DE1946535B2

DE1946535B2 - Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE1946535B2
Application number: DE1946535A
Authority: DE
Inventors: Eugene Frank Cincinnati Ohio Adiutori; David Max Kercher; Armando Joseph Quinones
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-09-13
Publication date: 1981-04-09
Also published as: BE739198A; DE1946535C3; DE1946535A1; FR2019076A1; US3542486A; GB1271819A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art

In der US-PS- 33 88 888 sind Leitschaufeln und Laufschaufeln für Gasturb;nentrit.jwerke beschrieben, bei denen mehrere Gruppe.] von in radialen Reihen angeordneten Durchlässen im Beivxh der Schaufelvorderkante aus dem hohlen Innern der Schaufel durch die Schaufelwand hindurchgeführt sind, so daß das in das Innere der Schaufel unter Druck eingebrachte Kühlmittel an der Schaufelvorderkante austritt Dies ergibt zunächst eine Konvektionskühlung der besonders hohen Temperaturen aasgesetzten Schaufelvorderkante beim Durchgang des Kühlmittels durch die Durchlässe, und anschließend eine Filmkühlung der Außenseite der Schaufel durch das an der Oberfläche entlangstreichende Kühlmittel. Es besteht jedoch das Problem, die Strömungsmenge und Austrittsgeschwindigkeit des durch die Durchlässe der verschiedenen Gruppen hindurchgehenden Kühlmittels so einzustellen, daß an allen Stellen die optimale Konvektionskühlung und die optimale Filmkühlung erzielt wird. Die Mündungen der Durchlässe liegen nämlich in Bereichen unterschiedlicher Drücke, denn die an der konvexen Seite der Schaufel mündenden Durchlässe sind einem geringeren Druck ausgesetzt als die direkt an der Schaufelkante und die an der konkaven Schaufeiseite mündenden Durchlässe. Da das Kühlmittel for alle Durchlasse aus einer gemeinsamen Kammer kommt, in der ein einheitlicher Druck herrscht, muß verhindert werden, daß eine zu große Strömungsmenge durch die im Bereich geringeren Drucks mündenden Durchlässe geht Eine Querschnittsverringerung dieser Durchlässe hätte jedoch eine große Austrittsgeschwindigkeit zur Folge, die sich auf die Ausbildung des Kühlfilms nachteilig auswirken würde.

Bei einer in der US-PS 27 80 435 beschriebenen Turbinenschaufel ist nur eine Reihe von Durchlässen vorgesehen, die in Querkanälen münden, die in die Schaufelvorderkante an deren Außenseite eingearbeitet sind und nach beiden Seiten der Schaufel miu abnehmender Tiefe verlaufen, Der die QuerkanäJe enthaltende Vorderkantenbereich, ist von einer sich Über die ganze Länge der Schaufel erstreckenden rfnnenförmigen Kappe bedeckt, die an der Schaufelvorderkante anliegt und nach beiden Seiten der Schaufel einen zunehmend größeren Abstand von der Außenfläche der Schaufel hat Dadurch ergibt sich ein zunehmend größerer Strömungsquerschnitt für<las aus

to den Durchlässen austretende Kühlmittel und dementsprechend eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels beim Austritt aus dem Spalt zwischen der Kappe und der Schaufelauflenfläche. Diese Lösung erfordert jedoch einen erheblichen fertigungstechnisbhen Aufwand. Außerdem wird die Schaufel durch die im Vorderkantenbereich angebrachten Querkanäle strukturell geschwächt und durch die auf die Vorderkante aufgesetzte Kappe aerodynamisch beeinflußt
Ähnliche Probleme zur Erzielung einer wirksamen Filmkühlung bestehen nicht nur bei Turbinenschaufeln, sondern auch bei anderen Bauteilen für Gasturbinen. In der FR-PS 1510 874 ist eine Brennkammerwand beschrieben, die mit ringförmig angeordneten Gruppen von die Wand senkrecht durchdringenden Durchlässen versehen ist damit Kühlluft von außen in das Innere der Brennkammer eintreten kann. Damit sich ein an der Innenfläche der Brennkammerwand entlangstreichender Kühlfilm ausbildet, ist im Abstand vor den Mündungen der Durchlässe ein ringförmiger Flansch angeordnet, der die aus den Durchlässen austretende Kühlluft zur Innenfläche der Brennkammerwand hin umlenkt und zugleich eine Erweiterung des Strömungsquerschnitts ergibt, so daß die Kühlluft mit verringerter Geschwindigkeit aus dem Spalt zwischen dem Flansch und der Brennkammerwand austritt Diese Lösung eignet sich jedoch nicht für beliebige Bauteile von

Gasturbinentriebwerken; sie läßt sich beispielsweise bei Turbinenschaufeln nicht ohne weiteres anwenden. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines

Bauteils für ein Gasturbinentriebwerk, bei dem die Strömungsmenge und Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels, das durch die an Stellen unterschiedlichen Drucks mündenden Durchlässe strömt, mit fertigungstechnisch einfachen Maßnahmen zur Erzielung einer optimalen Kühlwirkung eingestellt sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Bei dem Bauteil nach der Erfindung bestimmen die kleineren Strömungsquerschnitte der an den Stellen niedrigeren Drucks mündenden Durchlässe die Strömungsmenge des durch diese Durchlässe strömenden Kühlmittels und somit die Aufteilung des aus der Kammer abgeführten Kühlmittels auf die verschiedenen Gruppen von Durchlässen. Die Abschnitte mit größerem Strömungsquerschnitt ergeben eine Diffusorwirkung, durch die die Austrittsgeschwindigkeit des Strömungsmittels verringert wird. Durch geeignete Bemessung der Gesamtquerschnitte und der Querschnittsverhältnisse können daher die Strömungsmenge

und die Austrittsgeschwindigkeit in der zur Erzielung einer optimalen Kühlwirkung erforderlichen Weise eingestellt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist auch bei schwierig zu bearbeitenden Bauteilen, wie Turbinenschaufeln, auf einfache Weise zu realisieren. Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Strömungsquerschnitte der beiden Abschnitte kreisrund sind, können einfach zunächst Löcher mit dem kleineren Strömungs-

IO

20

querschnitt (torch die gan»e Wwddicke cjes Bauteils gebohrt werden und anschließend diese Löcher von außen her über einen Teil ihrer Länge mit dem größeren Strömungsquerschnitt aufgebohrt werden. Die strukturelle Festigkeit und die aerodynamisphen Eigenschaften des Bauteils werden durch diese Maßnahme nicht mehr beeinträchtigt als bei den bekannten Bauteilen mit Durchlässen konstanten Querschnitts,

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist öl der Zeichnung dargestellt Es zeigt

F i g, 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerkes,

Fig.2 eine Schnittansicht in vergrößertem Maßstab von einem Teil des Turbinenabschnittes des Gasturbinentriebwerkes von F i g. 1,

Fig.3 eine Schnittansicht durch eine Turbinenlaufschaufel längs der Linie 3-3 von F i g. 2 im vergrößerten Maßstab,

Fig.4 eine perspektivische Ansicht der in Fig.2 dargestellten Turbinenlaufschaufel und

Fig.5 eine Schnittansicht im vergrößerten Maßstab eines Teils der in F i g. 3 dargestellten Turbinenschaufel bei einer abgeänderten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Kompressor 12, einem Brennkammerabschnitt 14 und einer Turbine 16, die durch die im Brennkammerabschnitt 14 erzeugten heißen Gase in Drehung versetzt wird. Die Turbine 16 ist mit dem Kompressor 12 durch eine Welle 18 verbunden.

In F i g. 2 ist ein Abschnitt der Turbine 16 in größerem Maßstab dargestellt Sie enthält einen Kranz von Turbinenleitschaufeln 20, die stromab vom Brennkammerabschnitt 14 angeordnet sind und die den heißen Gasstrom aus dem Kanal 22 auf eine Anzahl von Turbinenlaufschaufeln 24 richten, die an einem Turbinenrotor 26 befestigt sind und sich im allgemeinen radial von diesem aus erstrecken.

Der Kanal 22, in dem das heiße Gas durch die Turbine 16 strömt, ist durch ringförmige Wandungen 28 und 30, die Leitschaufel 20, die an den Laufschaufeln 24 vorgesehenen Plattformabschnitte 32 und einen die äußeren Enden der Laufschaufeln 24 umgebenden Ringmantel 33 begrenzt Dichtungen 29 und 31 können vorgesehen sein, um die Leckströmung des heißen Gases aus dem Kanal 22 herabzusetzen.

Um den Ltitschaufein 20 Kühlmittel zuzuführen, sind Kanäle 34 und 36 vorgesehen, die teilweise von den Wandungen 28 und 30 begrenzt werden und mit einer geeigneten Kühlmittelquelle in Verbindung stehen, wie beispielsweise mit dem Kompressor 12.

Wie F i g. 2 zeigt, ist im Turbinenrotor 26 wenigstens eine sich radial erstreckende Kammer 38 vorgesehen, um ein Kühlmittel, welches vorzugsweise vom Kompressor 12 abgezapft wird, jeder Laufschaufel 24 zuzuführen, jede Laufschaufel 24 weist einen Schaufelfuß 44 auf, der so ausgebildet ist daß er in den Rotor 26 eingesetzt werden kann. Wie F i g. 3 zeigt, sind in dem sich in den heißen Gasstrom im Kana! 22 hinein erstreckenden Schaufelblatt mehrere Kammern 40 und eine vordere Kammer 42 ausgebildet Durch den Schaufeifuß 44 erstrecken sich radiale Kanäle 46 (Fig. 2), die die Kammern 40 und 42 mit der im Rotor 26 ausgebildeten Kühlmittelkaminer38 verbinden.

Der heiße Gasstrom, der in dem Brennkammerabschnitt 14 erzeugt wird, strömt durch den Kanal 22 und wird durch die Leitschaufeln 20 auf die Laufschaufeln 24 gerichtet, um den Turbine', rotor 26 anzutreiben. Beim Antreiben des Rotors werden die Laufschaufeln 24

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35

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60 erheblichen Spannungen ausgesetzt, die einerseits durch die Zentrifugalkräfte erzeugt werden, die sich durch die hohe Drehzahl ergeben, und andererseits durch die aerodynamische Belastung und durch die hohen Temperaturen. Um die Widerstandsfähigkeit der Laufschaufeln 24 gegen diese Beanspruchungen zu erhöhen, sind die in den Fig.3, 4 und 5 dargestellten Kuhleinrichtungen vorgesehen.

Die Schnittansicht von F ί g. 3 zeigt die Kammern 40 und 42, die sich im wesentlichen radial innerhalb der Laufschaufeln 24 erstrecken, Verbindungskanäle 48 können vorgesehen sein, um Kühlmittel denjenigen Kammern zuzuführen, die nicht unmittelbar mit den Kanälen 46 in Verbindung stehen. Kanäle 47, die mit einer der Kammern 40 in Verbindung stehen, können vorgesehen sein, um Kühlmittel zur Hinterkante 49 der Schaufel zu führen. Die Verbindungjkanäle 48 sind vorzugsweise derart bemessen, daß eine voreingestellte Kühlmittelströmung von einer Kammer an die nächste abgegeben wird, damit in der Aufn?,!:inekammer der richtige Druck eingestellt wird und das Kühlmittel auf die Kammerwandungen der Aufnahmekammer derart aufprallt daß eine gute Konvektionskühlung erzielt wird.

Wie F i g. 3 zeigt sind eine Anzahl von Kfihimitieldurchlässen 50,52 und 54 vorgesehen, die in der Nähe der Schaufelvorderkante 56 durch die Schaufelwand 55 nach außen geführt sind. Diese Durchlässe verbinden die vorderste Kammer 42 mit der Außenfläche der Schaufel, um einen Film aus Kühlmittel auszubilden, der an der Außenfläche der Schaufel eine Filmkühlung ergibt damit die Schaufel gegen die hohen Temperaturen des heißen Gasstromes geschützt wird. Die Durchlässe 50 und 54 sind unter einem spitzen Winkel relativ zur konkaven Außenfläche 58 bzw. zur konvexen Außenfläche 60 angeordnet; dies ergibt einerseits eine erhöhte innere Konvektionskühlung infolge der Vergrößerung der Oberfläche der Durchlässe und andererseits wird dadurch das Kühlmittel so nach außen geführt, daß es sich leichter von selbst an die Außenflächen anleg\ Die Durchlässe 50,52 und 54 sind vorzugsweise in radialen Reihen angeordnet und sie münden an den zu kühlenden Außenflächen, wie in F i g. 4 gezeigt ist Es sei noch bemerkt daß diese Anordnung auch abgeändert werden kann und daß mehr oder weniger radiale Reihen als dargestellt verwendet werden können.

Im Betrieb muß das Kühlmittel, das aus den Durchlässen 50 und 52 austritt, einen höheren Druck überwinden als das Kühlmittel, welches aus dem Durchlaß 54 austritt. Der Druck innerhalb der gemeinsamen Kammer 42 muß natürlich größer sein als der höchste Druck, der überwunden werden muß.

Um eine wirksame und leistungsfähige Filmkühlung zu erhalten, insbesondere eine Kühlung der konvexen Außenfläche 60, an dsr ein geringerer Druck herrscht, muß das Kühlmittel aus den Durchlässen 50,52 und 54 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und Strömungsmenge ausströmen, so daß sich das Kühlmittel über eine weite Flä.he der Schaufel verteilt und an dieser weiten Fläche anhaftet, um alle Abschnitte der Schaufelaußenfläche zu schützen.

Da jedoch die Kühlmitteldurchlässe unterschiedlichen Drücken des Gasstroms ausgesetzt sind und von einer gemeinsamen Kammer aus gespeist werden, ist es schwierig, die richtige einstellung der Geschwindigkeit und der Strömungsmenge zu erreichen. Die in den F i g. 3 und 5 gezeigte Lösung dieses Problems besteht darin, daß die durch die Seitenwand 55 der Schaufel

hindurchgeführten Durchlässe 54, die an Stellen niedrigeren Drucks münden, koaxiale Abschnitte 62 und 64 mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten aufweisen. Die Strömungsquerschnitte der Abschnitte 62 und 64 senkrecht zur Kühlmittelströmung sind jeweils konstant und vorzugsweise kreisförmig, obwohl auch eine andere Querschnittsform, wie beispielsweise ein elliptischer oder ein rechteckiger Querschnitt, möglich ist. Der Abschnitt 62 mit kleinerem Querschnitt ist etwa derart bemessen, daß die gewünschte Volumenströf/iungsmenge des Strömungsmittels durch den Durchlaß 54 erzielt wird, während der Abschnitt 64 mit größerem Querschnitt einen Diffusorabschnitt bildet, der die Ausströmgeschwindigkeit des Kühlmittels auf den gewünschten Wert vermindert.

Vorzugsweise ist die Mündung des Abschnitts 62 auf der Seite der Kammer 42 mit einer scharfen Kante 66 ausgebildet, damit innerhalb des Durchlasses 54 eine sogenannte vena contracta ausgebildet wird. Durch die Ausbildung des verbreiterten Abschnittes 64 werden Bedingungen geschaffen, durch die sich eine Stoßwelle stromab von der vena contracta ausbilden kann, die den Gesamtdruck am Austritt des verbreiterten Abschnittes 64 herabsetzt, wodurch die Ausströmgeschwindigkeit des Kühlmittels vermindert wird. Wenn dagegen die Eintrittskanten 66 gut abgerundet sind, oder wenn bei einem Eintritt unter einem spitzen Winkel und/oder mit scharfen Eckenkanten unterhalb eines bestimmten Druckverhältnisses gearbeitet wird, wird eine Gesamtdruckverminderung durch eine Unterschalldiffusion der Kühlluft im Kanal 54 erzeugt. In jedem Fall tritt eine wesentliche Herabsetzung der Ausströmgeschwindigkeit auf, wodurch die Wirksamkeit der Filmkühlung ganz erheblich vergrößert wird.

Der Kühlmitteldurchlaß 54 kann auf einfache und wirtschaftliche Weise dadurch hergestellt werden, daß zuerst ein Durchlaß, der den gewünschten Querschnitt des Abschnitts 62 hat, vollständig durch die Seitenwand

; 60 hindurchgeführt wird, und daß dann eine Einsenkung längs der gleichen Achse über einen Teil der Dicke der Seitenwand 60 von außen her vorgenommen wird, wodurch der Abschnitt 64 mit größerem Querschnitt gebildet wird.

ίο Die Durchlässe 50 und 52 haben vorzugsweise über ihre ganze Länge einen konstanten kreisförmigen Querschnitt.

Um zusätzliche Konvektionskühlflächen zu erhalten und um die axiale Länge des Diffusorabschnittes 64 mit erweitertem Querschnitt zu vergrößern, kann der Durchlaß 54 zusätzlich in radialer Richtung geneigt sein. Die Schaufel 24 ist in F i g. 3 und 4 lediglich mit einer radialen Reihe von Durchlässen 54 dargestellt, doch kann natürlich auch mehr als eine Reihe vorhanden sein, wobei die Durchlässe 54 dieser Mehrfachreihen in Sehnenrichtung fluchten oder gegeneinander versetzt sein können. Als Beispiel ist in F i g. 5 eine Turbinenlaufschaufel mit zwei radialen Reihen von Durchlässen 54 gezeigt.

Es wurde erläutert, daß die beschriebene Ausbildung der Durchlässe für das Kühlmittel insbesondere eine verbesserte Filmkühlung der konvexen Außenfläche einer Turbinenlaufschaufel ergibt. Eine derartige Ausbildung vori Kühlmitteldurchlässen kann aber auch in anderen Bereichen der Turbinenlaufschaufeln vorgenommen werden, sowie bei den Turbinenleitschaufeln 20 oder bei anderen Bauteilen, die Oberflächen aufweisen, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche?

!,Bauteil for ein Gimurbinerttriebwerk; das eine hohen Temperaturen ausgesetstte Außenfläche hat, mit einer im Innern des Bauteils ausgebildeten Kammer, in die ein unter Druck stehendes Kühlmittel eingebracht wirtL und mit wenigstens zwei Gruppen von durch die Wand des Bauteils zur Erzielung einer Filmkühlung nach außen führenden Durchlässen für das Kühlmittel, von denen die Durchlässe einer ersten Gruppe an Stellen der Außenfläche münden, die einem geringeren Druck ausgesetzt sind, als die Stellen, an denen die Durchlässe der zweiten Gruppe münden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Durchlaß (54) der ersten Gruppe zwei koaxiale Abschnitte (62, 64) aufweist, von denen jeder einen konstanten Strömungsquerschnitt hat, der bei dem an der Außenfläche (61) mündenden Abschnitt (64) größer als bei dejK. von der Kammer (42) ausgehenden Abschnitt (63) ist

Z Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsquerschnitte der beiden Abschnitte (62,64) kreisrund sind.