DE3333018A1

DE3333018A1 - Gekuehlte gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE3333018A1
Application number: DE19833333018
Authority: DE
Inventors: Neil Milner Alveston Bristol Evans; Peter James Bristol McCloskey
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-09-16
Filing date: 1983-09-13
Publication date: 1984-03-22
Also published as: JPS59136502A; GB2127105A; GB2127105B; FR2533262A1

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Gasturbinenschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine spezielle Art der im Schaufelvorderkantenbereich angewandten Kühlung ist die sog. Filmkühlung, d.h. die Kühlung mittels eines Kühlluftfilms, der mit Hilfe einer Vielzahl von mit gegenseitigen Abständen entlang der Schaufe!vorderkante ausmündenden Kühlluft- >"*" kanälen erzeugt wird, die von einem die Schaufel in Längsrichtung durchziehenden Kühlluftspeisekanal abzweigen und in Sehnenrichtung zur Schaufelvorderkante verlaufen. Die an der Schaufelvorderkante aus diesen Kühlluftkanälen austretende Kühlluft strömt über die beiden Seitenflächen der Schaufel nach hinten und bildet auf diesen einen Kühlfilm.

Ein mit dieser Art der Kühlung der Schaufelvorderkante verbundenes Problem besteht darin, daß Materialteilchen, die vom Verdichter eines Gasturbinentriebwerks angesaugt werden oder von abschleifbar'en Überzügen im

■ l··

Verdichter stammen, nach Erhitzung in der Brenneinrichtung des Triebwerks in geschmolzenem oder erweichtem Zustand auf die SchaufelVorderkanten der Turbinenschaufeln aufprallen und dort haften bleiben. Durch die sich auf diese Weise auf den Schaufelvorderkanten aufbauenden Ablagerungen können die Auslässe der Kühlluftkanäle blockiert werden, wodurch natürlich die Bildung des Kühlluftfilmes gestört wird und überhitzungen an den Turbinenschaufeln mit der Folge einer verringerten Standzeit der Schaufeln auftreten können.

Es sind bereits verschiedene Versuche zur Bewältigung dieses Problems unternommen worden, nämlich durch Vergrößerung der Kühlluftkanäle oder durch glockenförmig erweiterte Auslässe der Kühlluftkanäle. Beide Möglichkeiten ergeben wegen des vergrößerten KühlluftStrömungsquerschnitts zwar eine minimale Verbesserung, jedoch ist im ersteren Fall der Gesamtkühlwirkungsgrad der durch die vergrößerten Kanäle strömenden Kühlluft geringer, und im letzteren Fall zeigt sich trotz des anfänglich größeren Austrittsquerschnitts der Kühlluftkanalauslässe ein beschleunigter Aufbau von Ablagerungen. Infolgedessen hat sich keine der bekannten Möglichkeiten als brauchbar erwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenschaufel der in Rede stehenden Gattung so auszubilden, daß das Problem der Beeinträchtigung der Filmkühlung des Schaufelvorderkantenbereichs durch ablagerungsbedingte Verstopfungen der Kühlluftkanalauslässe ohne Beeinträchtigung des Kühlwirkungsgrades nachhaltig bewältigt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gekühlten Gasturbinenschaufel der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Breite und Tiefe des Schlitzes können in Abhängigkeit 5 von dem zu erwartenden Auftreffwinkel der Materialteilchen auf die Schaufelvorderkante und in Abhängigkeit des verfügbaren Druckes der in die Kühlluftkanäle zugeführten Kühlluft innerhalb weiter Bereiche variieren.

10 Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Pig. I

einen Längsschnitt durch eine Gasturbinenschaufel nach der Erfindung,

20

25

30

Fig. 2

Fig. 3

.Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

einen vergrößerten Querschnitt in der Ebene H-II in Fig. 1,

einen weiter vergrößerten Querschnitt durch den Schaufelvorderkantenbereich,

eine Darstellung ähnlich Fig. 3 einer herkömmlichen Schaufel,

eine Vorderkantenansicht einer erfindungsgemäßen Schaufel, und

eine Darstellung ähnlich Fig. 5 einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

Pig. 1 zeigt eine Gasturbinenlaufschaufel mit einem Schaufelblatt 2, einem Schaufelfuß 4, einem herkömmlichen Deckbandsegment 6 und einer Fußplatte 8. Im Schaufelinneren ist eine Anzahl von das Schaufelblatt in Längsrichtung durchziehenden Kühlluftspeisekanälen A, B und C beliebiger Querschnittsform und beliebiger Anordnung gebildet, mit der Ausnahme, daß der Kühlluftspeisekanal A entlang der Schaufelvorderkante 10 verläuft.

Die Kühlluftspeisekanäle A, B und C verlaufen sowohl durch das Schaufelblatt als auch durch den Schaufelfuß und dienen der Zufuhr von aus. dem Verdichter eines. Gasturbinentriebwerks (nicht dargestellt), zu welchem diese Schaufel gehört, abgezweigter Kühlluft zur Kühlung dieser Schaufel.

Aus dem entlang der Schaufelvorderkante verlaufenden Kühlluftspeisekanal A strömt die Kühlluft durch eine Vielzahl von Kühlluftkanälen 12, die aus dem Kühlluftspeisekanal A abzweigen und in Sehnenrichtung der Schaufel verlaufen, zur Schaufelvorderkante. Diese Kühlluftkanäle 12 münden mit gegenseitigen Abständen entlang der Schaufelvorderkante aus. Außerdem ist in die Schaufelvorderkante ein Schlitz 14 eingeschnitten, der die Kühlluftkanäle 12 derart schneidet, daß die Austrittsenden 13 dieser Kühlluftkanäle in den Grund des Schlitzes ausmünden.

Der Aufbau von Ablagerungen ist im Bereich der Längenmitte und im Schaufelspitzenbereich am stärksten, so daß es nicht unbedingt notwendig ist, daß der Schlitz sich über die ganze Schaufellänge erstreckt. Infolgedessen kann der schaufelfußnahe Teil der Schaufe!vorderkante ohne Schlitz bleiben.

Durch Abstimmen von Breite und Tiefe des Schlitzes oder der Schlitze in Abhängigkeit vom relativen Annäherungs-

vektor der Materialteilchen läßt sich erreichen·, daß der Aufbau der Materialteilchen in den Kanälen zwar nicht vollständig verhindert, aber doch weitgehend reduziert werden kann» Die Materialteilchen bauen sich, wie in Fig. 3 bei angedeutet ist, auf der Schaufeloberfläche und in dem Schlitz auf, und es ist erkennbar, daß, obwohl ein teilweises Zusetzen des Schlitzes auftritt, die Kühlluftkanäle 12 selbst nur sehr geringfügig beeinträchtigt werden. Aus Pig. ¹I geht hervor, daß eine im gleichen Zuge mit der erfindungsgemäßen Schaufel untersuchte herkömmliche ^ Schaufel einen wesentlichen Aufbau von Materialteilen im Austrittsbereich der Kühlkanäle (bei 20 dargestellt) erfährt,

Die Anordnung des Schlitzes verringert nicht nur den Aufbau von Materialteilchen in den Kühlluftkanalen beträchtlich, sondern bringt auch noch den Vorteil, daß die Kühlluftkanäle den im Hinblick auf optimale Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse der Kühlluftströmung erforderlichen kleinen Durchmesser haben können, so daß eine optimale Kühlung des Schaufelvorderkantenbereichs bei kleinstem Kühlluftverbrauch erfolgt. Dieser Vorteil beruht darauf, daß durch die Anordnung des Schlitzes, dessen Breite vorzugsweise dem Durchmesser der Kühlluftkanäle entspricht, der Austrittsquerschnitt für den Kühlluftstrom insgesamt vergrößert wird, so daß ein seitliches Ausbreiten der Kühlluft in Längsrichtung des Schlitzes möglich ist. Ein noch weiterer im Falle dieser bevorzugten Ausführungsform gewonnener Vorteil liegt darin, daß der vergrößerte Austrittsquerschnitt des Kühlluftstroms die Geschwindigkeit der Kühlluft verringert und den statischen Druck des aus dem Schlitz austretenden Kühlluftstromes steigert, was den Aufbau und die Aufrechterhaltung der Kühlluftfilme über den Seitenflächen der Schaufel begünstigt. Der Schlitz sollte natürlich so schmal wie möglich sein, um urgünstige aerodynamische Störungen

minimal zu halten, aber da ein gewisser Aufbau von Teilchenablagerungen in dem Schlitz auftritt, sollte er breit genug sein, um sicherzustellen, daß der Schlitzaustrittsquerschnitt größer als die Summe der Austrittsquerschnitte der einzelnen Kühlluftkanäle ist.

Die Tiefe des Schlitzes ist unter Berücksichtigung der Lage der Kühlluftkanäle zu wählen, die nicht unbedingt am Stagnationspunkt der Schaufelvorderkante zu sein braucht, sondern etwas nach einer Schaufelseite versetzt sein kann, und nach dem Anströmvektor der heranströmenden Gase.

Befindet sich der Schlitz etwas stromab der Schaufelvorderkante und im Sog der Strömung über die Schaufelvorderkante, braucht seine Tiefe nicht mehr als die Hälfte des Durchmessers der Kühlluftkanäle zu betragen. Befindet sich der Schlitz im Stagnationspunkt der Schaufelvorderkante, kann seine Tiefe das Zwei- bis Fünffache des Durchmessers der Kühlluftkanäle betragen. Um jedoch eine Reduzierung der Länge 1 der Kühlluftkanäle zu vermeiden, die eine Reduzierung des Kühlwirkungsgrades im Schaufelvorderkantenbereich bedeuten würde, soll der Schlitz nicht tiefer als notwendig sein, um ein Blockieren der Kühlluftkanäle im Betrieb auszuschließen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Kühlluftkanäle einen Durchmesser von 0,3 mm, während der Schlitz eine Breite von 0,35 mm und eine Tiefe von 0,7 mm aufweist und sich von der Schaufelspitze aus über die halbe Länge der Schaufelvorderkante erstreckt.

Im Vergleich zu einer herkömmlichen Schaufel beträgt nach gleicher Betriebsdauer die Zusetzung der Kühlluftkanäle der erfindungsgemäßen Schaufel weniger als 20 % der Zusetzung bei der herkömmlichen Schaufel, und

die an der Schaufelvorderkante gemessene maximale Temperatur war bei der erfindungsgemäßen Schaufel niedriger als bei der herkömmlichen Schaufel.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mit einem Schlitz versehenen erfindungsgemäßen Schaufel, bei welcher der Schlitz schmaler als der Durchmesser der Kühlluftkanäle ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Kühlluftkanale 12 bis zur Schaufelvorderkante mit ihrem vollen Durchmesser, so daß sie durch den Schlitz entlang der Schaufelvorderkante untereinander verbunden sind.

Fig. 6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei welchem die Kühlluftkanäle 12 kurz vor der Schaufelvorderkante endigen und in den Schlitz 14 ausmünden.

Die Erfindung ist sowohl bei Laufschaufeln als auch bei Leitschaufeln gleichermaßen anwendbar.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen haben die Kühlluftkanäle einen kreisrunden Querschnitt, jedoch können auch Kühlluftkanäle anderer Querschnittsformen Anwendung finden, wobei der oben im Zusammenhang mit den kreisrunden Kühlluftkanälen gebrauchte Begriff "Durchmesser" für ihre Lichtweite entsprechend zu verstehen ist.

Ferner kann statt eines einzigen, durchgehenden Schlitzes eine Anzahl von einzelnen Schlitzen vorgesehen sein, die jeweils eine Gruppe von Kühlluftkanälen miteinander verbinden, jedoch durch einen dazwischen befindlichen Materialsteg voneinander getrennt sind, um einer Zentrifugalpumpwirkung auf die Kühlluft in Längsrichtung des Schlitzes entgegenzuwirken.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

(l/ Gekühlte Gasturbinenschaufel mit einem die Schaufel in Längsrichtung durchziehenden Kühlluftspeisekanal und mit einer Anzahl von davon abzweigenden, in Sehnenrichtung verlaufenden Kühlluftkanälen, die in Kühlluftauslässe im Bereich der Schaufelvorderkante ausmünden, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Schaufelvorderkante (10) mindestens ein in Schaufellängsrichtung verlaufender Schlitz (14) gebildet ist, der mindestens einige der Kühlluftkanäle (12) schneidet und als Kühlluftauslaß dieser Kühlluftkanäle wirkt*
2. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Schlitzes (14) im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Kühlluftkanäle (12)

15 ist.
3. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Schlitzes (14) zwischen der Hälfte und dem Fünffachen des Durchmessers der Kühlluftkanäle (12) liegt.
4. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schlitz (14) vom Schaufelspitzenbereich bis mindestens zum Mittenbereich der Schaufellänge erstreckt.

• -a-
5. Als Laufschaufel ausgebildete Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Als Leitschaufel ausgebildete Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4.