DE1601563C3

DE1601563C3 - Luftgekühlte Laufschaufel

Info

Publication number: DE1601563C3
Application number: DE1967G0050766
Authority: DE
Inventors: David Max Cincinnati Ohio Kercher (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-02-26
Filing date: 1967-07-29
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE1601563A1; GB1188401A; DE1601563B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftgekühlte Laufschaufel einer axial durchströmten Turbine mit mehreren, parallel in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlkanälen und mit einem im Bereich der Schaufelvorderkante verlaufenden Vorderkantenkanal und einem im Bereich der Schaufelhinterkante verlaufenden Hinterkantenkanal.

Bekanntlich sind die Leistung und der Wirkungsgrad von bei hohen Temperaturen betriebenen Axialströmungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen, um so größer, je höher die Betriebstemperatur ist. Da die Temperaturfestigkeit der Bestandteile der Turbine begrenzt ist, werden die den höchsten Temperaturen ausgesetzten Teile, insbesondere die feststehenden Leitschaufeln und die umlaufenden Laufschaufeln gekühlt. Als Kühlmittel wird gewöhnlich Druckluft verwendet, die vom Kompressor abgezweigt wird. Die durch diese Druckluftentnahme bedingte Verringerung der Leistung der Maschine muß natürlich kleiner sein als die durch die Kühlung bewirkte Leistungszunahme, da sonst die Kühlung nutzlos wird. Die Kühlung muß daher mit möglichst geringem Verbrauch an Kühlluft erfolgen.

Ein weiteres Problem bei der Kühlung von Laufschaufeln besteht darin, daß alle Teile der Laufschaufeln nicht nur ausreichend, sondern auch gleichmäßig gekühlt werden. Die Vorder- und Hinterkanten, die den höchsten Wärmebeanspruchungen ausgesetzt sind, müssen dabei am stärksten gekühlt werden, aber der dazwischenliegende Mittelbereich darf nicht zu stark gekühlt werden, um überhöhte Temperaturgradienten zu vermeiden.

Die Kühlung kann eine Konvektionskühlung sein, die im einfachsten Fall dadurch erfolgt, daß die in den hohlen Schaufelkörper eingebrachte Kühlluft die Wärme von der Innenfläche der Schaufelwand aufnimmt. Es können aber auch mehrere parallele und einzeln mit Kühlluft gespeiste oder der Reihe nach vom Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle vorgesehen sein, wie es in der Zeitschrift »The Oil Engine«, Febr. 1958, Seiten 396 bis 398, beschrieben, und insbesondere in Fig. 5 gezeigt ist. Dies Kühlung ist im .allgemeinen unzureichend und vor allem ungleichmäßig, weil von den heißesten Stellen, insbesondere der Vorderkante der Schaufel, nicht wesentlich mehr Wärme aufgenommen werden kann als von den weniger heißen Stellen. Ferner hängt die Kühlwirkung der Konvektionskühlung von einer Reihe von schwierig zu kontrollierenden Faktoren ab, wie der Wanddicke des Schaufelkörpers, die oft gerade an den heißesten Stellen am größten ist.

Eine bessere Kühlwirkung wird durch die Aufprallkühlung erzielt, bei der Kühlluftstrahlen gezielt auf die zu kühlenden Stellen gerichtet werden, wie es in der DE-AS 1204021 (s. Fig. 7) oder der GB-PS 856674 beschrieben ist. Diese Aufprallkühlung ist zwar wirksamer als eine Konvektionskühlung, ihre Wirksamkeit wird aber dadurch beeinträchtigt, daß

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das abgelenkte Kühlmittel eine an der Innenfläche entlangstreichende Querströmung bildet.

Die näher bei den Enden der Kammer gelegenen Kühlmittelstrahlen treffen auf die Querströmung auf, die von den mehr in der Mitte gelegenen Kühlmittel- ^r> strahlen stammt, wodurch sie abgelenkt werden, bevor sie auf die zu kühlende Innenfläche auftreffen. Da die abgelenkten Kühlmittelstrahlen ihrerseits zu der Querströmung beitragen, wird dieser Effekt zu den beiden Enden der Kammer hin zunehmend stärker, ι ο Das Kühlmittel wird daher nur schlecht ausgenutzt, so daß die Kühlung mit vertretbarem Kühlmittelaufwand unbefriedigend ist. Außerdem ist die Kühlwirkung ungleichmäßig, da sie zum Schaufelfuß und zur Schaufelspitze hin abnimmt. r>

Häufig wird auch die Filmkühlung angewendet, bei welcher Kühlluft aus dem hohlen Inneren des Schaufelkörpers durch Kühlkanäle nach außen geleitet wird, so daß sie in Form eines dünnen Films oder Schleiers an der Außenfläche der Schaufel entlangstreicht und _>o diese vor den heißen Gasen schützt. Mit der Filmkilhlung können insbesondere die Seitenwände der Schaufel wirksam gekühlt werden. Eine Filmkühlung der Vorderkante der Schaufel ist dagegen mit vertretbarem Kühlluftverbrauch praktisch nicht möglich; da r> die Kühlluft entgegen dem Strom der heißen Gase austreten muß, kann sich in dem am stärksten beanspruchten Bereich kein zusammenhängender wirksamer Kühlluftfilm bilden.

So sind zwar bei einer in F ig. 4 der gleichen DE-AS in 1204021 dargestellten Schaufel in der Schaufel vorderkante mehrere Kühlluftkanäle angebracht, die von einer im Anschluß an den Vorderkantenbereich im Inneren des Schaufelkörpers gebildeten Kammer senkrecht zur Schaufelvorderkante nach außen füh- π ren. Die Kühlluft wird an dem radial außen liegenden Ende in die Kammer eingeführt und strömt in dieser radial nach innen, um die Vorderkante durch Konvektion zu kühlen. Die Kühlluftkanäle ermöglichen es, daß die Luft in der Kammer aus dieser austreten κι kann, um die Vorderkante zu kühlen. Sie ergeben aber keine wesentliche Verbesserung gegenüber einer reinen Konvektionskühlung, da sich unmittelbar an der Schaufelvorderkante kein Kühlschleier ausbilden kann. .r>

Aus der US-PS 2 866 618 ist eine Schaufel bekannt, bei der im Vorderkantenbereich zu beiden Seiten der Vorderkante öffnungen oder radial verlaufende Kühlschlitze angebracht sind. Auch in diesem Fall durchströmt die Kühlluft eine im vorderen Teil des -,o Schaufelkörpers gebildete Kammer radial von außen nach innen, wobei sie durch die Kühlschlitze austritt. Die Kühlung der Schaufelvorderkante erfolgt ausschließlich durch Konvektion mittels der an der Innenfläche entlangstreichenden Kühlluft. Die aus den ■-,■-, Kühlschlitzen austretende Kühlluft ergibt zwar eine Filmkühlung der Schaufelseitenwände, beeinträchtigt aber die Konvektionskühlung der Schaufelvorderkante durch den Kühlluftentzug.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe be- _W) steht darin, eine Laufschaufel zu schaffen, die über ihrem gesamten axialen Querschnitt unter Berücksichtigung der an den einzelnen Abschnitten stark unterschiedlichen Wärmeflüsse auf eine gleichförmige Temperaturverteilung gekühlt ist zur Vermeidung lo- „.-, kalisierter Hitzestellen oder wesentlicher Temperaturgradienten und die eine minimale Kühlmittelmenge erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einer Laufschaufel der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) ausgehend von einem mit einer eigenen Kühllufteintrittsöffnung am Schaufelfuß versehenen ersten Mittenkanal sind die zwischen diesem und dem Vorderkantenkanal liegenden ersten Kühlkanäle derart untereinander verbunden, daß die Kühlluft serpentinenförmig vom ersten Mittenkanal bis zu dem am Schaufelfuß angeordneten Eingang des dem Vorderkantenkanal benachbarten Vorderkanal geleitet ist;

b) ausgehend von einem mit einer eigenen Kühllufteintrittsöffnung am Schaufelfuß versehenen zweiten Mittenkanal sind die zwischen diesem und dem Hinterkantenkanal liegenden zweiten Kühlkanäle derart untereinander verbunden, daß die Kühlluft serpentinenförmig vom zweiten Mittenkanal bis zu dem an der Schaufelspitze angeordneten Eingang des dem Hinterkantenkanal benachbarten Hinterkanal geleitet ist;

c) der Vorderkanal steht über zahlreiche radial beabstandete, die Kühlmittelströmung beschleunigende Drosselöffnungen mit dem Vorderkantenkanal in Verbindung;

d) der Hinterkanal steht über radial beabstandete Kühlluftverbindungsöffnungen mit dem Hinterkantenkanal in Strömungsverbindung;

e) der Vorderkantenkanal ist mit an den Schaufelseitenwänden mündenden Kanälen versehen, die in horizontaler Ebene einen spitzen Winkel (Θ₂ in Fig. 5) mit der Schaufelseitenwand bilden;

f) der Hinterkantenkanal ist über im wesentlichen axial verlaufende Konvektionskühlkanäle mit der Schaufelhinterkante verbunden.

Um die Konvektionskühlung der Vorderkante zu verstärken, sind gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung im Vorderkantenkanal an der Schaufelvorderkante mündende Kanäle angeordnet, die in vertikaler Ebene einen spitzen Winkel (Θ₂ in Fig. 7) mit der Schaufelvorderkante bilden. Durch die Neigung der Kühlkanäle wird die Wärmeübertragungsfläche vergrößert. Vorzugsweise beträgt der spitze Winkel etwa 30°. Der spitze Winkel der an den Schaufelseitenwänden mündenden Kühlkanäle beträgt in horizontaler Ebene vorzugsweise 30° oder weniger.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung nimmt der Kanalquerschnitt der aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Kühlkanäle von Kühlkanal zu Kühlkanal, ausgehend von den Mittenkanälen bis zum Vorder- bzw. Hinterkanal ab. Dadurch wird die durch die serpentinenförmigen Kühlkanäle strömende Kühlluft beschleunigt und es entstehen höhere Wärmeübertragungskoeffizienten. Die daraus resultierende Zunahme der Wärmeübertragungsrate und die andererseits entstehende Abnahme der Wärmeübertragungsrate, die durch die Erwärmung der Kühlluft hervorgerufen wird, führen zu einer im wesentlichen gleichförmigen Wärmeübertragung im gesamten Mittelabschnitt und zu minimalen Temperaturgradienten in der Laufschaufel.

Um eine Verstopfung der Kühlkanäle und insbesondere der Drossel- und Verbindungsöffnungen zu verhindern, sind vorzugsweise an den radial äußeren Enden der Mitten-, Vorder- und Hinterkanäle Auslaßöffnungen für feste Fremdstoffteilchen vorgesehen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile beste-

hen insbesondere darin, daß ein fein abgestimmtes Kühlsystem erhalten wird, das an die an einzelnen Schaufelabschnitten auftretenden unterschiedlichen Temperatureinflüsse optimal angepaßt ist. So wird der relativ kälteste Schaufelabschnitt in der axialen Mitte durch Konvektion mittels des am Schaufelfuß eingeführten Kühlmittels gekühlt. Im Vorderkantenbereich, wo die höchsten Temperaturen auftreten, ist das durch die serpentinenförmigen Kühlkanäle geleitete Kühlmittel soweit erwärmt, daß am Vorderkanal keine kalten Brücken auftreten, deren Temperaturgradienten eine Rißbildung hervorrufen würden. An die Konvektionskühlung schließt sich in Kühlmittelströmungsrichtung eine Aufprallkühlung an der innenseitigen Schaufelvorderkante an. Darüber hinaus wird der gleiche Kühlmittelstrom für eine Filmkühlung an den Schaufelseitenwänden ausgenutzt, die sich bis zur Schaufelhinterkante erstreckt, die üblicherweise geringeren Temperaturbelastungen ausgesetzt ist. Zusätzlich ist der axial hintere Schaufelabschnitt innen durch Konvektion gekühlt mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen serpentinenförmigen Kühlkanäle und der axialen Kanäle, die an den Schaufelhinterkanälen münden. Da das Kühlmittel der Reihe nach in verschiedenen Kühlungsarten optimal ausgenutzt wird, ist auch der Gesamtwirkungsgrad der Turbine durch den Kühlluftentzug nur minimal vermindert.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes, welches einen Turbinenrotor mit luftgekühlten Laufschaufeln nach der Erfindung aufweist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles des in Fig. 1 gezeigten Rotors,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von Laufschaufeln in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht einer Laufschaufel,

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht längs der Linie 6-6 in Fig. 4 und

Fig. 7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 der Fig. 5.

In Fig. 1 ist der hohen Temperaturen ausgesetzte Abschnitt eines Axialströmungs-Gasturbinentriebwerkes 10 dargestellt. Das Triebwerk weist ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11 auf, welches die hohen Temperaturen ausgesetzten Abschnitte umgibt. Beim dargestellten Gasturbinentriebwerk ist ein ringförmiger Brennkammerraum 12 vorgesehen. Der Brennkammerraum 12 ist zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und einer inneren Wandung 13 ausgebildet. Eine ringförmige Brennkammerauskleidung 14 ist zwischen dem zylindrischen Gehäuse 11 und der inneren Wandung 13 im Brennkammerraum 12 angeordnet. Die Verbrennung findet innerhalb der ringförmigen Brennkammerauskleidung 14 statt. Die Ringräume 15 und 16 zwischen der Brennkammerauskleidung 14 und dem Gehäuse 11 und der Wandung 13 sind mit unter hohem Druck stehender Luft gefüllt, die vom nicht dargestellten Kompressor abgegeben wird. Diese unter hohem Druck stehende Luft, die relativ zur hohen Temperatur der Verbrennungsgase innerhalb der Brennkammerauskleidung 14 verhältnismäßig kühl ist, wird in einer gesteuerten Weise dem

Inneren der Brennkammer zugeführt, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und um eine Kühlung in der Brennkammer zu bewirken. Außerdem wird diese verhältnismäßig kühle Luft zur Kühlung bestimmter Turbinenteile verwendet, welche heißen Verbrennungsprodukten ausgesetzt sind.

Ein ringförmiger Leitkranz 20 ist in Fig. 1 am stromab gelegenen Ende der Brennkammerauskleidung 14 dargestellt, um die heißen Verbrennungsprodukte einer Reihe von Turbinenschaufeln 21 mit der richtigen Geschwindigkeit und unter dem richtigen Winkel zuzuführen. Die Turbinenschaufeln 21 sind am Umfang eines Turbinenrades 22 montiert, welches zusammen mit einem zweiten Turbinenrad 24, welches Schaufeln 25 aufweist, auf einer Welle 23 befestigt ist, die koaxial zur Triebwerksachse in einem Lager 27 drehbar gelagert ist. Der aus den Turbinenrädern 22 und 24 und der Welle 23 bestehende rotierende Turbinenteil treibt den nicht dargestellten Kompressor des Triebwerkes 10 an. Zwischen den beiden Turbinenrädern 22 und 24 ist ein zweiter Leitkranz 28 angeordnet.

Die Gesamtströmung der Verbrennungsprodukte geht durch die ringförmigen Leitkränze 20 und 28 hindurch und durchströmt die Turbinenschaufeln 21 und 25. Wenn das Gasturbinentriebwerk 10 mit dem Wirkungsgrad und mit der Leistung betrieben werden soll, die in modernen Gasturbinentriebwerken gefordert werden, müssen die Verbrennungsprodukte von der Brennkammer 14 mit Temperaturen abgegeben werden, die höher sind als diejenigen, denen Schaufeln, die aus gegenwärtig erhältlichen Materialien hergestellt sind, ohne Kühlung widerstehen können. Diese hohe Leistung wird dadurch ermöglicht, daß eine wirksame Kühlung für alle Schaufelteile geschaffen wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Kühlung lediglich für die Schaufeln 21 des Turbinenrades 22 vorgesehen. Die gleiche Kühlung kann aber auch bei den Laufschaufeln 25 des Turbinenrades 24 angewendet werden.

Ehe darauf eingegangen werden soll, wie eine Kühlmittelströmung durch das Innere und über die äußeren Oberflächen der Schaufeln 21 geleitet und gerichtet wird, sei kurz der allgemeine Aufbau des Turbinenrotors beschrieben.

Das Turbinenrad 22 weist auf seinem Umfang im Abstand angeordnete Schlitze 30 auf, in denen die Schaufelfüße 31 der Schauflen 21 aufgenommen sind. Ein Schaufelkörper 33 ist einstückig mit dem Schaufelfuß 31 ausgebildet und erstreckt sich von diesem radial nach außen. Der Schaufelkörper 33 ist derjenige Teil der Laufschaufel 21, der den heißen Verbrennungsprodukten ausgesetzt ist.

Der Schaufelkörper 33 einer jeden Laufschaufel ist ein Bauteil mit Tragflächenprofil bzw. Stromlinienform und weist eine äußere konvexe Seitenwandfläche 35 und eine äußere konkave Seitenwandfläche 36 auf, die Vorder- und Hinterkanten 37 und 38 miteinander verbinden. Wie die Fig. 5 und 6 zeigen, ist die aerodynamische Form des Schaufelkörpers 33 an der Vorderkante 37 abgerundet und ziemlich stumpf, während der Hinterkantenbereich sich verjüngt und recht dünn ist. Um diese kritischen Vorderkanten und Hinterkantenbereiche sowie den Mittelabschnitt zu kühlen, weist jeder Schaufelkörper 33 Kühlkanäle auf, die in den Fig. 4-7 gezeigt sind. Der Schaufelkörper 33 weist insbesondere eine Anzahl axial beabstandeter Kanäle auf, die einen radialen Vorderkanten-

kanal 40 an der Vorderkante 37, einen radialen Hinterkantenkanal 41 an der Hinterkante 38, eine erste Gruppe serpentinenförmiger Kühlkanäle 42, 43 und 44 und eine zweite Gruppe serpentinenförmiger Kühlkanäle 45 und 46 umfaßt. Wie die Fig. 4-6 zeigen, sind die Kühlkanäle 40—46 radiale Bohrungen, die sich vom radial äußeren Ende 50 des Schaufelkörpers 33 zum Schaufelfuß 31 nach innen erstrecken. Das äußere Ende 50 des Schaufelkörpers 33 weist eine Aussparung oder Kammer 51 auf, in der eine Stirnwandplatte 52 angeordnet ist, um mit Ausnahme von Auslaßöffnungen 53 die äußeren Enden der Kühlkanäle 40-46 abzuschließen. Wie Fig. 4 zeigt, sind die Kühlkanäle 42 und 43 durch eine Öffnung 54 an ihren radial äußeren Enden neben der Stirnwandplatte 52 und die Kanäle 43 und 44 durch eine Öffnung 55 an ihren innere;": Enden axial miteinander verbunden. In ähnlicher Weise sind die Kanäle 45 und 46 durch eine öffnung 56 an ihren radialen äußeren Enden neben der Stirnwandplatte 52 axial miteinander verbunden. In dem Schaufelkörper 33 verbindet eine Anzahl von verhältnismäßig kleinen Drosselöffnungen 57 den Vorderkantenkana! 40 und den Vorderkanal 44. Die Drosselöffnungen 57 sind längs dem gesamten Schaufelkörper 33 im radialen Abstand zueinander angeordnet. Diese öffnungen 57 sind derart bemessen, daß die Kühlmittelströmune beschleunigt wird, so daß 'üäurch die Konvektionskühlung an der Vorderkante intensiviert wird. An der Hinterkante verbinden radial beabstandete Öffnungen 58 den Hinterkantenkanal 41 und den Hinterkanal 46. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die öffnungen 58 derart bemessen, daß eine Verbindung ohne Drcsseiwirkung zwischen den Kanälen 41 und 46 hergestellt wird. Falls eine verbesserte Konvektionswärmeübertragung an der Hinterkante gewünscht wird, können die Öffnungen 58 wie die Öffnungen 57 derart bemessen sein, daß durch die Öffnungen 58 eine deutliche Beschleunigung der Kühlmittelströmung erzielt wird.

Das Kühlmittel zur Kühlung der Turbinenschaufeln

21 ist verhältnismäßig kalte Druckluft, die aus dem Ringraum 16 durch in Umfangsrichtung beabstandete öffnungen 60 in der inneren Wandung 13 abgeleitet wird, wie es durch die Pfeile in Fig. 1 dargestellt ist. Von den öffnungen 60 strömt die Luft durch in Umfangsrichtung beabstandete Öffnungen 61 in der Rotorwelle 23. Von hier aus strömt die Luft in axialer Richtung zur Hinterseite des Turbinenrades 22 und von dort entlang der Hinterseite des Turbinenrades

22 nach außen, um dieses Rad zu kühlen. Die Kühlluft tritt dann in einen Kammerabschnitt 62 radial innen von dem Schaufelfuß 31 ein. Von dort aus strömt die Kühlluft radial nach außen durch Nuten 63, die mit Eintrittsöffnungen 64 und 65 zu den radialen Kühlkanälen 42 und 45 in Verbindung stehen. Auf diese Weise wird die Kühlluft dem Innenraum des Schaufeikörpers 33 zugeführt.

Im Bereich der Vorderkante 37 des Schaufelkörpers 33 ist eine Anzahl von Kühlkanälen 70c, 7GZ?, 70c vorgesehen. Eine Reihe von radial im Abstand angeordneten Kühlkanälen 70a führt von dem Vorderkantenkanal 40 zu der konvexer, Sekenwandfläche 35. Eine zweite Reihe von radial im Abstand angeordneten Kühlkanälen 7öi> führt von dem Vorderkantenkana! 40 zu der konkaven Seilenwaiicifiäehe 36. Weiterhin sind zwei Reihen von radiai im Abstand angeordneten Kühlkanälen 70c vorgesehen, weiche von den! Vordcrkanienkanai 40 nach auß^;· y.wr Vorderkante 37 führen. Alle Kanäle 70a, 70b, 70c weisen sehr kleine Querschnittsflächen auf. Die Durchmesser der Kanäle liegen in der Größenordnung von 0,125 bis 0,635 mm. Ferner sind die Kanäle längs Achsen angeordnet, die mit den äußeren Wandflächen spitze Winkel bilden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Achsen der Kanäle 70a mit der konvexen Seitenwandfläche 35 einen spitzen Winkel G₁ von vorzugsweise weniger als 30°. Die Achsen der Kanäle 70fc bilden einen ähnlichen spitzen Winke! Θ₂ mit der konkaven Seitenwandfläche 36, der vorzugsweise kleiner ist als 30°. Zusätzlich sind die Kanäle 70a und 706 derart angeordnet, daß die aus dem Vorderkantenkanal 40 durch die Kühlkanäle austretende Kühlluft axial stromab längs der Seitenwandflächen 35 und 36zur Hinterkante 38 strömt. Wie Fig. 7 zeigt, bilden die Achsen der Kanäle 70c mit der Vorderkante 37 einen spitzen Winkel i?₃ von etwa 30^c, so daß die aus den Kühlkanälen austretende Kühlluft längs der Vorderkante 37 radial nach außen strömt. Die Funktionsweise der Kühlkanäle 70a, 70b, 70c und die Gründe für deren spezielle Orientierung werden noch erläutert.

Am sich verjüngenden und dünnen Hinterkantenbereich des Schaufelkörpers 33 sind eine Anzahl von Kühlkanälen 72 vorgesehen. Die radial beabstandeten Kühlkanäle 72 erstrecken sich axial von dem Hinterkantenkanal 41 durch die gesamte Hinterkante 38 und weisen wie die Kühlkanäle 70a, 706, 70c im Vorderkantenbereich einen sehr kleinen Durchmesser auf.

Im Betrieb wird verhältnismäßig kühle, unter hohem Druck stehende Luft aus dem Raum 16 durch die Eintrittsöffnungen 64 und 65 im Schaufelfuß 31 den radialen Kanälen 42 und 45 zugeführt. Von der Eintrittsöffnung 64 aus strömt die Kühlluft durch den Kanal 42 radiai nach außen, dann durch den Kanal 43 radial nach innen und dann durch den Kanal 44 wieder radial nach außen, von wo aus die Kühlluft durch die Drosselöffnungen 57 hindurch in den Vorderkantenkanal 40 hinein beschleunigt wird. Von der Eintrittsöffnung 65 aus strömt die Kühlluft durch den Kanal 45 radial nach außen und dann durch den Kanal 46 radial nach innen, von wo aus die Kühlluft durch die öffnungen 58 in den Hinterkantenkanal 41 strömt. Aus dem Vorderkantenkanal 40 und dem Hinterkantenkanal 41 tritt die Kühlluft durch die -Kühlkanäle 70a, 70b, 70c und 72 hindurch nach außen aus.

Durch den beschriebenen Aufbau wird ein außerordentlich leistungsfähiges Kühlsystem für den gesamten axialen Laufschaufelquerschnitt geschaffen. So wird im Vorderkantenbereich, in weichem die Kühlprobleme bisher am schwierigsten zu lösen waren sowohl eine Konvektionskühlung als auch eine Filmkühlung mit dem gleichen Kühlmittel erzeugt. Zusätzlich wird die Konvektionskühlung an der Vorderkante ganz erheblich durch eine Aufprallkühlung und eine vergrößerte Wärmeübertragungsoberfläche verstärkt. Die öffnungen 57, welche den Vorderkanal 44 mit dem Vorderkantenkanal 40 verbinden, sind Drosselöffnungen, die so bemessen sind, daß sie die Kühlmittelströmung drosseln. Dadurch wird das Kühlmittel beschleunigt. Dies führt dazu, daß beschleunigtes Kühlmittel im Vorderkantenabschnitt auf die Innenfläche des Schaufelkörpers in Form einer Vielzahl von Strahlen hoher Geschwindigkeit aufprallt, wodurch eine auße:-urdtntlich siürke Durchwirbelung und hohe \Väi"!Ticür»;'"'.r.': ^.n^kooiTiiiiciv.cr. vr, der Vorder-

kante erzielt werden. Die sogenannte Aufprallkühlung erzeugt also an der Vorderkante 37 sehr hohe Konvektionswärmeübertragungsraten. Aus dem Vorderkantenkanal 40 tritt die Kühlluft durch die Kühlkanäle 70a, 706,70c aus, die wegen ihrer Winkelanordnung eine wesentlich größere Wärmeübertragungsfläche bilden als sie mit senkrecht zu den Wandflächen verlaufenden Kühlkanälen erhalten würde. Diese außerordentlich wirksame Konvektionskühlung wird durch eine Film- oder Grenzschichtkühlung ergänzt, da die Winkelanordnung der Kühlkanäle 70a, 706, 70c, bewirkt, daß das abgegebene Kühlmittel in der Grenzschicht eingefangen bleibt und deshalb in einer dünnen Schicht auf der äußeren Schaufeloberfläche im Vorderkantenbereich verbleibt. Hierdurch wird der Schaufelkörper 33 gegen die heißen Verbrennungsprodukte isoliert.

Im Mittelabschnitt, in welchem der Kühlmittelfilm sich von den konvexen und konkaven Seitenwandflächen 35 und 36 abzulösen beginnt, wird eine ausreichende Kühlung durch Konvektionswärmeübertragung auf das Kühlmittel erreicht, welches durch die serpentinenförmigen Kühlkanäle 42 bis 46 strömt. Dabei durchströmt das gesamte Kühlmittel die Länge des Schaufelkörpers 33 mehr als einmal und in der vorderen Schaufelhälfte sogar dreimal. Andererseits wird durch diese Verlängerung des Strömungsweges eine Erwärmung des Kühlmittels erzielt, bevor es den Vorderkantenbereich erreicht, so daß die Temperaturdifferenz zwischen dem thermisch am stärksten belasteten Vorderkantenbereich und dem Mittelabschnitt verkleinert wird. Ferner kann der Kühlkanal 42 mit einem größeren Strömungsquerschnitt versehen werden als der Kühlkanal 43, der seinerseits einen größeren Strqmungsquerschnitt haben kann, als der Kühlkanal 44. In ähnlicher Weise kann der Kühlkanal 45 einen größeren Strömungsquerschnitt haben als der Kühlkanal 46. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Strömungsquerschnitte der beiden serpentinenförmigen Kühlkanalgruppen zwischen dem Einlaß und dem Auslaß abnehmen. Durch diese Abnahme des Strömungsquerschnittes wird die Kühlluft beschleunigt und es ergeben sich höhere Wärmeübertragungskoeffizienten. Diese Zunahme der Wärmeübertragungsrate, die sich aus den höheren Wärmeübertragungskoeffizienten ergibt, und die Abnahme

der Wärmeübertragungsrate die aus der Erwärmung des Kühlmittels resultiert, lassen sich in vorteilhafter Weise aneinander anpassen, um im Endergebnis eine im wesentlichen gleichförmige Wärmeübertragung im Mittelbereich und minimale Temperaturgradienten im Schaufelkörper 33 zu erzielen. Da sich bei diesem Aufbau ferner die Kühlkanäle mit den größeren Durchmessern im dickeren Abschnitt des Schaufelkörpers 33 befinden, wird eine verhältnismäßig leichte Schaufel mit gleichförmiger Stabilität erhalten. Im kritischen Hinterkantenbereich bilden die Kühlkanäle 72, die sich im wesentlichen axial zwischen dem Hinterkantenkanal 41 und der Hinterkante 38 erstrecken eine große Wärmeübertragungsfläche, so daß für eine außerordentlich wirksame Konvektionswärmeübertragung gesorgt wird.

Um die wirkungsvolle Ausnutzung des Kühlmittels sicherzustellen, ist es wesentlich, daß die Kühlkanäle 70a, 706, 70c im Vorderkantenabschnitt und die Kühlkanäle 72 im Hinterkantenabschnitt eine ausreichende, jedoch nicht übermäßig große Strömung durch die verschiedenen Teile des Schaufelkörpers 33 hindurch erlauben. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß die Anzahl und die einzelnen Strömungsquerschnitte der Kühlkanäle entsprechend bemessen werden und daß selbstverständlich die Druckunterschiede zwischen den inneren Bereichen des Schaufelkörpers und dem statischen Druck der heißen Gase auf den äußeren Schaufeloberflächen entsprechend eingestellt werden. Dadurch kann mit einer minimalen Kühlmittelmenge eine ausreichende Kühlung aller Schaufelabschnitte erzielt werden.

Die bereits erwähnten Auslaßöffnungen 53 in der Stirnwandplatte 52 ermöglichen, daß kleine Fremd-Stoffteilchen aus den serpentinenförmigen Kühlkanälen 42—46 austreten können. Ohne diese Auslaßöffnungen 53 könnte es möglich sein, daß sich durch die Zentrifugalkräfte Fremdstoffteilchen in den öffnungen 54 und 56 und am äußeren Ende des Vorderkanals 44 ansammeln. Dadurch könnten die serpentinenförmigen Kühlkanäle verstopft werden und das Kühlsystem funktionsunfähig machen. Diese Auslaßöffnungen 53 sind derart bemessen, daß lediglich ein sehr geringer Anteil der gesamten Kühlluftströmung zusammen mit den Fremdstoff teilchen austritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Luftgekühlte Laufschaufel einer axial durchströmten Turbine mit mehreren, parallel in Schaufellängsrichtung verlaufenden Kühlkanälen und mit einem im Bereich der Schaufelvorderkante verlaufenden Vorderkantenkanal und einem im Bereich der Schaufelhinterkante verlaufenden Hinterkantenkanal, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) ausgehend von einem mit einer eigenen Kühllufteintrittsöffnung (64) am Schaufelfuß versehenen ersten Mittenkanal (42) sind die zwischen diesem und dem Vorderkantenkanal (40) liegenden ersten Kühlkanäle (43, 44) derart untereinander verbunden, daß die Kühlluft serpentinenförmig vom ersten Mittenkanal (42) bis zu dem am Schaufelfuß angeordneten Eingang (55) des dem Vorderkantenkanal (40) benachbarten Vorderkanal (44) geleitet ist;

b) ausgehend von einem mit einer eigenen Kühllufteintrittsöffnung (65) am Schaufelfuß versehenen zweiten Mittenkanal (45) sind die zwischen diesem und dem Hinterkantenkanal (41) liegenden zwieten Kühlkanäle (46) derart untereinander verbunden, daß die Kühlluft serpentinenförmig vom zweiten Mittenkanal (45) bis zu dem an der Schaufelspitze angeordneten Eingang (56) des dem Hinterkantenkanal (41) benachbarten Hinterkanal (46) geleitet ist;

c) der Vorderkanal (44) steht über zahlreiche radial beabstandete, die Kühlmittelströmung beschleunigende Drosselöffnungen (57) mit dem Vorderkantenkanal (40) in Verbindung;

d) der Hinterkanal (46) steht über radial beabstandete Kühlluftverbindungsöffnungen (58) mit dem Hinterkantenkanal (41) in Strömungsverbindung·,

e) der Vorderkantenkanal (40) ist mit an den Schaufelseitenwänden mündenden Kanälen (70a, 70&) versehen, die in horizontaler Ebene einen spitzen Winkel (Θ₂ in Fig. 5) mit der Schaufelseitenwand bilden;

f) der Hinterkantenkanal (41) ist über im wesentlichen axial verlaufende Konvektionskühlkanäle (72) mit der Schaufelhinterkante (38) verbunden.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorderkantenkanal (40) an der Schaufelvorderkante (37) mündende Kanäle (70c) angeordnet sind, die in vertikaler Ebene einen spitzen Winkel (Θ₃ in Fig. 7) mit der Schaufelvorderkante bilden.

3. Laufschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (Θ₃) etwa 30° beträgt.

4. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (Θ₂) in horizontaler Ebene etwa 30° oder weniger beträgt.

5. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalquerschnitt der aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Kühlhälfte von Kühlkanal zu Kühlkanal, ausgehend von den Mittenkanälen (42, 45) bis zum Vorder- bzw. Hinterkanal (44, 46) abnimmt.

6. Laufschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß an den radial äußeren Enden der Mitten-, Vorder- und Hinterkanäle Auslaßöffnungen (53) für feste Fremdstoffteilchen vorgesehen sind.