DE102010037050A1

DE102010037050A1 - Verfahren und Struktur zum Kühlen von Schaufelblattflächen unter Anwendung asymmetrischer Winkel-Filmlöcher

Info

Publication number: DE102010037050A1
Application number: DE102010037050A
Authority: DE
Inventors: Roland Scott Niskayuna Bunker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2011-05-05
Also published as: CH702107A2; CN102052092B; JP5738555B2; CH702107B1; JP2011094609A; US20110097191A1; CN102052092A

Abstract

Eine filmgekühlte Turbinenstruktur ist mit einem oder mehreren asymmetrischen Winkel-Filmkühlungslöchern zur Verbesserung der Filmkühlung für eine Vieereichen, insbesondere in Bereichen und Anwendungen, in welchen die Oberflächenfluid-Strömungslinienkrümmung erheblich ist, konfiguriert.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft allgemein filmgekühlte Teile und speziell ein Verfahren zum Filmkühlen üblicher Stellen auf Schaufelblattflächen unter Anwendung asymmetrischer Winkel-Filmlöcher.
Gasturbinen und andere bei hoher Temperatur arbeitende Geräte nutzen Filmkühlung extensiv für einen effektiven Schutz der Heißgaspfadkomponenten, wie z. B. Turbinenlaufschaufeln. Filmkühlung bezieht sich auf eine Technik zum Kühlen eines Teils, in welchem Kühlluft durch mehrere kleine Löcher in den Außenwänden des Teils ausgegeben wird, um entlang der Außenfläche des Teils eine dünne kühle Sperrschicht zu erzeugen und einen direkten Kontakt mit heißen Gasen zu verhindern oder zu reduzieren.
Übliche Stellen, die zum Filmkühlen der Schaufelblätter von Leitschaufeln und Laufschaufeln verwendet werden, umfassen u. a. die Filmkühlung der Vorderkante, Druckseite und Saugseite sowie der Endwand, einschließlich der inneren und äußeren Leitschaufelendwände und der Laufschaufelplattformen. Filmkühlung für die Endwandbereiche von Turbinenlaufschaufeln unterscheidet sich von der der Laufschaufeln selbst dahin gehend, dass die Endwände den vollständigen Bereich statischer Druckverteilung erfahren, der sowohl von den Schaufelblattdruck- als auch Saugseitenflächen gesehen wird. Dieses vollständige Druckfeld erzeugt erhebliche die injizierte Filmkühlung beeinträchtigende sekundäre Strömungsmuster, die die Schaufelblattflächen nicht erreichen. Es liegt eine signifikante Migration der Filmkühlung quer zu dem Strömungskanal vor, was die Injektion und effiziente Kühlung sehr schwierig macht.
Injektionsfilmlöcher sind im Wesentlichen entweder rund oder diffusorartig geformt. Diese Löcher sind mit ihrer Injektion angenähert entlang der Richtung der lokalen Oberflächenströmungslinie ausgerichtet, um Mischungsverluste zu minimieren. Dieses führt oft zu einer Akkumulation der Filmkühlung in bestimmten Bereichen und dem entsprechenden Mangel an Filmkühlung in anderen.
Angesichts des Vorstehenden wäre es vorteilhaft, eine Struktur und ein Verfahren zur Injektion von Filmkühlung auf einer Oberfläche bei Vorliegen eines starken lateralen Druckgradienten, der versucht, die Filmkühlung von dem gewünschten zu schützenden Bereich wegzubewegen, bereitzustellen. Die Struktur und das Verfahren sollten das Filmkühlmittel ohne Erzeugung übermäßiger Mischungsverluste, die durch einfache Injektion des Stroms quer zu dem Strom des Hauptheißgases verursacht werden, in dem gewünschten Bereich halten.
Kurzbeschreibung
Kurz gesagt wird gemäß einer Ausführungsform ein filmgekühltes Schaufelblatt oder ein Schaufelblattbereich mit einem oder mehreren asymmetrischen Winkel-Filmkühlungslöchern konfiguriert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine filmgekühlte Turbinenstruktur wenigstens ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch dergestalt auf, dass eine Seite des Winkels gegenüber der anderen Seite des Winkels in Bezug auf die Führung eines Teils des injizierten Kühlmittels auf eine Oberfläche der filmgekühlten Turbinenstruktur dominiert.
Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
1 eine Draufsicht ist, welche ein im Fachgebiet bekanntes Winkel-Filmkühlungsloch veranschaulicht;
2 eine Seitenansicht des in 1 dargestellten Filmkühlungsloches ist;
3 eine Vorderseitenansicht des in 1 dargestellten Filmkühlungsloches ist;
4 eine perspektivische Ansicht ist, die in dem Endwandbereich einer Turbinenleitschaufel angeordnete Filmkühlungslöcher veranschaulicht;
5 eine perspektivische Ansicht ist, die in dem Endwandbereich einer Turbinenlaufschaufel angeordnete Filmkühlungslöcher veranschaulicht;
6 Injektionsfilmlöcher veranschaulicht, die mit der Injektion angenähert entlang der Richtung der lokalen Oberflächenströmungslinie für den Endwandbereich einer Turbi nenleitschaufel ausgerichtet sind;
7 ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch darstellt, das zur Anwendung auf Schaufelblättern oder Endwänden geeignet ist; und
8 zwei asymmetrische Winkelbereiche veranschaulicht, in welchem jeder Winkelbereich ein Paar von Flügeldurchgängen mit unähnlichen Geometrien in Bezug zueinander aufweist.
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 Offenbarung veranschaulichte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur im Rahmen einer Darstellung und nicht einer Einschränkung. Zahlreiche weitere Modifikationen und Ausführungsformen können von dem Fachmann auf diesem Gebiet erdacht werden, welche in den Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Prinzipien der Erfindung fallen.
Detaillierte Beschreibung
Winkel-Filmlöcher haben sich als nützlich für die Verbesserung der Filmeffektivität auf Schaufelblattflächen erwiesen. Derzeitige Winkel-Filmlöcher basieren immer auf symmetrischen Designs um die Filmlochmittellinie.
Filmkühlung für die Endwandbereiche von Turbinenschaufelblättern unterscheidet sich von der für die Schaufelblätter selbst dahin gehend, dass die Endwände den vollständigen Bereich einer statischen Druckverteilung erfahren, der sowohl von den Schaufelblattdruck- als auch Saugseitenoberflächen gesehen wird, wie es hierin festgestellt wird. Dieses vollständige Druckfeld erzeugt signifikante sekundäre Strömungsmuster, welche die injizierte Filmkühlung beeinflussen, dass die Schaufelblattflächen keine Kühlung erfahren. Die Schaufelblattflächen erfahren jedoch solche sekundäre Strömungseffekte, jedoch im Wesentlichen in einem wesentlich geringeren Umfang mit Ausnahme in Bereichen, in welchen die Schaufelblätter auf die Endwandbereiche treffen. Es liegt eine signifikante Migration der Filmkühlung über dem Strömungskanal vor, was die Injektion und effiziente Kühlung sehr schwierig macht.
Injektionsfilmlöcher sind im Wesentlichen entweder rund oder diffusorartig geformt. Diese Löcher sind üblicherweise mit ihrer Injektion angenähert entlang der Richtung der lokalen Oberflächenstromungslinie ausgerichtet, um Mischungsverluste zu minimieren. Dieses führt oft zu einer Akkumulation der Filmkühlung in bestimmten Bereichen und dem entsprechenden Mangel an Filmkühlung in anderen.
Asymmetrische Winkel-Filmlochausführungen, die ähnliche Fluidströmungsvorteile in Bereichen und Anwendungen erzielen, in welchen die Strömungslinienkrümmung des Oberflächenfluids erheblich ist, werden hierin beschrieben. Diese Ausführungsformen ändern, während sie nur ein rundes Durchgangsloch weiter verwenden, die zwei Hälften der Winkelgrundfläche, sodass sie unterschiedliche Abmessungen und Ausrichtungen der Durchgänge haben. Diese Asymmetrie macht vorteilhafterweise eine Seite des Winkels gegenüber der anderen Seite bezüglich der Führung eines Teils des injizierten Kühlmittels auf die zu kühlende Oberfläche dominant. Die dominante oder größere Seite des Winkels sollte so gerichtet/orientiert sein, dass sie der von den heißen Gasen vorgegebenen Strömungslinienkrümmung entgegenwirkt.
Eine Diskussion symmetrischer Winkel-Filmkühlungslöcher wird hierin zuerst unter Bezugnahme auf die 1–3 präsentiert, um ein besseres Verständnis der hierin beschriebenen Prinzipien und Ausführungsformen der asymmetrischen Filmkühlungslöcher zu ermöglichen. 1 ist eine Draufsicht, die ein im Fachgebiet bekanntes symmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch 10 darstellt. Der Steg 12 ist nach außen gerichtet konvex lateral in der Tiefe zwischen den zwei Flügeldurchgängen 14 angeordnet. Der konvexe Steg 12 ist gekrümmt und im Wesentlichen im Profil dreieckig und divergiert in der Stromabwärtsrichtung zwischen der Einlassbohrung 16 und dem Übergang seines stromabwärts liegenden Endes zu der Außenfläche 18. Die Hinterkante des Stegs 12 verbindet sich bündig mit der Außenfläche 18 entlang einem seitlich gekrümmten stromabwärts liegenden Ende des Winkelauslasses, wobei der konvexe hintere Rand stromaufwärts zu dem Einlassloch 16 hingebogen ist. Die gekrümmte Form des zusammengesetzten Winkel-Filmkühlungsloches 10 hat die Vorteile der zusammengesetzten Neigungswinkel A, B, wie es detaillierter in 2 dargestellt ist, die eine Seitenansicht der Winkel-Filmkühlungslöcher 10 in Bezug auf den Strom des heißen Gases 20 darstellt, in welchem der Winkelauslass nach dem Einlassloch 16 anders in einem Neigungswinkel A geneigt divergiert. Insbesondere sind die Neigungswinkel A und B die zwei begrenzenden Winkel, einer entlang der Mittellinie und der andere in jedem Durchgang.
3 ist eine Vorderseitenansicht des in 1 dargestellten symmetrischen Filmkühlungsloches 10. Diese Vorderseitenansicht liegt in der Richtung des in 2 dargestellten heißen Gases 20. Das Winkel-Filmkühlungsloch 10 basiert auf einem symmetrischen Design um die in 1 dargestellte Mittellinie des Filmkühlungsloches 10 und veranschaulicht weitere Details des Stegs 12 und der Flügeldurchgänge 14.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die in den Endwandbereichen 22 einer Turbinenleitschaufel 24 angeordnete Filmkühlungslöcher veranschaulicht; während 5 eine perspektivische Ansicht ist, die in den Endwandbereich einer Turbinenlaufschaufel 28 angeordnete Filmkühlungslöcher 26 veranschaulicht. Wie vorstehend festgestellt, unterscheidet sich die Filmkühlung für die Endwandbereiche der Turbinenschaufelblätter von der der Schaufelblätter selbst dahin gehend, dass die Endwände den vollständigen Bereich der statischen Druckverteilung erfahren, der sowohl von den Schaufelblatt-Druck- und auch Saugseitenflächen wie hierin festgestellt, gesehen wird. Die Schaufelblattoberflächen erfahren jedoch derartige solche sekundären Strömungseffekte, aber im Wesentlichen in weitaus geringerem Umfang mit Ausnahme von Bereichen, wo die Schaufelblätter, wie vorstehend festgestellt, auf die Endwandbereiche treffen. Dieses vollständige Druckfeld erzeugt erhebliche die injizierte Filmkühlung beeinträchtigende sekundäre Strömungsmuster, die die Schaufelblattoberflächen nicht erfahren, was eine signifikante Migration der Filmkühlung quer zu dem Strömungskanal bewirkt, was die Injektion und effiziente Kühlung sehr schwierig macht.
6 stellt runde Injektionsfilmlöcher dar, die mit ihrer Injektion entlang der ungefähren Richtung der lokalen Oberflächenströmungslinie für den Endwandbereich einer Turbinenleitschaufel 29 ausgerichtet sind. Obwohl in 6 runde Injektionsfilmlöcher dargestellt sind, sind die Injektionsfilmlöcher im Wesentlichen entweder rund oder diffusorartig geformt. Diese Löcher sind mit ihrer Injektionsrichtung entlang der ungefähren Richtung der lokalen Oberflächenströmungslinie ausgerichtet, um Mischungsverluste zu minimieren. Dieses führt, wie vorstehend festgestellt, oft zu der Akkumulation der Filmkühlung in bestimmten Bereichen und dem entsprechenden Fehlen von Filmkühlung in anderen Bereichen.
7 ist eine Draufsicht, die ein asymmetrisches Winkel-Filmloch 30 darstellt, das für die Verwendung in den 4 und 5 dargestellten Endwandbereichen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist. Ein flacher Steg 32 nimmt seitlich in der Breite zwischen den zwei Flügeldurchgängen 34, 36 zu. Der Steg 32 ist eben und im Wesentlichen im Profil dreieckig und divergiert in der Stromabwärtsrichtung zwischen einer Einlassbohrung 38 und dem Übergang seines stromabwärts liegenden Endes zu der Außenfläche 40. Der hintere Rand des Steges 32 verbindet sich bündig mit der Außenfläche 40 entlang einem seitlich ebenen stromabwärts liegenden Ende des Winkelauslasses. Die Größe des Flügeldurchgangs 34 unterscheidet sich von der Größe des Flügeldurchgangs 36 dergestalt, dass die Flügeldurchgänge 34, 36 jeweils in die umgebenden Abschnitte der Einlassbohrung 38 unterschiedlich in Bezug zueinander übergehen.
Eine gekrümmte Form des asymmetrischen Winkel-Filmkühlungsloches 30, die nicht dargestellt ist, mit zusammengesetzten Neigungswinkeln, in welchen der Winkelauslass nach der Einlassbohrung 38 divergiert, hat ähnliche Vorteile, wie sie vorstehend für die in 2 dargestellten zusammengesetzten Neigungswinkel B, C für ein symmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch 10 beschrieben sind.
Das asymmetrische Winkel-Filmkühlungsloch 30 unterscheidet sich wesentlich von dem symmetrischen Filmkühlungsloch 10 dahin gehend, dass spezielle Ausführungsformen des asymmetrischen Filmkühlungsloches unterschiedliche Durchgangstiefen, unterschiedliche Durchgangsbreiten, unterschiedliche Durchgangsdiffusionswinkel, unterschiedliche Durchgangsformgebung usw. gemäß Darstellung in 8 enthalten können. 8 stellt zwei asymmetrische Winkelbereiche dar, in welchen jeder Winkelbereich ein Paar von Flügeldurchgängen mit unterschiedlichen Geometrien in Bezug zueinander aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform besitzt der Flügeldurchgang 34 beispielsweise eine Tiefe, die sich von der Tiefe des Flügeldurchgangs 36 unterscheidet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat der Flügeldurchgang 34 eine Breite, die sich von der Breite des Flügeldurchgangs 36 unterscheidet. Gemäß einer noch einer weiteren Ausführungsform hat der Flügeldurchgang 34 einen Diffusionswinkel B, der sich von einem Diffusionswinkel C des Flügeldurchgangs 36 unterscheidet. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform hat der Flügeldurchgang 34 eine Form, die sich von der Form des Flügeldurchgangs 36 unterscheidet.
Die vorgenannte Asymmetrie zwischen den Flügeldurchgängen 34, 36 wird zu einem ähnlichen Übergangsbereich wie bei der symmetrischen Winkelform, wobei spezielle Ausführungen eben, multiplanar oder asymmetrisch in der Form gekrümmt sind. Gemäß einer Ausführungsform verwendet ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch 30 nur eine einzige runde Durchgangslochzuführung, die das Kühlmittel zu dem Winkelbereich führt.
Zusammengefasst wird hierin ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch zum Verbessern der Filmkühlung für eine Vielzahl von Schaufelblattoberflächen, insbesondere in Bereichen und Anwendungen beschrieben, in welchen die Oberflächenfluid-Strömungslinienkrümmung erheblich ist. Die Verwendung dieser asymmetrischen Filmkühlungslöcher ermöglicht eine effizientere Injektion einer Filmkühlung auf eine Oberfläche bei Vorliegen eines starken lateralen Druckgradienten, der versucht, das Filmkühlungsmittel von dem gewünschten zu schützenden Bereich wegzubewegen, und hält das Filmkühlungsmittel in dem bzw. den gewünschten Bereich(en), ohne übermäßige Mischungsverluste zu erzeugen. Höhere Mischungsverluste ergeben sich aus herkömmlichen Filmlöchern, die lediglich den Strom quer zu dem Hauptheißgas injizieren, um dem Druckgradienten entgegenzuwirken. Ein effizienterer Kühlungseinsatz führt zu Maschinen mit höheren Wirkungsgraden, wie z. B. industriellen Maschinen mit längerer Lebensdauer.
Asymmetrische Winkel-Filmkühlungslöcher bieten Vorteile über diejenigen hinaus, die mit Filmkühlungslöchern erzielbar sind, die unter Anwendung einer versuchsweisen Platzierung erreichbar sind, bis man einen Kompromiss aus angemessener Kühlung und Verlusten findet, oder diejenigen hinaus, die erreichbar sind, indem man einfach runden Filmlöchern eine Diffusorformung hinzufügt, und möglicherweise einen zusammengesetzten Winkel auf dem Diffusor, um dazu beizutragen, das Kühlmittel in die gewünschte Richtung zu lenken. Asymmetrische Winkel-Filmkühlungslöcher bieten ferner Vorteile über diejenigen hinaus, die lediglich durch Veränderung der Form der Endwand selbst zur Vermeidung sekundärer Strömungen und Druckgradienten beitragen, erzielbar sind, statt die Filmlöcher zu modifizieren.
Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen, soweit sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.
Eine filmgekühlte Turbinenstruktur ist mit einem oder mehreren asymmetrischen Winkel-Filmkühlungslöchern zur Verbesserung der Filmkühlung für eine Vielfalt von Schaufelblattoberflächen oder Schaufelblattbereichen, insbesondere in Bereichen und Anwendungen, in welchen die Oberflächenfluid-Strömungslinienkrümmung erheblich ist, konfiguriert.
Bezugszeichenliste

10: Symmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch
12: Steg des Winkel-Filmkühlungslochs
14: Durchgänge des Winkel-Filmkühlungslochs
16: Einlassbohrung des Winkel-Filmkühlungslochs
18: Außenoberfläche des filmgekühlten Teils
20: Heißgasströmung
22: Endwandbereiche einer Turbinenleitschaufel
24: Turbinenleitschaufel
26: Filmkühlungslöcher
28: Turbinenlaufschaufel
29: Endwandbereich der Turbinenlaufschaufel
30: Asymmetrisches Winkel-Filmloch
32: Flacher Steg des asymmetrischen Winkel-Filmlochs
34: Flügeldurchang des asymmetrischen Winkel-Filmlochs
36: Flügeldurchang des asymmetrischen Winkel-Filmlochs
36: Flügeldurchang des asymmetrischen Winkel-Filmlochs
38: Einlassbohrung des asymmetrischen Winkel-Filmlochs
40: Außenfläche des filmgekühlten Teils
50: Paar asymmetrischer Filmkühlungslöcher

Claims

Filmgekühlte Turbinenstruktur (40), die wenigstens ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch (30) dergestalt aufweist, dass eine Seite (34) jedes Winkels (30) gegenüber der anderen Seite (36) des Winkels (30) in Bezug auf die Führung eines Teils des injizierten Kühlmittels auf eine Oberfläche der filmgekühlten Turbinenstruktur (40) dominant ist.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei die Größe einer Seite (34) jedes Winkels (30) eine unterschiedliche Größe in Bezug auf die gegenüberliegende Seite (36) des Winkels (30) ist.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei die Ausrichtung einer Seite (34) jedes Winkels (30) unterschiedlich in Bezug auf die gegenüberliegende Seite (36) des Winkels (30) ausgerichtet ist.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei die dominante Seite jedes Winkels (30) so ausgerichtet ist, dass sie einer Strömungslinienkrümmung entgegenwirkt, die durch heiße Gase vorgegeben ist, die über die Oberfläche der filmgekühlten Turbinenstruktur (40) strömen.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei die Struktur (40) einen Endwandbereich der Turbinenleitschaufel oder Turbinenlaufschaufel aufweist.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei die Struktur (40) ein Turbinenschaufelblatt aufweist.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch (30) einen ersten Durchgangsbereich (34) und einen zweiten Durchgangsbereich (36) aufweist, wobei der erste Durchgangsbereich (34) und der zweite Durchgangsbereich (36) unterschiedliche Tiefen in Bezug zueinander aufweisen.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch (30) einen ersten Durchgangsbereich (34) und einen zweiten Durchgangsbereich (36) aufweist, wobei der erste Durchgangsbereich (34) und der zweite Durchgangsbereich (36) unterschiedliche Breiten in Bezug zueinander aufweisen.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch (30) einen ersten Durchgangsbereich (34) und einen zweiten Durchgangsbereich (36) aufweist, wobei der erste Durchgangsbereich (34) und der zweite Durchgangsbereich (36) unterschiedliche Diffusionswinkel in Bezug zueinander aufweisen.
Filmgekühlte Turbinenstruktur (40) nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein asymmetrisches Winkel-Filmkühlungsloch (30) einen ersten Durchgangsbereich (34) und einen zweiten Durchgangsbereich (36) aufweist, wobei der erste Durchgangsbereich (34) und der zweite Durchgangsbereich (36) unterschiedliche Geometrien in Bezug zueinander aufweisen.