DE102009003634A1

DE102009003634A1 - Filmkühlung von Turbinenkomponenten

Info

Publication number: DE102009003634A1
Application number: DE102009003634A
Authority: DE
Inventors: Gary Michael Itzel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2009-10-01
Also published as: US20090246011A1; CN101545381A; JP2009236112A; FR2929323A1

Abstract

Eine Turbinenkomponente (10) enthält eine Strömungspfadoberfläche (14) und einen in der Strömungspfadoberfläche angeordneten grabenartigen Kanal (18). Zumindest ein Kühldurchgangsloch (24) ist in dem Kanal (18) platziert und ist in der Lage, einen Kühlstrom (30) auf die Strömungspfadoberfläche (14) der Turbinenkomponente (10) strömen zu lassen. Der Kühlstrom (30) bildet einen Kühlfilm auf der Strömungspfadoberfläche (14) aus. Ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenkomponente (10) enthält ein Einspritzen eines Kühlstroms (30) auf eine Strömungspfadoberfläche (14) der Turbinenkomponente (10) durch zumindest ein Kühldurchgangsloch (24) hindurch, das in einem grabenartigen Kanal (18) in der Turbinenkomponente (10) angeordnet ist. Durch den Kühlstrom (30) wird zwischen der Strömungspfadoberfläche (14) und dem Heißgaspfad (12) ein Kühlfilm gebildet.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der Gegenstand der Erfindung betrifft Turbinen. Insbesondere betrifft der Gegenstand der Erfindung die Filmkühlung von Turbinenkomponenten.
Komponenten in dem Heißgaspfad von Turbinen, z. B. Gasturbinen, sind hohen Temperaturen ausgesetzt, was zur niederzyklischen Ermüdungsrissbildung, zum Kriechbruch und/oder zur Oxidation und dgl. führt, was einen vorzeitigen Ausfall der Komponenten herbeiführt. Eine oder mehrere Verfahren werden oft zur Kühlung von Heißgaspfadkomponenten verwendet, um deren Nutzungsdauern zu verlängern. Ein solches Verfahren stellt die Filmkühlung dar. Eine Filmkühlung wird durch Einblasen von Luft durch Löcher in der Oberfläche von Komponenten von einer Quelle aus, wie z. B. einem Verdichterabzapfluftstrom, der an einer Brennkammer vorbei strömt, bewerkstelligt. Die im Vergleich kühlere Luft strömt in den Heißgaspfad hinein und bildet eine Isolationsschicht zwischen dem heißen Gas und der Komponente und reduziert den Wärmefluss in die Komponente hinein.
Eine Erhöhung des Volumens der aus dem Verdichter abgezapften Luft wirkt sich jedoch negativ auf den gesamten Turbinenwirkungsgrad aus. Es ist deshalb erwünscht, die Effektivität der Filmkühlung so zu erhöhen, dass weniger Luft aus dem Verdichter abgezapft und durch die Löcher injiziert werden muss, um eine akzeptable Kühlmenge zu erreichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Turbinenkomponente enthält eine Strömungspfadoberfläche und einen in der Strömungspfadoberfläche angeordneten grabenartigen Kanal. Zumindest ein Kühldurchgangsloch ist in dem Kanal positioniert und ist in der Lage, einen Kühlstrom auf die Strömungspfadoberfläche der Turbinenkomponente zu injizieren. Der Kühlstrom bildet eine Filmkühlung auf der Strömungspfadoberfläche aus.
Ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenkomponente enthält ein Injizieren eines Kühlstroms auf eine Strömungspfadoberfläche durch zumindest ein Kühldurchgangsloch hindurch, das in einer Rille bzw. einem grabenartigen Kanal in der Turbinenkomponente angeordnet ist. Durch den Kühlstrom wird zwischen der Strömungspfadoberfläche und einem Heißgaspfad ein Kühlfilm gebildet.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlicher.
KURZE BESCHRBREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als Erfindung angesehen wird, ist insbesondere in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung angegeben und klar und deutlich beansprucht. Das Vorstehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigen:
1 eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform einer Turbinenkomponente, die Strömungsablenkeinrichtungen zur Filmkühlung aufweist;
2 eine Querschnittsansicht der Turbinenkomponente aus 1;
3 eine axiale Querschnittsansicht der Turbinenkomponente aus 1;
4 eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform einer Turbinenkomponente, die Strömungsablenkeinrichtungen zur Filmkühlung aufweist;
5 eine perspektivische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform der Turbinenkomponente aus 4; und
6 eine perspektivische Teilansicht einer noch weiteren Ausführungsform einer Turbinenkomponente, die Strömungsablenkeinrichtungen zur Filmkühlung aufweist.
Die detaillierte Beschreibung erläutert beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung samt ihrer Vorteile und Merkmale Bezug nehmend auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Teilansicht einer Turbinenkomponente, z. B. eines Turbinenschaufelblatts 10 ist in 1 gezeigt. Ein Heisgasstrom 12 strömt in Strömungsrichtung 16 quer über eine Außenfläche 14 des Turbinenschaufelblatts 10 weiter. Zumindest eine Rille bzw. ein Kanal 18 ist in dem Turbinenschaufelblatt 10 angeordnet und ist durch eine stromaufwärtige Kanalwand 20, die sich in einigen Ausführungsformen von dem Turbinenschaufelblatt 10 aus im Wesentlichen radial nach außen erstreckt, und durch zumindest eine stromabwärtige Kanaloberfläche 22 definiert. Zumindest ein Kühldurchgangsloch 24 ist in dem Kanal 18 angeordnet. In 1 sind mehrere Kühldurchgangslöcher 24 im Wesentlichen in einer Linie angeordnet, die sich radial entlang des Kanals 18 erstrecken, wobei jedoch auch andere Anordnungen von Kühldurchgangslöchern 24 in dem Kanal 18 im Umfang der vorliegenden Offenbarung mit vorgesehen sind. Die Kühldurchgangslöcher 24 können eine elliptische Öffnung aufweisen, wie in 1 gezeigt, oder sie können kreisförmige oder anderweitig geformte Öffnungen aufweisen, abhängig von der gewünschten von den Kühldurchgangslöchern 24 ausgehenden Strömung. Ferner können, wie in 2 gezeigt, die Kühldurchgangslöcher 24 eine Achse 26 aufweisen, die nicht unter einem rechten Winkel zu der Außenfläche 14 verläuft, um eine ruhigere Strömung durch die Kühldurchgangslöcher 24 zu fördern.
Erneut Bezug nehmend auf 1, verläuft die stromabwärtige Kanaloberfläche 22 von einem Kanalboden 28 aus schräg radial nach außen. Dies verhindert, dass ein durch die Kühldurchgangslöcher 24 austretender Kühlstrom 30 von der Außenfläche 14 weg und in den Heißgasstrom 12 hinein geblasen wird. Zumindest eine Strömungsablenkeinrichtung 32 ist an der stromabwärts befindlichen Kanaloberfläche 22 angeordnet. Jede Strömungsablenkeinrichtung 32 enthält eine stromabwärtige Wand 34, die in der in 1 gezeigten Ausführungsform axial stromabwärts von und im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung 16 angeordnet ist, so dass der Kühlstrom 30, der aus dem Kühldurchgangsloch 24 ausströmt, wie in 1 gezeigt, abgelenkt oder aufgeteilt wird. In einigen Ausführungsformen ist die stromabwärtige Wand 34 in einer im Wesentlichen derselben seitlichen Position wie ein zugehöriges Kühldurchgangsloch 24 angeordnet. Der Kühlstrom 30 teilt sich auf und strömt seitlich um die stromabwärtige Wand 34 herum und entlang der stromabwärtigen Kanalfläche 22. Ein Teil des Kühlstroms 30 kann radial außen von der stromabwärtigen Wand 34 und weiter entlang der Außenfläche 14 strömen. Jede Strömungsablenkeinrichtung 32 enthält zwei Umlenkseitenwände 36. Jede Umlenkseitenwand 36 erstreckt sich von der stromabwärtigen Wand 34 aus unter einem Sietenwandwinkel 38, der in einigen Ausführungsformen in Richtung einer Umlenkseitenwand 36 einer benachbarten Strömungsablenkeinrichtung 32 gerichtet sein kann. In der in 1 gezeigten Ausführungsform, sind die Seitenwandwinkel 38 gleich, wobei jedoch verständlich ist, dass Ausführungsformen, bei denen sich Seitenwandwinkel 38 für eine oder mehrere Seitenwände 36 voneinander unterschieden, innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung mit erwogen werden. Die Verwendung der Stromablenkeinrichtungen 32 bewirkt, dass sich der Kühlstrom 30 über einen größeren Abschnitt des Turbinenschaufelblatts 10 verteilt, so dass auf diese Weise eine effektivere Kühlung des Turbinenschaufelblatts 10 erzielt wird. Eine Breite 40 der stromabwärtigen Wand 32 und/oder der Seitenwandwinkel 38 können variiert werden, um ein erwünschtes Strom- oder Verteilungsmaß des Kühlstroms 28 zu schaffen. Ferner bilden, wie in 3 gezeigt, die Umlenkseitenwände 36 benachbarter Ablenkeinrichtungen einen Strömungskanal 42, der einen Heißgasstrom 12 daran hindert, zwischen dem Kühlstrom 30 und der stromabwärtigen Kanaloberfläche 22 zu strömen, so dass auf diese Weise eine Vermischung des Heißgasstroms 12 mit dem Kühlstrom 30 verhindert wird.
Bezug nehmend auf 4 weist in jede Strömungsablenkeinrichtung 32 einer alternativen Ausführungsform zwei Umlenkseitenwände 36 auf, die an einem Scheitel 44 konvergieren, der axial stromabwärts von und im Wesentlichen in derselben seitlichen Position wie ein zugehöriges Kühldurchgangsloch 24 angeordnet ist, so dass, wie in 4 gezeigt, der aus dem Kühldurchgangsloch 24 ausströmende Kühlstrom 30 aufgespaltet oder umgelenkt wird. Jede Stromablenkeinrichtungsseitenwand 36 ist unter einem Seitenwandwinkel 38 angeordnet und erstreckt sich in Richtung einer Ablenkeinrichtungsseitenwand 36 einer benachbarten Stromablenkeinrichtung 32. Die Stromablenkeinrichtung 32 enthält eine Spitze bzw. einen Scheitel 44, der verhindert, dass sich an einem Auslass des Kühldurchgangslochs 24 in dem Kühlstrom 30 ein Wirbel bildet, und der auch bewirkt, dass der Kühlstrom 30 sich über einen größeren Abschnitt des Turbinenschaufelblatts 10 hinweg verteilt. Bezug nehmend auf 5 kann jeder Scheitel 44 zumindest teilweise innerhalb eines zugehörigen Kühldurchgangslochs 24 angeordnet sein. Eine Stromablenkeinrichtung 32 dieser Ausgestaltung ist in der Lage, den Kühlstrom 30 aufzuteilen oder umzulenken, wenn der Kühlstrom 30 aus dem Kühldurchgangsloch 24 austritt.
In einer in 6 gezeigten alternativen Ausführungsform ist jede Ablenkeinrichtung 32 seitlich im Wesentlichen zwischen zwei Kühldurchgangslöchern 24 angeordnet. Wie vorstehend enthält jede Ablenkeinrichtung 32 eine stromabwärtige Wand 34 und zwei Umlenkseitenwände 36, die unter einem Seitenwandwinkel 38 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform sind die Seitenwandwinkel 38 so gewählt, dass sich jede Ablenkeinrichtungsseitenwand 36 in Richtung zur Annäherung an die bzw. zum Zusammenlaufen mit der anderen Ablenkeinrichtungsstirnwand 36 derselben Strömungsablenkeinrichtung 32 erstreckt. In dieser Ausführungsform teilt sich der Kühlstrom 30 nach dem Austritt aus dem Kühldurchgangsloch 24 nicht auf, sondern verteilt sich quer über den Strö mungskanal 42 zwischen benachbarten Strömungsablenkeinrichtungen 32.
Wie vorab erwähnt, können die Kühldurchgangslöcher 24 vielfältige Formen aufweisen. Die in 6 gezeigten Kühldurchgangslöcher 24 enthalten eine Streuoberfläche 46, die an einem stromabwärtigen Auslassabschnitt des Kühldurchgangslochs 24 angeordnet ist und die radial nach innen unter den Kanalboden 28 abfällt. Kühldurchgangslöcher 24 mit der Streuoberfläche 46 schaffen zusätzlich einen sanften Übergang des Kühlstroms 30 von den Kühldurchgangslöchern 24 zu der Außenfläche 14 hin, wodurch ein Wegblasen des Kühlstroms 30 in den Heißgasstrom 12 verhindert wird. In der in 6 gezeigten Ausführungsform liegt eine Kante 48 der Streuoberfläche in derselben Ebene gemeinsam mit der Ablenkeinrichtungsseitenwand 36, wobei jedoch auch andere Gestaltungen und Anordnungen der Kante 48 bezüglich der Umlenkseitenwand 36 innerhalb des vorliegenden Rahmens erwogen sind.
In einigen Ausführungsformen weist das Turbinenschaufelblatt 10 eine Substratschicht 50 und eine Überzugsschicht 52 auf, die eine Wärmeschutzbeschichtung enthalten kann, um einen zusätzlichen Wärmeschutz für die Substratschicht 50 zu schaffen. Wie in 6 gezeigt, sind die Kühldurchgangslöcher 24 in der Substratschicht 50 angeordnet, während die Strömungsablenkeinrichtungen 32, die stromaufwärtige Kanalwand 20 und die stromabwärtige Kanaloberfläche 22 in der Überzugsschicht 52 angeordnet sind und aus einer Wärmeschutzbeschichtung gebildet sein können.
Während die Erfindung detailliert in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte es leicht verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Ersetzungen oder äquiva lenten Anordnungen zu enthalten, die hier bisher nicht beschrieben sind, die aber die in den Rahmen und Schutzumfang der Erfindung fallen. Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, sollte es darüber hinaus verständlich sein, dass Aspekte der Erfindung lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Dementsprechend sollte die Erfindung nicht durch die vorhergehende Beschreibung beschränkt betrachtet werden, sie ist vielmehr lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Eine Turbinenkomponente 10 enthält eine Strömungspfadoberfläche 14 und einen in der Strömungspfadoberfläche angeordneten grabenartigen Kanal 18. Zumindest ein Kühldurchgangsloch 24 ist in dem Kanal 18 platziert und ist in der Lage, einen Kühlstrom 30 auf die Strömungspfadoberfläche 14 der Turbinenkomponente 10 strömen zu lassen. Der Kühlstrom 30 bildet einen Kühlfilm auf der Strömungspfadoberfläche 14 aus. Ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenkomponente 10 enthält ein Einspritzen eines Kühlstroms 30 auf eine Strömungspfadoberfläche 14 der Turbinenkomponente 10 durch zumindest ein Kühldurchgangsloch 24 hindurch, das in einem grabenartigen Kanal 18 in der Turbinenkomponente 10 angeordnet ist. Durch den Kühlstrom 30 wird zwischen der Strömungspfadoberfläche 14 und dem Heißgaspfad 12 ein Kühlfilm gebildet.

10: Turbinenschaufelblatt10
12: Heißgasstrom
14: Außenfläche
16: Strömungsrichtung
18: Grabenartiger Kanal, Rille
20: Stromaufwärtige Kanalwand
22: Stromabwärtige Kanaloberfläche
24: Kühldurchgangsloch
26: Achse
28: Kanalboden
30: Kühlstrom
32: Strömungsablenkeinrichtung
34: Stromabwärtige Wand
36: Seitenwand der Ablenkeinrichtung
38: Seitenwandwinkel
40: Breite
42: Strömungskanal
44: Scheitel, Spitze
46: Streuoberfläche
48: Kante
50: Substratschicht
52: Überzugsschicht

Claims

Turbinenkomponente (10), die aufweist: eine Strömungspfadoberläche (14); einen grabenartigen Kanal (18), der in der Strömungspfadoberläche (14) angeordnet ist; und wenigstens ein Kühldurchgangsloch (24), das in dem Kanal (18) angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Kühldurchgangsloch (24) in Strömungsverbindung mit der Strömungspfadoberfläche (14) des Turbinenschaufelblatts (10) steht und in der Lage ist, einen Kühlfilm auf der Strömungspfadoberfläche (14) zu erzeugen.
Turbinenkomponente (10) nach Anspruch 1, die wenigstens eine Strömungsablenkeinrichtung (32) enthält, die zur Verteilung des Kühlfilms über die Strömungspfadoberfläche (14) stromabwärts von dem wenigstens einen Kühldurchgangsloch (14) angeordnet ist.
Turbinenkomponente (10) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Strömungsablenkeinrichtung (32) zwei Umlenkseitenwände (36) aufweist, die sich von einer stromabwärtigen Wand (34) aus unter einem Seitenwandwinkel (38) erstrecken.
Turbinenkomponente (10) nach Anspruch 3, wobei sich jede Umlenkseitenwand (36) in Richtung einer benachbarten Umlenkseitenwand (36) einer Strömungsablenkeinrichtung (32) erstreckt.
Turbinenkomponente (10) nach Anspruch 4, wobei jede Strömungsablenkeinrichtung (32) im Wesentlichen an derselben seitlichen Position wie ein zugehöriges Kühldurchgangsloch (24) angeordnet ist.
Turbinenkomponente (10) nach Anspruch 5, wobei zumindest ein Abschnitt der wenigstens einen Strömungsablenkeinrichtung (32) in einem zugehörigen Kühldurchgangsloch (24) angeordnet ist.
Turbinenkomponente (10) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Kühldurchgangsloch (24) einen elliptisch geformten Ausgang aufweist.
Verfahren zur Kühlung einer Turbinenkomponente (10), das aufweist: Injizieren eines Kühlstroms (30) auf eine Strömungspfadoberfläche (14) der Turbinenkomponente (10) durch wenigstens ein Kühldurchgangsloch (24) hindurch, das in einem grabenartigen Kanal (18) in der Turbinenkomponente (10) angeordnet ist; und Ausbilden eines Kühlfilms zwischen der Strömungspfadoberfläche (14) und einem Heisgasstrom (12).
Verfahren nach Anspruch 8, das aufweist: Strömenlassen des Kühlfilms derart, dass er mit zumindest einer Strömungsablenkeinrichtung (32) in Kontakt tritt, die stromabwärts von dem wenigstens einen Kühldurchgangsloch (24) angeordnet ist; und Verteilen des Kühlfilms über die Strömungspfadoberfläche (14) mittels der zumindest einen Strömungsablenkeinrichtung (32).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei dieses ein Aufteilen des Kühlstroms (30) mittels der zumindest einen Stromablenkvorrichtung (32) aufweist, wobei die zumindest eine Stromablenkvorrichtung (32) zumindest teilweise innerhalb eines zugehörigen Kühldurchgangslochs (24) angeordnet ist.