DE102008037384A1

DE102008037384A1 - Konkaver Turbinenschaufel-Kühlkanal unter Verwendung eines Doppelwirbelströmungsmechanismus und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE102008037384A1
Application number: DE102008037384A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker; Gary Michael Itzel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-04-02
Also published as: US8376706B2; CH697919A2; JP2009085219A; CN101397916B; US20090087312A1; CN101397916A; CH697919B1; JP5475974B2

Abstract

Ein Turbinenschaufelblatt hat eine Vorderkante (20) mit einem konkaven Kühlungsströmungskanal. Ein Scheitelpunkt (14) des konkaven Kühlungsströmungskanals unterteilt den Strömungskanal in zwei benachbarte Bereiche (16, 18). Das Turbinenschaufelblatt enthält mehrere erste Verwirbelungselemente (20), die in dem einen von den benachbarten Bereichen angeordnet sind, und mehrere zweite Verwirbelungselemente (20), die in dem anderen von den benachbarten Bereichen angeordnet sind. Die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente sind in Bezug zueinander positioniert, um die Kühlungsströmung in entgegengesetzte Verwirbelungsströme umzulenken, die sich entlang dem Scheitelpunkt rekombinieren, und um eine(n) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Turbinenschaufelaufbau und insbesondere eine Verwirbelungselementkonfiguration in der konkaven Innenoberfläche einer Schaufelblattvorderkante.
Im Wesentlichen sind erhöhte interne Kühlleistungen für jedes gekühlte Gasturbinenschaufelblatt erwünscht. Der Vorderkantenkühlkanal jedes derartigen Schaufelblattes unterliegt der höchsten Wärmebelastung auf dem Schaufelblatt, und erfordert somit den höchsten Grad an interner Kühlung. Diese Anforderung ist für Schaufelblätter mit geschlossenem Kühlkreislauf, wie z. B. für die dampfgekühlten Laufschaufeln der H-Systemturbine^® von General Electric (die Anforderungen gelten jedoch für alle gekühlten Turbinen) noch offensichtlicher. Lösungen, welche hohe Wärmeübertragungskoeffizienten, Gleichmäßigkeit der Wärmeübertragung und auch geringere Reibungskoeffizienten ermöglichen, werden ständig gesucht. Jede Lösung sollte auch herstellbar sein, bevorzugt mittels Modellausschmelzverfahren.
In Turbinenschaufeln mit offenem Kühlkreislauf beinhalten Lösungen im Wesentlichen die Erhöhung der Filmkühlung in der Schaufelblattvorderkante, um eine geringere interne Wärmeübertragung zu kompensieren, oder die Steigerung einer Prallwärmeübertragung in dem konkaven Vorderkantenkanal, wenn ein ausreichendes Druckgefälle verfügbar ist. Wirbelkühlung durch Wandstrahlinjektion ist eine weitere Lösung. In Schaufelblättern mit geschlossenem Kühlkreislauf bewegen sich Lösungen im Wesentlichen um eingeschränkte Formen von Verwirbelung auf der konkaven Oberfläche.
Die hauptsächliche Lösung nach derzeitigen Stand der Technik für Kühlung im geschlossenen Kreislauf ist die Verwendung von in Querrichtung wiederholt angeordneten Verwirbelungselementen, d. h., die Verwirbelungselemente sind im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Kanals angeordnet. 1 stellt die herkömmliche Anordnung eines konkaven Kühlkanals 2 mit quer angeordneten Verwirbelungselementen 3 dar. 2 ist eine Endansicht, welche die konkave Form des Kühlkanals zeigt. Wenn die Verwirbelungselemente 3 quer angeordnet sind, und jedes ein zusammenhängender Streifen ist, wirken sie in der herkömmlichen Weise, indem sie die Strömung unterbrechen, um eine Vermischung zu erzeugen. Die herkömmliche Methodik führt zu hohen Wärmeübertragungs- und hohen Reibungskoeffizienten. Dieses ist unabhängig von der konkaven Form der Schaufelblattvorderkante der Fall.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die Verwirbelungselemente 3 zu der Strömung im Winkel anzustellen, wie es in 3 dargestellt ist. Wenn die Verwirbelungselemente 3 zu der Strömung im Winkel angestellt sind, wie z. B. die im Winkel von 45° angestellte Version von 3, aber immer noch eine zusammenhängende Form in dem konkaven Abschnitt haben, wird dann ein Teil der Strömung umgeleitet, so dass sie den Verwirbelungselementen 3 in der Nähe der Oberfläche folgt, die eine Verwirbelungsströmung in dem halbkreisförmigen Kanal 2 erzeugt. Dieses dient dazu, den Reibungskoeffizienten erheblich zu reduzieren, während gleichzeitig auch ein hoher Wärmeübertragungskoeffizient bereitgestellt wird. Die Gleichmäßigkeit der Wärmeübertragung ist jedoch nicht hoch. Außerdem ist diese Geometrie nicht für einen Modellausschmelzprozess geeignet, da die Verwirbelungselemente 3 zusammenhängend quer zu der konka ven Oberfläche im Winkel angestellt sind. Die Veränderung in der Gießform dieser Verwirbelungselemente 3 wird mit Bereichen unerwünschter Verwirbelungselementneigung oder Abmessung groß.
Es wäre somit erwünscht, einen Vorderkantenaufbau mit einer Verwirbelungselementanordnung bereitzustellen, welche eine hohe Wärmeübertragung mit geringeren Reibungsverlusten bereitstellt, während er gleichzeitig auch mittels Modellausschmelzverfahren gießbar ist.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer exemplarischen Ausführungsform enthält ein Turbinenschaufelblatt eine Vorderkante mit einem konkaven Kühlungsströmungskanal. Ein Scheitelpunkt des konkaven Kühlungsströmungskanals unterteilt den Strömungskanal in zwei benachbarte Bereiche. Das Turbinenschaufelblatt enthält mehrere erste Verwirbelungselemente, die in einem von den benachbarten Bereichen angeordnet sind, und mehrere zweite Verwirbelungselemente, die in dem anderen von den benachbarten Bereichen angeordnet sind. Die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente sind in Bezug zueinander positioniert, um die Kühlungsströmung in entgegengesetzte Verwirbelungsströme umzulenken, die sich entlang dem Scheitelpunkt rekombinieren, und um eine(n) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform enthält ein Turbinenschaufelblatt mehrere Verwirbelungselemente, die in jedem von den benachbarten Bereichen in entgegengesetzten Winkeln in Bezug auf eine Richtung der Kühlungsströmung angeordnet sind, wobei die Verwirbelungselemente in Bezug zueinander positioniert und so bemessen und geformt sind, dass sie die Kühlungsströmung in entgegengesetzte Verwirbelungsströme umleiten, die sich entlang dem Scheitelpunkt rekombinieren, und um eine(n) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.
In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Aufbau einer Turbinenschaufelvorderkante mit einem konkaven Kühlungsströmungskanal den Schritt des Gießens des konkaven Kühlungsströmungskanals mit mehreren ersten Verwirbelungselementen und mehreren zweiten Verwirbelungselementen, wobei die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente in Bezug zueinander positioniert sind, um die Kühlungsströmung in entgegengesetzte Verwirbelungsströme umzulenken, die sich entlang einem Scheitelpunkt des konkaven Kühlungsströmungskanals rekombinieren, und um eine(n) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt einen herkömmlichen Kühlkanal mit quer angeordneten Verwirbelungselementen dar;
2 ist eine Endansicht des Vorderkantenabschnittes, der eine Position der Verwirbelungselemente in der konkaven Innenoberfläche darstellt;
3 ist eine vorgeschlagene Lösung für Probleme mit dem Aufbau von 1, welche Verwirbelungselemente enthält, die zu der Strömung in einem Winkel angestellt sind;
4 ist eine Endansicht des konkaven Kühlungsströmungskanals von 3;
5 stellt den konkaven Kühlungsströmungskanal mit Verwirbelungselementen dar, die als sich abwechselnde im Winkel Streifen angeordnet sind;
6 ist eine Endansicht des in 5 dargestellten konkaven Kühlungsströmungskanals; und
7 und 8 stellen alternative Anordnungen der Verwirbelungselemente dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß 5 und 6 ist die Verwirbelungselementkonstruktion so konfiguriert, dass sie sich an die konkave Art der Vorderkante 10 sowohl hinsichtlich Strömung als auch Herstellung anpasst. Für die Herstellung bedeutet dieses die Zulassung einer Teilungslinie 12 entlang des Schaufelblattscheitelbereichs 14, der den Verwirbelungsmechanismus in zwei benachbarte Bereiche oder Hälften 16, 18 unterteilt. Dieses verringert erheblich oder beseitigt die Gießvariation und die Komplexität in Verbindung mit im Winkel angestellten Verwirbelungselementen in dem konkaven Bereich. Zwei Sätze von Verwirbelungselementen 20 sind dann in einem stumpfen Winkel α in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (siehe Pfeil A) festgelegt, um die oberflächennahe Strömung zu veranlassen, der Richtung der Verwirbelungselemente 20 wenigstens teilweise, wie es in 5 dargestellt ist, zu folgen. Bevorzugt ist der stumpfe Winkel etwa 135°, obwohl auch andere Winkel verwendet werden könnten, um die gewünschte Wärmeübertragung und Druckverlust zu erzeugen.
Die zwei benachbarten Sätze der Verwirbelungselemente 20 sind bevorzugt in einer Spiegelbildanordnung so angeordnet, dass sich die oberflächennahe Strömung in zwei entgegengesetzten Richtungen fortsetzt, und dabei zwei entgegengesetzte Wirbelströmungen gemäß Darstellung in 6 erzeugt. Da der Ka nal 10 konkav ist, rekombinieren sich diese entgegengesetzten Wirbelströme entfernt von der zu kühlenden Oberfläche und kehren dann zu dem Scheitelbereich 14 zurück, um somit den gesamten Doppelwirbelströmungsmechanismus zu verstärken. Diese beabsichtigte Doppelwirbelströmung erzeugt stark erhöhte Wärmeübertragungskoeffizienten und wesentlich geringere Reibungskoeffizienten, da die Strömung nicht mehr zwangsweise durch quer angeordnete Verwirbelungselemente unterbrochen wird. Zusätzlich bringt die Zirkulation die kühlere Strömung aus dem Kern der Kühlungsströmung nach außen zu der kühlenden Metalloberfläche, was den Kühlwirkungsgrad weiter verbessert.
Diese Konfiguration kann mit Kühlung im geschlossenen Kreislauf oder mit Kühlung im offenen Kreislauf mit oder ohne Filmextraktion mit oder ohne Prallkühlung oder Wandstrahlkühlung angewendet werden.
Gemäß Darstellung in 5 sind die Verwirbelungselemente 20 in den benachbarten Bereichen 16, 18 in versetzter Beziehung oder unterbrochener V-Form (einem so genannten unterbrochenen Fischgrätmuster) angeordnet. Die getrennte Art der benachbarten Verwirbelungselemente 20 an dem Scheitelpunkt 14 verbessert die Wärmeübertragung in diesem Bereich, während verbundene Verwirbelungselemente mit entgegengesetztem Winkel stattdessen eine geringere Wärmeübertragung erzeugen würden. Der Versatz der zwei Sätze der Verwirbelungselementstreifen 20 in dem unterbrochenen Fischgrätmuster ist keine Voraussetzung für den Vorteil, sondern führt zu einer besseren Konstruktion für Gießzwecke. Verwirbelungselemente 20 in einer Fischgrätkonfiguration (nicht unterbrochenen V-Form) sind in den 7 und 8 dargestellt. In 7 sind gekrümmte Fischgrätverwirbelungselemente 20 so ausgerichtet, dass kein Versatz und kein Bruch entlang des Scheitelbereichs vorhanden sind. Tatsächlich erfordert der Gießvorgang, dass die Teilungslinie zwischen zwei Formzügen entlang der gestrichelten Scheitellinie dieser Geometrie angeordnet ist, da sich die zwei Sätze von Verwirbelungselementen 20 in verschiedenen Winkeln vorliegen. Die Teilungslinie ist physisch vorhanden, kann jedoch ein verschwindend kleiner Spalt zwischen den Verwirbelungselementen 20 sein. In 8 sind die Verwirbelungselemente 20 ebenfalls ausgerichtet, nicht versetzt, es liegt jedoch ein Spalt zwischen den zwei Sätzen der Verwirbelungselemente 20 vor, um den Gießprozess zu vereinfachen (d. h., weniger empfindlich gegen Dimensionsabweichungen) zu machen.
Zusätzlich muss der Schaufelblattvorderkantenkanal 10 nicht genau halbkreisförmig sein, sondern im Wesentlichen konkav.
Die Doppelwirbelströmung innerhalb eines konkaven Strömungskanals 10, die durch die gegenüberliegenden Sätze der im Winkel angeordneten Verwirbelungselemente 20 induziert wird, dient zur Trennung der Strömung an dem Scheitelbereich 14 in zwei entgegengesetzte Wirbelschenkel (siehe 6). Die Verstärkung von entgegengesetzten Wirbelströmungen reduziert den Reibungskoeffizienten durch Reduzieren der früher in stark getrennten turbulenten Strömen erfahrenen Energieverluste. Die starke Wirbelströmung behält die erforderlichen erhöhten Wärmeübertragungspegel bei, und die im Winkel angeordneten Verwirbelungselemente 20 fügen auch mehr Wärmeübertragungsoberfläche hinzu. Die dargestellte Konfiguration ist mittels konventioneller Mittel, wie z. B. Modellausschmelzgießen oder irgendwelcher von verschiedenen im Fachgebiet bekannten Verfahren möglich, die zu in einem Stück gegossenen Metallteilen führen.
Ein exemplarischer Prozess zum Gießen einer Schaufel erfordert wenigstens zwei Formzüge, welche die zwei Hälften der Schaufel, Druck- und Saugseiten, die entlang den Vorder- und Hinterkanten geteilt sind, repräsentieren. Die Geometrie der Verwirbelungselemente 20 ist durch den keramischen Kern und die Einschränkung festgelegt, die durch die wirtschaftliche Anzahl von Formzügen vorgegeben ist. Es gibt einen Formensatz für den keramischen Kern, der die innere Kühlkanaloberfläche definiert und einen weiteren Formensatz für das Äußere des Schaufelblattes. Jeder Formensatz arbeitet in ähnlicher Weise unter Verwendung von wenigstens zwei Formzügen.
Ein Labormodelltest wurde in einem konkaven Strömungskanal unter triebwerkstypischen nicht-dimensionalen Strömungsbedingungen durchgeführt. Tests wurden für einen nicht-verwirbelten Kanal, einen Kanal mit quer verlaufenden Verwirbelungselementen (1), einen mit zusammenhängenden 45°-Verwirbelungselementen (3) und der Geometrie der beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine Wärmeübertragung wenigstens gleich der von quer verlaufenden Verwirbelungselementen (höher, wenn Oberflächenbereiche hinzugefügt wurden), und jeweils 50 Prozent reduzierten Reibungskoeffizienten. Der Test zeigte auch eine wesentlich gleichmäßigere Wärmeübertragung.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit für die praxisgerechtesten und bevorzugtesten Ausführungsformen betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen mit abdecken soll, welche innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
Ein Turbinenschaufelblatt eine Vorderkante 20 mit einem konkaven Kühlungsstromungskanal. Ein Scheitelpunkt 14 des kon kaven Kühlungsströmungskanals unterteilt den Strömungskanal in zwei benachbarte Bereiche 16, 18. Das Turbinenschaufelblatt enthält mehrere erste Verwirbelungselemente 20, die in dem einem von den benachbarten Bereichen angeordnet sind, und mehrere zweite Verwirbelungselemente 20, die in dem anderen von den benachbarten Bereichen angeordnet sind. Die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente sind in Bezug zueinander positioniert, um die Kühlungsströmung in entgegengesetzte Verwirbelungsströme umzulenken, die sich entlang dem Scheitelpunkt rekombinieren, und um eine(n) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.

10: Vorderkante
12: Teilungslinie
14: Scheitelbereich
16: Hälfte
18: Hälfte
20: Verwirbelungselemente

Claims

Turbinenschaufelblatt mit einer Vorderkante (1) mit einem konkaven Kühlungsströmungskanal, in dem ein Scheitelpunkt (14) des konkaven Kühlungsströmungskanals den Strömungskanal in benachbarte Bereiche (16, 18) unterteilt, wobei das Turbinenschaufelblatt aufweist: mehrere erste Verwirbelungselemente (20), die in dem einen von den benachbarten Bereichen angeordnet sind; und mehrere zweite Verwirbelungselemente (20), die in dem anderen von den benachbarten Bereichen enthalten sind, wobei die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente in Bezug zueinander angeordnet sind, um die Kühlungsströmung in entgegengesetzte Wirbelströme umzulenken, die sich entlang des Scheitels rekombinieren, und um eine(n) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente (20) in entsprechenden stumpfen Winkeln in Bezug auf eine Richtung der Kühlungsströmung angeordnet sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei die stumpfen Winkel jeweils zwischen ±120° und ±150° liegen.
Turbinenschaufel nach Anspruch 3, wobei die stumpfen Winkel jeweils etwa ±135° sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente (20) in einer Fischgrätkonfiguration angeordnet sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente (20) in einer unterbrochenen Fischgrätkonfiguration angeordnet sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente (20) bemessen und geformt sind, um die Kühlungsströmung umlenken und die(den) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.
Verfahren zum Aufbauen einer Turbinenschaufel-Vorderkante (10) mit einem konkaven Kühlungsströmungskanal, wobei das Verfahren das Gießen des konkaven Kühlungsströmungskanals mit mehreren ersten Verwirbelungselementen (20) und mehreren zweiten Verwirbelungselementen (20) aufweist, wobei die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente relativ zueinander so positioniert sind, dass sie die Kühlungsströmung in entgegengesetzte Wirbelströme umlenken, die sich entlang dem Scheitelpunkt rekombinieren, und um eine(n) gewünschte(n) Wärmeübertragung und Druckverlust zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Gießschritt so ausgeführt wird, dass die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente (20) in entsprechenden stumpfen Winkeln in Bezug auf eine Richtung der Kühlungsströmung angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Gießschritt so ausgeführt wird, dass die mehreren ersten und zweiten Verwirbelungselemente (20) in, in einer Fischgrätkonfiguration angeordnet sind.