DE102009033753A1 - Hollow turbine blade i.e. hollow guide vane, film cooling method, involves passive-controlling flow separation at blade, and bending nozzles under angle in transverse direction to mainstream direction of gas and under another angle - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anordnung zur Filmkühlung von Turbinenschaufeln.The The invention relates to a method and an arrangement for film cooling of turbine blades.
Aus
der
Derartige herkömmliche Hochdruckturbinen mit ein- oder zweistufiger Ausbildung arbeiten unter hohen Temperaturen unter Über- bzw. auch unter Unterschallbedingungen. Bei der einstufigen Ausbildung einer Hochdruckturbine kann die Spitzen-Machzahl an der Saugseite ein Niveau von bis zum 1,5-Fachen erreichen, bei einer zweistufigen Ausbildung sind Spitzen-Machzahlen vom etwa 1,2-Fachen erreichbar. Tendenzen zur Verminderung der Kosten einer Baueinheit, verwirklicht durch eine Verminderung der Anzahl der Bauteile, führen zu höher beanspruchten Leit- oder Laufschaufeln, wodurch die Größe der aerodynamischen Beanspruchungen und das damit verbundene Niveau der Spitzen-Machzahl gesteigert bzw. erhöht werden.such conventional high-pressure turbines with one or two stages Training work under high temperatures under or under subsonic conditions. In the single-stage training a high-pressure turbine can be the peak Mach number on the suction side reach a level of up to 1.5 times, with a two-stage training peak Mach numbers of about 1.2 times are achievable. trends for reducing the cost of a unit realized by a reduction in the number of components lead to higher claimed vanes or blades, reducing the size the aerodynamic stresses and the associated level the peak Mach number increased or increased.
Zurückzuführen auf das Auftreten von Verdichtungsstößen auf der hinteren bzw. weiteren Saugseite solcher hochbeanspruchter Schaufeln von Hochdruckturbinen besteht darüber hinaus die Gefahr sowohl einer von einem Verdichtungsstoß induzierten Strömungsablösung bzw. eines -abrisses als auch von höheren als beabsichtigten bzw. erwarteten thermischen Beanspruchungen, was auf die Erhöhung der Wärmeübertragung zurückzuführen ist, die durch die Verdichtungsstöße und die mögliche Strömungsablösung bzw. den möglichen Strömungsabriss bewirkt werden. Die hohe thermische Beanspruchung der Leit- oder Laufschaufeln von Hochdruck-Turbinen, insbesondere in der ersten Stufe, erfordert wirksame Kühlungskonzepte. Die im Stand der Technik bekannten Kühlungskonzepte umfassen komplexe Anordnungen von Filmkühlungslöchern sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite der Schaufeln.attributable on the occurrence of compression shocks on the rear or further suction side of such highly stressed blades There is also a danger of high-pressure turbines both a flow shock induced by a compression shock demolition or higher than intended or expected thermal stresses, indicating the increase attributed to the heat transfer is that through the compression shocks and the possible Flow separation or the possible Stall can be effected. The high thermal stress the guide or blades of high pressure turbines, in particular in the first stage, requires effective cooling concepts. The cooling concepts known in the art include complex ones Arrangements of film cooling holes on both the pressure as well as on the suction side of the blades.
Auf der Saugseite verhindern konventionelle Anforderungen an die Gestaltung Filmkühlungslöcher in der Nähe des Bereiches der Spitzen-Machzahl sowohl wegen des erhöhten Niveaus an Mischungs-Verlusten als auch stromab des Öffnungsbereiches, was auf die Einführung von Regeln zur Ausführungs-Analyse bezogen auf die Massenfluss-Berechnung zurückzuführen ist.On the suction side prevent conventional design requirements Film cooling holes near the area the peak Mach number both because of the increased level at mixing losses as well as downstream of the opening area, suggesting the introduction of rules for execution analysis attributed to the mass flow calculation is.
Schließlich besteht für die Komponenten herkömmlicher Hochdruck-Turbinen ein minimaler Durchmesser für die Filmkühlungslöcher, um sicherzustellen, dass kleine, in dem sekundären Luftsystem vorhandene Partikel die Filmkühlungslöcher nicht blockieren, wodurch möglicher Weise ein unerwünschter thermischer Fehler der relevanten Komponenten bewirkt wird.After all consists of the components of conventional high-pressure turbines a minimum diameter for the film cooling holes, to ensure that small, in the secondary air system Existing particles do not affect the film cooling holes block, thereby possibly undesirable thermal error of the relevant components is effected.
Zurückzuführen auf die Konzepte der Aerodynamik und der Kühlung der Saugseite der Schaufeln muss der stromab gelegene größte Saugseitenfilm über einen sehr langen Weg in Richtung zur Hinterkante der Schaufeln aufrechterhalten werden, wodurch im Falle der Verminderung der Filmkühlung eine erhebliche Gefahr für die Unversehrtheit des thermisch sehr hoch belasteten Bereichs der Hinterkante der Schaufeln besteht. Außerdem sind für aerodynamisch sehr hoch belastete Leit- und -Laufschaufeln von Turbinen sowohl der erreichbare maximale Auftrieb als auch ein wirksamer Betätigungsbereich durch die Verdichtungsstöße von erhöhter Stärke mit verstärkender Spitzen-Machzahl begrenzt. Diese verstärken die örtliche Wärmeübertragung und die Gefahr von durch die Verdichtungsstöße induzierten Strömungsflussabtrennungen.attributable on the concepts of aerodynamics and cooling the suction side the blades must be the largest downstream Suction side film over a very long way towards Trailing edge of the blades are maintained, which in case the reduction of film cooling a significant risk for the integrity of the thermally very heavily loaded Area of the trailing edge of the blades exists. Furthermore are for highly aerodynamically loaded guide and -aufaufschaufeln of turbines both the achievable maximum lift and a effective operating range due to the compression shocks of increased strength with strengthening Peak Mach number limited. These reinforce the local Heat transfer and the risk of through Compression collisions induced flow separation.
Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Verbesserung der Filmkühlung insbesondere auf der Saugseite von Turbinenschaufeln zu schaffen.Of the Invention is therefore based on the object, a method and an arrangement for improving the film cooling in particular on the suction side of turbine blades to create.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine passive Steuerung der Strömungsablösung bzw. des Strömungsabrisses an den Schaufeln mittels stromartig, durch Luftströmungen erzeugter Wirbel vor, wobei kleine Mengen an Kühlungsmittel in den Bereich der Hoch-Machzahl der Schaufeln aus Kühlluftdüsen mit kleinem Durchmesser ausgestoßen werden, die zweifach sowohl in Querrichtung zur Hauptströmung bzw. in Spannweitenrichtung als auch zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt sind. Dadurch werden sowohl die Filmkühlung auf der Saugseite der Turbinenschaufeln verbessert als auch die Tendenz zur Strömungsablösung verringert.To solve this problem, the invention provides a passive control of the flow separation or the stall on the blades by means of stream-like, vortex-generated vortexes, wherein small amounts of cooling agent are ejected into the high-Mach number range of the blades from small-diameter cooling air nozzles which are two times both transverse to the main flow and to the suction side surface of the blade are inclined. This improves both the film cooling on the suction side of the turbine blades and reduces the tendency for flow separation.
Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Erzeugung von strömungsartigen Wirbeln mittels Kühlluftdüsen, sogenannte Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (Air Jet Vortex Generator oder AJVG) auf den Leit- oder Laufschaufeln von Hochdruckturbinen im Unter- oder Überschallbereich. Diese Kühlluftdüsen (AJVG) verbessern die Kühlluft-Strömungsflusssituation auf der Saugseite der Schaufeln und vermindern die Größe der Ablösung und deren Unregelmäßigkeiten. Das Verfahren basiert auf dem Ausstoßen kleiner Mengen an Kühlungsmittel in dem Bereich der Hoch-Machzahl der Schaufeln aus Kühlluftdüsen (AJVG) mit kleinem Durchmesser, die zweifach sowohl in Querrichtung zur Hauptströmung bzw. in Spannweitenrichtung als auch zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt sind.The The invention thus relates to a method for the production of flow-like vortices by means of cooling air nozzles, so-called air jet vortex generators (Air Jet Vortex Generator or AJVG) on the guide vanes or blades of high-pressure turbines in the subsonic or supersonic range. These cooling air nozzles (AJVG) improve the cooling air flow flow situation on the suction side of the blades and reduce the size the replacement and its irregularities. The method is based on the ejection of small quantities Coolant in the range of high-Mach number of Blades of cooling air nozzles (AJVG) with small Diameter, which is twice in both the transverse direction of the main flow or in the spanwise direction as well as to the surface of the suction side the blade are inclined.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Kühlluftdüsen oder Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG) liegt bei etwa dem 10 bis 30-Fachen der Grenzschichtdicke stromauf der Verdichtungsstoßwelle oder des Ablösungspunktes. Das erfindungsgemäße Verfahren und auch die erfindungsgemäße Anordnung sind ebenso für die Steuerung der Ablösung bei Leit- und Laufschaufeln hochbelasteter Turbinenschaufeln verwendbar.The inventive arrangement of the cooling air nozzles or air jet vortex generators (AJVG) is about 10 to 30 times the boundary layer thickness upstream of the compression shock wave or of the detachment point. The inventive method and also the arrangement according to the invention are the same for controlling the separation of guide vanes and rotor blades highly loaded turbine blades usable.
Erfindungsgemäß wird bei Turbinenschaufeln die Ausbildung mit herkömmlichen Filmkühlungslöchern am Anfang der Saugseite durch stromabgelegene Kühlluftdüsen mit kleinerem Durchmesser ergänzt, die sogenannten Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (Air Jet Vortex Generator oder AJVG), die über einen separaten Kühlluftkanal versorgt werden und die in zwei radialen Richtungen geneigt sind. Es wird jedoch vor allem die Tatsache hervorgehoben, dass die Kühlluftdüsen (AJVG) auch mit einem der regulären Kühlluftkanäle verbunden sein können, und weiterhin auch die Tatsache, dass der Kühlmittelverbrauch der Kühlluftdüsen, verglichen mit dem Verbrauch der regulären Filmkühlungslöcher, gering ist.According to the invention For turbine blades training with conventional Film cooling holes at the beginning of the suction side through downstream cooling air nozzles with a smaller diameter complemented, the so-called air jet vortex generators (Air Jet Vortex Generator or AJVG), which has a separate Cooling air duct are supplied and in two radial Directions are inclined. However, it emphasizes above all the fact that the cooling air nozzles (AJVG) also with one of the regular ones Cooling air ducts can be connected, and continue also the fact that the coolant consumption the cooling air nozzles, compared with the consumption the regular film cooling holes, low is.
Die Ausgestaltung der Kühlluftdüsen (AJVG) wird durch folgende Parameter bestimmt: Durchmesser D, radialer Abstand P der Düsen, Neigungswinkel α der Düsen gegenüber der Strömungsrichtung und Neigungswinkel θ der Achse der Düsen zur Oberfläche der Saugseite.The Design of the cooling air nozzles (AJVG) is through the following parameters are determined: diameter D, radial distance P of Nozzles, angle of inclination α of the nozzles opposite the flow direction and inclination angle θ the Axis of the nozzles to the surface of the suction side.
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Anzahl von Variationen der Parameter als auch des Kühlungsmassenstromes untersucht und das Potential für die Ablösungssteuerung demonstriert. Dabei wurde ein eindeutiger Unterschied der Ablösung an einer Schaufel nur mit Filmkühlung und der Ablösung unter Anwendung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen (AJVG) festgestellt.in the The scope of the invention has been a number of variations of the parameters and the cooling mass flow and investigated the potential for the detachment control demonstrated. It became a clear Difference of separation on a blade only with film cooling and the separation using the invention Cooling air nozzles (AJVG) detected.
Die kontinuierliche Betätigung der erfindungsgemäßen Kühlluftdüsen bewirkt also eine Stabilisierung des Ablösungsbereiches des Kühlluftfilmes auf der Oberfläche der Saugseite der Schaufeln. Dies zeigt sich durch die Stabilisierung der Verdichtungsstoßwelle, wenn die Kühlluftdüsen (AJVG) aktiviert sind. Es wurde festgestellt, dass im Falle der alleinigen herkömmlichen Filmkühlung das Kraftspektrum der Bewegung des Verdichtungsstoßes eine weitaus stärkere Aktivität aufzeigt als verglichen mit dem Fall, wenn die Kühlluftdüsen (AJVG) eingeschaltet sind. Diese Beobachtung lässt auf eine verbesserte aerodynamische Stabilität des aerodynamischen Betätigungspunktes als auch auf ein vermindertes Niveau der mechanischen Beanspruchung der Leitschaufeln schließen.The continuous actuation of the invention Cooling air nozzles thus causes a stabilization the separation region of the cooling air film on the surface of the suction side of the blades. this shows stabilizing the compression shock wave, when the cooling air nozzles (AJVG) are activated. It was found that in the case of the sole conventional Film cooling the force spectrum of the movement of the compression stroke shows a much stronger activity than compared with the case when the cooling air nozzles (AJVG) turned on are. This observation suggests an improved aerodynamic Stability of the aerodynamic actuation point and at a reduced level of mechanical stress Close vanes.
Hinzu kommt, dass Vorhersagen über die Filmkühlungs-Effektivität mit numerischen Berechnungsverfahren (Computational Fluid Dynamics – CFD) für Schaufeln in einer Kaskaden-Umgebung durchgeführt wurden. Die Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Erhöhung der Filmkühlungs-Effektivität stromab der Reihe von Kühlluftdüsen (AJVG), die für beide untersuchten Ausführungen klar unterscheidbar sind.in addition comes that predictions about the film cooling effectiveness with Computational Fluid Dynamics (CFD) carried out for shovels in a cascade environment were. The results show a remarkable increase the film cooling efficiency downstream of the series of cooling air nozzles (AJVG), which are suitable for both examined versions are clearly distinguishable.
Bei einer Anordnung für ungekühlte Turbinenschaufeln wird das Kühlmittel für die Betätigung der Kühlluftdüsen durch Zuführungsöffnungen in Form von Bohrungen, Löchern oder Schlitzen aus dem Bereich des Stillstandspunktes der Strömung an der Schaufel geliefert. Abhängig von der speziellen Lösung beliefern diese Zuführungsöffnungen nur eine oder eine Anzahl von Kühlluftdüsen bzw. Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG), wenn diese mit einem gemeinsamen Zuführungsraum verbunden sind, der in radialer Richtung ausgeführt ist.at an arrangement for uncooled turbine blades is the coolant for the actuation of Cooling air nozzles through feed openings in the form of holes, holes or slots in the area the standstill point of the flow delivered to the blade. Depending on the specific solution they supply Feed ports only one or a number of cooling air nozzles or air jet vortex generators (AJVG) if this with a common feeder room are connected, which is designed in the radial direction.
Die wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmale sind:
- – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind zur Richtung des Hauptstromes unter einem Winkel von α = 60° bis 90° geneigt.
- – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind quer zum Hauptstrom der Verbrennungsgase gerichtet.
- – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind unter dem Winkel θ = 20° bis 45° zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt.
- – Die Kühlluftdüsen (AJVG) sind unter einem kleinen Winkel schwach zur Oberfläche der Saugseite der Schaufel geneigt.
- – Der Durchmesser „D” der Kühlluftdüsen (AJVG) beträgt zwischen dem 1- bis 3-Fachen der Grenzschichtverdrängungsdicke δ1 (boundary layer displacement thickness) des Kühlluftfilmes auf der Oberfläche der konvexen Saugseite der Schaufel.
- – Das Verhältnis zwischen dem Abstand „P” und dem Durchmesser „D” der Kühlluftdüsen liegt bei P/D = 10 bis 30.
- – Die Länge der Kühlluftdüsen oder des Luftstrahl-Wirbelgenerators (AJVG) beträgt wenigstens das 3- bis 5-fache des Durchmessers „D”.
- – Die Luftzufuhr ist passiv, d. h. es werden keine zusätzlichen Energiequellen für die Kühlluft benötigt, und die Luftzufuhr erfolgt von einem Kühlungskanal oder von der Oberfläche der Turbinenschaufel im Bereich der Vorderkante.
- - The cooling air nozzles (AJVG) are inclined to the direction of the main flow at an angle of α = 60 ° to 90 °.
- - The cooling air nozzles (AJVG) are directed across the main flow of the combustion gases.
- - The cooling air nozzles (AJVG) are inclined at an angle θ = 20 ° to 45 ° to the surface of the suction side of the blade.
- - The cooling air nozzles (AJVG) are weak at a small angle to the surface of the Saugsei te the blade inclined.
- The diameter "D" of the cooling air nozzles (AJVG) is between 1 to 3 times the boundary layer displacement thickness δ1 of the cooling air film on the surface of the convex suction side of the blade.
- - The ratio between the distance "P" and the diameter "D" of the cooling air nozzles is P / D = 10 to 30.
- - The length of the cooling air nozzles or the AJVG is at least 3 to 5 times the diameter "D".
- - The air supply is passive, ie no additional energy sources are needed for the cooling air, and the air is supplied from a cooling duct or from the surface of the turbine blade in the area of the front edge.
Die Erfindung ermöglicht höhere aerodynamische Belastungen durch eine Verzögerung der Strömungsablösung und damit eine Verbesserung der Filmkühlungswirkung auf der hinteren Saugseite der Lauf- oder Leitschaufeln von Turbinen. Aufgrund der Anordnung der Kühlluftdüsen dichter zum thermisch kritischen Bereich im Bereich der Hinterkante der Saugseite können auch Ersparnisse im Gesamtverbrauch an Kühlungsmittel erreicht werden. Das Verfahren ist ein passives Verfahren und benötigt keine zusätzliche Energie zum Betrieb der Kühlluftdüsen. Es wird das Kühlmittel verwendet, das durch die Turbinenschaufeln zugeführt wird. Dadurch erfordert der durch das Kühlsystem betriebene Kühlluftstrahl kein zusätzliches Kühlvolumen, und es wird zu einem der Elemente des Lochkühlungssystems. Das gleiche gilt, wenn die Kühlluft aus dem Bereich der Vorderkante der Schaufel zugeführt wird. Die Erfindung erbringt Stabilisierungseffekte auf das Verhalten des Verdichtungsstoßes durch die Stabilisierung und Verminderung der Größe des Ablösungsbereiches.The Invention allows higher aerodynamic loads by delaying the flow separation and thus an improvement of the film cooling effect the rear suction side of the blades or vanes of turbines. Due to the arrangement of the cooling air nozzles denser to the thermally critical area in the area of the trailing edge of the Suction side can also save on total consumption Coolant can be achieved. The procedure is a passive one Method and does not require additional energy for the operation of the cooling air nozzles. It becomes the coolant used by the turbine blades. As a result, the cooling air jet operated by the cooling system does not require additional cooling volume, and it becomes one of Elements of the hole cooling system. The same is true, though the cooling air from the area of the leading edge of the blade is supplied. The invention provides stabilization effects on the behavior of the compression shock by the stabilization and reducing the size of the separation area.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Filmkühlung an Turbinenschaufeln wird nachfolgend anhand der erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlluftdüsen in Form von Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVG) näher erläutert. Es zeigt:The inventive method for film cooling on turbine blades is described below with reference to the invention Arrangement of cooling air nozzles in the form of air jet vortex generators (AJVG) explained in more detail. It shows:
- a) mit Kühlluftzufuhr aus einem inneren Kühlluftkanal der Laufschaufel und
- b) mit Kühlluftzufuhr aus dem Bereich der Vorderkante der Turbinenschaufel.
- a) with cooling air from an inner cooling air duct of the blade and
- b) with cooling air supply from the region of the leading edge of the turbine blade.
Die
Die
Kühlluftlöcher
Die
von den Kühlluftlöchern
Der
Kühlluftfilm muss auf der konvexen Saugseite
Die
Die
Die
Anordnung der im Stand der Technik nach
Die
Kühlluftdüsen
Die
Durchmesser D der Kühlluftdüsen
Neigungswinkel α der
Kühlluftdüsen
Neigung der Kühlluftdüsen
Diameter D of the cooling air nozzles
Inclination angle α of the cooling
Inclination of the cooling
In
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Leitschaufel (hohl)vane (hollow)
- 22
- Saugseite (konvex)suction (convex)
- 33
- Druckseite (konkav)pressure side (concave)
- 44
- Vorderkanteleading edge
- 55
- Hinterkantetrailing edge
- 66
- VerbrennungsgasströmungCombustion gas flow
- 7, 87, 8th
- KühlluftkanalCooling air duct
- 9, 109 10
- KühlluftlöcherCooling air holes
- 1111
- Wandungwall
- 1212
- Turbinenschaufel (hohl)turbine blade (hollow)
- 1313
- Kühlluftdüse (Luftstrahl-Wirbelgenerator)Cooling air nozzle (Air jet vortex generator)
- 1414
- Vorderkanteleading edge
- 1515
- Saugseite (konvex)suction (convex)
- 1616
- VerbrennungsgasströmungCombustion gas flow
- 1717
- KühlluftkanalCooling air duct
- 1818
- Hinterkantetrailing edge
- 1919
- Zuführungsöffnungsupply opening
- 2020
- Projektionprojection
- 2121
- Wirbelkernvortex core
- 2222
- KühlluftdüsenstrahlCooling air jet
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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