DE3711024C2

DE3711024C2 - Turbinenleitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3711024C2
Application number: DE3711024A
Authority: DE
Inventors: Colin Godfrey; Rodney Carr Webster
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1986-04-25
Filing date: 1987-04-02
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2007-04-03
Also published as: GB2189553B; JPH0739804B2; JPS62258103A; GB8610181D0; US4767261A; FR2597922B1; GB2189553A; FR2597922A1; DE3711024A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftgekühlte, hohle Turbi nenleitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, bei der vom Kom pressor abgezapfte Kühlluft dem Schaufelinneren sowohl von einem radial innen liegenden Einlaß als auch von einem radial außen liegenden Einlaß zugeführt wird. Häufig ist dabei der Druck der Kühlluft, die dem einen Ende der Schaufel zugeführt wird, höher als der Druck jener Luft, die dem anderen Ende zugeführt wird. Die Hochdruck-Kühlluftströmung kann dabei gelegentlich die Niederdruck-Kühlluftströmung in dem Schaufelinneren führen, was zu einer Verminderung der Kühlwirkung führen kann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Schaufelinneren und dem Druck des Arbeitsmediums so groß wird, daß die Kühlluft in das Arbeitsmittel ausgeblasen wird statt als Filmkühlung über den Umfang des aerodynamischen Profilabschnitts abzufließen. Eine solche erhöhte Druckdifferenz kann unter gewissen Betriebsbe dingungen auftreten, weil unter allen denkbaren Betriebsbe dingungen verhindert werden muß, daß an irgendeiner Stelle die Druckdifferenz zwischen Schaufelinnenraum und Arbeitsströmung sich umkehrt, so daß die Arbeitsströmung über Kühlluftöffnungen in das Innere der Schaufel gelangen kann.

Um eine gegenseitige Störung der von radial außen und von radial innen in das Schaufel innere eintretenden Kühlluftströme zu ver meiden, werden gemäß einer in der DE 26 40 827 A beschriebenen Turbinenleitschaufel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art die beiden Kühlluftströme durch eine quer durch den Schaufelhohlraum geführte Prallplatte voneinander getrennt. Diese Prallplatte ist auf der halben Spannweite im Inneren der Hohlschaufel angeordnet, um die Querströmung der Luft von einem Ende zum anderen Ende der Schaufel zu verhindern. Dadurch sollen örtliche Druckunterschiede an den verschiedenen Film kühllöchern der Vorderkante vermieden werden. Die Prallplatte ist dabei innerhalb des Schaufelhohlraums derart angeordnet, daß unter normalen Arbeitsbedingungen benachbart zur Prall platte auf beiden Seiten etwa der gleiche Druck herrscht. Zwar ist die Prallplatte innerhalb des Schaufelhohlraums mit Spiel derart gelagert, daß sie in Radialrichtung gehalten wird, ohne daß ein Verbiegen zu befürchten ist, d. h. es sollen die infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung bedingten Verschiebungen zwischen den Teilen aufgenommen werden, ohne daß ein Bruch zu befürchten ist. Der durch das Spiel bedingte Spalt ermöglicht keine definierte Querströmung, da sich die Spaltbreite im Be trieb ändert und bei höchster Wärmebeaufschlagung praktisch den Wert Null erreichen kann. Die Anordnung der Prallplatte bei der bekannten Turbinenschaufel kann daher zu einer Stag nation der Kühlluftströmung im Bereich der Prallplatte und in Verbindung hiermit zu einer örtlichen Überhitzung führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gekühlte Turbinenleitschaufel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, bei der eine gegenseitige Störung der radial inneren und radial äußeren Kühlluftströme durch Unterteilung in einen äußeren und inneren Kammerabschnitt verhindert ist, dadurch zu verbessern, daß dabei Überhitzungen im Übergangs bereich zwischen den beiden Kammerabschnitten mit Sicherheit vermieden werden.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Patentan spruch 1 angegebenen Merkmale.

Durch die Erfindung wird absichtlich eine Strömung über die Prallplatte aufrechterhalten, und zwar mit einer vorbestimmten Massenströmung derart, daß sowohl das Ansaugen von Arbeits mittel verhindert wird und ein Austreten von Kühlmittel aus den beiden Kammern mit einer vorbestimmten Druckdifferenz ge währleistet wird. Der absichtlich geschaffene Durchtritts spalt läßt unter allen Betriebsbedingungen eine begrenzte Kühlluftströmung durchtreten, die eine Überhitzung des aero dynamischen Profilabschnitts in diesem Bereich verhindert.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seiten ansicht eines Fan-Gasturbinentriebwerks;

Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht einer gekühlten, hohlen Turbinenleit schaufel;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des aero dynamischen Profilabschnitts der Leitschaufel gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt ein Fan-Gasturbinentriebwerk 10 mit einem um mantelten Fan 11, mit einem Zwischendruckkompressor 12, einem Hochdruckkompressor 13, einer Verbrennungseinrichtung 14, einer Hochdruckturbine 15, einer Zwischendruckturbine 16 und einer Niederdruckturbine 17 sowie einer Schubdüse 18. Der Fan 11 ist mit der Niederdruckturbine 17, der Zwischendruck kompressor 12 ist mit der Zwischendruckturbine 16 und der Hochdruckkompressor 13 ist mit der Hochdruckturbine 15 ver bunden. Das Triebwerk arbeitet in üblicher Weise so, daß die vorn Fan 11 und dem Zwischendruckkompressor 12 und dem Hoch druckkompressor 13 verdichtete Luft mit Brennstoff gemischt wird und die Mischung in der Verbrennungseinrichtung 14 ver brannt wird. Die Verbrennungsprodukte dehnen sich dann über Hochdruckturbine, Zwischendruckturbine bzw. Niederdruckturbine 15, 16 bzw. 17 aus, bevor sie durch die Schubdüse 18 ausgesto ßen werden, um einen Antriebsschub zu liefern, der zusätzlich zu dem Schub des Fan 11 einen Vortrieb erzeugt.

Unmittelbar stromab der Verbrennungseinrichtung 14 ist eine ringförmige Anordnung von im Winkelabstand zueinander ange ordneten gleichen radial verlaufenden Düsenleitschaufeln 19 angeordnet, von denen eine im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist. Jede Düsenleitschaufel 19 umfaßt einen im Querschnitt aerodynamischen Profilabschnitt 20 mit radial inneren und äußeren Plattformen 21 bzw. 22, die einstückig mit der Schaufel hergestellt sind. Die Plattformen 21 und 22 benachbarter Düsen leitschaufeln 19 wirken zusammen, um die radial innere bzw. radial äußere Wand eines Gaskanalabschnitts durch die Hoch druckturbine 15 zu schaffen. Die aerodynamischen Profilab schnitte 20 dienen dazu, die aus der Verbrennungseinrichtung 14 ausgestoßenen Gase auf die Rotorschaufeln der Hochdruck turbine 15 zu richten.

Jeder aerodynamische Profilabschnitt 20 wird durch Kühlluft gekühlt, die sowohl dem radial inneren Ende als auch dem radial äußeren Ende zugeführt wird, wie dies durch die Pfeile 23 und 24 angedeutet ist. Die Kühlluft wird vom Hochdruckkornpressor 13 in herkömmlicher Weise abgenommen.

Die dem radial inneren Ende des aerodynamischen Profilab schnitts 20 zugeführte Luft wird in zwei Strömungen unter teilt. Der erste Strom wird in einen abgeschlossenen Kanal 25 benachbart zur Vorderkante des aerodynamischen Profilab schnitts 20 geleitet. Mehrere Öffnungen 26 verbinden den Kanal 25 mit der äußeren Oberfläche des aerodynamischen Profilab schnitts 20, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, so daß Luft, die in den Kanal 25 eingeleitet wird, durch die Öffnungen 26 austritt, um eine Filmkühlung der äußeren Ober fläche am Vorderkantenbereich des aerodynamischen Profilab schnitts 20 zu bewirken, wie dies durch die Pfeile 27 ange deutet ist. Der Rest der Kühlluft, der dem radial inneren Ende des aerodynamischen Profilabschnitts 20 zugeführt wird, wird in eine in Spannrichtung verlaufende Kammer 28 geleitet, die vom Kanal 25 durch einen Steg 29 getrennt ist, der die konvexen und konkaven Flanken 30 bzw. 31 verbindet. Die Kammer 28 erstreckt sich nach der Hinterkante 32 des aero dynamischen Profilabschnitts 20.

Die dem radial äußeren Ende des aerodynamischen Profilab schnitts 20 zugeführte Luft (durch den Pfeil 24 angedeutet) wird auch in die Kammer 28 geleitet und sie steht unter einem niedrigeren Druck als die nach dem radial inneren Ende geleitete Luft. Um zu gewährleisten, daß die dem radial äußeren Ende des aerodynamischen Profilabschnitts 20 zuge führte Luft in die Kammer 28 ungehindert durch die Hochdruck kühlluftströmung 23 fließen kann, ist eine in Sehnenrichtung verlaufende Prallplatte 33 innerhalb der Kammer 28 an einer Stelle in der Mitte in Spannrichtung angeordnet, um eine Tei lung zwischen dem radial inneren Bereich und dem radial äußeren Bereich der Kammer 28 zu bewirken und um dadurch radial innere und radial äußere Kammerabschnitte 34 und 35 zu definieren.

Die Prallplatte 33 ist an einer Lochplatte 36 montiert, die aus Fig. 3 und 4 ersichtlich ist und die innerhalb der Kammer 28 benachbart zur konvexen Flanke 31 des aerodynami schen Profilabschnitts 20 befindlich ist. Die Platte 36 ist von der Innenwand der konvexen Flanke 31 beabstandet und besitzt mehrere Öffnungen 37 darin. Ein Anteil der Kühlluft, der den Kammerabschnitten 34 und 35 zugeführt wird, tritt durch die Öffnungen 37 in der Platte 36 hin durch, wie durch die Pfeile 38 angedeutet, um eine Auf treffkühlung auf der inneren Oberfläche der konvexen Flanke 31 zu bewirken. Nachdem eine konvektive Kühlung der konvexen Flanke 31 stattgefunden hat, wird jene Kühl luft durch den aerodynamischen Profilabschnitt 20 durch die Öffnungen 39 in der konvexen Flanke 31 ausgeblasen, um eine Filmkühlung der äußeren Oberfläche der Hinterkante 32 der kon vexen Flanke 31 zu bewerkstelligen. Ein weiterer Anteil der Kühlluft, der den Kammerabschnitten 34 und 35 zugeführt wird, tritt zwischen Podesten 40 hindurch, die auf der inneren Oberfläche sowohl der konvexen Flanke 31 als auch der konkaven Flanke 30 angeordnet sind, bevor die Luft aus dem Inneren des aerodynamischen Profilabschnitts über einen in Spannrichtung verlaufenden Schlitz 41 ausgeblasen wird, der in der Hinterkante 32 angeordnet ist. Der Rest der Kühl luft, der durch die Kammerabschnitte 34 und 35 strömt, wird durch mehrere Öffnungen 42 ausgeblasen, die in der konkaven Flanke 30 des aerodynamischen Profilabschnitts 20 vorge sehen sind, um eine Filmkühlung der äußeren Oberfläche der konkaven Flanke 30 zu gewährleisten.

Die Prallplatte 33 erstreckt sich, wie aus Fig. 4 ersichtlich, nicht vollständig über die Kammer 28, so daß ein Spalt 43 zwischen der Prallplatte 33 und der gegenüberliegenden Innen wand der konkaven Flanke 30 definiert wird. Die Prallplatte 33 ist so ausgestaltet, daß der Spalte 43 genügend groß ist, damit die unter höherem Druck stehende Kühlluft innerhalb des radial inneren Kammerabschnitts 34 in den Niederdruck bereich des radial äußeren Kammerabschnitts 35 einströmen kann. Die Ausbildung der Prallplatte 33 ist jedoch derart, daß die Kühlluftmenge, die von dem radial äußeren Kammerab schnitt 35 strömen kann, ausreicht, um den Luftdruck inner halb des radial äußeren Kammerabschnitts 35 auf einen Wert anzuheben, der gleich ist oder höher als der Druck der Kühl luftströmung, die nach dem radial äußeren Kammerabschnitt 35 fließt. Diese Strömung der Kühlluft durch den Spalt 43 ge währleistet, daß dort keine Stagnation der Kühlluft im Bereich der Prallplatte 33 eintritt, so daß eine ausreichende Kühlung des aerodynamischen Profilabschnitts 20 im Bereich der Prall platte 33 gewährleistet wird.

Ein weiterer Vorteil, der daraus resultiert, daß eine be grenzte Kühlluftströmung zwischen den Kammerabschnitten 34 und 35 fließen kann, besteht darin, daß bei einer Fluktuation in der Kühlluftströmung nach den Kammerabschnitten 34 und 35 eine gewisse Stabilisierungskühlluftströmung erhalten bleibt.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Düsenleit schaufeln beschrieben, die mit in Sehnenrichtung verlaufenden Prallplatten 33 ausgestattet sind. Es ist jedoch klar, daß auch andere Prallplattenausbildungen benutzt werden können, falls dies erforderlich ist. Außerdem wurde die Prallplatte 33 als in der Mittelspannhöhe angeordnet bezeichnet, jedoch könnte es unter gewissen Umständen auch erwünscht sein, die Prall platte an einer anderen Stelle als in der Mittelspannstellung anzuordnen.

Die Erfindung wurde außerdem vorstehend in Verbindung mit einer gekühlten Schaufel beschrieben, die einen getrennten Kühlluftkanal 25 benachbart zum Vorderrand aufweist. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar in Verbindung mit ge kühlten Schaufeln, die nicht mit einem solchen Kanal ausge stattet sind. Unter diesen Umständen würde sich die Prall platte 33 nach der Vorderkante der Schaufel hin erstrecken.

Claims

1. Luftgekühlte, hohle Turbinenleitschaufel (19) für ein Gasturbinentriebwerk mit den folgenden Merkmalen:

- der aerodynamische Profilabschnitt (20) weist eine in Spannrichtung verlaufende Kammer (28) auf;
- Saugseite (31) bzw. Druckseite (30) des aero dynamischen Profilabschnitts (20) weisen Kühl luftaustrittsöffnungen (39 bzw. 42) zur Film kühlung der Saugseite und der Druckseite auf;
- die Kammer (28) ist durch eine in Sehnenrich tung verlaufende Prallplatte (33) in einen radial inneren Kammerabschnitt (34) und einen radial äußeren Kammerabschnitt (35) unterteilt;
- dem radial äußeren Kammerabschnitt (35) wird über einen radial äußeren Einlaß eine erste Kühlluftströmung (24) zugeführt;
- dem radial inneren Kammerabschnitt (34) wird über einen radial inneren Einlaß eine zweite Kühlluftströmung (23) zugeführt;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die zweite Kühlluftströmung (23) steht unter einem höheren Druck als die erste Kühlluft strömung (24);
- die Prallplatte (33) ist unter Belassung eines Durchtrittsspaltes (43) so angeordnet und ausgebildet, daß eine begrenzte Kühlluft strömung aus dem Kammerabschnitt (34) höheren Druckes über den Spalt (43) in den Kammerab schnitt (35) niedrigeren Druckes gelangen kann;
- die begrenzte Kühlluftströmung ist so bemessen, daß der Kühlluftdruck in dem Kammerabschnitt (35) niedrigeren Druckes den Druck der ersten Kühlluftströmung nicht erreicht oder übersteigt, aber ausreicht, den aerodynamischen Profilab schnitt (20) im Bereich der Prallplatte (33) wirksam zu kühlen.

2. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kammer (28) mit Abstand benachbart zur Saugseite (31) eine in Spannrichtung verlaufende Lochplatte (36) zur Prallkühlung der Innenwand angeordnet ist.

3. Turbinenleitschaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (33) an der Loch platte (36) befestigt ist.

4. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1, bei welcher ein im Schaufelinneren zwischen Druckseite (30) und Saug seite (31) verlaufender Steg (29) den Schaufelhohlraum in eine vordere Kammer (25) und eine hintere Kammer (28) unterteilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (33) in der hinteren Kammer (28) vorgesehen ist.