COOLED TURBINE BLADE

Abstract: 1. A turbine rotor for a gas turbine engine, the rotor being provided with blades (1) each enclosing at least one cooling duct (2) constructed as a flow chamber (10) for a coolant, in which, for the purpose of enlarging the heat-exchanging surface, elements (3) formed by at least one wiremesh mat (4) are arranged within the flow chamber (10), and in which the elements (3) for enlarging the heat-exchanging surface intersect one another, are heat-conductingly connected at their intersections and extend to different regions of the wall (6) of the flow chamber (10), characterized in that the wiremesh mat (4) is continuously and repeatedly folded and extends substantially undulatingly along the coolant's direction (2a) of flow, that the folded regions (5) are heat-conductingly connected to said wall regions (6), and in that the coolant is directed to flow against the wiremesh mat's (4) surface sections disposed between the folded regions (5).

Description: Gekühlte Turbinenschaufel Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- und/oder Leitradschaufel einer Axialund/oder Radialturbine für Gasturbinentriebwerke, die in ihren Schaufelblättern einen Durchströmraum, insbesondere einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, aufweist, wobei innerhalb des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle Elemente zur Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind. Moderne Gasturbinentriebwerke benötigen zur Verwirklichung optimaler ArbeitsprozeDwirkungsgrade relativ hohe Gastemperaturen (Turbineneintrittstemperaturen). Die mit den vorerwähnten heissen Gasen in Berührung kommenden Bauteile, z. B. die Leit- und Laufradschaufeln des Gasturbinentriebwerks, sind daher erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt. Im Hinblick auf die Standzeit der Schaufelblätter oder aber auch, um bei einer als gegeben angesehenen Lebensdauer der Turbinenschaufel die Turbineneintrittstemperatur im Hinblick auf die Verbesserung des Arbeitsprozesswirkungsgrades zu erhöhen, ist es üblich, die Turbinenschaufeln in ihrem Inneren zu kühlen, wobei in den meisten Anwendungsfällen Luft als Kühlmittel herangezogen wird, die vorzugsweise an einer geeigneten Stelle des Verdichters des Gasturbinentriebwerks entnommen und durch innerhalb der Schaufelblätter der Turbinenschaufel vorgesehene Kühlkanäle geleitet wird (Konvektionskühlung). Zur Realisierung einer verbesserten inneren Konvektionskühlung sind verschiedene Verfahren bekannt. So kann beispielsweise zur Intensivierung der Kühlung der W rmeuber- gang bei gleichen Kühlluftkanalquerschnitten durch eine Erhöhung des Kühlluftmassenstromes verbessert werden. Eine ErbEhung des Kühlluftmassenstromes kann allerdings den Arbeitsprozess des Gasturbinentriebwerks negativ beeinflussen, so dass von diesem Verfahren zur Absenkung der Bauteiltesperatur in den leisten Fällen abgesehen wird. Als weitere Möglichkeit zur Verbesserung der inneren Konvektionskühlung bietet sich eine optimierte Gestaltung oder Anordnung der Kühlkanäle an, um durch eine verbesserte Ausnutzung der Kühl luft bei gleichen Kühlluft massenstroen die Schaufeltemperatur wirksam zu verringern. So ist es beispielsweise bekannt, durch eine geeignete Querschnittsanpassung der Kühlkanäle hohe Strömungs geShwindigkeiFen der Kühlluft zu realisieren oder aber durch Anbringung von zusatzlichen W rmeaustauschflächen in Form von Kühlrippen, Stiften oder Noppen den Wärmeübergang und die Kühiwirkung neben einer Erhohung der Strömungsgeschwindigkeit und Verwirbelung der Kühlluft an diesen Elementen zur Vergrösserung der Wärmeaustauschflächen den W rseaustausch zu verbessern. Aus der DE-OS 25 26 277 ist eine innengeklihlte Turbinenschaufel für Gasturbinenwerke bekannt, bei der innerhalb eines in der Turbinenschaufel vorgesehenen Hohlraumes mehrere treppenartig gestaltete und sich überlappende Einsätze als Kühlluftführungen vorgesehen sind, wobei die Kühlluft nacheinander durch mehrere Einsätze mit dazwischen liegenden Verwirbelungsund Prallfl cben geführt wird. Ist durch diese Art der Gestaltung der Kuhlluftkan le zwar durchaus eine wesentlich intensivere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühl luft möglich, so erfordern jedoch die Vielzahl der treppenartig gestalteten Einsätze und deren Verbindung einen erheblichen Fertigungs- und Bauaufwand, der in den meisten Anwendungsfällen das erreichbare Betriebsergebnis nicht rechtfertigt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch eine verbesserte Gestaltung des Kühlluftdurchströmraumes bzw. der Kühlkanäle die Kühlwirkung des zur Verfügung stehenden Kühlmediums mit möglichst einfachen Mitteln zu optimieren. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Turbinenschaufel der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zur Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche einander kreuzen und an ihren Kreuzungsstellen miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen sowie sich zu verschiedenen Wandbereichen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle erstrecken. Durch diese erfindungsgemässe Gestaltung des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle können auf engstem Raum erhebliche kühlluftseitige Wärmeaustauschflächen zur Verfügung gestellt werden, wobei durch die wärmeleitende Verbindung der sich kreuzenden Elemente und durch die Erstreckung dieser Elemente zu verschiedenen Wandbereichen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle sowohl eine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung bei gleichen Kühlluftmassenströmen als auch eine wesentliche Vergleichmässigung der Schaufelblattemperaturen im Gegensatz zu den bekannten Gestaltungen erreichbar sind. Daneben ist durch die erfindungsgemässe Anordnung bzw. Gestaltung der Elemente die Kühlung der Turbinenschaufel aufgrund erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten und Verwirbelungen an den Kreuzungsstellen begünstigt. Die Elemente können innerhalb des Durchströmraumes bzw. der Kuhlkanale als z. B. mehrere sich in Strömungsrichtung der Kühlluft hintereinander angeordnete Wärmeaustauschgitter dargestellt sein, wobei sich jeweils einzelne Elemente zu sich gegenüberliegenden Wandbereichen von Kühlkanälen erstrecken. Diese Wärneaustauschgitter konnen daneben oder zusatzlich auch noch durch sich in Strösungs- richtung der Kühlluft, d. h. im wesentlichen in Längserstreckung des bzw. der Kühlkanäle, miteinander verbunden sein und z. B. in analoger Weise wie bekannte Kühlluft kanäle mit an einzelnen Wandbereichen vorgesehenen Noppen oder Stiften hergestellt sein, so dass auch eine Vergleich mässigung mit des im wesentlichen gleichen Fertigungsaufwand über verschiedene Kuhlkanalabschnitte erreicht wird. Als besonders vorteilhaft sind die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 2 bis 9 hervorzuheben, insbesondere in Hinblick auf einen weit verminderten Fertigungsaufwand für eine wesentlich intensivierte Kühlung. So sind die sich kreuzenden Elemente nach der Weiterbildung nach Anspruch 2 als eine oder mehrere in den Durchströmraum bzw. die Kühlkanäle einsetzbare Drahtgewebematte bzw. Drahtgewebematten ausgebildet. Derartige Drahtgewebematten können z. B. durch serienmässig vorhandene Drahtgewebe dargestellt werden, die sowohl im Drahtdurchmesser als auch in der Maschenweite im Gegensatz zu den Querschnittsabmessungen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle sehr geringe Abmessungen aufweisen, wie sie z. B. bei üblichen Filter sieben anzutreffen sind. Vorzugsweise sind dabei die einzelnen Drähte der Drahtge webematte mit den jeweiligen Bereichen der Begrenzungswand des Durchstromraumes bzw. der Kühlkanäle und auch vorzugs weise an den Kreuzungsstellen miteinander verlötet oder verschweisst. Als wärmeleitende Lötverbindung eignet sich hierzu beispielsweise ein Hartlot (z. B. Degussa-Nickelhartlot 8100 mit einer Löttemperatur von 1420 bis 14700K). Besonders vorteilhaft im Rahmen der Erfindung ist es, wenn eine Drahtgewebematte sich ganz in Längsrichtung eines Kühlkanals bzw. in längeren Abschnitten eines Kühlkanals im wesentlichen wellenförmig erstreckt, indem diese mehrmals gefaltet durch eine wärmeleitende Löt- oder Schweiss- verbindung der Faltungsbereiche mit der Begrenzungswand verbunden innerhalb der Kühlkanäle vorgesehen ist. Die Lötverbindung der Faltungsbereiche mit der Begrenzungswand ist dabei vorzugsweise so gestaltet, dass auch die sich in Längsrichtung des Kühlkanals erstreckenden Drähte von der wärmeleitenden Lötverbindung des Faltungsbereiches erfasst sind, um auch die Längsdrähte zur Kühlung und Vergleichmässigung an diesen Stellen heranzuziehen. Durch die im wesentlichen handelsübliche und separat herzustellende Drahtgewebematte ist der Fertigungsaufwand trotz der wesentlich intensiveren Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlluft weit vereinfacht, indem die giesstechnischen Anforderungen bei der erfindungsgemässen Turbinenschaufel (z. B. Entfall von besonderen Kernen für die Elemente) erheblich verringert sind. Bei der erfindungsgemässen Turbinenschaufel kann die Drahtgewebematte in eine sich vom Durchströmraum bis zu einer Aussenfläche erstreckende oeffnung geführt werden und danach durch Lötung oder Schweissung mit der Begrenzungswand der Kühlkanäle verbunden werden. Vor der Faltung der Drahtgewebematte ist diese vorzugsweise in den Faltungsbereichen mit Löt- oder Schweisspunkten zu versehen, wodurch einerseits die Faltung vereinfacht wird und andererseits auch sichergestellt ist, dass die in Strömungsrichtung längs verlaufenden Drähte zur Wärmeübertragung mit herangezogen werden konnen. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiele der erfindungsgemässen Turbinenschaufel verwiesen. In den Zeichnungen sind nur die zum unmittelbaren Verständnis dargestellten Ausschnitte der innen gekühlten Turbinenschaufel dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer innen gekühl ten Turbinenschaufel mit axialer Kühlluftführung; Fig. 2 einen vergrosserten Ausschnitt A der Drahtgewebe matte nach dem Ausführungsbeispiel der Turbinen schaufel der Fig. 1; Fig. 3 ausschnittsweise die Drahtgewebematte in Strömungs richtung der Kühlluft entsprechend der Schnitt linien III-III in Fig. 1; Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Turbinenschaufel mit radialer Kühlluftführung in einer schematischen Querschnittsdarstellung. In den Pig. 1 bis 4 sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Allgemein mit 1 ist das Schaufelblatt einer nicht im einzelnen dargestellten Turbinenschaufel einer Radial- oder Axialturbine für Gasturbienentriebwerke bezeichnet. Das Schaufelblatt 1 der Turbinenschaufel weist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Kühlkanäle 2 auf, die von an geeigneter Stelle des nicht gezeigten Verdichters des Gasturbinentriebwerks ent nommener Kühlluft in axialer Richtung der Radial- bzw. Axialturbine durchströmt werden (Pfeile 2a). Innerhalb der Kühlkanäle 2 sind die erfindungsgemäss gestalteten sich kreuzenden Elemente 3 zur Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche angeordnet. Die sich kreuzenden Elemente 3 bestehen aus einzelnen Drähten einer in der Gesamtheit mit 4 bezeichneten Drahtgewebematte, die mit mehreren Faltungsbereichen 5 sich im wesentlichen wellenartig in Strömungsrichtung 2a der Kühlluft erstreckt. Der vergrösserte Ausschnitt A der Drahtgewebematte 4 des Ausführungsbeispiels der Turbinenschaufel nach Fig. 1 (Fig. 2) und die Ansicht in Strömungsrichtung entsprechend der Schnittlinie III-III der Fig. 1 (Fig. 3) verdeutlichen die Gestaltung und Anordnung der Drahtgewebematte 4 innerhalb der Kühlluftkanäle 2. Die Drahtgewebematte 4 erstreckt sich einstückig im wesentlichen wellenartig innerhalb der Kühlkanäle 2 und durchsetzt quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft vollständig die Kühlkanäle 2. Die quer zur Strömungsrichtung 2a der Kühlluft verlaufenden Drähte 3 sind jeweils zur besseren Wärmeleitung mit den wellenartig in Längsrichtung der Kühlkanäle 2 verlaufenden Längsdrähten verbunden. Die Drahtgewebematte 4 ist mit gegenüberliegenden Begrenzungswänden 6 durch eine wärmeleitende Lötverbindung 9 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Drahtgewebematte in analoger Weise gestaltet wie in den Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit in Strömungsrichtung der Kühlluft sich wellenartig erstreckenden Verlauf, in diesem Ausführungsbeispiel die Drahtgewebematte 4, über die gesamte Länge des im wesentlichen radial gerichteten Kühlluftkanals der Turbinenschaufel (Durchströmraum 10) erstreckt.

Claims: P a t e n t a n 8 p r ü c h e 1. Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- und/oder Leitradschaufel einer Axial- und/oder Radialturbine für Gasturbinentriebwerke, die in ihren Schaufelblättern (1) einen Durch trosraum (10), insbesondere einen oder mehrere Kühlkanäle (2) für ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, aufweist, wobei innerhalb des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) Elemente (3) zur Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (3) zur Vergrösserung der W rseaustauschflache einander kreuzen und an ihren Kreuzungsstellen miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen sowie sich zu verschiedenen Wandbereichen (6) des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) erstrecken. 2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich kreuzenden Elemente (3 > als eine oder mehrere in den Durchströmraum (10) bzw. die Kühlkanäle (2) einsetzbare Drahtgewebematte (4) bzw. -matten ausgebildet sind. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich kreuzenden Elemente (3) im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung (2a) des Kühlmediums ausgerichtet sind. 4. Turbinenschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich kreuzenden Elemente (3) bzw. die Drahtgewebematte (4) an ihren Endbereichen (7) mit der Begrenzungswand (6) des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) verlötet oder verschweisst sind. 5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtdurchmesser und die Maschenweite der Drahtgewebematte (4) im Verhältnis zur Breite des Durchströmraumes (10) bzw. im Verhältnis zum Durchmesser der Kühlkanäle (2) sehr geringe Abmessungen aufweist. 6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtgewebematte (4) sich in Strömungsrichtung (2a) des Kühlmediums mehrmals gefaltet im wesentlichen wellenförmig erstreckt. 7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungsbereiche (5) der Drahtgewebematte (4) mit der Begrenzungswand (6) des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) verlötet ruder verschweisst sind. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch 3ekennzeichnet, ass in Faltungsbereichen (8) der Drahtgewebematte (4) sich kreuzende Drähte (3) mit einer wärmeleitenden Löt- oder Schweissverbindung (9) versehen sind. 9. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter einen sich vom Durchströmraum (10) bis zu einer Aussenfläche erstreckende Öffnung zur Einfüh- rung der Drahtgewebematte t4) aufweisen, die nach Anbringung der DraOtgewebematte (4) verlötet ist.

Inventors: COLLIN, KARL-HEINZ, DIPL.-ING.
Applicants: KLOCKNER-HUMBOLDT-DEUTZ AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: F01D5
IPC codes: F01D5