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Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte
Stromlinienschaufel und insbesondere auf eine gekühlte
Stromlinienschaufel, die geeignet ist zur Benutzung in der Turbine eines
Gasturbinen-Triebwerks.
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Die Turbinen moderner Gasturbinen-Triebwerke müssen unter
extrem hohen Temperaturen arbeiten, und dies stellt hohe
Anforderungen an die Stromlinienschaufeln, die in jenen Turbinen
Anwendung finden. Es ist daher allgemein üblich,
Turbinenschaufeln mit einer Innenkühlung zu versehen, damit sie in einer
derartigen ungünstigen Umgebung arbeiten können. Im typischen
Fall sind diese Schaufeln mit Innenkanälen versehen, durch die
ein Kühlmittel, im allgemeinen Luft, hindurchgeleitet wird.
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Um eine möglichst wirksame Schaufelkühlung zu gewährleisten,
ist es bekannt, Kühlluftkanäle innerhalb der Schaufel in
Serpentinenform anzuordnen. Dies wiederum bedeutet, daß die
Kühlluftkanäle Biegungen aufweisen müssen, deren Winkel bis
zu 180º betragen. Da die Kühlluftströmung um diese Biegungen
herumgeführt werden muß, erleidet sie unzweckmäßigerweise
einen Druckabfall. Dies kann zu Schwierigkeiten führen, wenn
beispielsweise die Kühlluft danach als Filmkühlung für die
äußere Oberfläche der Schaufel benutzt werden soll. Die
Filmkühlung erfordert, daß die Luft über mehrere kleine Löcher
ausgeblasen wird, die die inneren Kühlluftkanäle mit dem
Schaufeläußeren verbinden. Jede Verminderung des Luftdruckes
innerhalb der Innenkanäle führt natürlich zu einer
entsprechenden Verminderung der Luftmenge, die durch diese Filmkühllöcher
ausgeblasen wird.
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Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um den
Druckabfall der Kühlluft zu vermindern, wenn diese um die Biegungen
in den Kanälen herumströmt. Ein Versuch besteht darin,
Ablenkschaufeln
in den Kanälen anzuordnen (vgl. beispielsweise
GB-A-21 65 315). Dies führt zu einer Verminderung im
Druckabfall, jedoch wird das Gewicht der Schaufel erhöht, und die
Herstellung wird schwieriger.
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Ein weiterer Versuch, der in Verbindung mit insbesondere 180º-
Biegungen vorgenommen wurde, besteht darin, die Innenwand des
Kanals zu modifizieren. Insbesondere wird die Wand so
modifiziert, daß der Teil des Kanals, der die ankommenden und
ausgehenden Kanalabschnitte verbindet, örtlich in gleichförmiger
Weise so verdickt wird, daß progressiv die Querschnittsfläche
am Eintritt des abgehenden Kanalabschnitts in Richtung der
Kühlluftströmung zunächst vermindert und dann erhöht wird.
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Eine solche Anordnung führt zu einer Verminderung des
Kühlluftdruckabfalls, wenn die Kühlluft um die Biegung herumströmt,
aber die Verminderung des Druckabfalls ist nicht so groß, wie
dies oft erwünscht ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gekühlte
Stromlinienschaufel zu schaffen, die einen inneren
Kühlströmungskanal aufweist, der eine Biegung besitzt, wobei der Kanal
in der Weise modifiziert wird, daß der durch die Biegung
erzeugte Kühlmittel-Druckabfall kleiner ist als dies bisher der
Fall war.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Stromlinienschaufel,
die für die Turbine eines Gasturbinen-Triebwerks geeignet ist,
einen in Längsrichtung verlaufenden Stromlinien-Arbeitsabschnitt
auf, der Druck- und Saugflanken besitzt, welchletztere innen
über mehrere, allgemein in Längsrichtung verlaufende Wände
verbunden sind, um erste und zweite Kühlströmungskanäle
seitlich nebeneinander und in Längsrichtung verlaufend zu bilden,
wobei die ersten und zweiten Kanalabschnitte in
Strömungsrichtung hintereinander durch einen gebogenen Kanalabschnitt
verbunden sind und der erste Kanalabschnitt die Kühlströmung in
den gebogenen Abschnitt überführt, während der zweite
Kanaläbschnitt die Kühlströmung aus dem gebogenen Abschnitt ausbläst,
wobei die Wand örtlich im Bereich der Biegung verdickt
ausgebildet ist, um örtlich progressive Reihen zu schaffen, die
schmaler werden und sich am stromoberseitigen Ende des zweiten
Kanalabschnitts allgemein in Richtung der Kühlmittelströmung
öffnen, wobei der örtlich verdickte Wandabschnitt so
ausgebildet ist, daß am stromoberseitigen Ende des zweiten
Kanalabschnitts der örtlich verdickte Wandabschnitt progressiv in der
Dicke nach wenigstens einer der Flanken hin zunimmt, so daß
im wesentlichen jeder spitze Winkel zwischen der wenigstens
einen Flanke und dem verdickten Wandabschnitt benachbart
hierzu vermieden wird.
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Die Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit der beiliegenden
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Stromlinienschaufel;
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Fig. 2 ist in größerem Maßstab eine Ansicht einer
teilweise geschnittenen Stromlinienschaufel, wie sie in Fig. 1
dargestellt ist;
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Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß
Fig. 2;
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Fig. 4 ist ein Schnitt ähnlich dem Schnitt nach
Fig. 2, welcher jedoch eine Kühlluftkanal-Ausbildung nach
dem Stande der Technik zeigt;
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Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie 5-5 gemäß
Fig. 4;
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Fig. 6 ist ein der Fig. 2 entsprechender Schnitt
einer weiteren bekannten Kühlluftkanal-Ausbildung;
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Fig. 7 ist ein Schnitt nach der Linie 7-7 gemäß
Fig. 6;
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Fig. 8 ist eine der Fig. 2 entsprechende
Schnittansicht, welche ein weiteres bekanntes Ausführungsbeispiel einer
Kühlluftkanal-Ausbildung zeigt;
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Fig. 9 ist ein Schnitt nach der Linie 9-9 gemäß
Fig. 8.
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In Fig. 1 ist eine Stromlinienschaufel für die Hochdruckturbine
eines Gasturbinen-Triebwerks dargestellt und mit dem
Bezugszeichen 10 versehen. Die Turbinenschaufel 10 ist in
herkömmlicher Weise mit einer Mehrzahl gleicher Schaufeln am Umfang
einer Turbinenscheibe festgelegt, die sich innerhalb der
Gasturbine des Gasturbinen-Triebwerks dreht.
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Die Schaufel 10 weist einen herkömmlichen Schaufelfuß 11 der
Tannenbaum-Bauart auf, mit dem die Schaufel 10 an der
erwähnten Turbinenscheibe festgelegt ist. Eine Plattform 12 liegt
radial außerhalb des Schaufelfußes 11, und ein
strömlinienförmig gestalteter Arbeitsteil 13 liegt radial außerhalb der
Plattform 12. Ein Schaufelringabschnitt 14 liegt am radial
äußersten Ende des Arbeitsabschnitts 13. Sowohl die Plattform
12 als auch der Schaufelringabschnitt 14 dienen dazu, einen
Abschnitt des Turbinengaskanals zu definieren, in dem der
Schaufelabschnitt 13 betriebsmäßig angeordnet ist.
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Die Gase, die betriebsmäßig über den Arbeitsabschnitt 13
strömen, haben gewöhnlich eine sehr hohe Temperatur, und deshalb
wird das Innere des Schaufelabschnitts 13 mit Kühlluft gespeist,
um eine annehmbare Gesamtbetriebstemperatur der Schaufel
aufrechtzuerhalten. Wenn eine solche Kühlung nicht durchgeführt
würde, bestünde eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß wenigstens der
Arbeitsabschnitt 13 der Schaufel überhitzt und beschädigt oder
sogar zerstört würde.
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Die Kühlluft, die zur Kühlung des Arbeitsabschnitts 13 benutzt
wird, stammt vom Kompressorteil des Gasturbinen-Triebwerks, in
dem die Schaufel 10 montiert ist. Die Luft wird über geeignete
bekannte Leitungen in das Innere des Arbeitsabschnitts 13
eingeleitet.
Dort strömt die Luft über eine geeignete
Konfiguration der Kanäle, um eine wirksame Gesamtkühlung zu
bewerkstelligen, bevor die Kühlluft von der Schaufel 10 ausgeblasen wird.
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Eine wirksame Kühlung des Arbeitsabschnitts 13 der Schaufel
erfordert, daß in wenigstens einem Abschnitt des Arbeitsteils
13 der Schaufel die Kühlluft einem allgemein U-förmig
gestalteten Pfad folgen kann. Demgemäß muß die Luft über einen Winkel
von etwa 180º umgelenkt werden. Ein solcher Pfad ist in dem
Schnittbereich der Fig. 1 dargestellt. Die Kühlluft strömt in
einer allgemein radial nach innen verlaufenden Richtung durch
einen allgemein in Längsrichtung verlaufenden ersten
Kanalabschnitt 15, bis die Kühlluft eine Biegung 16 im Bereich der
Schaufelplattform 12 erreicht. Die Biegung leitet die Luft über
180º um, damit diese in einen zweiten Kanalabschnitt 17 gelangt,
durch den sie radial nach außen strömt. Der erste und der zweite
Kanalabschnitt 15 und 17 liegen demgemäß seitlich nebeneinander.
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Die Kanalabschnitte 15 und 17 sind durch eine in Längsrichtung
verlaufende Wand 18 getrennt und teilweise definiert, und diese
Wand ist im allgemeinen eben. Das Ende 19 der Wand 18, das im
Bereich der Biegung 16 liegt, ist jedoch örtlich verdickt, wie
dies deutlich aus Fig. 2 ersichtlich ist.
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Gemäß Fig. 2 und 3 verbindet der Wandabschnitt 18 die
Saugflanke 20 und die Druckflanke 21 des stromlinienförmigen
Arbeitsabschnitts 13. Die Flanken 20 und 21 unterstützen
zusätzlich die Definition von erstem und zweitem Kanalabschnitt
15 und 17.
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Das örtlich verdickte Ende 19 des Wandteils 18 ist so verdickt,
daß der verdickte Bereich nur in den stromaufwärtigen Teil des
zweiten Kanalabschnitts 17 einsteht. Dies führt im
stromaufwärtigen Teil des zweiten Kanalabschnitts 17 zu einer
progressiven Verengung und Öffnung in Richtung der
Kühlluftströmung. Im Gegensatz dazu bleibt das stromabwärtige Ende des
ersten Kanalabschnitts 15 im Querschnitt im wesentlichen
konstant.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Wand 18 gegenüber den
beiden Flanken 20 und 21 des stromlinienförmigen Arbeitsabschnitts
im Winkel angestellt. Dies dient dazu, eine einfache
Kernentfernung bei der Herstellung der Schaufel 10 im Gußverfahren
zu ermöglichen. Es ist jedoch ein wichtiges Kennzeichen der
vorliegenden Erfindung, daß im stromaufwärtigen Bereich des
zweiten Kanalabschnitts 17 die Wand 18 örtlich verdickt ist,
so daß ein bedeutsamer spitzer Winkel, der sonst zwischen der
Saugflanke 20 und dem verdickten Wandabschnittsende 19
auftreten würde, im wesentlichen vermieden wird. Dies wird
dadurch erreicht, daß die Dicke des bereits verdickten
Wandabschnitts 19 im Bereich des Zusammenwirkens zwischen diesem
Wandabschnitt und der Saugflanke 20 modifiziert wird. Das
verdickte Ende 19 des Wandabschnitts wird weiter im Bereich 22
vrdickt, so daß eine Ausbuchtung definiert wird. Hierdurch
wird gewährleistet, daß im stromaufwärtigen Bereich des
zweiten Kanalabschnitts 17 die Winkel zwischen dem verdickten
Wandende 19 und der Saugflanke 20 bzw. der Druckflanke 21
nirgends wesentlich kleiner als 90º sind.
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Allgemein gesprochen ist es notwendig, daß im Bereich des
stromaufwärtigen Endes des zweiten Kanalabschnitts 17 das
verdickte Ende 19 der Wand 18 zusätzlich progressiv in der Dicke
nach wenigstens einer der Flanken 20, 21 ansteigt, so daß im
wesentlichen jeder spitze Winkel zwischen wenigstens einer
Flanke und dem örtlich verdickten Wandabschnittsende 19
benachbart hierzu ausgeschaltet wird.
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Die verdickte Ausbildung des Endes 19 der Wand 18 und die
Winkelbeziehung zwischen jenem Ende 19 und dem Wandabschnitt 18
und den Flanken 20 und 21 ist wichtig im Hinblick darauf, daß
die Luftdruckverluste, die darauf zurückzuführen sind, daß
die Luftströmung im ersten Kanalabschnitt 15 um 180º durch
den Umlenkabschnitt 16 abgelenkt wird, so klein als möglich
sind.
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Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf
eine Verminderung der Druckverluste zu demonstrieren, wurde
eine Versuchsreihe durchgeführt, um das Verhalten der
vorliegenden Erfindung mit jenem von drei bekannten
Schaufelkühlkonfigurationen zu vergleichen. Die erste Ausbildung gemäß
Fig. 4 und 5 besitzt eine Wand 23, die keinen verdickten
Abschnitt trägt. Die zweite Ausbildung gemäß Fig. 6 und 7
besitzt den gleichen, nicht verdickten Wandabschnitt 23, es ist
jedoch eine Umlenkschaufel 24 vorgesehen. Bei dem dritten
bekannten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 und 9 ist eine Wand
25 vorgesehen, die am Ende in einer Weise verdickt ist, die
ähnlich der Verdickung vorliegender Erfindung ist. Wie jedoch
deutlich aus Fig. 9 ersichtlich ist, gibt es keine Modifikation
der Verdickung in jenem Bereich, wo die Wand 25 die beiden
Flanken 26 und 27 schneidet. Infolgedessen gibt es einen spitzen
Winkel 28 am Schnitt der Saugoberflächenflanke 26 und dem
Wandabschnitt 25 im stromaufwärtigen Abschnitt des zweiten
Kühlströmungskanal-Abschnitts. Dies steht natürlich im Gegensatz
zu der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 2 und 3
dargestellt ist, wobei dieser spitze Winkel vermieden wird.
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Bei allen Ausführungsbeispielen, einschließlich dem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wird Druckluft durch den ersten
Kanalabschnitt 15 eingeblasen, um über den Biegungsabschnitt 16
in den zweiten Kanalabschnitt 17 zu strömen. Der statische
Druck der Luft wurde an verschiedenen Stellen im ersten und
zweiten Kanalabschnitt 15 bzw. 17 überwacht.
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Um jedoch einen bedeutsamen Vergleich der vier verschiedenen
Anordnungen zu gewährleisten, wurden ihre Druckverhältnisse
berechnet. So wurde der im zweiten Kanalabschnitt 17 gemessene
statische Druck durch den gemessenen statischen Druck im ersten
Kanalabschnitt 15 geteilt.
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Bei den folgenden Ergebnissen repräsentiert A das Verhalten
der Ausbildung gemäß der vorliegenden Erfindung, B
repräsentiert das Verhalten der Ausbildung gemäß Fig. 8 und 9, C
repräsentiert das Verhalten der Ausbildung gemäß Fig. 6 und 7
und D repräsentiert das Verhalten der Ausbildung gemäß Fig. 4
und 5.
Anordnung
Druckverhältnis 200 mm vom Biegezentrum entfernt
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Aus den Ergebnissen wird klar, daß die Anordnung A gemäß der
Erfindung zu einem kleineren Abfall des Kühlluftdrucks führt
als bei den drei bekannten Ausführungsformen, und dieser
Vorteil resultiert aus den parasitischen Verlusten, wenn die
Luft um den Biegeabschnitt 16 herumströmt. Da dies so ist,
steht die Kühlluft noch auf einem höheren Druck im zweiten
Kühlkanal-Abschnitt 17 und dadurch wird gewährleistet, daß
die Kühlung wirksamer durchgeführt werden kann, beispielsweise
unter Verwendung der Filmkühlung der Außenflächen der
Turbinenschaufel 10.
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Die vorliegende Erfindung wurde beschrieben in Verbindung mit
luftgekühlten, stromlinienförmigen Rotorschaufeln. Es ist
jedoch klar, daß die Erfindung auch anwendbar ist für
Statorschaufeln, beispielsweise zur Benutzung in der Turbine eines
Gasturbinen-Triebwerks. Demgemäß wird in der Beschreibung auf
stromlinienförmige Schaufeln Bezug genommen, unter denen auch
Statorschaufeln verstanden werden sollen. Es ist außerdem klar,
daß, obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf Rotorschaufeln
beschrieben wurde, bei denen der Kühlluftpfad um 180º umgelenkt
wurde, die Erfindung auch anwendbar ist für Rotorschaufeln, bei
denen die Kühlluftströmung über Winkel abgelenkt wird, die etwas
kleiner sind als 180º.