DE3248163C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kühlbare Schaufel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche kühlbare Schaufel ist aus der EP 00 34 961 A1 bekannt.

In einer Strömungsmaschine wird Brennstoff in Brennkammern verbrannt, um der Maschine Energie in Form von heißen Ar­ beitsgasen zu liefern. Die heißen Arbeitsmediumgase strömen zu dem Turbinenabschnitt der Maschine. In diesem Turbinenabschnitt bilden Schaufeln feststehende Kränze von Leitschaufeln und umlaufende Kränze von Laufschaufeln. Diese Schaufeln werden benutzt, um die strömenden Arbeits­ gase zu lenken und diesen Arbeitsgasen Energie zu entziehen. Infolgedessen sind die Schaufeln im Betrieb der Maschine von heißen Arbeitsgasen umströmt, wo­ durch Wärmespannungen in den Schaufeln verursacht werden, die den Festigkeitsverband und die Dauerfestigkeit der Schaufeln nachteilig beeinflussen.

Diese Wärmespannungen bilden ein ständiges Problem seit dem Aufkommen von auf hoher Temperatur arbeitenden umlaufenden Maschinen, wie beispielsweise Gasturbinentriebwerken, weil es erforderlich ist, das Triebwerk bei hohen Temperaturen zu betreiben, um den Triebwerkswirkungsgrad zu maximieren. Beispielsweise können die Schaufeln in den Turbinen von solchen Triebwerken Temperaturen in den Arbeitsgasen von bis zu 1371°C ausgesetzt sein. Die Laufschaufeln und die Leitschaufeln dieser Triebwerke werden gekühlt, um den Festigkeitsverband und die Dauerfestigkeit der Schaufeln durch Verringern der Größe der Wärmespannungen in den Schaufeln zu bewahren.

Das Kühlen von Turbinenschaufeln unter Verwendung von ver­ wickelten Kühlluftdurchlässen und Filmkühllöchern allein oder in Verbindung mit Auslöserippen zum Fördern der Küh­ lung im Gebiet der Vorderkante bildet den Gegenstand der US-Patentschriften 41 77 010, 41 80 373, 42 24 011 und 42 78 400. Die aus diesen US-Patentschriften bekannten Laufschaufeln sind durch große Kühlluftdurchlässe im Ver­ hältnis zur Dicke der Wände in dem Gebiet der Vorderkante der Laufschaufeln gekennzeichnet.

Aufgrund aerodynamischer Erfordernisse ist zur Leistungs­ steigerung der Maschinen die Vorderkante der Schaufel el­ liptisch ausgebildet. Dabei hat die Schaufel eine verhält­ nismäßig dünne Querschnittsform (Dicke zu Profilsehnen­ länge). Trotz des dünnen Profils ist eine Mindestdicke der Wände erforderlich, damit die Schaufel eine ausreichende bauliche Festigkeit erhält und ein gewisses Ausmaß an sta­ tistisch zu erwartender Beschädigung durch Fremdobjekte aushält. Deshalb sind die Wände der Schaufel in bezug auf die Kühlluftdurchlässe verhältnismäßig dick.

Aus der bereits erwähnten EP 00 34 961 A1 ist bekannt, Aus­ löserippen unterschiedlicher Höhe der zu kühlenden Wand anzuordnen, um somit die Kühlmöglichkeiten in dem Kühlluftdurchlaß der Schaufel zu beeinflussen. Diese Auslö­ serippen erstrecken sich dabei senkrecht von der den Kühl­ luftdurchlaß begrenzenden Wand.

Bei derartigen Auslöserippen im Kühlluftdurchlaß der Schau­ fel werden die Strömungsverhältnisse der Kühlluft nicht be­ rücksichtigt, mit der Folge von Leistungsverlusten der Schaufel im Betrieb sowie ungenügender Kühlung des Gebiets der Vorderkante in der Schaufel. Diese Auslöserippen dienen lediglich der Vergrößerung der Oberfläche im Kühlluftdurch­ laß. Als weiterer Nachteil erweist sich, daß die Schaufel zusätzlich mit Öffnungen im Gebiet der Vorderkante zur Ab­ gabe von Kühlmittel zur Filmkühlung versehen ist. Derartige Kühlmittellöcher in dem Gebiet der Vorderkante verursachen weitere Leistungsverluste. Außerdem ist es mit Rücksicht auf die Ausnutzung des Brennstoffes unerwünscht, in gewis­ sen Stufen der Turbine die Filmkühlung für das Gebiet der Vorderkante der Schaufel anzuwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kühlbare Schaufel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzuge­ ben, die eine verbesserte Kühlung des Gebiets der Vorder­ kante der Schaufel ermöglicht und dabei ohne Filmkühlung auskommt.

Die Aufgabe ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Bei der kühlbaren Schaufel nach der Erfindung wird die Küh­ lung wirksam ausgenutzt. Das Gebiet der Vorderkante der Schaufel wird auch im Vergleich zur Dicke der Schaufelwände bei schmalem Kühlluftdurchlaß ausreichend gekühlt, wobei zudem die Abgabe der Kühlluft durch Filmkühlung aus dem Ge­ biet der Vorderkante der Schaufel vermieden wird.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Lebensdauer der Schaufel, die aus der Dicke der Wände in dem Gebiet der Vorderkante resultiert, welche die Schaufel vor einer Beschä­ digung durch Fremdobjekte schützt, und aus der Kühlung der verdickten Wände, die übermäßige Wärmespannungen in den Wänden verhindert. Ein weiterer Vorteil ist die Vergröße­ rung des Wirkungsgrades der Strömungsmaschine , die dar­ aus resuliert, daß ein Teil der Kühlströmung kanalisiert wird und daß in der Kühlströmung Turbulenz hervorgerufen wird, um die Kühlwirkung der Strömung zu vergrößern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Laufschaufel, die teilweise im Schnitt und teil­ weise weggebrochen dargestellt ist, um die saugseitige Wand der Lauf­ schaufel sichtbar zu machen,

Fig. 2 eine Querschittsansicht nach der Linie 2-2 in Fig. 1 und

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung teilweise im Schnitt und teilweise weggebrochen das Gebiet der Vorderkante das in Fig. 2 gezeigt ist, zur Veran­ schaulichung eines Teils der Strö­ mung in dem Gebiet der Vorderkante der Laufschaufel.

Fig. 1 zeigt eine Laufschaufel 10 für eine Strömungsmaschine. Die Laufschaufel 10 hat einen Wurzelabschnitt 12, einen Plattformabschnitt 14 und einen Flügelprofilabschnitt 16. Der Wurzelabschnitt 12 faßt in den Rotor der Maschine ein. Der Plattenformabschnitt 14 bildet einen Teil der Innenwand des Strömungsweges für Arbeitsmediumgase in der Maschine. Der Flügelprofilabschnitt 16 erstreckt sich durch den Strömungsweg der Arbeitsmediumgase nach außen und hat eine Spitze 18 an seinem äußersten Ende. Die Laufschau­ fel 10 hat Bezugsrichtungen wie die Richtung der Spannweite S und die Richtung der Profilsehne C.

Der Wurzelabschnitt 12 hat eine sich in Richtung der Profil­ sehne C erstreckende Wurzelwand 20. Ein erster Kanal 22 steht über die Wurzelwand 20 mit einer Kühlluftquelle, wie beispiels­ weise einem Verdichter (nicht dargestellt), in Strömungs­ verbindung. Ein zweiter Kanal 24 erstreckt sich durch die Wurzelwand 20. Ein Platte 25 erstreckt sich über den zweiten Kanal 24 und blockiert eine Strömungsverbindung mit einer Kühlluftquelle (nicht dargestellt). In einer anderen Aus­ führungsform steht der zweite Kanal 24 in Strömungsverbindung mit der Kühlluftquelle.

Der Flügelprofilabschnitt 16 hat eine Vorderkante 26 und eine Hinterkante 28. Eine saugseitige Wand 30 und eine druckseitige Wand 32 (in Fig. 1 der Übersichtlichkeit hal­ ber weggebrochen und in Fig. 2 gezeigt) sind an der Vorder­ kante 26 und an der Hinterkante 28 miteinander verbunden. Die druckseitige Wand 32 ist mit Abstand von der saugseitigen Wand 30 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Hohlraum 34 vorhanden ist. Eine Spitzenwand 36 und die Wurzelwand 20 begrenzen den Hohlraum 34 in der Richtung der Spannweite S. Eine erste Leitwand 38 erstreckt sich in Richtung der Spannweite S von der Spitzenwand 36 aus und unterteilt den Hohlraum 34 in einen hinteren Teil 40 und einen vorderen Teil 42. Die erste Leitwand 38 hat Abstand von der Wurzelwand 20, so daß ein erster Umlenkdurchlaß 44 zwischen ihnen verbleibt, über den der hintere Teil 40 der Laufschaufel 10 mit dem vorderen Teil 42 und mit dem sich durch den Wurzelabschnitt 12 der Lauf­ schaufel 10 erstreckenden zweiten Kanal 24 in Strömungsverbin­ dung ist. Der hintere Teil 40 der Laufschaufel 10 enthält ein Hinterkantengebiet 46. Das Hinterkantengebiet 46 steht mit dem Hauptströmungsweg über die Zwischenräume von in gegensei­ tigem Abstand angeordneten Sockeln 48 in Strömungsverbindung. Jeder Sockel 48 erstreckt sich zwischen der saugseitigen Wand 30 und der druckseitigen Wand 32, um die Strömung örtlich zu blockieren, und begrenzt mit der ersten Leitwand 38 einen sich in Richtung der Spannweite S erstreckenden Durchlaß 50 für Kühlluft. Mehrere Auslöserippen 52 sind rechtwinklig zu der sich nähernden Strömung angeordnet und stören die Bildung einer laminaren Grenzschicht, indem sie in der Grenzschicht eine turbulente Strömung auslösen, wenn die Strömung über die Auslöserippen 52 hinweggeht.

Eine zweite Leitwand 53 erstreckt sich in Richtung der Spannweite S von der Wurzelwand 20 aus und unterteilt den vor­ deren Teil 42 der Laufschaufel 10 in einen ersten Kühlluftdurchlaß 54 und einen zweiten Kühlluftdurchlaß 56. Der erste Kühlluftdurchlaß 54 ist einer dritten Wand 58 in dem Gebiet der Vorderkante 26 der Laufschaufel 10 benachbart. Der erste Kühlluftdurchlaß 54 hat ein stromaufwärtiges Ende 60 in Strömungsverbindung mit dem ersten Kanal 22 und ein stromabwärtiges Ende 62, das über einen Umlenkdurchlaß 64 mit dem zweiten Kühlluftdurchlaß 56 in Strömungsverbindung ist.

Mehrere erste Auslöserippen 68a erstrecken sich von der saugseitigen Wand 30 aus über die Wand 58 in dem Gebiet der Vor­ derkante 26 zu der druckseitigen Wand 32. Diese ersten Aus­ löserippen 68a haben eine konstante Höhe h. Die ersten Auslöserip­ pen 68a sind schräg gegen die sich nähernde Strömung angeord­ net und unter einem spitzen Winkel zu der Wand 58 an­ geordnet. Mehrere zweite Auslöserippen 68b sind schräg zu der sich nähernden Strömung angeordnet und unter einem spitzen Winkel von ungefähr 30° zu der Wand 58 ange­ ordnet. Es wird angenommen, daß spitze Winkel in einem Be­ reich zwischen 25° und 50° zum Ausrichten der Auslöse­ rippen 68a bzw. 68b zufriedenstellende Ergebnisse erbringen, wobei ein Bereich von 30° bis 45° die zufriedenstellendsten Ergebnisse erbringen dürfte. Die zweiten Auslöserippen 68b haben jeweils ein Ende, das zu der sich nähernden Strömung hin gekrümmt ist.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Laufschaufel 10 nach der Linie 2-2 in Fig. 1. Die erste Auslöserippe 68a hat die Höhe h und er­ streckt sich längs der saugseitigen Wand 30, längs der druckseitigen Wand 32 und über die Wand 58 in dem Gebiet der Vorderkante 26. Ein erster Wirbelerzeuger 70a ist einstückig mit der ersten Auslöserippe 68a gebildet. Der erste Wirbelerzeuger 70a vergrößert die Höhe der ersten Auslöse­ rippe 68a. Die kombinierte Höhe der ersten Auslöserippe 68a und des ersten Wirbelerzeugers 70a ist eine Höhe h_a, die größer als die Höhe h ist. Die zweite Auslöserippe 68b hat einen zweiten Wirbelerzeuger 70b, der einstückig mit der zweiten Aus­ löserippe 68b gebildet ist und die Höhe der zweiten Auslöserippe 68b auf eine Höhe h_b vergrößert, die größer als die Höhe h_a ist. Die Wirbelerzeuger 70a, 70b sind jeweils in Richtung der Profilsehne C mit Abstand von der Wand 58 in dem Gebiet der Vor­ derkante 26 angeordnet. Der zweite Wirbelerzeuger 70b hat eine Länge in Richtung der Profilsehne C die größer ist als die Länge des ersten Wirbelerzeugers 70a in Richtung der Profil­ sehne C. Durch Vergrößern der Höhe und der Länge des Wirbel­ erzeugers 70a bzw. 70b wird dessen Wärmeabfuhrvermögen vergrößert. Dem­ gemäß werden die längeren, höheren Wirbelerzeuger 70a bzw. 70b in Gebie­ ten der Laufschaufel 10 benutzt, in denen der größte Wärmefluß auftritt.

Im Betrieb der Strömungsmaschine strömen heiße Arbeitsgase über die Außenseite der Laufschaufel 10 hinweg. Energie in Form von Wärme wird von den heißen Arbeitsmediumgasen auf das Gebiet der Vorderkante 26, die saugseitige Wand 30 und die druckseitige Wand 32 übertragen. Kühlluft aus dem Kanal 22 strömt längs des Gebietes der Vorderkante 26 über den ersten Kühlluftdurchlaß 54 zu dem Umlenkdurchlaß 64. Wenn die Strömung den ersten Kühlluftdurchfall 54 verläßt und sich durch Umlenkschaufeln bewegt, wird die Strömung durch die Umlenkschaufeln des Umlenkdurchlasses 64 teilweise von Teilen der Laufschaufel 10 ferngehalten. Wegen des dünnen Spitzen­ gebietes ist das Fernhalten der Strömung nicht von starken Wärmespannungen begleitet, wie es bei der Blockierung die­ ser Strömung in dem in der Mitte der Spannweite S gelegenen Gebiet des Flügelprofilabschnitts 16 der Laufschaufel 10 der Fall wä­ re. Die Kühlluft strömt durch den Umlenkdurchlaß 64, durch den zweiten Kühlluftdurchlaß 56 und durch den ersten Umlenkdurchlaß 44 zu dem Durchlaß 50 in dem hinteren Teil der Laufschau­ fel 10. Die Strömung wird über die Zwischenräume zwischen den Sockel 48 in dem Hinterkantengebiet 46 abgegeben.

Fig. 3 veranschaulicht die Wechselwirkung zwischen zwei Stromlinien S₁ und S₂ der Kühlluft, wenn die Kühlluft durch den ersten Kühlluftdurchlaß 54 und über die zweite Auslöserippe 68b und den Wirbelerzeuger 70b in dem in der Mitte der Spannweite gelegenen Gebiet der Laufschaufel 10 strömt. Die Stromli­ nien S₁ und S₂ sind an der saugseitigen Oberfläche des Flügelprofilabschnitts 16 und ihre Bewegung längs des ersten Kühlluftdurchlasses 54 wird nicht blockiert. Wenn die Stromlinie S₁ der Strömung über die zweite Auslöserippe 68b hinweggeht, wird ein kleiner Teil der Strömung zu dem Gebiet der Vorderkante 26 hin abgelenkt, wie es durch die Linie S₁′ gezeigt ist. Darüber hinaus werden kleine Wirbel auf der strom­ aufwärtigen Seite der zweiten Auslöserippe 68b gebildet, wenn die Stromlinie S₁ über die zweite Auslöserippe 68b hinweggeht. Die Wirbel lösen sich mit einer Geschwindigkeitskompo­ nente ab, die sich in der Richtung der Profilsehne C er­ streckt, und zwar aufgrund der Abwinkelung der Auslöse­ rippen 68a bzw. 68b bezüglich der Strömung und der Wand 58. Die Geschwindigkeitskomponente in der Richtung der Profil­ sehne C bewirkt, daß sich die kleinen Wirbel zu dem Gebiet der Vor­ derkante 26 und in das Gebiet der Vorderkante 26 bewegen, wie es durch die Wirbel V₁′ gezeigt ist. Diese Wirbel verursachen Turbulenz in der Grenzschicht an der saug­ seitigen Fläche des Flügelprofilabschnitts 16. Die Stromli­ nie S₂ ist ebenfalls der saugseitigen Fläche des Flügel­ profilabschnitts 16 benachbart. Wenn die Stromlinie S₂ über den zweiten Wirbelerzeuger 70b hinweggeht, wird ein größerer Teil der Strömung längs der Stromlinie zu dem Gebiet der Vorderkante 26 hin abgelenkt, wie es durch die Linie S₂′ gezeigt ist. Darüber hinaus werden, wenn die Stromlinie S₂ über den zweiten Wirbelerzeuger 70b hinweggeht, Wirbel, die viel größer sind, als die kleinen Wirbel, die an der zweiten Auslöserip­ pe 68b gebildet werden, auf der stromaufwärtigen Seite des zweiten Wirbelerzeugers 70b gebildet. Aufgrund der Abwinkelung des zweiten Wirbelerzeugers 70b lösen sich diese großen Wirbel mit einer Geschwindigkeitskomponente ab, die sich in der Richtung der Profilsehne C und in der Richtung der Spannweite S er­ streckt. Die Geschwindigkeitskomponente in der Richtung der Profilsehne C bewirkt, daß sich diese großen Wirbel in das Gebiet der Vorderkante 26 bewegen und längs des Gebietes der Vorder­ kante 26 die Fläche 72 der Wand 58 in dem Gebiet der Vorderkan­ te 26 des Flügelprofilabschnitts 16 überstreichen. Die größeren Wirbel drücken kältere Luft aus dem Hauptteil der Strömung in die Grenzschicht in dem Gebiet der Vorderkante 26. So­ mit wird die Wirkung der kleinen Wirbel durch die Wirkung der großen Wirbel, die eine längere Lebensdauer als die klei­ nen Wirbel haben und mit den kleinen Wirbeln zusammenwirken, stark intensiviert, wodurch die Luft in der Grenzschicht ge­ kühlt, die Turbulenzgeschwindigkeiten in der Grenzschicht vergrößert werden und die Wärmeübertragung zwischen den Wän­ den des Flügelprofilabschnitts 16 und der Kühlluft in dem Gebiet der Vor­ derkante 26 vergrößert wird.

Claims (8)

1. Kühlbare Schaufel für eine Strömungsmaschine, mit einem Kühlluftdurchlaß (54), mit einer Wand (58) in dem Gebiet der Vorderkante (26), die den Kühlluftdurchlaß (54) be­ grenzt, und mit ersten und zweiten Auslöserippen (68a, 68b), die mit der Wand (58) verbunden sind und sich von der Wand (58) aus in dem Gebiet der Vorderkante (26) durch den Kühlluftdurchlaß (54) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Auslöserippen (68a, 68b) einen spitzen Winkel mit der Wand (58) bilden, und daß wenigstens die ersten Auslöserippen (68a) jeweils mit einem angeform­ ten ersten Wirbelerzeuger (70a) versehen sind, der die Höhe der ersten Auslöserippe (68a) vergrößert und in Richtung der Profilsehne (C) mit Abstand von der Wand (58) in dem Gebiet der Vorderkante (26) angeordnet ist.

2. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten Auslöserippen (68a) und ersten Wirbelerzeuger (70a) eine kombinierte Höhe h_a haben, und daß die zweiten Auslöserippen (68b) schräg gegen die sich nä­ hernde Strömung angeordnet und mit einem angeformten zwei­ ten Wirbelerzeuger (70b) versehen sind, wobei die Höhe der zweiten Auslöserippen (68b) und zweiten Wirbelerzeuger (70b) h_b beträgt und größer als die kombinierte Höhe h_a der ersten Auslöserippen (68a) und ersten Wirbelerzeuger (70a) ist (h_b<h_a).

3. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Höhe der ersten Auslöserippen (68a) h ist und daß die kombinierte Höhe h_a der ersten Auslöserippen (68a) und ersten Wirbelerzeuger (70a) größer als das Zwei­ fache oder gleich dem Zweifachen der Höhe der ersten Auslö­ serippen (68a) ist (h_a2h).

4. Kühlbare Schaufel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Wirbelerzeuger (70a) der er­ sten Auslöserippen (68a) eine erste Länge in Richtung der Profilsehne (C) haben, und daß die zweiten Wirbelerzeuger (70b) der zweiten Auslöserippen (68b) eine zweite Länge in Richtung der Profilsehne (C) haben, die größer als die er­ ste Länge in Richtung der Profilsehne (C) ist.

5. Kühlbare Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslöserippen (68a, 68b) und die an ihnen angeformten Wirbelerzeuger (70a, 70b) ein Ende haben, das zu der sich nähernden Strömung hin gekrümmt ist.

6. Kühlbare Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel zwischen den Auslöserippen (68a, 68b) und der Wand (58) in dem Gebiet der Vorderkante (26) 30° beträgt.

7. Kühlbare Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel zwischen den Auslöserippen (68a, 68b) und der Wand (58) in dem Gebiet der Vorderkante (26) in einem Bereich zwischen 25° und 50° liegt.

8. Kühlbare Schaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß sich wenigstens die ersten Aus­ löserippen (68a) von einer saugseitigen Wand (30) und einer druckseitigen Wand (32) des Kühlluftdurchlasses (54) aus erstrecken und daß sich die Wirbelerzeuger (70a, 70b) von dem Teil der Auslöserippen (68a, 68b) an der saugseitigen Wand (32) des Kühlluftdurchlasses (54) aus erstrecken.