DE3345263C2

DE3345263C2 - Gekühlte Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE3345263C2
Application number: DE3345263A
Authority: DE
Inventors: Serge Sceaux Boudigues; George Issy les Moulineaux Frattacci; Alain Meudon Ponthieux
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1982-12-15
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1985-11-07
Also published as: FR2538029B1; DE3345263A1; GB2132703A; GB8333293D0; GB2132703B; JPS59119001A; FR2538029A1; US4563125A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel, insbesondere für Turbinenstrahltriebwerke, die wirksam zu kühlen ist und stabiles Verhalten gegenüber auftretenden Temperaturgradienten zeigt. Die Schaufel weist eine von einem Gehäuse (2) aus feuerfester Keramik umgebene metallische Seele (1) auf. In der zentralen Seele (1) ist mindestens ein Lüftungskanal (4) vorgesehen, in dem eine geringe Luftmenge zur Lüftung zirkuliert. Die Kontaktbereiche zwischen dem Gehäuse (2) aus Keramik und der zentralen, metallischen Seele (1) weisen Kühlkammern (5) auf, in denen Kühlluft in einer größeren Menge zirkuliert, so daß ein Zustand der Zwangskühlung aufrechterhalten wird (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft gekühlte Turbinenschaufeln, wie Lauf- oder Leitschaufeln, insbesondere für Gasturbinen oder Turbinenstrahltriebwerke, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Perartige Turbinenschaufeln sind aus der US-PS 24 79 057 bekannt

Die bekannten Schaufeln weisen einen zentralen, im allgemeinen metallischen Kern auf, der von einem Mantel oder einem Gehäuse aus feuerfester Keramik umgeben ist Der zentrale, metallische Kern sichert die mechanische Festigkeit der Schaufel, und der Mantel aus feuerfester Keramik verleiht der Schaufel gute Widerstandsfähigkeit gegen erhöhte Temperaturen.

Bei derartigen Schaufeln treten Kühlprobleme auf, die deshalb besonders ernst sind, weil ein mechanischer Kontakt zwischen dem keramischen Mantel und dem zentralen Kern besteht

Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Schaufeln derart auszubilden, daß die sich gegenüberliegenden Oberflächen des zentralen Kerns und des keramischen Mantels im mittleren Bereich der Schaufel auseinanderstreben und einen oder mehrere geschlossene Räume ausbilden, in denen Wärme durch Abstrahlung vom keramischen Mantel in Richtung auf den zentralen Kern übertragen wird, und daß die beiden Oberflächen in den beiden äußeren Bereichen oder Enden der Schaufel miteinander iii Kontakt stehen und einen oder mehrere Eingriffsbereiche oder Verbindungsstellen ausbilden, in denen sich der keramische Mantel auf dem zentralen Kern abstützt

Die DE-OS 31 25 469 beschreibt eine Turbomaschine, deren Turbinenschaufeln einen Metallkern und eine Keramikabschirmung aufweisen, zwischen denen Kanäle für ein Kühlmedium vorgesehen sind. Das Kühlmedium wird durch Auslässe zwischen dem Kern und der Abschirmung am Ende der Schaufel abgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekühlte Turbinenschaufel der eingangs genannten Art mit verbesserter Kühlung der Verbindungsstellen zu

schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, im zentralen Kern mindestens einen Kühlkanal vorzusehen, in dem eine geringe Menge eines Kühlfluids zirkuliert, und an mindestens einer der Verbindungsstellen mindestens eine durchgehende ringförmige Kühlkammer vorzusehen, in der eine spürbar größere Menge

ίο eines Kühlfluids zirkuliert so daß ein Zwangskühlungszustand ausgebildet wird.

Auf diese Weise reicht einerseits die Kühlung des zentralen Kernes durch den Kühlkanal aus, um die durch die Abstrahlung der inneren Oberfläche des keramischen Mantels hervorgerufene Wärmemenge abzuführen, wobei starke Temperaturunterschiede zwischen der äußeren und der inneren Oberfläche des keramischen Mantels vermieden werden, und andererseits erlaubt die Zwangskühlung in der Kühlkammer das Abführen der starken Wärmeanhäufung bzw. Kalorienkonzentration in den Verbindungsstellen, wo die innere Oberfläche des keramischen Mantels und die Oberfläche des zentralen Kernes miteinander in Kontakt stehen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kühlkammer durch eine Ringnut ausgebildet die sich parallel zum Profil der Schaufel erstreckt Die Ringnut wird durch mindestens eine am Eintritt des Kühlkanals des zentralen Kernes angeordnete oder direkt mit der Quelle des Kühiflukis verbundene Leitung mit Kühlfluid versorgt und das Kühlfluid strömt durch mindestens eine in den die Turbomaschine durchquerenden Gasstrom einmündende Leitung aus der Ringnut aus. Am anderen Ende der Schaufel können die Kühlkammern durch mehrere radiale Durchlässe oder Passagen ausgebildet werden, durch die der Kühlkanal des zentralen Kernes mit dem die Turbomaschine durchquerenden Gasstrom kommuniziert
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus der nachstehenden Figurenbeschreibung hervor.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrifft
F i g. 1 zeigt einen schematischen Schnitt einer erfindungsgemäßen Laufschaufel;

F i g. 2 zeigt einen schematischen Schnitt einer erfindungsgemäßen Leitschaufel.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Schaufel weist einen zentralen Metallkern 1 auf, der von einem Keramikmantel 2, wie einer Hülle, umgeben ist

Die gegenüberliegenden Oberflächen des zentralen Kernes 1 und des Keramikmantels laufen im mittleren Bereich der Schaufel auseinander und bilden damit einen oder mehrere geschlossene Räume 3 aus, in denen sich durch die Abstrahlung des Keramikmantels 2 in Richtung auf den zentralen Kern 1 eine Wärmeübertragung ausbildet. An den beiden Enden des Mantels sind die betreffenden Oberflächen miteinander in Kontakt und bilden eine oder mehrere Verbindungsstellen oder

fig Bereiche aus, in denen der Keramikmantel 2 sich auf den zentralen Kern 1 abstützt.

Um die Kühlung der Schaufel zu gewährleisten, ist einerseits im zentralen Kern 1 mindestens ein Lüftungskanal oder Kühlkanal 4 vorgesehen, in dem eine geringe Luftmenge zur Lüftung zirkuliert, und andererseits weisen mindestens einige der Abstütz- oder Verbindungsstellen mindestens eine Kühlkammer 5 auf, in der Kühlluft in einer deutlich größeren Menge zirkuliert, um auf

p 3

δ diese diese Weise einen Zustand der Zwangskühlung zu 107O⁰C stromab wältige Seite;

f;' erzeugen. — gesamte im Kühlkanal 4 des Metallkerns 1 für alle

f- Wie in den F i g. 1 und 2 dargestellt, kann die Kühl- Schaufeln der Turbine zirkulierende Luftmenge:

i> kammer 5 durch eine Ringnut 6 ausgebildet werden, die 3% der gesamten vom Kompressor des Strahl-

B sich parallel zum Profil der Schaufel erstreckt Die Kühl- 5 triebwertes abgegebenen Luftmenge; \i. luftversorgung der Ringnut 6 erfolgt über eine oder — Temperatur der Kühlluft im stromaufwärts gelege-E mehrere Leitungen 7, die mii dem Eintritt des Kühlka- nen Teil des Kühlkanals 4:700⁰C;

k nals 4 des Kerns 1 verbunden sind, und die Kühlluft — Temperatur der Kühlluft im stromabwärts gelege-.^ strömt über eine oder mehrere Leitungen 8 aus, die in nen Teil des Kühlkanals 4:1100° C;

; den die Turbomaschine durchdringenden Gasstrom ein- io — Anteil der im stromaufwärts gelegenen Teil des g münden. Vorteilhafterweise sind die Leitungen 8 gegen- Kühlkanals 4 zum Kühlen der durch die Ringnut

i-.. über den Leitungen 7 winkelversetzt ausgebildeten Kühlkammer 5 abgegriffenen KQhI-

■ In F i g. 1 ist eine Laufschaufel dargestellt, die mittels luftmenge: 6% der gesamten vom Kompressor ab-

i; eines verbreiterten Fußes 10 in der Scheibe 11 einer gegebenen Luftmenge.

P Turbomaschine gehalten wird. Der Fuß 10 ist mittels

is eines Haltebolzens 12 vorzugsweise formschlüssig mit Vorstehend ist eine Schaufel für ein Turbinenstrahl-

% dem zentralen Kern 1 verbunden. Die Ringnut 6 wird triebwerk beschrieben. Die Schaufel weist einen von \..: somit von der äußeren Oberfläche des Fußes 10 und von einem Mantel 2 aus feuerfester Keramik umgebenen :,' einem Profilteil 13 begrenzt, das die Schaufel umgibt Metallkern 1 auf. Im zentralen Kern 1 ist mindestens ein if und mittels des Haltebolzens 12 auf dem Fuß 10 gehal- 20 Kühlkanal 4 vorgesehen, in dem eine sreringe Luftmenti ten werden kann. ge zur Lüftung zirkuliert An den Verbindungsstellen

Ti₄ Die Versorgungsleitungen 7 der Ringnut 6 sind im zwischen dem Keramikmantel 2 und dem zentralen Me- £ Fuß 10 der Schaufel angeordnet und stehen mit dem tallkern 1 sind Kühlkammern 5 vorgesehen, in denen Einlaß des Kühlkanals 4 des zentralen Kernes 1 über Kühlluft in größerer Menge zirkuliert, so daß eine eine Kammer 14 in Verbindung, die im Fuß 10 der 25 Zwangskühlbedingung aufrechterhalten wird.

Schaufel ausgefräst ist

Unter diesen Bedingungen wird die Ringnut 6 vom Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

stromaufwärts gelegenen Teil des Kühlkanals 4 ver-

Die in F i g. 2 dargestellte Leitschaufel weist an einem ihrer beiden Enden eine fest mit dem zentralen Kern 1 verbundene Piatte 15 und an ihrem anderen Ende einen aufgesetzten Flansch 16 auf, der ebenfalls fest mit dem zentralen Kern 1 verbunden ist

Diese Schaufel weist mittels einer besonderen Ausgestaltung der Platte 15 und des aufgesetzten Flansches 16 zwei Ringnuten 6 jeweils an den beiden Enden der Schaufel auf.

Unter diesen Bedingungen werden die beiden Ringnuten 6 jeweils vom stromaufwärts bzw. stromabwärts gelegenen Teil des Kühlkanals 4 versorgt

Wie in F i g. 1 dargestellt kann die Kühlkammer 5 am anderen Ende der Schaufel in Form mehrerer radialer Durchlässe 9 ausgebildet sein, die den Kühlkanal 4 des zentralen Kerns 1 mit dem die Turbomaschine durchdringenden Luftstrom verbinden.

Diese radialen Durchlässe sind im Fall von F i g. 1, die eine Laufschaufel zeigt, in der Nähe des Kopfes der Schaufel angeordnet und werden vom stromabwärts gelegenen Teil des KühlkanaJs 4 versorgt.

Die Kühlkammer 5 kann vom stromabwärts gelegenen Teil des Kühlkanals 4 des zentralen Kerns 1 mit Kühlluft versorgt werden, da diese Luft bei ihrem Durchgang durch den Kühlkanal 4 nur eine leichte Erwärmung erfährt. Diese leichte Erwärmung wird durch die Wärmeübertragung durch Abstrahlung des Keramikmantels 2 in Richtung auf den zentralen Kern 1 hervorgerufen.

Nachstehend sind beispielsweise die Betriebsbedingungen für eine erfindungsgemäße, in ein Turbinen- eo strahltriebwerk eingebaute Schaufel angegeben:

— Strömungstemperatur des die Turbine des Strahltriebwerkes durchquerenden Gasstromes: 1890⁰C;

— Eintrittswinkel der Schaufel: 45°;

— Temperatur des aus Siliciumcarbid hergestellten Keramikmantels 2 in der Nähe der Angriffskante der Schaufel: 1305⁰C stromaufwärtige Seite,

Claims

Patentansprüche:

1. Gekohlte Turbinenschaufel, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, mit einem von einem oder mehreren Kühflcanälen (4) in Längsrichtung durchsetzten Metallkern (1), der von einem, diesen in Abstand umgebenden Keramikmantel (2) umhüllt ist wobei der Keramikmantel (2) an seinen beiden Enden mit dem Metallkern (1) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen in an sich bekannter Weise durch Kühlmittel gekühlt sind und daß an mindestens einer der Verbindungsstellen eine den Keramikmantel (2) außen in Umfangsrichtung des Profils umgebende, durchgehende geschlossene metallische Kühlkammer (5) vorgesehen ist, in der das Kühlmittel in Umfangsrichtung strömt

Z Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelabfuhr aus der Kühlkammer (5) an einer anderen Umfangsstelle erfolgt als die Kühlmittelzufuhr.

3. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Kühlmittelzufuhr aus dem Kühlmitteistrom vor oder nach den Kühlkanälen (4) im Metallkerc (1) erfolgt