DE3642789C2 - Filmgekühlte Turbinenlauf- oder -leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine filmgekühlte Turbinenlauf- oder -leitschaufel nach Anspruch 1.

Bekanntlich arbeiten die Gasturbinen und ihre zugeordneten Lauf- und Leit­ schaufeln in einer extrem aggressiven Umgebung in einem Gastur­ binentriebwerk. Weiter steht bekanntlich die Temperatur, bei der die Turbine arbeitet, in direkter Beziehung zu dem Wirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks, denn je höher die Temperatur ist, um so höher ist der Wirkungsgrad. In der Gasturbinentriebwerkstechnik wird stän­ dig angestrebt, die Turbine bei höherer Temperatur zu be­ treiben, entweder durch Verwendung anderer Materialien oder durch eine besondere Kühlung.

Beispielsweise können die Schaufelblätter in den Turbinen von Gasturbinentriebwerken Temperaturen in den Arbeitsgasen von bis zu 1371°C ausgesetzt sein. Die Lauf- und die Leit­ schaufeln dieser Gasturbinentriebwerke werden üblicherweise gekühlt, um den Festigkeitsverband und die Lebensdauer des Schaufel­ blatts durch Reduzieren von Wärmespannungen in dem Schaufelblatt zu bewahren.

Eine ältere Methode der Schaufelblattkühlung ist aus der US 31 71 631 bekannt, gemäß der Kühlluft in einen Hohlraum zwischen einer saugseitigen Wand und einer druckseitigen Wand des Schaufelblattes ge­ leitet und durch die Verwendung von Umlenksockeln oder Leitblechen zu verschiedenen Stellen in dem Hohlraum um­ geleitet wird. Die Umlenksockel dienen außerdem als Tragteile zur Verstärkung der Laufschaufel.

Im Laufe der Zeit sind ausgeklügeltere Methoden entwickelt worden, gemäß welchen gewundene Kanäle benutzt werden, wie es beispielsweise aus der US 35 33 712 bekannt ist. Die­ se US-Patentschrift beschreibt die Verwendung von schlan­ genlinienförmigen Kanälen, die sich durch einen Hohlraum in der Laufschaufel erstrecken, um eine maßgeschneiderte Küh­ lung für verschiedene Teile des Schaufelblattes zu schaf­ fen. Das Schaufelblattmaterial, das die Kanäle begrenzt, sorgt für die notwendige bauliche Abstützung des Schaufel­ blattes.

Spätere Druckschriften, wie beispeilswiese die US 40 73 599, beschreiben die Verwendung von komplizierten Kühlkanälen in Verbindung mit anderen Techniken zum Küh­ len des Schaufelblattes. Beispielsweise wird gemäß dieser US-Patentschrift ein Vorderkantenbereich durch Aufprall­ kühlung gekühlt, woran sich das Abgeben der Kühlluft über einen sich in Richtung der Spannweite in dem Vorderkanten­ bereich der Laufschaufel erstreckenden Kanal anschließt. Die in dem Kanal strömende Luft dient außerdem zur Kon­ vektionskühlung des Vorderkantenbereiches, was auch bei dem Kanal gemäß der oben erwähnten US 31 71 631 der Fall ist.

Das Kühlen von Turbinenschaufelblättern unter Verwendung von verwickelten Kühlkanälen, die mehrere Wege oder Züge und Filmkühllöcher allein oder in Verbindung mit Auslöse­ streifen zum Fördern der Kühlung des Vorderkantenbereiches haben, bildet die Gegenstände der US 41 77 010, US 41 80 373, US 42 24 011 und der US 42 78 400. Die darin beschriebenen Laufschaufeln wei­ sen typisch große Kühlluftkanäle in Beziehung zur Dicke der Wände in dem Vorderkantenbereich der Laufschaufel auf.

Der innere Hauptwärmeübertragungsmechanismus in den Kanälen von Laufschaufeln mit mehreren Zügen ist die Konvektionskühlung von angrenzenden Wänden. Zonen niedriger Geschwindigkeit in der Kühlluft, die den Wänden benachbart ist, welche den Kanal be­ grenzen, reduzieren die Wärmeübertragungskoeffizienten in dem Kanal und können zu einer Überhitzung dieser Teile des Schaufelblatts führen. Die US 41 80 373 beschreibt die Verwendung eines Auslösestreifens in einem Eckbereich ei­ nes Umlenkkanals, der von einer Wand aus in den Kanal vor­ steht, um Stagnation an der Ecke, die durch die Wechsel­ wirkung von benachbarten Wänden gebildet wird, zu verhin­ dern.

Offenbar besteht eine der Überlegungen bei dem Entwurf des Kühlschemas eines modernen filmgekühlten Schaufel­ blatts mit mehreren Zügen darin sicherzustellen, daß heiße Gase aus dem Gas­ weg innerhalb des Schaufelblatts nicht an eine kritische Stelle strömen werden, die durch den niedrigsten akzeptablen Wert des Innen/Außen-Druckverhältnisses bestimmt wird.

Beispielsweise wurden bei einer vorhandenen Turbine in der ersten Stufe bei den inneren und äußeren Drücken an Filmkühl­ injektionsstellen große Variationen der Innen/Außen-Druckver­ hältnisse gemessen. Offenbar ist der niedrigste Wert des Innen/Außen-Druckverhältnisses an der Druckseite der Schaufel in einem fünften Zug vor­ handen, und sämtliche anderen inneren Drücke werden durch die Wahl dieses niedrigsten Wertes festgelegt. Die äußeren Drücke werden durch die Kombination der gewählten Aerodyna­ mik des Strömungsweges und des Schaufelblattes festgelegt. Es kann wenig getan werden, um die Werte des äußeren Druckes zu ändern, ohne den aerodynamischen Wirkungsgrad der Turbine zu beeinträchtigen, insbesondere von einem Ort zum anderen an der äußeren Oberfläche des Schaufelblatts. Dassel­ be gilt für die Werte des inneren Druckes.

Aus der DE 24 47 965 C1 ist eine gekühlte Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk bekannt, bei der aus einem Schaufelhohlraum Kühlluft durch Öffnungen in einer separat im Schaufelhohlraum montierten Prallplatte in einen durch die Prallplatte abgegrenzten Zwischenraum strömt und weiter über Öffnungen an der Druckseite der Turbinenschaufel ausströmt. Die durch die Öffnungen in der Prallplatte strömende Kühlluft ist auf eine Innenseite der Turbinenschaufelwand gerichtet und erzeugt dort eine Aufprallkühlung. Anschließend strömt die Luft weiter zur äußeren Oberfläche der Turbinenschaufel. Ein erforderlicher Druckunterschied zwischen dem Hohlraum im Schaufelinneren und dem Zwischenraum muß auf die Erzielung einer bestmöglichen Strahlwirkung abgestimmt sein, damit die Kühlluft mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf die Innenseite der Turbinenschaufelwand trifft. Die beim Ausströmen aus dem Zwischenraum mögliche Filmkühlwirkung an der Druckseite der Turbinenschaufel kann damit unzureichend sein. Weiter ist an der bekannten Turbinenschaufel nachteilig, daß nur die Druckseite gekühlt wird und daß durch das Vorsehen der Prallplatte ein aufwendiger Aufbau notwendig wird.

Aus der US 45 07 051 ist eine Turbinenschaufel mit einer gekühlten Schaufelvorder- und -hinterkante bekannt. Kühlluft wird durch einen Hohlraum innerhalb des Schaufelblattes über Bohrungen zu einem Zwischenkanal im Bereich der Schaufelvorder- bzw. -hinterkante geführt. Vom vorderen Zwischenkanal strömt die Kühlluft über Öffnungen zur saugseitigen Oberfläche der Turbinenschaufel. Die Turbinenschaufel selbst weist einen aufwendigen Aufbau auf, denn sie ist aus zwei Teilen, die an der Mittellinie der Turbinenschaufel aneinandergrenzen, zusammengesetzt. Die bekannte Turbinenschaufel wird zudem nur an ihrer saugseitigen Oberfläche gekühlt.

Aus dem JP 59-18 202 (A) Abstract ist eine Turbinenschaufel mit mehreren Kühlluft führenden Kanälen in der druckseitigen Außenwand der Turbinenschaufel bekannt, wobei die Kühlluft über Bohrungen aus den Kanälen an die druckseitige Oberfläche der Turbinenschaufel strömt. Hohlräume innerhalb der Turbinenschaufel führen weitere Kühlluft über Bohrungen an die saugseitige Oberfläche der Turbinenschaufel, um diese ebenfalls zu kühlen. Die Hohlräume und die Kanäle müssen dabei, da sie voneinander getrennt sind, separat mit ausreichender Kühlluft versorgt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel zu schaffen, die trotz einfachen Aufbaus eine gleichmäßige Filmkühlung der äußeren Oberfläche der Turbinenschaufel gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist dabei ein gemeinsamer, Kühlluft führender Hohlraum innerhalb eines Schaufelblattes vorgesehen, der über Öffnungen mit einem druckseitigen und einem saugseitigen inneren Kanal in Strömungsverbindung steht. Durch Löcher in den Außenwänden der Turbinenschaufel strömt die Kühlluft zur druckseitigen und zur saugseitigen Oberfläche der Turbinenschaufel, um dort eine Filmkühlung zu erzeugen. Jede Öffnung ist dabei in Reihe mit jedem der Löcher angeordnet, und Öffnungen und Löcher sind in ihrem Strömungsdurchmesser so aufeinander abgestimmt, daß sich zwischen dem Hohlraum und den inneren Kanälen einerseits und den inneren Kanälen und dem Raum außerhalb des Schaufelblattes andererseits vorbestimmte Druckverhältnisse ergeben, die eine bestmögliche Filmkühlung an der druck- und an der saugseitigen Oberfläche der Turbinenschaufel gewährleisten. Das Druckverhältnis kann so derart gesteuert werden, daß die Anzahl der Löcher vergrößert und die Wirksamkeit der Filmkühlung verbessert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt eine be­ kannte innengekühlte Turbinenlaufschaufel mit fünf Zügen, die so modi­ fiziert worden ist, daß sie die Er­ findung bei einem einzelnen inneren Kanal aufzeigt,

Fig. 2 eine Querschnittansicht einer Tur­ binenlaufschaufel nach der Erfin­ dung mit mehreren Kanälen, und

Fig. 3A und 3B eine Teilansicht, die den Teil der Oberfläche der Druckseite einer Turbinenlaufschaufel im Schnitt und in Vorderansicht zeigt und die An­ ordnung der Filmkühllöcher veran­ schaulicht, welche in einem Muster angeordnet sind, das die Anzahl der Löcher gegenüber dem Stand der Technik vergrößert.

Die Erfindung wird im folgenden zwar anhand ihrer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Turbinenlaufschaufel 10 eines Gastur­ binentriebwerks erläutert, es gibt jedoch noch andere Verwendungszwecke, beispielsweise bei Leitschaufeln.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist die Turbinenlaufschaufel 10 einen Fuß 12, eine Plattform 14 und ein Schaufelblatt 16 auf. Die Betriebsweise der Turbinenlaufschaufel 10 ist bekannt, so daß im folgenden der Einfachheit und Zweckmäßigkeit halber nur derjenige Teil der Laufschaufel, der für eine besondere Kühltechnik verantwortlich ist, beschrieben wird. Bezüglich weite­ rer Einzelheiten hinsichtlich der Kühltechnik wird auf die oben erwähnten US-Patentschriften, insbesondere auf die o. g. US 44 74 532, und außerdem auf die US 35 27 543 verwiesen. Von einer Druckseite her betrachtet ist in einem in­ neren Teil der Turbinenlaufschaufel 10 ein Kanal 17 durch eine zylin­ drische Wand 18, die sich in der Längsrichtung der Turbinenlauf­ schaufel 10 erstreckt, gebildet, wobei der Kanal 17 beispielsweise durch Gie­ ßen hergestellt wird und gänzlich geschlossen ist. Ein Teil der Wand 18 bildet eine äußere Oberfläche des Schaufelblatts 16 (was deutlicher in Fig. 2 zu erkennen ist). Gemäß der Dar­ stellung in Fig. 1 steht der Kanal 17 mit einem Zug 19 über mehrere Löcher 20 vorbestimmter Größe in Verbindung. Der Zug 19 ist einer und vorzugsweise der letzte von mehreren Zügen, wie es bei gekühlten Turbinenlaufschaufeln typisch ist, die im oben aufgeführten Stand der Technik erläutert sind.

Der Schnitt durch eine Turbinenlaufschaufel 48 in Sehnenrichtung, der in Fig. 2 dargestellt ist, zeigt besser die Beziehung zwi­ schen Filmkühllöchern und einem in Kanälen eingestell­ ten Druck. Es sei beachtet, daß Fig. 2 eine andere Konfigu­ ration als die in Fig. 1 gezeigte darstellt, wobei aber die Prinzipien der Kühlung in beiden Fällen dieselben sind.

Die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration ist eine innengekühlte fünfzügige Anordnung, die aus Zügen 24, 26, 28 und 30 sowie einem Hohlraum 32 besteht. Im folgenden wird hier nur der Hohlraum 32 beschrieben. Wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, sind die Kanäle im In­ neren der Turbinenlaufschaufel 48 durch Gießen hergestellt, und Kanäle 36 und 38 veranschaulichen zwei der Kanäle. Wän­ de 40 und 42 sind an einer druckseitigen Oberfläche 44 und einer saugseitigen Oberfläche 46 der Turbinenlaufschaufel 48 gebil­ det, um mit diesen die Kanäle 36 und 38 zu begrenzen. Öffnungen 50 und 52 sind so bemessen, daß sich eine feste Drosselung und so­ mit ein vorbestimmter Druckabfall P₃-P₂ ergibt. Die Größe von als Filmkühllöcher ausgebildeten Löchern 54 und 56, die als Diffusor ausgebildet sein können, ist ebenfalls vorbestimmt.

Durch Vorwählen der Größe der Öffnungen und Löcher 50 und 54 sowie 52 und 56 kann der lokale Druck oder können die lokalen Drücke in den Kanälen 36 bzw. 38 so eingestellt werden, daß eine wirksame Filmkühlung erfolgt.

Durch Plazieren der Öffnungen 50 in Reihe mit den Löchern 54, was den eingestellten Druck in dem Kanal 36 erzeugt, ist es möglich, die Anzahl der Löcher 54 zu verdoppeln, die erforderlich wäre, um dieselbe Menge an Kühlluftströmung zu liefern, wenn das Innen/Außen- Druckverhältnis P₁/P₃ statt P₂/P₃ wäre.

Die Fig. 3A und 3B machen deutlich, wie die Druckseite der Turbinenlaufschaufel 48 das Doppelte der Zahl an Löchern 54 aufnehmen kann. Wie ange­ geben sind die Reihen von Löchern 54 gestaffelt, im Gegensatz zu der bekannten Anordnung von Filmkühllöchern, bei der nur eine einzelne Reihe dieselbe Menge an Kühlluftströmung aufneh­ men würde.

Neben der effektiveren Kühlung bei derselben Kühlluftströ­ mung ergibt sich darüber hinaus auch eine verbesserte Ferti­ gungstechnik. Bei Turbinenlaufschaufeln, bei denen beträchtliche Mengen an Kühlluft zur Laufschaufelfilmkühlung benutzt wer­ den, wie in dem Falle von moderneren Gasturbinenkraftanlagen, um die Kühlluftströme auf konkurrenzfähigen Werten zu halten, erfordern die Turbinenlaufschaufeln zahlreiche kleine Löcher. Die heu­ tige Gießtechnik gestattet das Gießen von Löchern mit einem Durchmesser in dem Bereich von 0,5 bis 0,64 mm. Die modernen Turbinenlaufschaufeln erfordern jedoch kleinere Löcher in dem Durchmesserbereich von 0,36 mm. Da diese kleinen Löcher nicht gegossen werden können, müssen sie mit 40% bis 50% zusätzlichen Kosten zu dem Preis der Turbinenlaufschaufel gebohrt werden. Die Druckregelung zwischen Hohlraum 32, inneren Kanälen 36, 38 und dem Raum außerhalb des Schaufelblattes 16 gestattet größere Löcher in dem Gießbereich von 0,5 bis 0,76 mm zur Filmkühlung ohne Beeinträchtigung von Kühlluftströmungserfordernissen oder der Lebensdauer im Vergleich zu Turbinenlaufschaufeln gemäß herkömmli­ cher Technologie. Das heißt, die Beschränkung auf Löcher mit einem Durchmesser von 0,36 mm wird durch eine Beschränkung auf zwei gießbare Löcher (54, 56) mit einem Durchmesser von 0,5 mm ersetzt. Durch das Gießen der Filmkühllöcher werden die Kosten einer Turbinen­ laufschaufel um 40% bis 50% reduziert, und zwar ohne einen Verlust an Kühl- oder Systemleistung.

Aufgrund der zuvor beschriebenen Kühlung ergeben die Werte des eingestellten lokalen inneren Druckes zusätzlich zu den oben erläuterten Vorteilen und ohne Beschränkungen:

• 1. eine verbesserte Lei­ stung durch Reduzieren der Kühlluftströmung für einen be­ sonderen Turbinenlaufschaufelentwurf, und
• 2. eine Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel, und zwar wegen der reduzier­ ten Metalltemperatur, oder ermöglichen statt dessen der Tur­ bine, auf einer höheren Temperatur zu arbeiten, was den ge­ samten Triebwerkswirkungsgrad erhöht.

Der Film der Kühlluft an der äußeren Oberfläche 44, 46 des Schaufelblatts einer Turbinenlaufschaufel 48 eines Gasturbinentrieb­ werks, die aus dem Inneren der Turbinenlaufschaufel 48 austritt, nach­ dem sie diese gekühlt hat, wird also gesteuert, indem das Ver­ hältnis des Innendrucks zum Außendruck eingestellt wird, und zwar durch Bilden eines inneren Kanals 36, 38, der sich in Längsrichtung der Turbinenlaufschaufel 48 erstreckt und feste Öff­ nungen 50, 52 zum Einlassen von Kühlluft hat, welche in ei­ ner vorbestimmten Beziehung zu Löchern 54, 56 stehen, die den Kühlluftfilm bilden. Durch Einstellen die­ des Druckverhältnisses kann der Durchmesser der Löcher 54, 56 größer sein als bei bekannten Entwürfen für einen bestimmten Verwendungszweck, so daß sie vorgegossen werden können, statt sie zu bohren, und so angeordnet wer­ den können, daß sich Kühlluftfilme größerer Überdeckung an der äußeren Oberfläche 44, 46 des Schaufelblatts 16 ergeben.

Claims (5)

1. Filmgekühlte Turbinenlauf- oder -leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem innen durch Luft gekühlten Schaufelblatt mit druckseitiger und saugseitiger Oberfläche (44 bzw. 46), zumindest einem gemeinsamen Hohlraum (32) innerhalb des Schaufelblattes, der über Öffnungen (50, 52) mit zumindest einem druckseitigen und zumindest einem saugseitigen inneren Kanal (36 bzw. 38) in Strömungsverbindung steht und die druckseitige bzw. die saugseitige Oberfläche (44 bzw. 46) mit Kühlluft versorgt, wobei die inneren Kanäle (36, 38) innerhalb des Schaufelblattes gebildet sind und sich in Längsrichtung der Schaufel erstrecken und durch einen gemeinsamen Teil der Oberfläche des Schaufelblattes gebildet sind, wobei mehrere in Längsrichtung der Schaufel beabstandete Löcher (54, 56) in dem gemeinsamen Teil vorgesehen sind zum Abgeben von Luft an die Oberfläche (44, 46) des Schaufelblattes zur Bildung eines Kühlluftfilms, wobei die Öffnungen (50, 52) als zusammenwirkende, in Längsrichtung beabstandete Öffnungen (50, 52) mit fester Drosselung vorgesehen sind zum Einlassen von Kühlluft aus dem Hohlraum (32) innerhalb des Schaufelblattes in die inneren Kanäle (36, 38), wobei jede Öffnung (50, 52) in Reihe mit jedem der Löcher (54, 56) angeordnet und jede Öffnung (50, 52) und jedes Loch (54, 56) so bemessen ist, daß sich zwischen dem Hohlraum (32) und den inneren Kanälen (36, 38) einerseits und den inneren Kanälen (36, 38) und dem Raum außerhalb des Schaufelblattes andererseits vorbestimmte Druckverhältnisse ergeben.

2. Filmgekühlte Turbinenlauf- oder -leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (54, 56) in Reihen parallel angeordnet sind.

3. Filmgekühlte Turbinenlauf- oder -leitschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (54, 56) einen Durchmesser von 0,5 bis 0,76 mm aufweisen.

4. Filmgekühlte Turbinenlauf- oder -leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (54, 56) als Diffusor-Löcher ausgebildet sind.

5. Filmgekühlte Turbinenlauf- oder -leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (54, 56) als gegossene Löcher ausgebildet sind.