CH697919A2

CH697919A2 - Turbinenblatt mit konkavem Kühlkanal und darin angeordneten, entgegengesetzte Drallströme bewirkende Turbulatoren.

Info

Publication number: CH697919A2
Application number: CH01503/08A
Authority: CH
Inventors: Ronald Scott Bunker; Gary Michael Itzel
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2009-03-31
Also published as: US20090087312A1; DE102008037384A1; CN101397916A; JP5475974B2; CH697919B1; JP2009085219A; US8376706B2; CN101397916B

Abstract

Ein Turbinenblatt schliesst eine Vorderkante mit einem konkaven Kühlströmungskanal ein. Ein Scheitelpunkt (14) des konkaven Kühlströmungskanals unterteilt den Strömungskanal in angrenzende Bereiche (16, 18). Das Turbinenblatt schliesst eine erste Vielzahl von Turbulatoren (20), die in einem der angrenzenden Bereiche angeordnet ist, und eine zweite Vielzahl von Turbulatoren (20), die in dem anderen der angrenzenden Bereiche angeordnet ist, ein. Die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren sind relativ zueinander angeordnet, um die Kühlströmung in entgegengesetzte Drallströme umzulenken, die sich entlang des Scheitelpunkts wieder vereinigen, und um einen erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust zu bewirken.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenblattkonstruktion, und insbesondere eine Turbulatorkonfiguration in der konkaven Innenoberfläche einer Blattvorderkante.

[0002] Im Allgemeinen ist ein grösseres Ausmass an Innenkühlung für alle gekühlten Gasturbinenblätter erwünscht. Der Kühlkanal an der Vorderkante eines solchen Blattes trägt die stärkste Hitzebelastung des Blatts und benötigt somit auch die meiste Innenkühlung. Diese Anforderung ist für Blätter, die durch geschlossene Kreise gekühlt werden, wie etwa dampfgekühlte Schaufeln der H-System-Turbine<(RTM)> von General Electric noch offensichtlicher (die Anforderung hat jedoch für alle gekühlten Turbinen Gültigkeit).

Es wird nach wie vor nach Lösungen gesucht, die hohe Wärmetransfer-Koeffizienten, einen gleichmässigen Wärmetransfer und auch niedrige Reibungskoeffizienten ermöglichen. Eine solche Lösung muss auch herstellungstechnisch umsetzbar sein, vorzugsweise durch Feingussverfahren.

[0003] Bei Turbinenblättern, die in offenen Kreisen luftgekühlt werden, schliessen die Lösungen im Allgemeinen die Erhöhung der Schleierkühlung in der Blattvorderkante ein, um einen niedrigeren inneren Wärmetransfer auszugleichen, oder die Erhöhung des Prallwärmetransfers in den konkaven Kanal der Vorderkante, sofern ein ausreichendes Druckgefälle vorhanden ist. Die Drallkühlung durch Wandstrahleinspritzung ist eine weitere Lösung.

Bei Blättern, die in geschlossenen Kreisen gekühlt werden, drehen sich die Lösungen im Allgemeinen um eingeschränkte Formen der Wirbelbildung an der konkaven Oberfläche.

[0004] Die hauptsächliche Lösung im gegenwärtigen Stand der Technik für die Kühlung im geschlossenen Kreis ist die Verwendung von quer verlaufenden, wiederholt angeordneten Turbulatoren, d.h., die Turbulatoren sind im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Kanals angeordnet. Fig. 1 zeigt die Konstruktion nach dem Stand der Technik für einen konkaven Kühlkanal 2, der quer verlaufende Turbulatoren 3 einschliesst. Fig. 2 ist eine Seitenansicht, die die konkave Gestalt des Kühlkanals zeigt. Wenn die Turbulatoren 3 quer verlaufen und jeder als ein durchgehender Streifen ausgebildet ist, wirken sie auf herkömmliche Weise, indem sie durch Unterbrechen der Strömung für eine Mischung sorgen.

Diese herkömmliche Methode führt zu hohem Wärmetransfer und hohen Reibungskoeffizienten. Dies ist unabhängig von der konkaven Gestalt der Blattvorderkante der Fall.

[0005] Es wurde vorgeschlagen, die Turbulatoren 3 wie in Fig. 3 dargestellt zur Strömung hin abzuwinkein. Wenn die Turbulatoren 3 zur Strömung hin abgewinkelt sind, wie etwa die um 45 deg. abgewinkelte Version von Fig. 3, aber immer noch eine durchgehende Form innerhalb des konkaven Abschnitts aufweisen, dann wird ein Teil der Strömung so abgelenkt, dass er den Turbulatoren 3 nahe der Oberfläche folgt, wodurch eine Drallströmung in dem halbkreisförmig ausgebildeten Kanal 2 erzeugt wird. Dies dient dazu, den Reibungskoeffizienten wesentlich zu verringern, während gleichzeitig ein hoher Wärmetransferkoeffizient erzielt wird. Die Gleichmässigkeit des Wärmetransfers ist jedoch nicht sehr hoch.

Auch ist diese Geometrie nicht für ein Feingussverfahren geeignet, da die Turbulatoren 3 durchgehend über die konkave Oberfläche abgewinkelt sind. Die Schwankungsbreite in der gegossenen Gestalt dieser Turbulatoren 3 wäre sehr gross, wobei in bestimmten Bereichen die Turbulatoren unerwünscht schmal oder unerwünscht gross sein würden.

[0006] Es wäre somit wünschenswert eine Vorderkantenkonstruktion mit einer Turbulatoranordnung zu schaffen, die einen hohen Wärmetransfer mit geringen Reibungsverlusten bewirkt, wobei sie gleichzeitig durch Feingussverfahren herstellbar ist.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

[0007] In einer beispielhaften Ausführungsform schliesst ein Turbinenblatt eine Vorderkante mit einem konkaven Kühlströmungskanal ein. Ein Scheitelpunkt des konkaven Kühlströmungskanals unterteilt den Strömungskanal in angrenzende Bereiche.

Das Turbinenblatt schliesst eine erste Vielzahl von Turbulatoren, die in einem der angrenzenden Bereiche angeordnet ist, und eine zweite Vielzahl von Turbulatoren ein, die in dem anderen der angrenzenden Bereiche angeordnet ist. Die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren sind relativ zueinander angeordnet, um die Kühlströmung in entgegengesetzte Drallströme umzulenken, die sich entlang des Scheitelpunkts wieder vereinigen, und um einen erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust zu bewirken.

[0008] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform schliesst ein Turbinenblatt eine Vielzahl von Turbulatoren ein, die in jedem der angrenzenden Bereiche in entgegengesetzten Winkeln relativ zu einer Richtung der Kühlströmung angeordnet sind, wobei die Turbulatoren relativ zueinander angeordnet sind und so dimensioniert und geformt sind,

um die Kühlströmung in entgegengesetzte Drallströme umzulenken, die sich entlang des Scheitelpunkts wieder vereinigen, und um einen erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust zu bewirken.

[0009] In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform schliesst ein Verfahren zur Konstruktion einer Turbinenblatt-Vorderkante mit einem konkaven Kühlströmungskanal den Schritt ein, dass der konkave Kühlströmungskanal mit einer ersten Vielzahl von Turbulatoren und einer zweiten Vielzahl von Turbulatoren gegossen wird, wobei die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren relativ zueinander angeordnet sind, um die Kühlströmung in entgegengesetzte Drallströme umzulenken, die sich entlang eines Scheitelpunkts des konkaven Kühlströmungs-kanals wieder vereinigen,

und um einen erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust zu bewirken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010]
<tb>Fig. 1<sep>zeigt einen herkömmlichen Kühlkanal mit quer verlaufenden Turbulatoren;

<tb>Fig. 2<sep>ist eine Seitenansicht des Vorderkantenabschnitts, die eine Position der Turbulatoren in der konkaven Innenfläche zeigt;

<tb>Fig. 3<sep>ist eine vorgeschlagene Lösung für Probleme mit der Konstruktion nach Fig. 1, die zur Strömung hin abgewinkelte Turbulatoren einschliesst;

<tb>Fig. 4<sep>ist eine Seitenansicht des konkaven Kühlströmungskanals von Fig. 3;

<tb>Fig. 5<sep>zeigt den konkaven Kühlströmungskanal mit Turbulatoren, die als abwechselnd angeordnete, abgewinkelte Streifen angeordnet sind;

<tb>Fig. 6<sep>ist eine Seitenansicht des in Fig. 5 gezeigten konkaven Kühlströmungskanals; und

<tb>Fig. 7 und 8<sep>zeigen alternative Anordnungen der Turbulatoren.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0011] unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 ist die Turbulatorkonstruktion so konfiguriert, dass sie die konkave Natur der Vorderkante 10 sowohl bei der Strömung als auch bei der Herstellung berücksichtigt. Für die Herstellung bedeutet dies, dass eine Trennlinie 12 entlang des Scheitelbereichs 14 des Blattes ermöglicht wird, welche den Wirbelbildungsmechanismus in zwei aneinander angrenzende Bereiche oder Hälften 16, 18 unterteilt. Dadurch wird die Schwankungsbreite und die Komplexität im Guss wesentlich verringert oder gar beseitigt, die mit abgewinkelten Turbulatoren in dem konkaven Bereich einhergeht.

Zwei Sätze von Turbulatoren 20 werden dann in einem stumpfen Winkel alpha relativ zu der Massenströmungsrichtung (siehe Pfeil A) angeordnet, um die oberflächennahe Strömung zu veranlassen, wie in Fig. 5 gezeigt, der Richtung der Turbulatoren 20 zumindest zum Teil zu folgen. Der stumpfe Winkel beträgt vorzugsweise etwa 135 , obwohl auch andere Winkel verwendet werden können, um den erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust zu erzeugen.

[0012] Die zwei angrenzenden Sätze von Turbulatoren 20 sind vorzugsweise in spiegelverkehrter Anordnung orientiert, so dass die oberflächennahe Strömung in zwei entgegengesetzte Richtungen verläuft, wodurch wie in Fig. 6 dargestellt zwei entgegengesetzte Drallströmungen erzeugt werden.

Da der Kanal 10 konkav ist, vereinigen sich diese entgegengesetzten Drallströmungen wieder entfernt von der zu kühlenden Oberfläche, und richten sich dann wieder zurück zum Scheitelbereich 14, wodurch der gesamte Doppeldrall-Strömungsmechanismus verstärkt wird. Diese beabsichtigte Doppeldrallströmung sorgt für stark erhöhte Wärmetransferkoeffizienten und sehr viel niedrigere Reibungskoeffizienten, da die Strömung nicht mehr zwangsweise durch quer verlaufende Turbulatoren unterbrochen wird.

Darüber hinaus bringt die Zirkulation die kühlere Strömung vom Kern der Kühlströmung nach aussen zur Metalloberfläche, die gekühlt werden soll, was die Kühlwirkung noch weiter verbessert.

[0013] Diese Konfiguration kann mit Kühlungen im geschlossenen Kreis oder mit Luftkühlungen im offenen Kreis mit oder ohne Schleierextraktion sowie mit oder ohne Prallkühlung oder Wandstrahlkühlung eingesetzt werden.

[0014] Wie in Fig. 5 dargestellt, sind die Turbulatoren 20 in den aneinander angrenzenden Bereichen 16, 18 in versetzter Relation bzw. in einer unterbrochenen V-Form angeordnet (in einer sogenannten unterbrochenen hakenförmigen Anordnung).

Die getrennte Natur der angrenzenden Turbulatoren 20 an dem Scheitelpunkt 14 verbessert den Wärmetransfer in diesem Bereich, wohingegen verbundene Turbulatoren mit entgegengesetzten Winkeln im Gegensatz dazu einen niedrigeren Wärmetransfer erzeugen würden. Das Versetzen der zwei Sätze von Turbulatorstreifen 20 in der unterbrochenen Winkelform ist kein Erfordernis für den Vorteil, führt aber zu einer für das Giessverfahren vorteilhafteren Konstruktion. Turbulatoren 20 in einer winkelförmigen Konfiguration (eine durchgängige V-Form) sind in Fig. 7 und 8 dargestellt. In Fig. 7 sind gekrümmte winkelförmige Turbulatoren 20 so ausgerichtet, dass sich keine Versetzung und keine Unterbrechung entlang des Scheitelbereichs ergibt.

Tatsächlich erfordert das Gussverfahren, dass die Trennlinie zwischen zwei Gussform-Zugrichtungen entlang der gestrichelten Scheitellinie dieser Geometrie angeordnet wird, da die zwei Sätze von Turbulatoren 20 in unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind. Die Trennlinie ist physisch vorhanden, kann aber einen zu vernachlässigend kleinen Spalt zwischen den Tubulatoren 20 aufweisen.

In Fig. 8 sind die Turbulatoren 20 ebenfalls nicht versetzt ausgerichtet, doch ist dort ein Spalt zwischen den zwei Sätzen von Turbulatoren 20 vorhanden, um das Gussverfahren zu vereinfachen (d. h., es weniger anfällig für Abweichungen von den vorgegebenen Dimensionen zu machen).

[0015] Ausserdem muss auch der Kanal 10 an der Vorderkante des Blatts nicht strikt halbkreisförmig sein, sondern im Allgemeinen konkav.

[0016] Die Doppeldrall-Strömung innerhalb eines konkaven Strömungskanals 10, die durch entgegengesetzte Sätze abgewinkelter Turbulatoren 20 induziert wird, dient dazu, die Strömung am Scheitelbereich 14 in zwei entgegengesetzte Drallströme zu unterteilen (siehe Fig. 6).

Die Verstärkung der entgegengesetzten Drallströmungen reduziert den Reibungskoeffizienten, indem die bisher in stark unterteilten verwirbelten Strömungen erfahrenen Energieverluste reduziert werden. Die starke Drallströmung hält die geforderten erhöhten Wärmetransferniveaus aufrecht, und die abgewinkelten Turbulatoren 20 vergrössern zusätzlich den Oberflächenbereich für den Wärmetransfer. Die illustrierte Konfiguration kann durch herkömmliche Mittel wie etwa durch Feinguss oder ein beliebiges aus mehreren Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind und einteilig gegossene Metallteile ergeben, gegossen werden.

[0017] Ein beispielhaftes Verfahren zum Giessen eines Blatts erfordert zumindest zwei Gussform-Zugrichtungen, die die zwei Hälften des Blatts, Druck- und Saugseite, darstellen, welche entlang der Vorder- und Hinterkanten geteilt sind.

Die Geometrie der Turbulatoren 20 ist durch den Keramikkern und die durch die wirtschaftlich sinnvolle Anzahl von Gussform-Zugrichtungen auferlegte Einschränkung festgelegt. Es gibt einen Gussformensatz für den Keramikkern, der die Oberfläche des inneren Kühlkanals definiert, und einen weiteren Gussformensatz für das Äussere des Blattes. Jeder Gussformensatz funktioniert in ähnlicher Weise unter Verwendung von zumindest zwei Gussform-Zugrichtungen.

[0018] In einem konkaven Strömungskanal wurde bei für den Motor typischen dimensionslosen Strömungsbedingungen ein Labormodelltest durchgeführt. Es wurden jeweils Tests für einen turbulatorlosen Kanal, einen Kanal mit quer verlaufenden Turbulatoren (Fig. 1), einen mit durchgehenden Turbulatoren in einem Winkel von 45 deg. (Fig. 3), und einen mit der Geometrie der beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigten einen Wärmetransfer, der zumindest jenem von quer verlaufenden Turbulatoren gleichkommt (oder höher ist, wenn der Oberflächenbereich vergrössert wird), bzw. einen um 50% verringerten Reibungskoeffizienten. Der Test zeigte auch klar, dass der Wärmetransfer viel gleichmässiger ist.

[0019] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit der zur Zeit als die praktischsten und bevorzugt geltenden Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dennoch klar, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen einzuschränken ist,

[0020] sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen, die in das Wesen und den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallen, abdecken soll.

Claims

1. Turbinenblatt, das eine Vorderkante (10) mit einem konkaven Kühlströmungskanal einschliesst, wobei ein Scheitelpunkt (14) des konkaven Kühlströmungskanals den Strömungskanal in angrenzende Bereiche (16, 18) unterteilt, wobei das Turbinenblatt umfasst: eine erste Vielzahl von Turbulatoren (20), die in einem der angrenzenden Bereiche angeordnet ist; und eine zweite Vielzahl von Turbulatoren (20), die in dem anderen der angrenzenden Bereiche angeordnet ist, wobei die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren relativ zueinander angeordnet sind, um die Kühlströmung in entgegengesetzte Drallströme umzulenken, die sich entlang des Scheitelpunkts wieder vereinigen, und um einen erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust zu bewirken.

2. Turbinenblatt nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren (20) jeweils in stumpfen Winkeln relativ zu einer Richtung der Kühlströmung angeordnet sind.

3. Turbinenblatt nach Anspruch 2, wobei die stumpfen Winkel jeweils zwischen +- 120 deg. und +- 150 deg. betragen.

4. Turbinenblatt nach Anspruch 3, wobei die stumpfen Winkel jeweils etwa +- 135 deg. betragen.

5. Turbinenblatt nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren (20) in einer winkelförmigen Konfiguration angeordnet sind.

6. Turbinenblatt nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren (20) in einer unterbrochenen winkelförmigen Konfiguration angeordnet sind.

7. Turbinenblatt nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren (20) so dimensioniert und geformt sind, um die Kühlströmung umzulenken und den erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust bewirken.

8. Verfahren zur Konstruktion einer Turbinenblatt-Vorderkannte (10) mit einem konkaven Kühlströmungskanal, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, dass der konkave Kühlströmungskanal mit einer ersten Vielzahl von Turbulatoren (20) und einer zweiten Vielzahl von Turbulatoren (20) gegossen wird, wobei die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren relativ zueinander angeordnet sind, um die Kühlströmung in entgegengesetzte Drallströme umzulenken, die sich entlang eines Scheitelpunkts des konkaven Kühlströmungskanals wieder vereinigen, und um einen erwünschten Wärmetransfer und Druckverlust zu bewirken.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Gussschritt so ausgeführt wird, dass die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren (20) jeweils in stumpfen Winkeln relativ zu einer Richtung der Kühlströmung angeordnet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Gussschritt so ausgeführt wird, dass die erste und zweite Vielzahl von Turbulatoren (20) in einer winkelförmigen Konfiguration angeordnet sind.