DE112009001269T5

DE112009001269T5 - Turbinenschaufelblatt mit kalibriertem Kühlhohlraum

Info

Publication number: DE112009001269T5
Application number: DE112009001269T
Authority: DE
Inventors: Victor Hugo Silva Milton Mills Correia; Robert Francis Newburyport Manning; Daniel Edwards Ipswich Demers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2009148655A3; GB2472548A; GB2472548B; WO2009148655A2; GB201019921D0; CA2725852A1; US20090293495A1; JP2011522158A

Abstract

Turbinenschaufelblatt für eine Gasturbinenmaschine, das aufweist:
(a) im Abstand zueinander angeordnete Druck- und Saugseitenwände, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken;
(b) einen ersten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert;
(c) einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der zweite Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert; und
(d) eine Dosierstruktur, die eingerichtet ist, um den Luftfluss in den zweiten Hohlraum deutlich zu beschränken.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Turbinen von Gasturbinenmaschinen bzw. -triebwerken und insbesondere Verfahren zur Kühlung von Turbinenschaufelblättern in derartigen Maschinen bzw. Triebwerken.
Eine Gasturbinenmaschine enthält einen Turbomaschinenkern mit einem Hochdruckverdichter, einer Brennkammer und einer Hochdruckturbine (HDT) in serieller Strömungsbeziehung zueinander. Der Kern lässt sich in bekannter Weise betreiben, um eine primäre Gasströmung zu erzeugen.
Die HDT enthält ringförmige Anordnungen von stationären Schaufelblättern, die als Leitschaufeln oder Leitapparate bezeichnet werden, die die aus der Brennkammer austretenden Gase in umlaufende Schaufelblätter hinein richten, die als Laufschaufeln oder Schaufeln bezeichnet werden. Gemeinsam bilden eine Reihe von Leitschaufeln und eine Reihe von Laufschaufeln eine „Stufe. Diese Komponenten arbeiten in einer Umgebung mit extrem hoher Temperatur und müssen durch eine Luftströmung, gewöhnlich durch Aufprall- oder Filmkühlung oder eine Kombination von diesen, gekühlt werden, um eine ausreichende Betriebslebensdauer sicherzustellen. Gewöhnlich wird die zur Kühlung eingesetzte Luft aus einer oder mehreren Stellen in dem Verdichter entnommen. Diese Zapfluftströmungen stellen ein Verlust an Nettoausgangsleistung und/oder Schub bei dem thermodynamischen Zyklus dar. Sie erhöhen den spezifischen Brennstoffverbrauch (SFC, Specific Fuel Consumption) und sind allgemein möglichst zu vermeiden.
Gewöhnlich weist ein Schaufelblatt einer HDT Leitschaufel einen Vorderkantenhohlraum und einen Hinterkantenhohlraum, die durch eine Rippe oder eine Wand voneinander getrennt sind. Die Lage dieser Wand ist positioniert, um die gesamte Länge der Schaufelblattwandplatten an jedem Hohlraum zu reduzieren, um ballonbildungsartige Spannungen zu vermeiden. Außerdem hängt die Position der Wand von der Lage des Innenbandflansches relativ zu dem Vorderkantenhohlraumausbruch für die Gussteilherstellbarkeit ab. Infolgedessen ist die Wand zwischen den beiden Hohlräumen bei oder in der Nähe des Halsbereiches angeordnet, der den Ort mit minimaler Querschnittsfläche zwischen zwei benachbarten Leitschaufelblättern bildet. Filmlöcher, die zur Kühlung der Saugseite des Schaufelblattes verwendet werden, sind gewöhnlich stromaufwärts von dem Halsbereich positioniert, um so die Strömung für den Maschinenzyklus nicht anrechenbar zu machen, wodurch eine Leistungseinbuße vermieden wird. Die Filmlöcher sind so nahe an dem Hals positioniert wie praktisch durchführbar, um die Länge der saugseitigen Oberfläche, die auf diesen Film zur Kühlung angewiesen ist, zu minimieren.
Diese saugseitigen Filmlöcher geben Luft in einen einen geringeren Druck aufweisenden Bereich des Gaspfads ab. Die Filmloch-Kühlanordnung und der Durchfluss hängen von dem Druckverhältnis von dem Zuführhohlraum zu der Abgabestelle des Gaspfads ab. Der Versorgungsdruck des Zuführhohlraums ist festgelegt, um eine Ansaugung an irgendeiner Stelle über seine Wand zu vermeiden, was am ehesten an der Vorderkante und den Druckseiten des Schaufelblattes auftritt. Infolgedessen ist das Druckverhältnis an den saugseitigen Filmlöchern äußerst hoch. Dies hat einen hohen Durchsatz pro Loch und eine geringere Lochdichte innerhalb der Anordnung zur Folge, was tatsächlich die Effektivität der Kühlung reduziert.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese und weitere Unzulänglichkeiten des Standes der Technik werden durch die vorliegende Erfindung behandelt, die ein Turbinenschaufelblatt mit einem inneren Hohlraum bereitstellt, der mit einer Kühlströmung mit reduziertem Druck gespeist wird, um die Effektivität der Filmkühlung zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt enthält ein Turbinenschaufelblatt für eine Gasturbinenmaschine (ein Gasturbinentriebwerk): (a) eine Druckseitenwand und eine im Abstand angeordnete Saugseitenwand, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken; (b) einen ersten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu werden, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert; (c) einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der zweite Hohlraum eingerichtet ist, um mit einer Kühlluft von einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu werden, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert; und (d) eine Dosierstruktur, die eingerichtet ist, um den Luftfluss in den zweiten Hohlraum hinein wesentlich zu beschränken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlung eines Turbinenleitapparates in einer Gasturbinenmaschine (bzw. einem Gasturbinentriebwerk) geschaffen, die wenigstens zwei voneinander beabstandete, hohle Turbinenschaufelblätter aufweist, die jeweils enthalten: einen ersten Hohlraum, der zwischen einer Druck- und einer Saugseitenwand des Turbinenschaufelblattes angeordnet und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert; und einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert. Das Verfahren enthält: (a) Führen von Kühlluft von einer Quelle innerhalb der Maschine zu jedem von den ersten Hohlräumen bei einem ersten Druck; (b) Ausgeben von Kühlluft aus den ersten Hohlräumen durch das wenigstens eine damit verbundenes Filmkühlloch; (c) Führen von Kühlluft von einer Quelle innerhalb der Maschine zu jedem der zweiten Hohlräume; (d) Absinkenlassen des Drucks der Kühlluft auf einen zweiten Druck, der deutlich kleiner ist als der erste Druck, bevor diese in jeden von den zweiten Hohlräumen eingeleitet wird; und (e) Ausgeben von Kühlluft aus den zweiten Hohlräumen durch das wenigstens eine damit verbundene Filmkühlloch.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Turbinenschaufelblatt für eine Gasturbinenmaschine: (a) voneinander beabstandete Druck- und Saugseitenwände, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken; (b) einen ersten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum eingerichtet ist, um mit einer Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu werden, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert; (c) einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der zweiten Hohlraum von dem ersten Hohlraum durch eine wand getrennt ist, die wenigstens ein hindurchführendes Dosierloch aufweist, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert; und (d) eine Dosierstruktur, die eingerichtet ist, um einen Luftfluss in den zweiten Hohlraum wesentlich zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werde, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren zu entnehmen ist, in denen zeigen:
1 eine schematisierte Querschnittsansicht eines Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis, das einen Turbinenleitapparat enthält, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
2 eine Perspektivansicht eines Turbinenleitapparatsegmentes, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
3 eine entlang der Linien 3-3 nach 2 geschnittene Ansicht;
4 eine weitere Perspektivansicht des in 2 veranschaulichten Turbinenleitapparates;
5 eine Perspektivansicht eines alternativen Turbinenleitapparatsegmentes, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
6 eine entlang der Linien 6-6 nach 5 geschnittene Ansicht; und
7 eine weitere Perspektivansicht des in 5 veranschaulichten Turbinenleitapparates.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten die gleichen Elemente bezeichnen, zeigt 1 ein Gasturbinentriebwerk 10, das einen Bläser 12, einen Niederdruckverdichter oder „Booster” 14 und eine Niederdruckturbine („NDT”) 16, die gemeinsam als ein „Niederdrucksystem” bezeichnet werden, sowie einen Hochdruckverdichter („HDV”) 18, eine Brennkammer 20 und eine Hochdruckturbine („HDT”) 22 aufweist, die gemeinsam als ein „Gaserzeuger” oder „Kern” bezeichnet werden. Gemeinsam lassen sich das Hoch- und das Niederdrucksystem in bekannter Weise betreiben, um einen Primär- oder Kernstrom sowie einen Bläserstrom oder Nebenstrom zu erzeugen. Während das veranschaulichte Triebwerk 10 ein Turbofan-Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis ist, sind die hierin beschriebenen Prinzipien in gleicher Weise auf Turboprop-, Turbojet- und Turboshaft-Triebwerke sowie auf Turbinentriebwerke bzw. -maschinen anwendbar, die für andere Fahrzeuge oder in stationären Anwendungen eingesetzt werden.
Die Hochdruckturbine 22 enthält einen Hochdruckleitapparat 24. Wie in 2 veranschaulicht, weist der Hochdruckleitapparat 24 eine Anordnung von tragflächenprofilförmigen hohlen Leitschaufeln 26 auf, die zwischen einem bogenförmigen, segmentierten Innenband 28 und einem bogenförmigen, segmentierten Außenband 30 gehaltert ist. Die Leitschaufeln 26, das erste Innenband 28 und das Außenband 30 sind zu mehreren in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden Düsensegmenten 32 angeordnet, die gemeinsam eine vollständige 360°-Bau-gruppe bilden. In diesem Beispiel ist jedes der Leitapparatsegmente 32 eine „Singlette” mit einer einzigen Leitschaufel 26, wobei jedoch andere Konfigurationen (Dublette, Triplette, etc.) sowie kontinuierliche Ringe oder Halbringe bekannt sind. Das Innen- und das Außenband 28 und 30 definieren die äußere bzw. innere radiale Strömungspfadbegrenzung für den Heißgasstrom, der durch den Hochdruckleitapparat 24 strömt. Die Leitschaufeln 26 sind konfiguriert, um die Verbrennungsgase optimal zu einem Rotor 32 zu führen.
Der Rotor 32 enthält eine Anordnung von tragflächenprofilförmigen Turbinenschaufeln 34, die sich von einer Scheibe 36 nach außen erstrecken, die rings um die Mittellinienachse des Triebwerks 10 rotiert. In dem veranschaulichten Beispiel ist die Hochdruckturbine 22 von der Einzelstufen-Bauart, die einen einzigen Hochdruckturbinen-Leitapparat 24 und -rotor 26 aufweist. Jedoch lassen sich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise auf mehrstufige Hochdruckturbinen oder auf Niederdruckturbinen anwenden, bei denen die Turbinen gekühlt sind.
3 und 4 veranschaulichen den Aufbau des Leitapparates 24 in größeren Einzelheiten. Jede Leitschaufel 26 weist im Abstand zueinander angeordnet eine Druck- und eine Saugseitenwand 38 und 40 auf, die sich zwischen einer Vorderkante 42 und einer Hinterkante 44 erstrecken. Die Leitschaufeln 26 sind derart angeordnet, dass die Saugseitenwand 40 einer ersten Leitschaufel 26 der Druckseitenwand 38 ihrer benachbarten Leitschaufel 26 gegenüberliegt. Die Stelle, an der die Querschnittsdurchflussfläche zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 26 minimal ist, wird als ein „Hals” bezeichnet, der in 3 mit „T” bezeichnet ist.
Der Innenraum jeder Leitschaufel 26 ist im Wesentlichen hohl und ist durch eine Rippe oder Wand 50, die mit dem Leitschaufelgussteil integral ausgebildet ist, in einen Vorderkantenhohlraum 46 und einen Hinterkantenhohlraum 48 unterteilt. Optional sind Aufprallkühleinsätze 52 und 54 von einer bekannten Bauart, die von Aufprallkühllöchern 56 bzw. 58 durchdrungen sind, in dem Vorder- bzw. Hinterkantenhohlraum 46 bzw. 48 angeordnet. Filmkühllöcher 60, die durch die Rückseitenwand 38 und die Vorderkante 42 hindurchführend ausgebildet sind, kommunizieren mit dem Vorder- und dem Hinterkantenhohlraum 46 und 48. Die Vorder- und die Hinterkantenhohlräume 46 und 48 können mit Kühlluft von ihren radial inneren und äußeren Enden oder von beiden aus gespeist sein. In diesem Beispiel weist der Hinterkantenhohlraum 48 einen Einlass 62 an seinem radial äußeren Ende (vgl. 2) auf, und der Vorderkantenhohlraum 46 weist einen Einlass 64 an seinem radial inneren Ende auf (vgl. 4). Hinterkanten-Kühlkanäle 66, wie beispielsweise die veranschaulichten Löcher, kommunizieren mit dem hinteren Ende des Hinterkantenhohlraums 48.
Ein kalibrierter Hohlraum 68 ist hinter dem Vorderkantenhohlraum 46 und entlang der Saugseitenwand 40 angeordnet. Mehrere Filmkühllöcher 70 in der Saugseitenwand 40 kommunizieren mit dem kalibrierten Hohlraum 68 und können ihre Auslässe stromaufwärts von dem Hals T angeordnet haben. 3 zeigt ein Beispiel eines kalibrierten Hohlraums 68 mit einer im Wesentlichen dreieckigen Querschnittsgestalt, die gerade hinter dem Hals T endet. Jedoch sind die Gestalt und Lage des kalibrierten Hohlraums 68 nicht entscheidend, und sie können variiert werden, um an eine spezielle Anwendung angepasst zu werden. Der kalibrierte Hohlraum 68 kann von seinem radial inneren oder äußeren Ende oder von beiden aus gespeist sein. Wie in 2 veranschaulicht, wird der kalibrierte Hohlraum 68 von seinem äußeren Ende aus gespeist. Das radial äußere Ende des kalibrierten Hohlraums 68 ist mittels einer Dosierplatte 72 mit einem durch diese hindurchführend ausgebildeten Dosierloch 74 verschlossen. Die Dosierplatte 72 ist mit einer Quelle von Kühlluft wie beispielsweise Verdichteraustrittsdruck(CDP)-Luft, in bekannter Weise verbunden. Das Dosierloch 74 ist bemessen, um den Druck in dem kalibrierten Hohlraum 68 auf ein ausgewähltes Niveau zu reduzieren.
Im Betrieb wird unter Druck stehende Kühlluft zu der Vorderkante, der Hinterkante und den kalibrierten Hohlräumen 46, 48 und 68 geliefert. Die Kühlluft tritt in den Vorderkanten- und den Hinterkantenhohlraum 46 und 48 bei im Wesentlichen dem Versorgungsdruck hinein. Jedoch wird die dem kalibrierten Hohlraum 48 zugeführte Kühlluftströmung durch das Dosierloch 74 gedrosselt, wodurch der Druck in dem kalibrierten Hohlraum 68 auf ein Niveau reduziert wird, das gerade ausreicht, um eine zwangsweise Filmkühlung der Saugseitenwand 40 mit hinreichender Rückflusssicherheitsreserve zu erzielen. Dieses gewählte Druckniveau liegt deutlich unter dem Druck in dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenhohlraum 46 und 48. Das resultierende Druckniveau des kalibrierten Hohlraums ermöglicht die Verwendung einer höheren Dichte für die Filmkühllöcher 70 der Saugseitenwand, wodurch eine effektivere Filmkühlung an der Saugseitenwand 40 erzielt wird. Diese Kühlkonfiguration ergibt eine effektive Kühlung der Saugseitenwand 40, die historisch thermische Not erleidet. Das Ergebnis ist ein effizienter gekühltes Schaufelblatt, wobei im Wesentlichen die gleiche Kühlflussmenge wie beim Stand der Technik verwendet wird.
5–7 veranschaulichen einen alternativen Hochdruckturbinen-Leitapparat 124. Dieser ist im Aufbau dem vorstehend beschriebenen Hochdruckleitapparat 24 im Wesentlichen ähnlich und weist eine Anordnung von tragflächenprofilförmigen hohlen Leitschaufeln 126, einem bogenförmigen, segmentierten Innenband 128 und einem bogenförmigen, segmentierten Außenband 130 auf. Die Leitschaufeln 126, das erste Innenband 128 und das Außenband 130 sind zu mehreren in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden „Singlette”-Leitapparatsegmenten 132 angeordnet.
6 und 7 veranschaulichen den Aufbau des Leitapparates 124 in größeren Einzelheiten. Jede Leitschaufel 126 weist im Abstand zueinander angeordnete Druck- und Saugseitenwände 138 und 140 auf, die sich zwischen einer Vorderkante 142 und einer Hinterkante 144 erstrecken. Die Leitschaufeln 126 sind derart angeordnet, dass die Saugseitenwand 140 einer ersten Leitschaufel 126 der Druckseitenwand 138 ihrer benachbarten Leitschaufel 126 zugewandt ist. Die Stelle, an der die Querschnittsdurchflussfläche zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 126 minimal ist, wird als ein „Hals” bezeichnet, der in 6 „T'” bezeichnet ist.
Der Innenraum jeder Leitschaufel 126 ist im Wesentlichen hohl und ist durch eine Rippe oder Wand 150, die mit dem Leitschaufelgussteil integral ausgebildet ist, in einen Vorderkantenhohlraum 146 und einen Hinterkantenhohlraum 148 unterteilt. Optionale Aufprallkühleinsätze 152 und 154 von einer bekannten Bauart, die mit Aufprallkühllöchern 156 bzw. 158 durchlöchert sind, sind in dem Vorderkanten- bzw. dem Hinterkantenhohlraum 146 bzw. 148 angeordnet. Durch die Druckseitenwand 138 und die Vorderkante 142 hindurchführend ausgebildete Kühllöcher 160 kommunizieren mit dem Vorder- und dem Hinterkantenhohlraum 146 und 148. Der Vorder- und der Hinterkantenhohlraum 146 und 148 können von ihren radial inneren oder äußeren Enden oder von beiden aus mit Kühlluft versorgt sein. In diesem Beispiel weist der Hinterkantenhohlraum 148 einen Einlass 162 an seinem radial äußeren Ende (vgl. 5) auf, und der Hinterkantenhohlraum 146 weist einen Einlass 164 an seinem radial inneren Ende (vgl. 7) auf. Hinterkanten-Kühlkanäle 166, wie beispielsweise die veranschaulichten Löcher, kommunizieren mit dem hinteren Ende des Hinterkantenhohlraums 148.
Ein kalibrierter Hohlraum 168 ist hinter dem Vorderkantenhohlraum 146 und entlang der Saugseitenwand 140 angeordnet. Mehrere Filmkühllöcher 170 in der Saugseitenwand 140 kommunizieren mit dem kalibrierten Hohlraum 168, und ihre Auslässe können stromaufwärts von dem Hals T' angeordnet sein. 6 zeigt ein Beispiel eines kalibrierten Hohlraums 168, der durch die Wand 150 und eine andere schneidende Wand 151 definiert ist und eine im Wesentlichen dreieckige Querschnittsgestalt aufweist, die knapp hinter dem Hals T' endet. Die Gestalt und Lage des kalibrierten Hohlraums 168 sind nicht entscheidend und können zur Anpassung an eine bestimmte Anwendung variiert werden. Der kalibrierte Hohlraum 168 wird durch ein oder mehrere Dosierlöcher 174 (von denen lediglich eines veranschaulicht ist) gespeist, die in der schneidenden Wand 151 ausgebildet sind und die mit dem Hinterkantenhohlraum 148 kommunizieren. Alternativ könnten die Dosierlöcher 174 durch die Wand 150 hindurchführend ausgebildet sein, um so den kalibrierten Hohlraum 168 von dem Vorderkantenhohlraum 146 aus zu speisen. Die Dosierlöcher 174 sind bemessen, um den Druck in dem kalibrierten Hohlraum 68 auf ein gewähltes Niveau zu reduzieren.
Die Funktionsweise des Turbinenleitapparates 124 ist derjenigen des vorstehend beschriebenen Leitapparates ähnlich. Unter Druck stehende Kühlluft wird dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenhohlraum 146 und 148 zugeführt. Die Kühlluft gelangt in den Vorderkanten- und den Hinterkantenhohlraum 146 und 148 bei im Wesentlichen dem Versorgungsdruck. Ein Teil der Kühlluftströmung tritt von dem Hinterkantenhohlraum 148 durch das Dosierloch 174 hindurch. Die dem kalibrierten Hohlraum 168 zugeführte Kühlluftströmung wird durch das Dosierloch 74 gedrosselt, wodurch der Druck in dem kalibrierten Hohlraum 168 auf ein Niveau reduziert wird, das gerade ausreichend ist, um eine zwangsweise Filmkühlung der Saugseitenwand 140 bei hinreichendem Rückstromsicherheitsabstand zu erzielen. Das gewählte Druckniveau liegt deutlich unter dem Druck in dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenhohlraum 146 und 148. Das resultierende Druckniveau des kalibrierten Hohlraums ermöglicht den Einsatz von Saugseitenwand-Filmkühllöchern 170 mit höherer Dichte, wodurch eine effektivere Filmkühlung an der Saugseitenwand 140 erzielt wird, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Das Vorstehende beschreibt Kühlanordnungen für eine Gasturbinenmaschine. Während spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Demgemäß sind die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und die beste Art zur Umsetzung der Erfindung lediglich für den Zweck der Veranschaulichung und nicht für den Zweck einer Beschränkung vorgesehen, wobei die Erfindung durch die Ansprüche definiert ist.
Zusammenfassung:
Ein Turbinenschaufelblatt für eine Gasturbinenmaschine enthält: (a) voneinander beabstandete Druck- und Saugseitenwände, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken; (b) einen ersten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft von einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigsten einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert; (c) einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der zweite Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert; und (d) eine Dosierstruktur, die eingerichtet ist, um einen Luftfluss in den zweiten Hohlraum deutlich zu beschränken.

Claims

Turbinenschaufelblatt für eine Gasturbinenmaschine, das aufweist: (a) im Abstand zueinander angeordnete Druck- und Saugseitenwände, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken; (b) einen ersten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert; (c) einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der zweite Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert; und (d) eine Dosierstruktur, die eingerichtet ist, um den Luftfluss in den zweiten Hohlraum deutlich zu beschränken.
Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 1, wobei die Dosierstruktur eine Dosierplatte aufweist, die ein distales Ende des zweiten Hohlraums verschließt, wobei die Dosierplatte ein hindurchführend ausgebildetes Dosierloch aufweist.
Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 1, wobei ein von Aufprallkühllöchern durchdrungener Einsatz in dem ersten Hohlraum angeordnet ist.
Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 1, das ferner einen dritten Hohlraum aufweist, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der dritte Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert.
Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 4, wobei ein Einsatz, der von Aufprallkühllöchern durchdrungen ist, in dem dritten Hohlraum angeordnet ist.
Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 4, wobei der erste Hohlraum neben der Hinterkante angeordnet ist, der zweite Hohlraum neben der Saugseitenwand angeordnet ist und der dritte Hohlraum neben der Vorderkante angeordnet ist.
Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 6, wobei der erste und der dritte Hohlraum durch eine gemeinsame Wand voneinander getrennt sind.
Turbinenschaufelblatt nach Anspruch 4, wobei: (a) der erste Hohlraum ein offenes radial äußeres Ende aufweist; (b) die Dosierstruktur an einem radial äußeren Ende des zweiten Hohlraums angeordnet ist; und (c) der dritte Hohlraum ein offenes radial inneres Ende aufweist.
Turbinenleitapparat, der wenigstens zwei von den Turbinenschaufelblättern nach Anspruch 1 aufweist, die in einer voneinander beabstandeten Beziehung zwischen bogenförmigen Innen- und Außenbändern angeordnet sind.
Turbinenleitapparat nach Anspruch 9, wobei: (a) ein Hals mit minimalem Querschnittsbereich zwischen der Druckseitenwand eines der Schaufelblätter und der Saugseitenwand eines benachbarten einzelnen der Turbinenschaufelblätter definiert ist; und (b) das wenigstens eine Filmkühlloch, das lediglich mit der Saugseitenwand verbunden ist, jedes Turbinenschaufelblattes einen Auslass stromaufwärts von dem Hals aufweist.
Turbinenleitapparat nach Anspruch 9, wobei der zweite Hohlraum jedes Turbinenschaufelblattes neben der jeweiligen Saugseitenwand angeordnet ist.
Turbinenleitapparat nach Anspruch 1, wobei der zweite Hohlraum mit Kühlluft aus dem ersten Hohlraum gespeist ist.
Turbinenleitapparat nach Anspruch 12, wobei die Dosierstruktur eine Wand aufweist, die den ersten und den zweiten Hohlraum voneinander trennt, wobei die Wand ein hindurchführend ausgebildetes Dosierloch aufweist.
In einer Gasturbinenmaschine ein Verfahren zum Kühlen eines Turbinenleitapparates, der wenigstens zwei im Abstand zueinander angeordnete, hohle Turbinenschaufelblätter aufweist, von denen jedes enthält: einen ersten Hohlraum, der zwischen einer Druck- und einer Saugseitenwand des Turbinenschaufelblattes angeordnet und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert, und einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert; wobei das Verfahren aufweist: (a) Führen von Kühlluft aus eine Quelle innerhalb der Maschine zu jedem von den ersten Hohlräumen bei einem ersten Druck; (b) Abgeben von Kühlluft aus den ersten Hohlräumen durch das wenigstens eine damit verbundene Filmkühlloch; (c) Führen von Kühlluft von einer Quelle innerhalb der Maschine zu jedem von den zweiten Hohlräumen; (d) Absinken des Drucks der Kühlluft auf einen zweiten Druck, der deutlich kleiner ist als der erste Druck, bevor diese in jeden von den zweiten Hohlräumen eingeleitet wird; und (e) Ausgeben von Kühlluft aus den zweiten Hohlräumen durch das wenigstens eine damit verbundene Filmkühlloch.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Druckreduktion nach Schritt (d) durchgeführt wird, indem Kühlluft durch eine Dosierstruktur durchgeleitet wird, die eingerichtet ist, um den Luftfluss in den zweiten Hohlraum deutlich zu beschränken.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner vor dem Schritt (b) eine Aufprallkühlung jedes der ersten Hohlräume aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei jedes der Turbinenschaufelblätter einen dritten Hohlraum aufweist, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert; wobei das Verfahren ferner aufweist: (a) Führen von Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine zu jedem von den dritten Hohlräumen bei einem ersten Druck; und (b) Ausgeben von Kühlluft aus den dritten Hohlräumen durch das wenigstens eine damit verbundene Filmkühlloch.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner vor dem Schritt (b) eine Aufprallkühlung jedes der dritten Hohlräume aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der erste Hohlraum neben einer Hinterkante des Turbinenschaufelblattes angeordnet ist, der zweite Hohlraum neben der Saugseitenwand angeordnet ist und der dritte Hohlraum neben einer Vorderkante des Turbinenschaufelblattes angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei: (a) Kühlluft einem radial äußeren Ende des ersten Hohlraums zugeführt wird; (b) Kühlluft einem radial äußeren Ende des zweiten Hohlraums zugeführt wird; und (c) Kühlluft einem radial inneren Ende des dritten Hohlraums zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei: (a) ein Hals mit minimalem Querschnittsbereich zwischen der Druckseitenwand eines der Schaufelblätter und der Saugseitenwand eines benachbarten einzelnen der Turbinenschaufelblätter definiert iost; und (b) Kühlluft aus dem wenigstens einen Filmkühlloch, das lediglich mit der Saugseitenwand verbunden ist, jedes Turbinenschaufelblattes an einer Stelle stromaufwärts von dem Hals austritt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt (c) durchgeführt wird, indem Kühlluft von jedem der ersten Hohlräume zu einem entsprechenden einzelnen der zweiten Hohlräume weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Druckreduktion durch Durchleitung von Kühlluft durch wenigstens ein Dosierloch in einer Wand, die den ersten und den zweiten Hohlraum voneinander trennt, durchgeführt wird.
Turbinenschaufelblatt für eine Gasturbinenmaschine, das aufweist: (a) voneinander beabstandete Druck- und Saugseitenwände, die sich zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstrecken; (b) einen ersten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum eingerichtet ist, um mit Kühlluft aus einer Quelle innerhalb der Maschine gespeist zu sein, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das mit einer Außenfläche des Schaufelblattes kommuniziert; (c) einen zweiten Hohlraum, der zwischen der Druck- und der Saugseitenwand angeordnet ist, wobei der zweite Hohlraum von dem ersten Hohlraum durch eine Wand getrennt ist, die wenigstens ein hindurchführendes Dosierloch aufweist, und mit wenigstens einem Filmkühlloch verbunden ist, das lediglich mit der Saugseitenwand des Schaufelblattes kommuniziert; und (d) eine Dosierstruktur, die eingerichtet ist, um einen Luftfluss in den zweiten Hohlraum deutlich zu beschränken.