweigkanäle sind im Querschnitt halbkreisförmige Nuten mit einem Durchmesser von 1,27 mm. Der Abstand der Mittelpunkte benachbarter Querkanäle beträgt 3,556 mm. Im ganzen sind siebzehn Zweig- oder Querkanäle vorgesehen. Die Deckplatte hat eine Dicke von 2,54 mm. Der Haupt'kanal 18 und die Ouerkanäle 21 sind in den Schaufelkörper 14 durch Fräsarbeit eingeschnitten; die Ouerkanäle 21 sind gleichzeitig in einem Arbeitsgang mittels eines Gruppenfräsers erzeugt. Der Erfindungsgedanke läßt sich in gleicher Weise zur Kühlung der konvexen Oberfläche der Schaufel anwenden. In diesem Fall ist die konvexe Oberfläche mit einem Haupt'kanal und mit Ouer- oder Zweigkanälen versehen; das Kanalsystem ist in der beschriebenen Weise von einer Platte abgedeckt. Unter bestimmten Umständen kann es wünschenswert sein, sowohl die konvexe wie die konkaw Oberfläche der Schaufel mit einem Kühlsystem1 der erfindungsgemäßen Art auszurüsten. Der Hauptverwendungszweck für die erfindungsgemäße Schaufel sind Gasturbinen für Luftfahrzeuge, wo höchstmögliche Leistung und höchstmöglicher thermischer Wirkungsgrad gefordert sind; die erfindungsgemäße Kühlung der Schaufeln gestattet ohne Erhöhung der Schaufeltemperatur die Anwendung höherer Gastemperatur, als dies bisher möglich war. Bei Turbinen, bei denen die Erreichung eines maximalen thermischen Wirkungsgrades oder einer höchstmöglichen Leistung nicht ausschlaggebend ist, erlaubt die nach dem Erfindungsvorschlage gekühlte Schaufel die Verwendung von Werkstoffen, die gegenüber erhöhten Temperaturen weniger widerstandsfähig sein müssen, also von Werkstoffen, die im allgemeinen billiger und leichter zu bearbeiten sind als die höheren Temperaturen ausgesetzten Werkstoffe und die auch, allgemein gesprochen, leichter zu beschaffen sind. Diese verschiedenen Gesichtspunkte sind für die Erfindung gleichermaßen von Bedeutung; die erhebliche Temperatursenkung, die durch die-erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht wird, bedeutet in jedem Fall einen erheblichen technischen Fortschritt. Der Erfindungsgedanke läßt sich auch an Statorschaufeln von Turbinen od. dgl. verwirklichen. In diesem Fall werden die Schaufeln grundsätzlich in der oben beschriebenen Weise ausgebildet und zur Montage in dem Statorgehäuse mit einer entsprechenden Schaufelwurzel ausgerüstet. Die Statorschaufeln werden durch eine Bohrung in der Schaufelwurzel mit einem Kühlmedium beschickt. Pat ε χ ta ν s ρ ρ, Oc h ic :

1. Turbinen- od. dgl. Schaufel, dadurch gekennzeichnet, daß in ihrem Innern dicht unter der konkaven und/oder der konvexen Oberfläche Durchgangskanäle für ein Kühlmedium derart angeordnet sind, daß das Kühlmittel von der Schaufelwurzel gegen den Stirnteil der Schaufel und in der Querrichtung strömt und am- oder nächst der End- oder Schwanzkante der Schaufel entweicht.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kanalsystem aus einem in der Längsrichtung verlaufenden Hauptkanal und einer Vielzahl von diesem abzweigender, gegen die End- oder Schwanzkante verlaufender Querkanäle besteht.

3. Schaufel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Schaufelkörper mit einer konkaven und einer konvexen

Oberfläche besteht, wobei in eine dieser Oberflächen oder in beide Rillen eingelassen, sind und die gerillte Oberfläche durch eine Platte abgedeckt ist, die zusammen mit den Rillen das ■ innere Kühlkanalsystem der Schaufel begrenzt sowie die konkave bzw. konvexe Schaufeloberfläche bildet.

4. Schaufel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß .die Deckplatte an der Oberfläche des Schaufelkörpers durch Löten, Hartlöten oder Schweißen befestigt ist.

5. Schaufel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß* die Deckplatte an den Stoß-Stegen zwischen benachbarten Querkanälen im . Schaufelkörper verlötet oder verschweißt ist, so daß ein Lecken zwischen benachbartem Querkanälen vermindert oder vermieden ist.

6. Schaufel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkanal durch eine

in die Oberfläche des Schaufelkörpers geschnittene Nut von gleichmäßiger Tiefe über die ganze Länge gebildet ist und daß. diese Nut mit einer im die S chaufel wurzel eingelassene'Bohrung in Verbindung steht.

7. Schaufel nach Anspruch 1 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, daß; 'die Tiefe der den Hauptkanal· bildenden·, in die Oberfläche des Schaufelkörpers geschnittene Nut in Richtung gegen die Schaufelspitze abnimmt.

S. Schaufel nach Anspruch ϊ bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querkanäle durch in die Oberfläche des Schaufelkörpers eingeschnittene Nuten gebildet sind, die sich bis zu der Endkante der Deckplatte oder über diese Kante hinaus erstrecken, so daß" das Kühlmedium unmittelbar unter dieser Endkante dieser Deckplatte entweichen kann.

9. Schaufel nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querkanäle in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.

10. Schaufel nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Abstände der Querkanäle unterschiedlich sind.

11. Schaufel nach Anspruch 1 bis-10, dadurch gekennzeichnet, daßi die Querkanäle unterschiedliche Querschnitte besitzen.

12. Rotor aus Schaufeln nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daßi die Befestigungswurzel jeder Schaufel mit einer in den Hauptkanal mündenden Bohrung versehen ist und das mit dem Rotor in Wechselwirkung! arbeitende Mittel zur Beschickung der Schaufeln mit dem Kühlmittel· über diese Bohrungen vorgesehen sind. .

ij. Stator aus Schaufeln nach Anspruch I bis 11, dadurch gekennzeichnet, daßi die Befestigungswurzel jeder Schaufel mit einer in den Hauptkanal mündenden Bohrung versehen ist und diese Bohrungen an eine Kühlmittelquelle zur Beschickung der Statorschaufeln mit dem Kühlmittel angeschlossen sind.

14. Rotor oder Stator nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ^kennzeichnet, daß als Kühlmittel Druckluft dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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