DE102005019652A1

DE102005019652A1 - Turbulator auf der Unterseite einer Turbinenschaufelspitzenumleitbiegung und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102005019652A1
Application number: DE102005019652A
Authority: DE
Inventors: John Alan Eastman; Matthew James Findlay; Jon Allen Ebacher
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: DE102005019652B4; JP4731199B2; US20050238488A1; US7137782B2; CN1690364B; CN1690364A; US7544043B2; JP2005315261A; US20060257256A1

Abstract

Eine Turbinenschaufel (10) enthält einen Schaftabschnitt (12) und einen Schaufelblattabschnitt (14) mit vorderen und hinteren Kanten (16, 18) und eine radial äußere Spitze. Ein innerer, geschlossener Kühlkreislauf (20) ist innerhalb des Schaufelblattabschnittes ausgebildet und enthält wenigstens einen radialen Ausströmungskanal (24) und wenigstens einen radialen Einströmungskanal (26), die durch wenigstens ein zugehöriges Tip Turn (40) an dem radial äußeren Ende des Schaufelblattabschnittes verbunden sind. Wenigstens ein Tip Turn ist auf einer Unterseite der radial äußeren Spitze mit einer einzelnen Turbulenzverstäkungsvorrichtung (60) versehen, die in das Tip Turn hineinragt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kühlung von Turbinenschaufeln und spezieller auf einen Turbulenzverstärkungsmechanismus auf der Unterseite einer Schaufelspitzen-Umleitbiegung oder eines Tip Turn eines Kühlkanals in einer durch einen geschlossenen Kreislauf dampfgekühlten Turbinenschaufel.
Bei einer durch einen geschlossenen Kreislauf dampfgekühlten Turbinenschaufel ist eine effiziente Kühlung des radial äußeren Spitzenbereiches für die Lebensdauer des Teils entscheidend. Anders als bei einer typischen, luftgekühlten Turbinenschaufel, bei der das Kühlmittel durch Öffnungen in der Schaufel ausgestoßen werden kann, um zum Schutz des Teils einen relativ kühlen Film auf der Oberfläche zu bilden, muss bei einer dampfgekühlten Turbinenschaufel das gesamte Kühlvermögen aus dem Inneren der Maschine kommen. Eine Steigerung der Wärmeübertragung im Vergleich zu derjenigen bei einer Anordnung mit einer flachen Platte oder einem Rohr tritt an den Tip Turns gemäß der Umkehr des Flusses in dem serpentinenförmigen Kühlkreislauf auf und ist typischerweise ausreichend, um den Spitzenbereich der Schaufel unter normalen Betriebsbedingungen zu kühlen. Im Fall eines Versagens oder Schadens an der thermischen Schutzbeschichtung an der Spitze der Schaufel ist es jedoch wünschenswert, eine gesteigerte Wärmeübertragung an der inneren Oberfläche der Spitze zu haben, um die Metalltemperaturen unterhalb vernünftiger Grenzen zu halten.
Die Kühlung von Turbinenschaufel-Spitzenbereichen oder -Tip Turns ist in der Patentliteratur erörtert worden. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 6,474,947 eine luftgekühlte Turbinenschaufel, die eine Anordnung von Filmbohrungen zum Verbessern der Wärmeübertragung in lokalen Bereichen eines typischen Tip Turn beinhaltet. Das US-Patent Nr. 5,536,143 desselben Inhabers bezieht sich speziell auf den Entwurf einer dampfgekühlten Turbinenschaufel mit einem geschlossenen Kreislauf und beschreibt die Möglichkeit, turbulenzverstärkende Merkmale an der Spitze einzubeziehen. Spezieller beschreibt das Patent die Verwendung von mehreren erhöhten Rippen von entweder abgerundeter oder quadratischer Gestalt zum Verbessern der Wärmeübertragung in dem Spitzenbereich. Der Nachteil der Verwendung zahlreicher Merkmale ist jedoch ein mit mehreren Rippen verbundener erhöhter Druckverlust.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Erfindung ermöglicht eine erhöhte Wärmeübertragung in dem Spitzenbereich einer dampfgekühlten Turbinenschaufel mit einem geschlossenem Kreislauf, um das mit einem Verlust der Wärmeschutzbeschichtung verbundene Risiko zu verringern, und minimiert gleichzeitig den zusätzlichen Druckverlust, der sich aus der Zusammenstellung der turbulenzverstärkenden Merkmale ergibt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein einzelner Turbulator oder Turbulenzgenerator oder eine Wärmeübertragungs-Steigerungsvorrichtung an der Unterseite der Schaufelkappe oder des Tip Cap an dem radial äußeren Ende der Schaufel zu den Tip Turns des Kühlmittelstromes benachbart geschaffen. Diese Anordnung schafft einen verbesserten Hitzeschutz im Fall eines Schadens an der thermischen Schutzbeschichtung sowie einen minimalen Druckverlust durch die Biegung.
In der beispielhaften Ausführungsform ist eine einzelne turbulenzverstärkende Vorrichtung oder ein Turbulator in der Form einer verlängerten Rippe als ein wesentlicher Bestandteil eines Stopfens in die Spitzenkappe der Turbinenschaufel einbezogen. Der Gießvorgang erfolgt so, dass in der Spitze der Turbinenschaufel Hohlräume zurückbleiben, die von den Halterungen des inneren Gusskerns stammen. Diese Hohlräume sind auf bestimmte Art, entweder mit einer einzelnen Platte über den meisten oder allen Spitzen oder mit einzelnen Stopfen für jede entsprechende Öffnung oder Bohrung geschlossen. Die Turbulenzverstärkungsvorrichtung kann folglich nicht nur als ein Teil eines ganzen Stopfens, sondern auch als ein Teil einer einstückigen Platte mit Turbulatoren einbezogen werden, die so auf der Platte angeordnet sind, dass sie zu dem jeweiligen Tip Turn benachbart sind. Der Turbulator kann allgemein von einem quadratischen oder abgerundeten Querschnitt mit unterschiedlichen Effekten auf die Wärmeübertragungsverbesserung und den Druckabfall durch die Biegung sein. Der Turbulator kann auch in einem Winkel zu dem Tip Turn angeordnet, in der Richtung des Flusses (wie eine Kühlrippe) ausgerichtet oder rechtwinklig zu der Richtung des Flusses ausgerichtet sein. Alternativ kann auch eine chevronförmige Rippe verwendet werden, die in dem Tip Turn ausgerichtet ist, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung in einer Ausführungsform auf eine Turbinenschaufel, die einen Schaftabschnitt und einen Flügel- oder Schaufelblattabschnitt mit vorderen Kanten (Leading Edges) und hinteren Kanten (Trailing Edges) und einer radial äußeren Spitze, wobei ein innerer geschlossener Kühlkreislauf innerhalb des Schaufelblattabschnittes wenigstens einen radialen Ausströmungskanal und wenigstens einen radialen Einsströmungskanal aufweist, die durch wenigstens ein zugehöriges Tip Turn an dem radial äußeren Ende des Schaufelblattabschnittes zu der radial äußeren Spitze benachbart verbunden sind, wobei wenigstens ein Tip Turn eine einzelne Turbulenzverstärkungsvorrichtung enthält, die auf einer Unterseite der radial äußeren Spitze ausgebildet ist und in das Tip Turn hineinragt.
In einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Turbinenschaufel, die einen Schaftabschnitt und eine Schaufelblattabschnitt mit vorderen und hinteren Kanten und eine radial äußere Spitze enthält, wobei ein innerer geschlossener Serpentinenkühlkreislauf innerhalb des Schaufelblattabschnittes ein Vielzahl von radialen Ausströmungskanälen und eine Vielzahl von radialen Einströmungskanälen, die durch eine Vielzahl von zugehörigen Tip Turns an dem radial äußeren Ende des Schaufelblattabschnittes verbunden sind, und eine Vielzahl von Kernhaltebohrungen in der radial äußeren Spitze aufweist; wobei jede Bohrung durch einen Stopfen verschlossen ist, der nicht mehr als eine verlängerte Rippe auf einer Unterseite des Stopfens aufweist, die in ein zugehöriges Tip Turn hinein ragt.
In einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Turbinenschaufel, die einen Schaftabschnitt und einen Schaufelblattabschnitt mit vorderen und hinteren Kanten und eine radial äußere Spitze aufweist, wobei ein innerer geschlossener Serpentinenkühlkreislauf innerhalb des Schaufelblattabschnittes eine Vielzahl von radialen Ausströmungskanälen und eine Vielzahl von radialen Einströmungskanälen enthält, die durch eine Vielzahl von zugehörigen Tip Turns an der radial äußeren Spitze verbunden sind, und eine Vielzahl von Kernhaltebohrungen in der radial äußeren Spitze enthält, wobei jede Bohrung durch eine einzelne Platte verschlossen ist, die eine Vielzahl der Kernhaltebohrungen abdeckt und auf der Unterseite der Platte eine Vielzahl von Rippen aufweist, wobei aber nicht mehr als eine verlängerte Rippe auf der Unterseite der Platte in jeweils ein Tip Turn hinein ragt.
In noch einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Steigerung der Wärmeübertragung in einem entsprechenden geschlossenen Kühlkreislauf, der innerhalb eines Schaufelblattabschnittes einer Gasturbinenschaufel ausgebildet ist, wobei der Kreislauf eine Vielzahl von radialen Ausströmungskanälen und eine Vielzahl von radialen Einströmungskanälen enthält, die durch zugehörige Tip Turns verbunden sind, die einer Kernhaltebohrungen aufweisenden Schaufelblattspitze benachbart sind, wobei das Verfahren aufweist: (a) Verschließen der Kernhaltebohrungen mit entsprechenden Stopfen und (b) Ausbilden einer einzelnen verlängerten Rippe auf einer Unterseite jedes Stopfens, so dass die Rippe in das Tip Turn hinein ragt.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den unten bezeichneten Zeichnungen im Detail beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel, die einen inneren geschlossenen Kühlkreislauf zeigt,
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite eines Stopfens, der zum Verschließen einer Kernhaltebohrung in dem Spitzenbereich der Schaufel verwendet wird und der einen Turbulator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufweist, und
3 zeigt einen entlang der Line 3-3 in 2 aufgenommenen Querschnitt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf 1: Es ist in vereinfachter Form eine Turbinenschaufel 10 gezeigt, die einen Schaftabschnitt 12 und einen Schaufelblattabschnitt 14 aufweist. Der Schaufelblattabschnitt 14 ist mit entsprechenden vorderen und hinteren Kanten 16, 18 ausgebildet. Ein geschlossener Serpentinenkühlkreislauf 20 ist innerhalb des Schaufelblattabschnittes ausgebildet. Kühldampf, der durch einen Einlass 22 in die Schaufel 10 eintritt, fließt durch den einen geschlossenen Serpentinenkreislauf 20, der eine Gesamtzahl von z.B. acht sich radial erstreckenden Durchgängen oder Kanälen 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 und 38 enthält, die alternierend durch um 180° umlenkende U-Biegungen 40, 42, 44 und 46 verbunden sind. Der Einlass 22 steht folglich mit dem ersten radialen Ausströmungskanal 24 in Verbindung, und der letzte radiale Einströmungskanal 38 steht mit dem Auslass 40 in Verbindung. Die Gesamtzahl der radialen Kanäle kann gemäß den spezifischen Entwurfskriterien variieren. Der Kühldampf könnte auch durch den Auslass 40 in die Schaufel eintreten, in der zu den gezeigten Pfeilen entgegengesetzten Richtung fließen und an dem Einlass 22 austreten. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf einen einzigen Serpentinenkreislauf beschränkt.
Die Tip Turn-Bereiche entsprechen den umgekehrten U-Biegungen 40, 42, 44 und 46, die an den äußersten radialen Enden der Kühlkanäle angeordnet sind, und die Stopfen 48, 50, 52 und 54 sind an den vorgesehenen Stellen gezeigt, wo sie die Löcher in der Spitze der Turbinenschaufel verschließen, die von den Kernhalterungen während des Gussvorgangs der Schaufel stammen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist jeder der Stopfen an seiner Unterseite einen einzigen Mechanismus oder eine einzige Vorrichtung auf, die die Turbulenz oder Verwirbelung verstärken, d.h. in dem Tip Turn-Bereich in den Kühlkreislauf hineinragen. Weil die Stopfen und ihre jeweiligen, die Turbulenz verstärkenden Merkmale im Wesentlichen identisch sind, braucht nur einer im Detail beschrieben zu werden.
Nun mit Bezug auf 2: Der Stopfen 48 weist eine Außenwand 56 mit einem Flansch 58 an dem radial inneren Ende der Außenwand auf. Der Flansch ist Teil eines Stopfenhaltesystems und kann auch einige Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeübertragung enthalten. Der Mechanismus oder die Vorrichtung zur Erhöhung der Turbulenz ist in der beispielhaften Ausführungsform in Form eines verlängerten Rippenturbulators 60 von allgemein quadratischem oder abgerundetem Querschnitt ausgeführt, der sich über eine auf der Unterseite des Stopfens innerhalb der Begrenzungen des unteren Flansches 58 gebildete, vertiefte Fläche 62 erstreckt. Der Rippenturbulator 60 kann rechtwinklig zu der Flussrichtung an der Spitze, parallel zu der Flussrichtung wie im Falle einer Kühlrippe oder in einem Winkel (z.B. diagonal) über das Tip Turn hinweg ausgerichtet sein. Alternativ kann die Rippe in einer Chevronform ausgeführt sein, um weitere Effekte bei der Verbesserung der Wärmeübertragung und dem Druckabfall über der Biegung zu schaffen. Bei der gegenwärtig bevorzugten Anordnung ist eine einzelne abgerundete Rippe rechtwinklig zu der Flussrichtung angeordnet. Die Erfindung ist nicht auf „Rippen"-Turbulatoren beschränkt, sondern umfasst beliebige äquivalente turbulenzverstärkende Vorrichtungen.
Bei einer alternativen Anordnung kann eine einzelne Platte (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Bohrungen in der Spitze des Schaufelblattbereiches zu verschließen. In diesem Fall würde die Platte sich über die ganze Spitze oder den größten Teil davon erstrecken und mit einer Vielzahl von Rippen zur Turbulenzverstärkung versehen sein, wobei jede dieser Rippen so angeordnet wäre, dass sie in ein einziges zugehöriges Tip Turn des inneren geschlossenen Kühlkreislaufes hineinragt.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit demjenigen beschrieben worden ist, was zur Zeit als die praktischste und am meisten bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, muss verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf dieses offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern es im Gegenteil beabsichtigt ist, vielfältige Abwandlungen und äquivalente Anordnungen zu umfassen, die innerhalb des Geistes und Bereiches der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

10: Turbinenschaufel
12: Schaftabschnitt
14: Schaufelblattabschnitt
16: Vordere Kante
18: Hintere Kante
20: Serpentinenkühlkreislauf
22: Einlass
24: Kanal
26: Kanal
28: Kanal
30: Kanal
32: Kanal
34: Kanal
36: Kanal
38: Kanal
40: U-Biegung
42: U-Biegung
44: U-Biegung
46: U-Biegung
48: Stopfen
50: Stopfen
52: Stopfen
54: Stopfen
56: Außenwand
58: Flansch
60: Rippenturbulator
62: Vertiefte Fläche

Claims

Turbinenschaufel (10), die einen Schaftabschnitt (12) und einen Schaufelblattabschnitt (14) mit vorderen und hinteren Kanten (16, 18) und einer radial äußeren Spitze enthält, wobei ein innerer geschlossener Kühlkreislauf (20) innerhalb des Schaufelblattabschnittes wenigstens einen radialen Ausströmungskanal (24) und wenigstens einen radialen Einsströmungskanal (26) enthält, die durch wenigstens ein zugehöriges Tip Turn (40) an dem radial äußeren Ende des Schaufelblattabschnittes zu der radial äußeren Spitze benachbart verbunden sind, wobei das wenigstens eine Tip Turn eine einzelne Turbulenzverstärkungsvorrichtung (60) enthält, die an der Unterseite der radial äußeren Spitze ausgebildet ist und in das Tip Turn hineinragt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, bei der die einzelne Turbulenzverstärkungsvorrichtung (6O) eine Rippe enthält.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der die Rippe (60) einen allgemein quadratischen Querschnitt aufweist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der die Rippe (60) einen allgemein abgerundeten Querschnitt aufweist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der die Rippe (60) sich in einer Richtung des Kühldampfstromes durch das Tip Turn erstreckt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der sich die Rippe (60) in einer Richtung rechtwinklig zu einer Richtung des Kühldampfstromes durch das Tip Turn erstreckt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der die Rippe (60) sich in einer Richtung diagonal zu der Richtung des Kühldampfstromes durch das Tip Turn erstreckt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der die Rippe im Wesentlichen chevronförmig ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, die eine Vielzahl von Kernhaltebohrungen in der radial äußeren Spitze aufweist, wobei jede Bohrung durch einen Stopfen (48) verschlossen ist.
Verfahren zur Steigerung der Wärmeübertragung in einem entsprechenden geschlossenen Kühlkreislauf (20), der innerhalb eines Schaufelblattabschnittes (14) einer Gasturbinenschaufel ausgebildet ist, wobei der Kreislauf eine Vielzahl von radialen Ausströmungskanälen (24, 28) und eine Vielzahl von radialen Einströmungskanälen (26, 30) enthält, die über jeweilige Tip Turns (40, 42) verbunden sind, wobei die Tip Turns einer Schaufelblattspitze benachbart sind, die Kernhaltebohrungen aufwiest, wobei das Verfahren enthält: (a) Schließen der Kernhaltebohrungen mit entsprechenden Stopfen (48, 50) und (b) Bilden einer einzelnen verlängerten Rippe (60) auf der einer Unterseite jedes Stopfens, so dass die Rippe in das Tip Turn hineinragt.