Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung ther¬ misch belasteter Bauelemente von Strömungsmaschinen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Ausbildung thermisch belasteter Schaufeln, bei denen 5 ^' an der inneren Schaufelwand Kühlluft vorbeiströmt und durch kleine Durchbrechungen in dem Schaufelmantel im Grenzschichtbereich austritt.

Bei stationären und in Land-, See- und Luftfahrzeugen

10 als Antriebsaggregate installierten Strömungsmaschinen bestent häufig das Problem, daß bestimmte Bauelemente, wie Schaufeln und Brennkammern, durch einen Gasstrom hoher Temperatur thermisch hoch belastet werden. In einem Flugzeugtriebwerk zum Beispiel werden die Schau-

15 fein des Rotors und Stators von einem heißen Gasstrom angeströmt, wobei in der Startphase die Temperatur zum Beispiel 138θ°C und im Reiseflug 1170°C betragen kann. Die Schaufeln müssen bei diesen Temperaturen gekühlt werden, damit sie durch die thermische Belastung nicht

20 beschädigt oder gar zerstört werden. Zu diesem Zweck wird zum Beispiel vom Hochdruckkompressor Kühlluft mit einer Temperatur von 585°C in der Startphase und 470°C im Reiseflug bei einem Druck von 29 bar bzw. 11 bar abgezapft und zum Beispiel mittels eines speziellen

25 Einschubs in die Schaufeln geleitet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, mittels derer zur Kühlung thermisch belasteter Bauelemente von Strömungs- 30 maschinen die spezifische Kühlleistung erhöht wird, ohne daß hierzu besondere energetisch angetriebene Kühlaggregate erforderlich sind.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, 35 daß die Kühlluft tangential in ein aus einer zylin¬ drischen Wirbelkammer mit zwei endabschnittseitigen Drosselgliedern bestehendes Wirbelrohr zwischen den Drosselgliedern im Bereich des einen Drosselglieds mit

einem blendenartig ausgebildeten Einstrδmabschnitt einströmt und in zwei Teilkühlluftströme aufgeteilt wird, von denen der eine Teilkühlluftstrom nach Durch¬ strömen des Drosselglieds mit blendenartigem Einströmab- schnitt gegenüber der Temperatur der in das Wirbelrohr einströmenden Kühlluft abgekühlt der zu kühlenden Wand¬ fläche zugeführt und der andere Teilkühlluftstrom aus dem Bereich des Bauelements abgeleitet wird. Die zu kühlenden Bauelemente können Brennkammern und/oder die Schaufeln sein. Der über das eine Drosselglied ausströ¬ mende erwärmte Teilkühlluftstrom kann in den Hauptgas¬ strom geleitet werden. Hierdurch werden die Standzeit der Schaufeln erhöht und die Betriebskosten der Strö¬ mungsmaschine gesenkt. Durch diese Lösung kann zum Beispiel bei Flugzeugtriebwerken die Temperatur des

Hauptgasstromes erhöht werden, wodurch der Wirkungsgrad des Triebwerks verbessert wird. Alternativ ist es mög¬ lich die Brennkammertemperatur und damit den Wirkungs¬ grad der Strömungsmaschine zu erhöhen, oder die Schau- fein näher an der Brennkammerdüse anzuordnen, so daß eine Verkleinerung und Gewichtsminderung der Strömungs¬ maschine erzielt wird, oder für die Schaufeln einen weniger aufwendigen Werkstoff zu verwenden, was Kosten¬ einsparungen bewirkt.

Es ist auch möglich, ein Wirbelrohr mit einem Diffusor zu verwenden. Dieses hat die Eigenschaft, daß die an den beiden Endabschnitten ausströmende Luft kälter ist als die dem Wirbelrohr zugeführte Luft. Die Länge dieses Wirbelrohrs sowie die Größe des Diffusorwinkels sind abhängig von der vorgegebenen Druckdifferenz, vom Gasdurchsatz, von der Temperatur des durchgesetzten Gases sowie von der Größe der gewünschten Temperaturabsenkung. Bei dem Wirbelrohr mit Diffusor wird die Kühlluft eben- falls tangential in einen zylindrischen Abschnitt des Wirbelrohrs eingebracht, worauf dann ein Teilkühlluft-

ström durch den Diffusor und der verbleibende Teilkühl¬ luftstrom durch ein blendenartiges Drosselglied strömt. Die abgekühlten Teilkühlluftstrδme können wieder ver¬ einigt und den zu kühlenden Wandflächen zugeführt wer- den.

Weitere Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben sowie anhand der in den Zeich¬ nungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu- tert.

Es zeigt:

Fig. 1. eine Vorrichtung zur Kühlung von Schaufeln in einer schematischen Ansicht.

Fig. 2. zwei Schaufeln in schematischen Seitenansichten im und 3- Schnitt.

Fig. 4. eine weitere Schaufel in einer schematischen Seitenansicht im Schnitt.

Fig. 5. eine weitere Ausführung eines Wirbelrohrs zur Kühlung thermisch belasteter Bauteile von Strömungsmaschinen,

Fig. 6ä. das Wirbelkammergehäuse des Wirbelrohrs nach und 6b. Fig. 5 in einer Draufsicht und Seitenansicht.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von Schaufeln 1 schematisch dargestellt. Von einer Kühlluftquelle 4 wie zum Beispiel einem Kompressor wird über den Haupt¬ gasstromkanal 13 mittels eines Kühlluftkanals 12 Kühl¬ luft tangential in das Rohr 18 eines Wirbelrohrs 5 im Bereich der Blende 6 eingeblasen. Das Rohr 18 bildet eine Wirbelkammer 17. Durch den Hauptgasstromkanal 13

kann zum Beispiel Kompressorluft strömen, der bei Flug¬ zeugtriebwerken als Kühlluftstrom 3 dient. Die tangen¬ tial ausgerichteten Einstromdüsen 7 im Bereich der Blende 6 bewirken eine spiralige Lufteinführung in das Rohr 18 des Wirbelrohrs 5. Dieses besteht neben der

Blende 6 aus einem düsenartiges Drosselglied 11, die an dem der Blende 6 abgewandten Endabschnitt des Rohres 18 ausgebildet ist. Der in dem Wirbelrohr 5 gebildete wirbeiförmige Luftstrom besteht aus einem Kern und einer äußeren Zone, wobei der Kern niedrigere und die äußere Zone höhere Temperaturen besitzt als die Eingangstem¬ peratur der durch die Einströmdüsen 7 eintretenden Kühlluft. Das kältere Gas verläßt das Wirbelrohr 5 durch die Blende 6 direkt neben den Einströmdüsen 7. An dem Kaltluftausgang 8 ist eine Rohrleitung 19 angeordnet, die mittels Anschlußstücken 20 mit jeweils einer Schau¬ fel 1 verbunden sind. Der Warmluftausgang 10 ^' ist an dem düsenartigen Drosselglied 11 ausgebildet und zum Bei¬ spiel mittels eines Rohres 21 mit dem Hauptgasstromkanal 13 verbunden.

Als Schaufeln 1 können solche verwendet werden, wie sie für die Hoch-, Mittel- und Niederdruckbereiche von Strömungsmaschinen üblich sind (Fig. 2 und 3). Die Schaufeln 1 bestehen aus einem Hohlkörper, in dem ein labyrinthartig geformter Kühlkanal 9 mit mehreren Strö¬ mungsumlenkzonen ausgebildet ist. An definierten Ab¬ schnitten des Schaufelmantels 22 und in der Endkappe 23 sind Durchbrechungen 14 ausgebildet, durch die aus der Schaufelkammer die Kühlluft ausströmen kann. Vorzugs¬ weise befinden sich die Durchbrechungen 14 im Bereich der Schaufelnasen, wobei der Druck der austretenden Kühlluft so gewählt wird, daß auf der Außenfläche der jeweiligen Schaufel 1 eine Grenzschichtströmung ausge- bildet wird.

Es ist möglich, für die Schaufeln 1 des Rotors und/oder Stators einer Triebwerksstufe jeweils ein Wirbelrohr 5 vorzusehen. Darüber hinaus kann auch jeweils eine Anzahl von Schaufeln 1 des Rotors und/oder Stators einer Trieb- werksstufe mit dem Kaltluftausgang eines Wirbelrohrs 5 verbunden werden. Bei größeren Triebwerken ist es zweck¬ mäßig, jeder Schaufel 1 des Rotors und/oder Stators einer Triebwerksstufe ein Wirbelrohr 5 zuzuordnen, so daß der Kaltluftausgang 8 eines Wirbelrohrs 5 nur mit einer Schaufel 1 verbunden ist.

Es ist auch möglich, in jeder Schaufel 1 ein Wirbelrohr 5 auszubilden, das über den Kühlluftkanal 12 mit Kühl¬ luft aus dem Kühlluftstrom 3 beaufschlagt wird. Auch bei dieser Ausführungform tritt die nach Durchströmen der Blende 6 weiter abgekühlte Luft in die Kühlkanäle 9 der Schaufel 1 ein und kühlt den Schaufelmantel 22. Die ausströmende Kühlluft strömt durch die Durchbrechungen 14 aus der Schaufel 1 aus und kann zum Beispiel dem Gasstrom zugemischt werden. Die durch den drosselseiti- gen Warmluftausgang 10 ausströmende Warmluft wird abge¬ führt und kann ebenfalls zum Beispiel dem Gasstrom beigemischt werden.

Wie in Fig. 4 dargestellt, kann das Wirbelrohr 5 in einem Einschubstück 15 ausgebildet sein, das in eine Schaufel 1 eingesetzt ist. Die am Kaltluftausgang 8 austretende Kühlluft wird in die Kühlkanäle 9 eingelei¬ tet. Die aus dem Warmluftausgang 10 austretende Warmluft wird dem Hauptgasstromkanal 13 in dem Bereich zugeführt, in dem der Hauptgasstrom 16 strömt.

In ähnlicher Weise kann mittels eines oder mehrerer Wirbel¬ rohre 5 auch eine doppelwandige Ringbrennkammer gekühlt werden. In diesem Fall wird der Kühlluftstrom in den

Ringkanal der Ringbrennkammer eingeleitet, der durch Trennstege in besondere Kühlkanäle unterteilt sein kann. Die für das jeweilige Wirbelrohr 5 benötigte Druckluft wird entweder der für die Kühlung der Ringbrennkammer benötigten Kühlluft entnommen oder wie zur Kühlung der Schaufeln 1 beschrieben bereitgestellt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können* für die vorbeschriebenen Anwendungsfälle auch Wirbelroh- re 25 verwendet werden, bei denen der Warmluftausgang 10 durch einen Diffusor 33 in einem Kaltluftausgang 8a verändert wird. Das in den Fig. 5 bis Fig. 6b schema¬ tisch dargestellte Wirbelrohr 25 hat den Vorteil, daß die an den Endabschnitten des Wirbelrohrs 25 ausstrδmen- de Luft kälter ist als die dem Wirelrohr 25 zugeführte Luft. Die Länge des Wirbelrohrs 25 sowie der Diffusor- winkel sind abhängig von der vorgegebenen Druckdif¬ ferenz, vom Gasdurchsatz, von der Temperatur des einge¬ brachten Gases und von der gewünschten Te peraturabsen kung. Das in Fig. 5 dargestellte Wirbelrohr 25 weist ein Wirbelkammergehäuse 24 auf, in dem ein Wirbelraum 27 ausgebildet ist. Der Wirbelraum 27 steht mit tangential an dem Wirbelkammergehäuse 24 ausgebildeten Einstrδmdü- sen 7 in Verbindung. Der Wirbelraum 27 weist ferner zwei koaxial zur Mittelachse 28 des Wirbelkammergehäuses 24 ausgerichtete Strδmungsaustrittsδ fnungen 29, 30 auf. Die Strömungaustrittsöffnung 29 bildet einen blendenar¬ tigen Einstrδmabschnitt 51 eines Diffusors 33, da der Durchmesser der Einströmöf nung des Diffusors 33, also der der Strδmungsaustrittsöffnung 29, kleiner ist, als der Durchmesser des Wirbelraums 27. Es ist aber auch, sofern anwendungsbezogen zweckmäßig, möglich, den Durch¬ messer der Strömungsaustrittsöffnung 29 gleich dem Durchmesser des Wirbelraums 27 auszubilden. In diesem Fall würde die Strömungsaustrittsöffnung 29 keinen blendenartigen Einstrδmabschnitt bilden.Der Diffusor 33

weist einen Gewindezapfen 41 auf, der in das Wirbelkam mergehäuse 24 eingeschraubt ist. Die Steigung des Diffu¬ sors 33 kann ein Verhältnis von 1:10 betragen. An dem Endabschnitt 36 des Diffusors 33 ist ein Flansch 31 mit einem Außengewinde 37 ausgebildet. In dem Flansch 31 ist ferner eine Ausnehmung 38 ausgebildet, die zur Aufnahme einer Blende 6 dient. Die Blende 6 ist passend in die Ausnehmung 38 eingesetzt und wird von einem Flansch 39 in der Ausnehmung 38 gehalten, der auf den Flansch 31 aufgeschraubt ist. An dem Flansch 39 ist ein Rohrstutzen 40 als Kaltluftausgang 8a ausgebildet. Das durch den Flansch 39 mit Rohrstutzen 40 und die Blende 6 gebildete blendenartige Drosselglied 49 kann auch anders ausgebil¬ det sein. So ist es möglich, nur eine Blende 6 oder aber nur einen Rohreinlauf 53 mit Flansch 39 und Rohrstutzen 40 vorzusehen. Die Strδmungsaustrittsöffnung 30 bildet den blendenartigen Einstrδmabschnitt 50 eines blendenar¬ tigen Drosselglieds 48, das durch eine Düse 32 gebildet ist. Der Düsenkörper 26 ist in eine Ausnehmung 47 des Wirbelkammergehäuses 24 eingeschraubt. Der durch die Strömungsaustrittsöffnung 30 strömende Teilluftstrom wird durch den Düsenkanal 34 der Düse 32 zum Kaltluft¬ ausgang 8 abgeführt. Der Düsenwinkel 35 kann z. B. zwischen 3 und 5 Grad betragen.