DE2640827A1

DE2640827A1 - Luftgekuehlte turbinenschaufel

Info

Publication number: DE2640827A1
Application number: DE19762640827
Authority: DE
Inventors: Edward John Hovan
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-10-03
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1977-04-14
Also published as: DE2640827C2; FR2326570A1; JPS6014885B2; US4025226A; GB1506096A; CA1057663A; FR2326570B1; JPS5244312A

Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION PATENTANWÄLTE

1, Financial Plaza MENGES& PRAHL

Hartford, Connecticut 06101 &Wdt*tr.ia D-θοοοMünchen5

Anwaltsakte U 343 10. September 1976

ι Luftgekühlte Turbinenschaufel ₍

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere eine Leitschaufel zur Anwendung in Triebwerken mit hohen Turbineneinlasstemperaturen.

Der Entwurf und die Konstruktion von Gasturbinentriebwerken erfordert seit jeher eine genaue Planung, um die strukturelle Integrität der einzelnen Bauteile zu gewährleisten. Eine besonders kritische Stelle ist der Turbinenleitschaufelkranz, welcher mehrere Leitschaufeln umfasst, die in dem Strömungsweg der Hochtemperaturgase in der Turbine angeordnet sind. Während dem Betrieb des Triebwerkes werden die Treibgase durch den Leitschaufelkranz gegen die Laufschaufeln des Turbinenläufers geleitet. Die Temperaturen der Verbrennungsgase liegen in der Nähe der Leitschaufeln üblicherweise über der höchst zulässigen Temperatur des Werkstoffes, aus welchem die Schaufeln hergestellt sind. Dementsprechend werden die Schaufeln gekühlt zur Verringerung der Betriebstemperatur und zur Verlängerung ihrer Lebensdauer.

Die Kühlluft für die Schaufeln wird von dem Verdichter des Triebwerkes geliefert. Die Luft fliesst durch verschiedene Leistungen,

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welche innerhalb und ausserhalb des Strömungsweges des Arbeitsmediums angeordnet sind, zu der Turbinensektion des Triebwerkes. Jede Leitschaufel hat einen Hohlraum in -ihrem aerodynamischen Abschnitt zur Aufnahme der Kühlluft. Lufteinlassoffnun- ; gen an beiden Enden des Hohlraumes sind in Verbindung mit den ; Leitungen. Eine übliche gekühlte Leitschaufel,wie sie in Turbinen verwendet wird, ist in der US Patentanmeldung 531,632 j ; beschrieben. Bei dieser Patentanmeldung ist im Inneren des j ι Hohlraumes an der Vorderkante des aerodynamischen Abschnittes der Leitschaufel ein Einsatzstück angeordnet, um zur Filmkühlung angemessene Mengen von Kühlluft zu der Vorderkante des aerodynamischen Abschnittes der Leitschaufeln zu leiten. Die Filmkühlung erfordert einen genauen, jedoch verhältnismässig kleinen Druckunterschied an den Löchern , wo die Luft ausströmt. Falls der Durckabfall zu gross ist, so dringt die Strömung in das Arbeitsmedium ein und wird nach hinten durch die Verbrennungsgase abgelenkt, ohne dass eine Kühlluftschicht auf der aerodynamischen Oberfläche zu Stande kommt. Falls dagegen der Druckabfall zu klein ist,so dringen die heissen Verbrennungsgase in die Kühlluftschicht ein und bewirken eine | Zerstörung des Schaufelwerkstoffes infolge zu starker Erwärmung« Da der Druckunterschied zwischen der Kühlluft im Inneren des Schaufelhohlraumes und des Arbeitsmediums an der Schaufelvorder-* kante relativ gering ist, ist der Durchsatz der Luft durch jedes Loch sehr empfindlich auf lokale Druckunterschiede im Inne- ; ren des Hohlraumes.

Um eine gleichmässige Filmkühlung an der Schaufelvorderkante zu : erreichen, müssen die lokalen Druckunterschiede in dem Hohl- ! raum reduziert oder beseitigt werden. Um dieses Ziel zu errei- j j, chen, werden fortwährend Anstrengungen unternommen. '

ι . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine ge- j

j . kühlte Turbinenleitschaufel zu schaffen, welche eine verlanger- ; te Lebensdauer aufweist, und wobei das Einströmen von Arbeits- | mediumgasen in das Schaufelkühlsystem verhindert werden soll, dabei soll auch eine fast gleichförmige Strömung der Kühlluft

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zu der Vorderkante jeder Schaufel erreicht werden wozu ein im
Wesentlichen gleichförmiger Druckunterschied an der Schaufelvorderkante zwischen dem Arbeitsmedium des Strömungsweges und der
Kühlluft des Schaufelraumes einzuhalten ist«.

; Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis„ dass die
Querströmung der Kühlluft von einem Ende des Schaufeihohlraumes
zu dem anderen Ende des Schaufeihohlraumes örtliche Druckunterschiede an den verschiedenen Filmkühllöchern der Vorderkante verursacht. Unter bestimmten Betriebsbedingungen des Triebwerkes, übejr wiegt die Kühlluft/die in das eine Ende des Hohlraumes einströmt
die Luftmenge, welche in das entgegengesetzte Ende des Hohlraumes einströmt. Die Geschwindigkeit der Luft, welche in das Ende der
stärkeren Einströmung gelangt, wird zu hoch und als Folge davon j wird das Arbeitsmedium in den Hohlraum durch die Filmkühllöcher ί

eingesaugt. j

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Prallplatte auf
halber Spannweite im Inneren des Hohlraumes einer gekühlten Tür- · binenleitschaufel angeordnet mit Zufuhröffnung für Kühlluft , sowohl an dem inneren als auch an dem äusseren Ende der Leitschaufel, um die Querströmung der Luft von einem Ende zu dem anderen Ende
. der Schaufel zu verhindern.

Die auf halber Länge der Schaufelspannweite vorgesehene Prallplatte ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung. In einem Ausführungsbeispiel ist die Prallplatte an einem U-förmigen Einsatz- ■■ j stück eingehängt welches die Kühllöcher in der Vorderkante ein- ί ; klammert. In demselben Ausführungsbeispiel greift die Prallplatte ; mit Spiel in eine oder mehrere öffnungen des U-förmigen Einsat-

Stückes um die Platte im Inneren des Hohlraumes festzuhalten

j ohne dabei das seitliche Verbiegen des Einsatzstückes zu verhin- ι

! j

dern infolge der Druckkräfte im Inneren desselben. i

! Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der · verlängerten Lebensdauer, welche durch die auf halber Spannweite angeordnete Prallplatte erzielt wird, örtliche Verbrennungen des

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des Schaufelwerkstoffes treten nicht mehr auf, da das Ansaugen des heissen Arbeitsmediums, in den Kühlraum verhindert wird. Eine
Verminderung des Kühlluftdruckes der erforderlich ist damit man
eine positive Kühlluftströmung durch die Kühllöcher der Vorder-

; kante erhält ermöglicht eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgra-

des. : " ■. -

; Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, und werden im Folgenden ausführlicher beschrieben. Es

• zeigen: ^;

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht eines Teiles eines Gasturbinentriebwerkes zur Darstellung einer Leitschaufel am Einlass
der Turbine.

Fig. 2 eine Schnittansicht der Turbinenleitschaüfel längs der Li-

nie 2-2 nach Fig. 1. '■

Fig. 3 eine Perspektivansicht der Leitschaufel nach Fig. 2, wobei 1 einzelne Teile weggebrochen sind. I

, Fig. 4 eine Sehnittansicht einer Turbinenleitschaüfel entsprechend! einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. i

_: Fig. 5 eine Perspektivansieht der Turbinenleitschaüfel der Fig. 4,. : wobei einzelne Teile weggebrochen sind.

', Die Turbine 10 eines üblichen Gasturbinentriebwerkes ist teilwei- ί •se in Fig. 1 im Schnitt dargestellt. Eine Leitschaufel 12 und j j eine Laufschaufel 14 befinden sich in einem ringförmigen Strö-
^! mungsweg 16 für die Verbrennungsgase, welche während dem Betrieb , j des Triebwerkes aus der Brennkammer 18 ausströmen. Die dargestell-j te Leitschaufel gehört zu einem Leitschaufelkranz der sich in der j gleichen axialen Lage in dem ringförmigen Strömungsweg befindet. I \ Die dargestellte Turbinenschaufel ist eine Schaufel eines Tür- I binenlaufschaufelkranzes, der sich in dem Strömungsweg unmittelbar stromabwärts der Leitschaufeln befindet. Jede Leitschaufel hat

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eine äussere Wurzel 20 und eine innere Wurzel 22, die einen aerodynamischen Abschnitt 24 tragen, der sich zwischen der inneren und
der äusseren Wurzel erstreckt. Jede Schaufel wird gekühlt durch
eine Luftströmung mit verhaltnissmassig niedriger Temperatur, welche von einem inneren Ringkanal 26 und einem äusseren Ringkanal 28
in der Turbinensektion zuströmt.

Die Fig. 2 zeigt in Schnittansicht einen zwischen der inneren und
der äusseren Wurzel des ae£°dynamischen Abschnittes in Richtung
der Schaufelspannweite verlaufenden Hohlraum 30, der Kühlluft aus
dem inneren und dem äusseren Ringkanal erhält. Der aerodynamische
Abschnitt 24 hat eine Vorderkante 32 die stromaufwärts in bezug j auf die Strömungsrichtung durch den Strömungskanal weist . Die i Vorderkante 34 hat zahlreiche Kühllöcher 36. Eine Hinterkante 36 |

mit einem oder mehreren Kanälen weist stromabwärts in bezug auf die· Strömungsrichtung des Arbeitsmediums. Die Druckseite 40 des aero- | dynamischen Abschnittes hat eine erste Serie von Kühllöchern 42.
Die Saugseite 44 des aerodynamischen Abschnittes hat eine zweite
Serie von Kühllöchern 46. Der Hohlraum 30 hat eine Druckwand 48
und eine Saugwand 50. Ein U-förmiges Einsatzstück 52 befindet sich
innerhalb des Hohlraumes auf halber Spannweite desselben zwischen
der inneren und der äusseren Wurzel. Das Einsatzstück weist einen ; •Druckarm 54 und einen Saugarm 56 auf, und ist aus dehnbarem Material, wie z.B Blech hergestellt. Das dehnbare Einsatzstück kann

im

sich während Betrieb gegenüber der Druck-und Saugwand des Hohlraumes verformen unter Belastung des stärken Druckes im Einsatzstück
-52. Die Prallplatte 58 ist zwischen dem Saugarm und dem Druckarm
!des U-förmigen EinsatzStückes in dem Hohlraum aufgehängt und be- ; [findet sich auf halber Spannweite des Hohlraumes. Die Prallplatte ; !greift mit Spiel in den Druckteil des Einsatzstückes hinein , so j

j j

!dass sie radial gehalten wird, ohne aber das Verbiegen des Druck- ^! jund Saugarmes des EinsatzStückes während dem Betrieb gegen die · entsprechende Saug-oder Druckwände des Hohlraumes zu hemmen. Wie j in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ist die Prallplatte an dem j ,Saugarm des Einsatzstückes angeschweisst. In anderen Ausführungen j können zur Haltung mit Spiel am Druckarm des Einsatzstückes andere j

Mittel verwendet werden. i

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Ein anderer innerer Aufbau der hohlen Leitschaufeln ist in Fig.4
dargestellt. Die Schaufel hat einen Hohlraum 102 an der Vorderkante und einem Hohlraum 104 an der Hinterkante . Die Vorderkante
1106 weist stromaufwärts und hat zahlreiche Kühllöcher 108„ Die
!Hinterkante HO weist stromabwärts und hat einen Kanal 112. Jede

.Schaufel hat eine Druckseite 114 mit einer ersten Serie von Kühl-
!löchern 116, welche sich von dem Hohlraum 102 an der Vorderkante
■ zu dem ringförmigen Strömungskanal erstrecken und mit einer zwei-Sten Serie von Kühllöchern 118, welche sich von dem Hohlraum 104
'an der Hinterkante zu dem ringförmigen Strömungskanal erstrecken.
Jeder aerodyamischer Abschnitt hat eine Saugseite 12O mit einer
ersten Serie von Kühllöchern 122, welche sich zwischen dem vorderen Hohlraum und dem Strömungskanal erstrecken und eine zweite Se-^ rie von Kühllöchern 124, welche sich zwischen dem hinteren Hohl- j raum 104 und dem ringförmigen Strömungskanal erstrecken,» ^!

Der vordere Hohlraum 104 ist von einer Druckwand 126 mit einer ^: Saugwand 130 umgeben. Die Druckwand 126 hat eine Druck_wanddich- ^: tungsrippe 130 und die Saugwand 130 hat eine Saugwanddichtungsrippe 132, welche sich in denselben erstrecken. Der vordere und
der hintere Hohlraum sind voneinander durch eine Traverse 134 getrennt. Ein U-förmiges vorderes Einsatzstück 136 und ein U-förmiges, hinteres Einsatzstück 138 befinden sich in dem vorderen Hohlraum
:beziehungweise in dem hinteren Hohlraum. Jedes Einsatzstück hat | einen Druckarm 140, welcher der Druckwand des zugeordneten Hohl-

raumes gegenüberliegt und einem Saugarm 142, welcher der Saugwand ' ;des zugeordneten Hohlraumes gegenüberliegt. Löcher 144 für die ; ι Aufprallkühlung erstrecken sich durch den vorderen und den hinter erl !Einsatz. :

Eine Prallplatte 146 ist zwischen dem Saugarm und dem Druckarm des j .U-fönmigen Einsatz Stückes in dem vorderen Hohlraum aufgehängt. In j diesem Ausführungsbeispiel hat die Prallplatte mehrere Vorsprünge j il48, die mit Spiel in entsprechende öffnungen 150 an dem vorde- j ren Einsatzstück hineingreifen um die Prallplatte auf halber j Spannweite des Hohlraumes festzuhalten. Die Haltung mit Spiel zwi-

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■sehen der Prallplatte und dem Einsatz dient zur radialen Abstützung der Prallplatte um ein seitliches Verbiegen der Druckarme
und Saugarme des EinsatzStückes zu hemmen unter der Belastung des
verstärkten Druckes im U-förmigen Einsatzstück.

während dem Betrieb des Triebwerkes fliesst Kühlluft in dem
inneren Ringkanal 26 und in den äusseren Ringkanal 28. Der Druckunterschied zwischen der Luft in den beiden Ringkanälen und dem
Arbeitsgas des Strömungskanals 16 hängt von dem Reibungsverlust
der Strömung auf dem Weg zu den entsprechenden Ringkanälen und
vom Druckabfall in der Brennkammer ab. Falls der Gasdruck in einem der Ringkanäle grosser ist als in dem anderen, erfolgt eine Querströmung von Kühlluft durch den Hohlraum 30 der Schaufel 24, in
Richtung zu dem Ringkanal mit dem niedrigen Gasdruck. Dabei
fliesst dann der gesamte Kühlluftstrom von dem Ringkanal mit der
stärkeren Strömung zu den vorderen Löchern 34. Ausserdem nimmt die Luftströmung in dem Hohlraum 30 zu, und überwiegt die Strömung
durch die Löcher 34, um den Betrag der Querluftströmung welche
in den entgegengesetzten Ringkanal fliesst. Unter solchen Betriebsbedingungen können die Luftströmungsgeschwindigkeiten durch [ den Hohlraum zu gross werden und können ein Ansaugen des Arbeits- i gases durch die Löcher 34 in den Hohlraum 30 verursachen. ;

Die Prallplatte 58 ist auf halber Spannweite in dem Hohlraum 30 | angeordnet und verhindert die Querströmung der Kühlluft zwischen j den zwei gegenüber liegenden Ringkanälen, um somit das Ansaugen . der Arbeitsgase durch die Löcher 34 bedeutend zu verringern. Ob- | schon die Prallplatte sich etwa im geometrischen Zentrum des aero-j dynamischen Abschnittes befindet, kann sie auch weiter innen oder
aussen in dem Hohlraum 30 befinden. Eine Änderung der radialen
Lage der Prallwand ist erwünscht, falls der Kühlluftdruck in einem der Ringkanäle grosser ist, als derjenige in dem anderen Ringkanal. In diesem Fall wird die Prallplatte in Richtung des Ringkanales mit einem geringeren Strömungsdruck verschoben und kann
"auch in diesem Falle so angebracht werden , um eine Querströmung
zu vermeiden.

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Durch Verhindern einer möglichen Querströmung wird eine günstige Verminderung der erforderten Druckdifferenz zwischen der Kühlluft und dem Arbeitsgas des Strömungskanales 16 erreicht. Diese Druckdifferenz ist notwendig damit keine Ansaugung statt finden kann. Da der erforderliche Druckunterschied, um eine Ansaugung zu verhindern, durch den Druckabfall in der Brennkammer bedingt ist, ermöglicht jede Abnahme des erforderlichen Druckunterschiedes eine entsprechende Herabsetzung der Strömungsverluste in der Brennkammer. Daraus folgt der verbesserte Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes.

Ein Einsatzstück z.B. 52 (Fig. 2 ) öder 134 (Fig. 4), befindet siclji in dem Hohlraum 30 oder 102, um somit die Löcher der Schaufelvorderkante von dem Rest des Hohlraumes abzutrennen. Dies er- j laubt auch eine positive Kühlluftströmung durch die Löcher zu j dem Strömungskanal des Arbeitsmediums, wo die höchsten Drücke j und Temperaturen auftreten. Das .U-form ige Einsatzstück 52, klam- { mert die vorderen Löcher 3 8 und die Kühllöcher 42 der Druckseite I des aerodynamischen Abschnittes ein, wie in Fig. 2 dargestellt j ist. Obschon Kühllöcher an der Druckseite bei einigen Aus- \ führungsformen nicht vorgesehen sind, sind solche Löcher in der beschriebenen Ausführungsform vorgesehen, um die Dicke des Kühliuftfilmes längs der Druckseite des aerodynamischen Abschnittes zu vergrössern. Die Löcher der Druckseite sind von den Löchern der Vorderkante getrennt, um den Vorteil der durch die erfindungsf gemässen Merkamale bedingten geregelten Strömung an den vorderen . Kühllöchern auszunutzen. ' ]

Unter Belastung des verstärkten Druckes im Einsatzstück infolge ; der Kühlluftzufuhr verbiegen sich der Druckarm 54 und der I Säugarm 56 des EinsatzStückes im Hohlraum 30 gegen die Druckwand 58 beziehungsweise gegen die Saugwand 50. Dieses seitliches Ver- I biegen wird nicht durch die Prallplatte 58 verhindert, welche mit dem Einsätzstück lose verbunden ist* In einer Ausführüngsform ist die Prallplatte an dem Saugarm 56 des Einsatzstük-

kes angeschweisst und lösbar mit dem Druckarm 54 des Einsatzstückes verbünden, obschon die Prallplatte auch mit beiden Armen

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des Einsatz Stückes lose verbunden sein könnte. Wesentlich ist
dass sowohl der Saugarm als auch der Druckarm nicht starr an der Prallplatte befestigt sind und somit ein freies seitliches Verbiegen des EinsatzStückes möglich ist.

In dem anderen Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 5 dargestellt,
weist die Prallplatte mehrere Vorsprünge 148 auf , die lose
in die entsprechenden öffnungen 150 des vorderen Einsatzstückes 136 eingreifen . Die Prallplatte kann am Druckarm oder am
Saugarm des EinsatzStückes starr befestigt sein.

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Claims

PAT ENTANSP RÜCHE:

Turbinenschaufel mit einem in Schaufellängsrichtung
verlaufenden Hohlraum, in welchen Kühlluft von den entgegenge-_
setzten Enden des Hohlraumes fliesst^und mit einer Vorderkante,
welche ein Mittel aufweist, um Kühlluft von dem Hohlraum über die ; Aussenflache der Vorderkante zu verteilen, dadurch gekennzeichnet j '■ dass eine Prallplatte sich im Inneren des Hohlraumes im wesentli- [ ι chen auf halber Spannweite befindet ,· um die örtliche Geschwin- i ■ digkeit der eintretenden Kühlluft zu verringern und um somit i ; das Querströmen der Kühlluft von einem Ende des Hohlraumes zum ! anderen zu verhindern» j

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2· Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet .

dass, die Mittel, welche die Kühlluft verteilen, Löcher sind, wel- ■ ehe längs der Vorderkante der Schaufel angeordnet sind, und dass j ferner ein U-förmiges Einsatzstück die Löcher von dem Rest des j Hohlraumes trennt. _;

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ dass die Prallplatte mit Spiel in dem Unförmigen Einsatztstück
angeordnet ist, damit das Einsatzstück sich frei gegen die Wände . des Hohlraumes verbiegen kann.

4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzstück zumindest eine öffnung in dem mittleren Bereich besitzt und dass die Prallplatte eine entsprechende Anzahl
von Vorsprüngen aufweist, welche lose in die öffnungen des Ein- : satzStückes eingreifen.

5. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet I dass, das U-förmige Einsatzstück einen Druckarm und einen Saug- : arm aufweist und dass die Prallplatte starr an einem der Arme be- j festigt und lose an dem anderen Arm festgehagt ist.

6. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
dass der Hohlraum sich an der Vorderkante der Turbinenschaufel befindet, welche ferner einen hinteren Hohlraum aufweist, der von
dem vorderen Hohlraum getrennt ist.

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