AT404160B

Hollow gas-turbine blade, and a method for external-film cooling thereof

Abstract

External-film cooling of hollow gas-turbine blades with the aid of under-expanded, large-area cooling films emerging from slots at the speed of sound, which cooling films are produced by a sufficiently high pressure ratio of 2 to 3 in the coolant in the supply with respect to the pressure of the main gas flow at the outlet point. A reliable and high cooling effect is achieved by using the characteristic of such a jet, which emerges under- expanded from a cooling slot, of being in contact by further expansion against the profile surface (profile nose) which may be highly curved, and in consequence forming large-area cooling films which are influenced only very little by the turbulence of the main flow. <IMAGE>

AT404160B, drawing sheet 1
Sheet 1 of 4

Term

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2 claims: 2 independent, 0 dependent

  1. 1
    Patentansprüche claims 1. Method for external film cooling of hollow gas turbine blades made of high-temperature resistant 1. Verfahren zur Außen-Film-Kühlung von hohlen Gasturbinenschaufeln aus hochtemperaturbeständigem Material, wherein air or steam is used as the coolant, the blade interior under Werkstoff, wobei Luft oder Dampf als Kühlmittel verwendet wird, das dem Schaufelinnenraum unter Druck zugeführt wird, anschließend durch die Schaufelwand durchsetzende Schlitze an die Schaufelaußenfläche strömt und diese unter Bildung eines Kühlfilms großflächig bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit einem Druckverhältnis von 2 bis 3 dem Schaufelinnenraum zugeleitet wird, wobei das Druckverhältnis als der Druck in der Anspeisung des Kühlmittels, bezogen auf den statischen Pressure is then passed through the blade wall passing through slots to the blade outer surface and this covers a large area to form a cooling film, characterized in that the coolant with a pressure ratio of 2 to 3 is supplied to the blade interior, wherein the pressure ratio than the pressure in the feed of the coolant, based on the static AT 404 160 Β AT 404 160 Β Druck an der Oberfläche an der Stelle des Kühlmittelaustrittes definiert ist, und daß das Kühlmittel beim Zuströmen durch sich verengende Querschnitte zum Schlitz an der Oberfläche der Schaufel auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei dieser Schlitz an der Außenfläche der Schaufel den engsten Querschnitt darstellt, in dem der sogenannte kritische Zustand herrscht, also die kritische Schallgeschwindigkeit auftritt (bezogen auf das oben erwähnte Druckverhältnis) und da der kritische Druck des Strahles somit höher liegt als der statische Druck der die Schaufel umgebenden Hauptströmung, die weitere Expansion des austretenden Strahles im Sinne des oben beschriebenen Effekts erfolgt, der ein Anliegen des nunmehr weiter expandierenden Strahles an die Oberfläche der Schaufel ermöglicht, sodaß eine intensive Kühlwirkung durch einen flächenhaft an der Oberfläche anliegenden schnellströmenden Kühlfilm ermöglicht wird. Pressure at the surface is defined at the location of the coolant outlet, and in that the coolant is accelerated to the speed of sound when flowing through narrowing cross-sections to the slot on the surface of the blade, this slot being the narrowest cross-section on the outer surface of the blade, in which the so-called critical state prevails, that is, the critical sound velocity occurs (based on the above-mentioned pressure ratio) and since the critical pressure of the jet is thus higher than the static pressure of the main flow surrounding the blade, the further expansion of the outgoing beam takes place in the sense of the effect described above, which allows a concern of the now further expanding beam to the surface of the blade, so that an intensive cooling effect is made possible by a surface-applied fast-flowing cooling film on the surface.
  2. 2
    Ausbildung einer Gasturbinenschaufel, bestehend aus einer hohlen, mit Kühlmittel gespeisten Schale, in deren Außenfläche (SP) - gegebenenfalls über die ganze Fläche verteilt - unter einem spitzen Winkel mit der Tangentialebene an der Schaufelaußenfläche angeordnete Schlitze (KS) einmünden, die ihrerseits über Speiseräume (SZ) mit dem Schaleninnenraum (KK) verbunden sind, zur Anwendung des Kühlverfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der hohlen Gasturbinenschaufelschale ein relativ großer Zylinder- oder halbkugelförmiger Speiseraum (SZ) vorgesehen ist, der sich mit einem Schlitz (KS) verschneidet, der durch zwei Ebenen (AE,IE) gebildet wird, die um wenige Grade gegeneinander geneigt sind und die in der Verschneidung mit der Außenfläche der Schaufel (SP) den oben erwähnten Austrittsschlitz bilden und daß die Seitenberandung (SB) dieses Schlitzes vom Speisezylinder (SZ) ausgehend, halb kreis- oder halb ellipsenförmig übergehend in gerade Tangenten begrenzt ist und daß die im Sinne des austretenden Strahles innenliegende Ebene nach dem engsten Schlitzquerschnitt tangential in einen Krümmungskreis (RA) übergeht, der selbst wieder tangential in die Kontur der Außenfläche der Schaufel mündet und wobei eventuell die äußere Lippe des entstandenen Schlitzes, also die äußere Ebene durch entsprechende Biegung nach Innen zu eine besonders rasche Beschleunigung der Strömung unmittelbar vor dem Austrittsquerschnitt ermöglicht, und daß die beiden Ebenen, die den Schlitz bilden, miteinander einen Winkel von 0 bis 10 Grad einschließen und selbst wieder im Mittel einen Winkel von kleiner 90 Grad und größer 20 Grad zur Tangentialebene an der Schaufeloberfläche einschließen. Second Formation of a gas turbine blade, consisting of a hollow, shell fed with coolant, in the outer surface (SP) - possibly distributed over the entire surface - open at an acute angle with the tangent plane on the blade outer surface arranged slots (KS), which in turn are connected via dining rooms (SZ) with the shell interior (KK), for the application of the cooling method according to claim 1, characterized, in that a relatively large cylindrical or hemispherical feed space (SZ) is provided inside the hollow gas turbine bucket shell, which intersects with a slot (KS), which is formed by two levels (AE, IE), which are inclined by a few degrees against each other and which in the intersection with the outer surface of the blade (SP) form the above-mentioned exit slot and that the side boundary (SB) of this slot starting from the feed cylinder (SZ), semi-circular or semi-elliptical transition is limited in straight tangents and that the plane lying in the sense of the exiting beam passes tangentially into a circle of curvature (RA) after the narrowest slot cross section, itself again tangentially opens into the contour of the outer surface of the blade and possibly the outer lip of the resulting slot, Thus, the outer plane by appropriate bending inward to a particularly rapid acceleration of the flow allows immediately before the outlet cross-section, and that the two levels, that form the slot, enclose an angle of 0 to 10 degrees with each other and in turn enclose on average an angle of less than 90 degrees and greater than 20 degrees to the tangent plane on the blade surface.