CH702110B1 - Struktur zur Verbesserung von Filmkühlung unter Verwendung eines flachen Grabens mit entlang der Längsrichtung des Grabens angeordneten Filmkühlungslöchern. - Google Patents

Abstract

Ein Turbinenschaufelblatt (40) enthält mehrere flache Gräben (14). Jeder Graben (14) enthält mehrere darin angeordnete und entlang der Längsrichtung (46) des Grabens (14) befindliche und durch ein Schaufelblattsubstrat in der Längsrichtung (46) des Grabens (14) geneigte Filmkühlungslöcher (42).

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft allgemein filmgekühlte Teile und insbesondere filmgekühlte Turbinenschaufelblätter.

[0002] Gasturbinen und anderes Hochtemperaturgerät nutzen Filmkühlung ausgiebig für einen effektiven Schutz der Heissgaspfadkomponenten, wie z.B. Turbinenlaufschaufeln. Filmkühlung bezieht sich auf eine Technik zum Kühlen eines Teils, in welchem kühle Luft durch mehrere kleine Löcher in der Aussenwand des Teils hindurch ausgegeben wird, um eine relativ dünne kühle Schicht oder Barriere entlang der Aussenoberfläche des Teils zu erzeugen und einen direkten Kontakt mit heissen Gasen zu verhindern oder zu verringern.

[0003] Übliche Stellen, die zum Kühlen von Turbinenschaufelblättern genutzt werden, umfassen unter anderem den Schaufelblattvorderkanten-Duschkopffilm und Filmkühlungslöcher auf vorderen Endwandbereichen. Eine übliche Kühltechnik nutzt Reihen von axial runden Filmkühlungslöchern in einem flachen Graben, in welchem die Achse jedes Filmkühlungsloches im Wesentlichen quer zu der Längsrichtung des Grabens ausgerichtet ist. Die Verwendung eines flachen Grabens verstärkt die Verteilung des Kühlfilms, was die Filmkühlung weniger empfindlich gegen Turbulenzeffekte bei freier Anströmung und auch tolerant gegenüber Effekten aufgrund von Ablagerungen auf der Oberfläche macht.

[0004] Diese bekannten flache Gräben nutzenden Turbinenschaufelblatt-Filmkühlungstechniken verbessern die Filmkühlungseffektivität gegenüber herkömmlichen Filmkühlungstechniken, die Filmkühlungslöcher ohne flache Gräben verwenden. Es wäre vorteilhaft, eine nächste Generation von Turbinenschaufelblattfilmkühlung bereitzustellen, die die Filmkühlungseffektivität über die hinausgehend verbessert, die unter Verwendung bekannter Turbinenschaufel-Filmkühlungstechniken, die flache Gräben verwenden, erzielbar sind.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0005] Die Erfindung sieht eine Komponente gemäss Anspruch 1 vor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0006] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Referenzzeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, wobei: <tb>Fig. 1<SEP>eine perspektivische Ansicht ist, die mehrere Filmkühlungslöcher im Inneren eines im Fachgebiet bekannten flachen Grabens veranschaulicht; <tb>Fig. 2<SEP>die Winkelbeziehung zwischen den Wänden des flachen Grabens und der Mittenachse eines in Fig. 1 dargestellten Filmkühlungsloches detaillierter veranschaulicht; <tb>Fig. 3<SEP>eine perspektivische Ansicht ist, die einen Filmkühlungsstrom aufgrund einer lateralen Strömungsblockierung für die in Fig. 1 dargestellten Filmkühlungslöcher veranschaulicht; <tb>Fig. 4<SEP>eine perspektivische Ansicht ist, die mehrere Filmkühlungslöcher in einem flachen Graben veranschaulicht, in welchem jedes Filmkühlungsloch eine Mittenachse enthält, die in der Längsrichtung des Grabens gemäss einer ersten Ausführungsform ausgerichtet ist; <tb>Fig. 5<SEP>mehrere Filmkühlungslöcher im Inneren entsprechender flacher Gräben, angewendet auf einen mittels Duschkopffilm gekühlten Bereich eines Turbinenschaufelblattes gemäss einer Ausführungsform veranschaulicht; <tb>Fig. 6<SEP>eine Endansicht der in Fig. 4 dargestellten Filmkühlungslöcher ist; und <tb>Fig. 7<SEP>eine Ansicht quer zu der Längsrichtung des in den Fig. 4 und 6 dargestellten flachen Grabens ist und eine andere Ansicht der Mittenachse eines zu der Längsrichtung des Grabens ausgerichteten Filmkühlungsloches veranschaulicht.

[0007] Obwohl die vorstehend beschriebenen Figuren alternative Ausführungsformen darstellen, werden auch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in der Diskussion angegeben, in Betracht gezogen. In allen Fällen präsentiert diese Offenlegung veranschaulichte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur im Rahmen einer Darstellung und nicht einer Einschränkung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0008] Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaufelblattteils 10, das mehrere Filmkühlungslöcher 12 innerhalb eines im Fachgebiet bekannten flachen Grabens 14 enthält. Das Teil 10 wird durch ein durch das Innere des Teils 10 hindurchtretendes Kühlfluid gekühlt. Das Kühlfluid kann Verdichterentnahmeluft oder ein anderes Fluid mit bekannten thermodynamischen Eigenschaften, wie z.B. Stickstoff, sein. Ein Teil des Kühlmittels tritt durch die Filmkühlungslöcher 12 an eine Aussenseite des Teils 10 aus. Das Teil 10 kann mehrere derartige flache Gräben haben, obwohl nur einer für die Zwecke der Veranschaulichung dargestellt ist.

[0009] Fig. 2 veranschaulicht eine Endansicht des in Fig. 1 dargestellten Grabens 14 und zeigt die Winkelbeziehung zwischen den Seitenwänden 16 des flachen Grabens 14 und der Mittenachse 18 jedes Filmkühlungsloches 12. In Fig. 3 dargestellte heisse Gase 30 strömen in einer Richtung quer zu der Längsrichtung des Grabens 14. Kühlmittel tritt durch die Filmkühlungslöcher 12 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Strömung der heissen Gase 30 aus und verteilt sich in dem Graben 14, bevor es aus dem Graben kommt und das Schaufelblattteil 10 kühlt. Da die Mittenachse 18 jedes Filmkühlungsloches 12 eine Winkelbeziehung zu den Seitenwänden 16 des flachen Grabens 14 bildet, wird ein Teil des die Filmkühlungslöcher 12 verlassenden Kühlmittels blockiert oder anderweitig zurückgehalten, um zu verhindern, dass sich der maximale Anteil des Kühlmittels 32 mit den heissen Gasen 30 vermischt, um die Optimierung der Kühlung des Schaufelblattteils zu behindern.

[0010] Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Filmkühlungsströmung 32 aufgrund der lateralen Strömungsblockierung für die in Fig. 1 dargestellten Filmkühlungslöcher 12 darstellt.

[0011] Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die mehrere Filmkühlungslöcher 42 in einem sich auf einem Schaufelblattteil 40 befindenden flachen Graben 14 darstellt, in welchem jedes Filmkühlungsloch 42 eine Mittenachse 44 enthält, die in der Längsrichtung 46 des Grabens 14 gemäss einer ersten Ausführungsform ausgerichtet ist. Das Teil 40 wird durch ein durch einen Innenbereich des Teils 40 strömendes Kühlfluid gekühlt. Das Kühlfluid kann Verdichterentnahmeluft oder ein anderes Fluid mit bekannten thermodynamischen Eigenschaften, wie z.B. Stickstoff, sein. Ein Anteil des Kühlmittels tritt durch die Filmkühlungslöcher 12 an eine Aussenseite des Teils 10 aus. Das Teil 40 kann mehrere derartige flache Gräben haben, obwohl nur einer für Zwecke der Veranschaulichung dargestellt ist.

[0012] Heisse Gase können in jeder Richtung in Bezug auf die Längsrichtung 46 des flachen Grabens 14 strömen, aber die Mehrzahl der Anwendungen möchte heisse Gase haben, die im Wesentlichen quer zu der Längsrichtung 46 des flachen Grabens 14 strömen. Kühlmittel tritt aus den Filmkühlungslöchern 42 in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 46 aus und füllt den Graben 14, bevor es aus dem Graben austritt und das Schaufelblattteil 40 kühlt. Da die Mittenachse 44 jedes Filmkühlungsloches 42 im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 16 des flachen Grabens 14 ist, kann im Wesentlichen das gesamte die Filmkühlungslöcher 42 verlassende Kühlmittel die Länge des Grabens 14 auffüllen und eine unmittelbare Vermischung mit den heissen Gasen vermeiden, und dadurch auch den Graben 14 als eine besser zusammenhängende Kühlschicht in der Längsrichtung 46 des Schaufelblattteils 10 verlassen, um die Optimierung der Kühlung des Schaufelblattteils 40 zu maximieren.

[0013] Fig. 5 stellt mehrere Filmkühlungslöcher 42 im Inneren entsprechender flacher Gräben 14 in Anwendung auf einen Duschkopf-Filmkühlungsbereich 50 eines Turbinenschaufelblattteils gemäss einer Ausführungsform dar. Jedes Filmkühlungsloch 42 hat eine im Wesentlichen in der Längsrichtung 46 des entsprechenden flachen Grabens 14 und im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 16 des entsprechenden flachen Grabens 14 ausgerichtete Mittenachse.

[0014] Fig. 6 ist eine Endansicht der Filmkühlungslöcher 42 im Inneren des auf dem Schaufelblattteil 40 angeordneten flachen Grabens 14. Ein Substrat 60 (auch Schaufelblattsubstrat oder Komponentensubstrat genannt) repräsentiert die Wand eines Schaufelblattteils, welches eine Kühlung auf einer oder mehreren Oberflächen benötigt (z.B. die Wand des Schaufelblattteils 40 in Fig. 4 ). Das Substrat 60 enthält eine heisse Oberfläche 62 und eine kühlere Oberfläche 64. In Fig. 3 mit 30 bezeichnete Verbrennungsgase werden üblicherweise über das Schaufelblattteil 40 (d.h., über die beschichtete Oberfläche 73) geleitet. Kühlluft 32 strömt von der kühleren Oberfläche durch Filmkühlungslöcher 42 nach oben. Die Filmkühlungslöcher haben einen durchschnittlichen Durchgangsdurchmesser 76. Das Substrat 60 ist teilweise mit einer Haftschicht 70 und einer darüberliegenden Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) 72 beschichtet. In dieser Ausführungsform ist der flache Graben 14 in der Haftschicht 70 und der TBC 72 ausgebildet und hat eine gewünschte Tiefe. Üblicherweise (jedoch nicht immer) sind die Seitenwände 16 des flachen Grabens 14 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Oberfläche 62 des Substrates 60. (Somit sind die Seitenwände 16 üblicherweise im Wesentlichen rechtwinklig zu der Bodenoberfläche 80 des Grabens 14).

[0015] Gemäss einer Ausführungsform ist die Mittellinie 44 der Filmkühlungslöcher 42 zwischen etwa 15 Grad und etwa 50 Grad in Bezug auf die Bodenoberfläche 80 des in Fig. 7 dargestellten Grabens 14 ausgerichtet. Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist die Mittellinie der Filmkühlungslöcher 42 zwischen etwa 20 Grad und etwa 35 Grad in Bezug auf die Bodenoberfläche 80 des Grabens 14 ausgerichtet. Die Breite des Grabens 14 ist im Wesentlichen gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung gleich der maximalen Durchgangsbreite des Filmkühlungsloches 42. Wenn ein Filmkühlungsloch perfekt in der Längsrichtung seines entsprechenden Grabens ausgerichtet ist, ist dann die Breite gleich dem Filmkühlungsdurchmesser für ein rundes Filmkühlungsloch. Wenn das Filmkühlungsloch 42 etwas ausserwinklig ausgerichtet ist, wie z.B. bis zu 20 Grad, kann dann die Breite grösser sein. Es dürfte sich verstehen, dass die Grabenbreite grösser als der Filmkühlungslochaustritt sein kann und trotzdem gut funktioniert, um die gewünschten Kühlergebnisse gemäss dem hierin beschriebenen Prinzip unabhängig davon zu erreichen, ob das Filmkühlungsloch perfekt ausgerichtet ist oder nicht. Eine Ausführungsform verwendet eine Grabenbreite von etwa dem 1,0- bis etwa 1,5-fachen der maximalen Austrittsflächenbreite ihrer entsprechenden Filmkühlungslöcher 42. Es dürfte sich verstehen, dass ein Graben 14 keine perfekten Viereckeigenschaften haben muss. Irgendeine oder mehrere von den oberen Ecken des Grabens 14 können etwas abgerundet oder abgefast sein, und eine oder mehrere von den Innenecken des Grabens 14 können kleine Übergänge enthalten.

[0016] In einigen Ausführungsformen ist die Tiefe des flachen Grabens 14 weniger als der durchschnittliche Durchgangsdurchmesser der Filmkühlungslöcher 42. In weiteren Ausführungsformen ist die Tiefe des flachen Grabens 14 weniger als etwa 50% des durchschnittlichen Durchgangsdurchmessers der Filmkühlungslöcher 42. Diese relativen Abmessungen stehen in deutlichem Gegensatz zu tiefen Schlitzen, die oft nach dem Stand der Technik angewendet werden.

[0017] Gemäss Darstellung in Fig. 6 dient der Graben 14 als ein «Überlauf»-Graben für das die Kühllöcher 42 verlassende Kühlmittel 32. Die Seitenwände 16 lenken die Strömung des Kühlmittels 32. Demzufolge verteilt sich das Kühlmittel in dem Graben, bevor es den Graben entlang der heissen Oberfläche 73 (d.h., der beschichteten Oberfläche 62) verlässt. Das Kühlmittel steht somit in engem Kontakt mit der heissen Oberfläche, statt sie schnell davon zu trennen, da die verstärkte Kühlmittelverteilung über der heissen Oberfläche nun weniger gegen Turbulenzeffekte der freien Anströmung empfindlich und auch toleranter gegenüber Effekten aufgrund von Ablagerungen auf der Oberfläche ist. Dieses führt wiederum, wie hierin vorstehend festgestellt, zu einer besseren Kühleffektivität für das Schaufelblattteil 40.

[0018] Fig. 7 ist eine Ansicht quer zu der Längsrichtung 46 des in den Fig. 4 und 6 dargestellten flachen Grabens 14, die eine andere Ansicht der Mittenachse 44 eines in der Längsrichtung 46 des Grabens 14 ausgerichteten Filmkühlungsloches 42 darstellt.

[0019] Zusammengefasst werden hierin eine Struktur und ein Verfahren zur Verbesserung der Filmkühlung für eine Vielfalt von Turbinenlaufschaufelstellen beschrieben, die ohne Beschränkung darauf, die Duschkopffilm- und die Filmkühlungslöcher auf den vorderen Endwandbereichen eines Turbinenschaufelblattes beinhalten. Reihen von Filmkühlungslöchern oder mit Filmkühlungslöchern, die axial entlang der Grabenbreitenseite in flachen Gräben angeordnet sind, sind durch Filmkühlungslöcher ersetzt, die eine Mittenachse haben, die im Wesentlichen in der Längsrichtung der entsprechenden Gräben ausgerichtet ist. Die Verwendung des flachen Grabens verstärkt die Verteilung der Filmkühlung, was die Filmkühlung weniger empfindlich gegen Turbulenzeffekte einer freien Anströmung und auch toleranter gegen Effekte aufgrund von Abscheidungen auf der Oberfläche des Turbinenschaufelblattes macht. Es dürfte sich verstehen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen in keiner Weise auf die Verwendung von runden Filmkühlungslöchern beschränkt sind und dass viele weitere Filmkühlungslochformen eingesetzt werden können, um die Vorteile gemäss den hierin beschriebenen Prinzipien bereitzustellen.

[0020] Die Ausrichtung von Filmkühlungslöchern, im Allgemeinen von Reihen von Filmkühlungslöchern, die in einem Winkel durch das Substrat hindurch, aber entlang der Richtung des Grabens statt quer zu der Richtung des Grabens (d.h., entlang der Grabenbreite ausgerichtet) bewirkt, dass die Filmstrahlen in den Graben austreten, ohne auf die Seitenwände oder andere Hindernisse zu treffen. Die Kühlmittelströmung füllt leichter den Graben, bevor sie auf die äussere aerodynamische Oberfläche der Komponente als eine nahezu gleichmässige Filmkühlungsschicht austritt. Diese Struktur ist besonders nützlich für Reihen von Filmkühlungslöchern, die ansonsten durch die Fertigung auf Ausrichtungen in festen Richtungen beschränkt sind, wie z.B. die Duschkopffilmreihen, die radial sind, und auch vordere Endwandfilmreihen, die in Umfangsrichtung (azimutal) verlaufen. Eine Filmkühlungslochausrichtung entlang der Länge des Grabens nützt auch Filmkühlungslochreihen mit grösseren Abständen zwischen den einzelnen Filmkühlungslöchern, da der Graben als ein Pufferbereich für die Kühlmittelverteilung dient, bevor das Kühlmittel mit den heissen Hauptstromgasen in Wechselwirkung tritt.

[0021] Der bzw. die flachen Gräben können gemäss einer Ausführungsform in den Schutzbeschichtungen der Komponente ausgebildet sein. Der bzw. die Gräben können sich gemäss einer weiteren Ausführungsform teilweise in dem Substrat befinden. Diese Ausführungsformen verbessern die Filmkühlungseffektivität für übliche Schaufelblattstellen, die hinsichtlich Geometrie und Fertigung eingeschränkt sind. Derartige Bereiche könnten ansonsten keine axial ausgerichteten Filmkühlungslöcher oder eben geformte Filmkühlungslöcheraustritte nutzen. Es hat sich herausgestellt, dass spezielle Ausführungsformen die regionale Schaufelblattfilmkühlung um etwa 25% gegenüber der mit bekannten Strukturen erzielbaren hinaus verbessern. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen stellen einen Vorteil in der Fähigkeit bereit, die Gesamtkühlströmung für die Turbine zu verringern und den wirtschaftlich gebotenen Wirkungsgrad zu vergrössern.

[0022] Es dürfte sich verstehen, dass Haftschichten, welche auch als Haftbeschichtungen bekannt sind, sowie TBC-Aussenbeschichtungen aus mehreren Schichten oder Zusammensetzungen bestehen können. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind nicht auf eine einfache Haftbeschichtung oder Aussenbeschichtung mit nur jeweils einer Zusammensetzung beschränkt. Exemplarische Produkte verwenden derzeit ein zweilagiges Haftbeschichtungssystem. Ferner könnte der flache Graben nur in der Aussenbeschichtung oder bis in die Haftbeschichtung oder sogar bis in das Substrat ausgebildet sein, da er von der verwendeten relativen Dicke abhängt.

[0023] Ein Turbinenschaufelblatt 40 enthält mehrere flache Gräben 14. Jeder Graben 14 enthält mehrere darin angeordnete und entlang der Längsrichtung 46 des Grabens 14 befindliche und durch ein Schaufelblattsubstrat 60 in der Längsrichtung 46 des Grabens 14 in einem Winkel angeordnete Filmkühlungslöcher 42.

[0024] Ein Filmkühlen eines erfindungsgemässen Turbinenschaufelblattes kann die folgenden Schritte aufweisen: Konfigurieren eines Turbinenschaufelblattes mit wenigstens einem flachen Graben mit einer Längsrichtung an einer gewünschten Stelle; und Erzeugen von mehreren Filmkühlungslöchern in jedem Graben, wobei jedes Filmkühlungsloch eine Mittenachse hat, die im Wesentlichen in der Längsrichtung des entsprechenden Grabens ausgerichtet ist, sodass von den mehreren Filmkühlungslöchern ausgehende Filmstrahlen in dem entsprechenden Graben im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung des entsprechenden Grabens austreten.

Claims (10)

1. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40), die wenigstens einen Graben (14) mit einer Länge und einer Breite aufweist, wobei jeder Graben (14) mehrere darin entlang der Längsrichtung (46) des Grabens (14) angeordnete Filmkühlungslöcher (42) aufweist, wobei jedes Filmkühlungsloch (42) durch die aerodynamische Komponente (40) führt und im Wesentlichen in der Längsrichtung (46) des entsprechenden Grabens (14) geneigt ist.

2. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Substrat (60); eine Haftschicht (70), die mit einer Oberfläche (62) des Substrates (60) verbunden ist; und eine darüber liegende Wärmebarrierenbeschichtung (72), die an der dem Substrat gegenüberliegenden Seite der Haftschicht angebracht ist, wobei der Graben (14) die Haftschicht (70) und die darüber liegende Wärmebarrierenbeschichtung (72) durchdringt, und wobei ferner jedes Filmkühlungsloch (42) das Substrat (60) durchdringt.

3. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 2, wobei der Graben (14) ferner das Substrat (60) teilweise durchdringt.

4. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 2, wobei die filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) ein Turbinenschaufelblatt (40) ist, und wobei jedes der genannten Filmkühlungslöcher geneigt durch das Substrat (60) des Turbinenschaufelblattes (40) führt.

5. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 4, wobei der Neigungswinkel der Mittenachse (44) jedes Filmkühlungsloches (42) zur Bodenoberfläche (80) seines entsprechenden Grabens (14) zwischen 15 und 50 Grad ist.

6. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 4, wobei die Tiefe des Grabens (14) kleiner als der durchschnittliche Durchgangsdurchmesser der entsprechenden Filmkühlungslöcher (42) ist.

7. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 4, wobei jeder Graben (14) eine Breite im Wesentlichen gleich der maximalen Austrittsbreite eines entsprechenden Filmkühlungsloches (42) gemessen in der Richtung aufweist, welche die Grabenbreite definiert.

8. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 4, wobei jeder Graben (14) eine Breite zwischen dem 1,0- und dem 1,5-Fachen der maximalen Austrittsgrundflächenbreite eines jeden sich im Graben befindenden Filmkühlungsloches (42) aufweist.

9. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 4, wobei jeder Graben (14) einen im Wesentlichen rechteckigen Umriss und geneigte Seitenwände (16) mit einem Neigungswinkel zwischen 70 Grad und 90 Grad zur Bodenoberfläche (80) des Grabens (14) aufweist.

10. Filmgekühlte aerodynamische Komponente (40) nach Anspruch 4, wobei jeder Graben (14) einen im Wesentlichen rechteckigen Umriss mit wenigstens einer abgerundeten oder gefasten oberen Ecke und mit wenigstens einer mit Übergang versehenen Innenecke aufweist.