AT404160B - Hohle gasturbinenschaufel und verfahren zur aussen-film-kühlung derselben - Google Patents

Description

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 schwindigkeit eine gute   Kühlwirkung   und eben eine gute Wärmeübergangszahl bewirkt. Zu Folge der Eigenschaften des unterexpandierten Strahles, mit dem erfindungsgemässen hohen   Druckverhältnis   in die Hauptströmung eingespeist, übt er die gewünschte grossflächige Kühlwirkung aus, ohne dass, wie bei einer einzelnen Bohrung, das   Kühlmittel   die Grenzschicht der Hauptströmung durchschlägt und somit ohne seine Kühlwirkung auszuüben im heissen Gasstrom verloren geht. 



   Die Erfindung wird nun anhand eines   Ausführungsbeispieles erläutert,   wobei die Zeichnungsfiguren das Folgende zeigen : Fig.   1 a   und b zeigen Auf-und Grundriss einer Gasturbinenschaufel wobei SP das Schaufelprofil, KK die   Kühlkanäle,   KS die erfindungsgemässen   Kühlschlitze   und KSEK den Kühtschtitz an der Profilnase (Eintrittskante) angeordnet an der Druckseite des Profiles, gegen die Hauptströmung gerichtet, darstellen. Die Befestigung der Schaufel in der Rotorscheibe erfolgt beispielsweise durch einen Tannenbaumfuss TF.

   Fig. 1c zeigt einen Schnitt durch die gegossenen Schaufel der Gasturbinenschaufel mit dem Gasstrom GS, dem   Kühlmittelzustrom   KM zum Speisezylinder SZ, der mit dem   Kühlschlitz     KS,   gebildet aus der äusseren Ebene AE und der inneren Ebene IE, in Verbindung ist, dessen innere Ebene IE mit dem Ausrundungsradius RA tangential in das Schaufelprofil SP an der Aussenseite übergeht. Fig. 1d zeigt einen Blick senkrecht auf die Profiloberfläche in der die Öffnung des Schlitzes in entsprechender Projektion sichtbar ist und der Übergang des Ausrundungsradius RA in das Schaufelprofil SP mit einer dünnen Linie angedeutet ist.

   Die Seitenberandung SB ist in dieser Zone als Verschneidung sichtbar, und ist im Bereich, wo sie im Inneren der Schaufelschale verläuft, strichliert angedeutet, ebenso wie der, in diesem Blick verdeckte Speisezylinder. Hier ist die Seitenberandung SB   hatbreisförmig   oder elliptisch gestaltet, während Fig. 1e eine Lösung mit geraden   Seitenbegrenzungen zeigt. In Fig. 2a, b   wird die strömungsmässige Funktion des erfindungsgemässen Vorschlages demonstriert, die bereits durch Versuche in der gezeigten Weise als gültig nachgewiesen werden konnte.

   Dabei zeigt Fig. 2a die Ausströmung des   Kühlmittels   KM aus dem   Kühlschlitz   KS, wie sie an der Saug- oder Druckseite des Profils im wesentlichen in Richtung der Hauptströmung (Gasströmung GS), stattfindet, wobei im engsten Querschnitt die Schallinie SL strichliert angedeutet ist, und die sich bildende Grenzlinie GL zwischen dem weiter expandierenden   Kühlfilm   und der Haupströmung GS strichpunktiert eingetragen ist, wobei dünne Linien die Expansionsfächer und Stosslinien andeuten, die die Abströmung des der Schaufelprofilkrümmung SP folgenden   Kühlfilmes   KF bestimmen. 



  Auf diese Art kommt es zur Ausbildung eines grossflächigen   Überschallkühlfilmes   KF. In Fig. 2b ist die spezielle Situation der Umströmung der Profilnase PN (im Turbinenbau auch als Eintrittskante bezeichnet) mit der erfindungsgemässen Kühlung durch den   Kühlschlitz   KSEK (Kühlschlitz Eintrittskante) dargestellt, wobei KM wieder das   Kühlmittel   bedeutet. Die Gasströmung GS ist hier in der Umgebung des vorderen Staupunktes durch Stromlinien angedeutet, und der die gesamte Profilnase überströmende   Kühlfilm   wie oben mit KF bezeichnet. 



   Die   strömungstechnische   Funktion der Erfindung wird nun anhand dieser Zeichnungen beschrieben. So zeigt Fig. la den Grundriss einer   Gasturbinenschaufel,   Fig. 1b den Aufriss einer solchen Schaufel mit dem Tannenbaumfuss   TF,   sowie dem Schaufelprofil SP in dem die erwähnten   Kühlschlitze   KS in mehreren Reihen hintereinander, aber entsprechend versetzt angeordnet sind und in einfacher Weise durch die grossflächige Ausbildung der angestrebten   Kühlfilme   die ganze Oberfläche der Schaufel zu bedecken gestatten.

   Es wird besonders auf den   Kühlschlitz   an der Profilnase KSEK hingewiesen, der eine Ausblasung gegen die einströmende Gasströmung bewirkt, aber durch die Eigenschaft des unterexpandierten Strahls ist dieser in der Lage, sich um die stark gekrümmte Eintrittskante herumzulegen und dort die besonders notwendige Kühlung zu bewirken. 



   Fig.   1 c   zeigt nun einen Schnitt durch die   Schaufelschale   in einer Schnittebene etwa senkrecht zur Radialen, entsprechend auch dem Schnitt der im Grundriss der Fig. la gezeigt ist. In   Fig. lc   werden die erwähnten Details des   Kühlmittelzustroms   KM zum engsten Querschnitt gezeigt. Vom Speisezylinder SZ folgt ein durch zwei Ebenen begrenzter   Kühikanal,   der den   eigentlichen Kühlschlitz   KS darstellt. dieser mündet an seiner engsten Stelle an die Oberfläche, wobei die untere Kontur dieses   Kühlschlitze   mit dem erwähnten Ausrundungsradius RA tangential in das Schaufelprofil SP übergeht. 



   Diese geometrische Anordnung des Kühlschlitze wird in Fig.   1 d   im Grundriss dargestellt. Wir sehen von aussen auf die Gasturbinenschaufel, daher verdeckt den Speisezylinder und die Verschneidung der beiden Ebenen des   Kühlschlitzes   mit dem Speisezylinder, sowie die Kontur ihrer seitlichen Begrenzung. Eine   Aiternative   dieser Anordnung ist für eine andere Kontur in der Fig.   1 e   nochmals wiederholt. 



   Die Vorteile der erfindungsgemässen Konstruktion sind die folgenden :
Die Druckverluste der Einspeisung sind deutlich verringert, da die grösste Geschwindigkeit erst im Austrittsquerschnitt des Schlitzes auftritt. Es herrscht somit ein genau definierter gut berechenbarer Druck in diesem Austrittsquerschnitt und der Austrittsquerschnitt selbst kann durch das gewählte Fertigungsverfahren und durch allfällige plastische Verformung genau auf die gewünschte Form gebracht werden. 

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   Das Kühlmittel tritt in einem breiten Fächer   10   den Hauptstrom ein, sodass es von diesem umflossen werden kann. Der Hauptstrom zwingt daher das   Kühlmittel   sich an die Oberfläche anzulegen, entlang der vorgesehenen Rundung als Grenzschicht über die Oberfläche zu strömen und somit einen stark kühlend wirkenden   Kühlfilm   zu bilden. 



   Auch in festigkeitsmässiger Hinsicht bestehen Vorteile. Bei einer   gekühlten   Schaufel treten die höchsten Spannungen in der kalten Zone am Innenrand der tragenden Schale der Schaufel auf. Bei den konventionellen Verfahren mit den zahlreichen Bohrungen kleiner Durchmesser treten hier sehr hohe Kerbwirkungen bel der Mündung der Bohrungen an der Innenseite der Schale auf. Bei der erfindungsgemässen Konstruktion Ist hier ein Zylinder mit grossen Ausrundungsradien vorgegeben, wodurch die Kerbwirkungen deutlich verringert werden. 



   Das erfindungsgemässe   Kühlverfahren   kann sowohl bei Anlagen mit luftsaugenden Gasturbinen verwendet werden, als auch bei Anlagen die im sogenannten kombinierten Prozess betrieben werden, also mit einer Gasturbine mit nachgeschalteter Dampfanlage arbeiten. In Folge der üblichen Druckverhältnisse im Gasturbinenprozess, bzw. des üblichen   Kesseldruckes   in solchen nachgeschalteten Anlagen besteht hier eine günstige Möglichkeit, mit Dampf hohen Druckes aber geringer Temperatur eine Einspeisung in die Gasturbinenschaufeln zur Kühlung derselben vorzunehmen, sodass keine besonderen Massnahmen zur Herstellung des erfindungsgemässen Druckverhältnisses von 2 bis 3 erforderlich sind.

   Andererseits kann aber bei luftsaugenden Gasturbinen sehr wohl auch Luft für die Kühlung verwendet werden, da für die erste Laufschaufel bereits ein genügend hohes Druckverhältnis besteht, wenn die Anspeisung vom Kompressor her erfolgt und lediglich für die erste Leitschaufel, wenn diese in erfindungsgemässer Weise gekühlt wird, ein relativ kleiner Zusatzkompressor erforderlich ist. Damit kann das erfindungsgemässe Verfahren für luftsaugende Gasturbinen generell verwendet werden. 



   Die erfindungsgemässen Vorteile hinsichtlich der durch die geometrische Anordnung und das hohe   Druckverhältnis   erzielbaren Strömungseigenschaften sind in Fig. 2 dargestellt. So zeigt Fig. 2a den in erfindungsgemässer Weise erfolgenden Zustrom des   Kühlmittels   KM durch den   Kühlschlitz   KS im Schnitt senkrecht zur Schaufelachse, sowie die Begrenzungsebenen und den engsten Querschnitt, in dem die Schallgeschwindigkeit (Schallinie SL) auftritt, sowie den Verlauf des unterexpandierten Strahles beim Anlegen an die   Oberfläche (Kühlfilm   KF) in Folge der dann weiter eintretenden Expansion auf   Überschallge-   schwindigkeit.

   Es ist in diesem Bild die Grenzlinie GL zwischen der freien Gasströmung und dem   Kühlfilm   eingezeichnet und es wird darauf hingewiesen, dass infolge der verschiedenen Temperatur des   Kühlmittels   und der Hauptströmung und infolge der hohen Geschwindigkeit des   Kühlstrahis,   die sich nur wenig von der der Hauptströmung unterscheidet nur ein geringer turbulenter Austausch entlang dieser Grenzlinie stattfindet, sodass über einen weiten Bereich der   Kühlstrahl   mit einer niedrigen Temperatur an der Oberfläche des Profils anliegt. 



   Fig. 2b zeigt in einem Schnitt die besonders schwierige Situation an der Profilnase PN einer solchen Gasturbinenschaufel. An dieser tritt ein Staupunkt der ankommenden Gasströmung (GS) auf, was bedeutet, dass die Grenzschichtdicke an dieser Stelle gleich Null wird, und an beiden Seiten hin sich eine laminare, aber sehr dünne Grenzschicht ausbildet. Diese dünne Grenzschicht stellt nur eine geringe Wärmeisolation gegenüber der hohen Temperatur der Hauptströmung dar, sodass im Normalfall hier der Spitzenwert des Wärmeüberganges und der Aufheizung der Schaufel stattfindet. Die hier im allgemeinen durch Brausen von Kühlbohrungen erzeugen   Kühlmittelströme   geringer Geschwindigkeit werden hier besonders leicht weggeblasen, sodass hier ein besonders schweres Problem der Gasturbinenkühlung zu lösen ist.

   Der erfindungs- 
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 ein   Überschallkühlstrahl   auf, der die gesamte Profilnase (Eintrittskante) umfliesst, der zudem durch Turbulenzen in der Hauptströmung nur wenig beeinflussbar ist. 

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Claims (2)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Aussen-Film-Kühlung von hohlen Gasturbinenschaufeln aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff, wobei Luft oder Dampf als Kühlmittel verwendet wird, das dem Schaufelinnenraum unter Druck zugeführt wird, anschliessend durch die Schaufelwand durchsetzende Schlitze an die Schaufelau- Benfläche 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 <Desc/Clms Page number 4> 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 Druckverhält- nis) 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 Kühlfim ermöglicht wird.
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 Krümmungs- kreis (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 unmittel- bar 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.