DE4003802C2 - Minimale Leckströmung zwischen Schaufelspitze und gegenüberliegender Gehäusewand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Einrichtungen, um die parasitäre Leckströ­ mung an den Spitzen von Axialturbinenschaufeln zu minimie­ ren.

Wie bekannt ist, hat die Flugzeug-Triebwerkindustrie, um die Leistungsfähigkeit der Triebwerke zu steigern, große Bemühungen aufgewendet in ihren Bestrebungen, um den Spalt oder Abstand zwischen dem äußeren Luftabschluß oder der äußeren Verkleidung und der Spitze der Turbinenschaufeln von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken zu minimieren. Bei­ spielsweise offenbart die US-PS 4 069 662 (I. Redinger et al. vom 24.1.1978) ein wirksam tätiges Spaltreguliersystem, das in ausgewählter Weise Luft auf das Triebwerkgehäuse einwirken läßt, um das Gehäuse zu schrumpfen oder einzuziehen und den äußeren Luftabschluß näher an die Spitzen der Turbinenschaufeln heranzubringen. Andere Systeme offenbaren die passive Bemühung, um den Spalt zu vermindern, indem Luft mit unterschiedlichen Temperaturpegeln in die Nähe des äußeren Luftabschlusses zum Strömen gebracht wird, um diesen zu einem Kontrahieren oder Expandieren zu bringen.

Es ist auch bestens bekannt, daß die Kompliziertheit des Problems unmittelbar auf die Verwendung, für die das Trieb­ werk vorgesehen ist, bezogen ist. Beispielsweise stellen die bei Jagdflugzeugen ausgeführten Flugmanöver Anforderun­ gen an das Flugzeugtriebwerk, die weit über die hinausge­ hen, welche von einem Passagierflugzeug gefordert werden. Der Pilot eines Jagdflugzeugs wird sehr viel mehr Schwünge, Drehungen und Übergangszustände wählen, als das ein Pilot eines Passagierflugzeugs tun wird. Diese Zustände wirken offensichtlich sehr stark auf die Auslegung des Triebwerks ein, was insbesondere für die Verhältnisse des Turbinenro­ torraumes oder -abstandes zum äußeren Luftabschluß gilt. Diese Anforderungen, die durch den Piloten gestellt werden, rufen eine Erhitzung und Kühlung der Konstruktion des Tur­ binenteils derart hervor, daß das Schrumpfen und Expandie­ ren sowie deren Raten das parasitäre Leckströmungsproblem der Turbine beeinflussen. Hieraus folgt, daß jeglicher technischer Beitrag, der dazu dient, den Spalt oder Zwi­ schenraum zu vermindern, während der Turbine ein Betrieb ohne ein unangebrachtes Schleifen am äußeren Luftabschluß ermöglicht wird, als äußerst wesentlich und bedeutungsvoll anzusehen ist, da die Leckströmung die Gesamtleistung des Triebwerks starken Einwirkungen unterwirft.

Ferner ist beispielsweise aus der DE-A1-35 14 393 eine Schaufel einer Axialturbine bekannt, in der Kühlluftöffnungen im Bereich der Schaufelspitze vorgesehen sind, um diesen Bereich zu kühlen. Mit dieser Turbinenschaufel wird eine Minimierung des Spalts zwischen der Turbinenschaufel und der sie umgebenden Verkleidung dadurch erreicht, daß ein geeigneter Abriebsbelag auf der Schaufelspitze vorgesehen ist, damit die Turbine sich während ihres Laufs an die Verkleidung anpassen kann, um somit Leckverluste an der Schaufelspitze zu vermindern.

Schließlich ist aus der EP-A2-0 278 434 die Bildung eines Gaspolsters zwischen der Schaufelspitze und einer Verkleidung bekannt. Die Bohrungen zum Ausstoßen von Kühlluft sind mittig auf der Schaufelstirnfläche angeordnet und in Richtung der Schaufelsehne geneigt.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenschaufel vorzuschlagen, bei der die Leckströmung zwischen Turbine und Verkleidung minimiert ist.

Die Aufgabe wird mit einer Axialturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind auf einer der Verkleidung zugewandten Fläche der Schaufelspitze und längs der druckseitigen Kante dieser Fläche Austrittsmündungen zum Austritt der Kühlluft vorgesehen, die in Richtung auf die Druckseite der Schaufel geneigt sind, um durch Ausstoßen der Kühlluft unter Druck in dem Spalt zwischen der Schaufelspitze und der Verkleidung eine Pufferzone zu erzeugen, die eine Leckströmung zwischen der Schaufelspitze und der Verkleidung vermindert. Mit anderen Worten, es wurde gefunden, daß die Leckströmung ver­ mindert werden kann, indem ein Teil der im Inneren der Tur­ binenschaufeln vorhandenen Kühlluft von der Schaufelspitze in einer besonderen Richtung diskret ausgestoßen wird.

Die Aufgabe sowie die Ziele wie auch die Vorteile und Merk­ male der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeich­ nungen Bezug nehmenden Beschreibung deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Turbinenschaufel längs der Profilsehnenachse gemäß der Erfindung;

Fig. 2 den Schnitt nach der Linie 2-2 in der Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm des Strömungsbildes innenseitig der Turbinenschaufel;

Fig. 4 einen Teilschnitt der Spitze einer Turbinenschau­ fel in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Spitze des Schaufelkörper- oder Schaufelflächenquerschnitts in einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 6 den Schnitt nach der Linie 6-6 in der Fig. 5.

Der Erfindungsgegenstand ist insbesondere wirkungsvoll für Turbinenschaufeln eines Gasturbinentriebwerks, bei dem eine innere Kühlung der Schaufeln erwünscht ist. Die Konstruk­ tion von innenseitig gekühlten Turbinenschaufeln ist in der Literatur beschrieben, weshalb aus Gründen der Einfachheit hier nur derjenige Teil der Schaufel erläutert werden wird, der für das Verständnis der Erfindung notwendig ist. Für Einzelheiten von Gasturbinentriebwerken und Turbinenschau­ feln wird auf die Triebwerke F100 und JT9D der Firma Pratt & Whitney Aircraft, ein Glied der United Technologies Cor­ poration, verwiesen.

Wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, umfaßt die allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnete Schaufel eine Außenwand oder einen Mantel 12, der eine Druckfläche 14, eine Sogflä­ che 16, eine vorlaufende Kante (Vorderkante) 18 und eine nachlaufende Kante (Hinterkante) 20 bestimmt. Die Schaufel wird in doppelwandiger Ausgestaltung gegossen, wobei sich die Innenwand 22 allgemein gleich und parallel zur Außen­ wand 12 erstreckt, jedoch von dieser beabstandet ist, um einen radial verlaufenden Kanal 26 abzugrenzen. Da dieser Kanal 26 Kühlluft zu den Film- oder Schichtkühlöffnungen 28 führt, wird der Kanal 26 als Zufuhrkanal bezeichnet. Wenn­ gleich der Zufuhrkanal als aus einer Mehrzahl von Spei­ sekanälen bestehend dargestellt ist, so wird die Anzahl dieser Kanäle durch die besondere Anwendung bestimmt. Die­ ser Kanal ist eher ein dynamischer als ein statischer Ka­ nal, weil Kühlluft konstant in diesem strömt insofern, als sie kontinuierlich zugeführt wird, wobei ein Teil der Kühlluft ständig an der Spitze durch eine kleine Öffnung oder Düsenöffnung 50 ausgestoßen wird. Das ist am besten in Fig. 2 zu erkennen, die schematisch zeigt, daß am unteren Teil des Zufuhrkanals 26 einströmende Luft radial zur Spitze 30 der Schaufel strömt.

Kühlluft wird auch kontinuierlich zum mittleren Hohlraum geführt, welcher ein radial verlaufender Kanal 32 ist. Auch dieser ist ein dynamischer Kanal, da er kontinuierlich mit Kühlluft gespeist wird und ein Teil der Kühlluft an der Spitze durch kleine Öffnungen oder Düsenöffnungen 52 aus­ strömt. Wie aus der folgenden Beschreibung deutlich wird, wird dieser Kanal, da durch diesen Hohlraum Kühlluft zum Zufuhrkanal 26 geführt wird, um die Kühlluft zu ersetzen, die durch die Filmkühlungsöffnungen 28 ausgestoßen wird, im folgenden als Zufuhrkammer 32 bezeichnet.

Es wird in Betracht gezogen, daß der Zufuhrkanal 26 und die Zufuhrkammer 32 Luft von einem Kompressor empfangen, wie das bei diesen Konstruktionen typisch ist.

Aus dem Obigen wird deutlich, daß sich die Kühlluft im Zu­ fuhrkanal 26 radial vom Fuß zur Spitze der Schaufel hin be­ wegt und die radial beabstandeten Filmkühlöffnungen 28 speist, wodurch die Kühlluft aufgebraucht wird. Da jedoch der Zufuhrkanal 26 ständig mit der Zufuhrkammer 32 über die radial beabstandeten Öffnungen 36 in Verbindung steht, wird immer eine Zufuhr von Kühlluft als Ersatz erreicht. Er­ sichtlicherweise wird die Kühlluft im Zufuhrkanal 26 und in den Zufuhrkammern 32 unter Druck gesetzt, wenn sie sich zur Schaufelspitze bewegt, was auf die Drehung der Schaufel zu­ rückzuführen ist. Wegen dieser Eigenheit sind die Filmkühl­ öffnungen in der Nähe der Schaufelspitze in einer Position, um Kühlluft unter einem akzeptablen Druckpegel zu empfan­ gen.

Bei bisherigen Konstruktionen war der spezielle Druck der Kühlluft an der Schaufelspitze durch den Einlaßdruck am Fuß der Schaufel bestimmt. Insofern wurden höhere Einlaßdrücke gefordert, je höher die speziellen Drücke angesetzt wurden. Das wirft für den Konstrukteur ein Problem auf, falls er versucht, eine Leckströmung zu vermeiden, wenn man die Kühlluft von der Quelle durch einen nicht drehenden Ab­ schnitt zu den drehenden Schaufelkanälen strömen läßt.

Die Zufuhrkammer 32 ist im allgemeinen ein hohler Raum, der sich vom Fuß zur Spitze der Schaufel erstreckt und durch die Innenwand 22 begrenzt ist. Rippen, wie die Rippen 40 und 42, können eingegliedert werden, um eine strukturelle Integrität für die Schaufel zu erlangen. Die Verwendung von Rippen wird jedoch selbstverständlich von der speziellen Konstruktion der Schaufel und ihrer Anwendung bestimmt.

Da die Öffnungen 36 dazu dienen, Kühlluft gegen die Innenfläche 44 des äußeren Mantels zu richten, werden sie im folgenden als Ergänzungskühlöffnungen 36 bezeichnet. Die Ergänzungskühlöffnungen dienen neben anderen Funktionen als Einrichtungen, um den Zufuhrkanal 26 mit Kühlluft zu versorgen, und als Einrichtungen, um die Kühlwirkung zu steigern, indem der in die Filmkühlöffnungen eintretenden Strömung eine Turbulenz vermittelt wird. Es hat sich gezeigt, daß ein Wiederauffüllen oder Ergänzen der Speisekanäle durch die Ergänzungsöffnungen 36 eine erhebliche Verbesserung in der Kühlwirkung gegenüber einer Schaufel, die ohne diese Ergänzungskühlöffnungen getestet wurde, bringt. Die Abmessungen dieser Öffnungen können so gewählt werden, daß ein gewünschter Druckabfall erzielt wird, um das gewünschte Druckverhältnis an den Filmkühlöffnungen zu erreichen.

Eine Kühlung kann ferner dadurch gesteigert werden, daß Hemm- oder Sperrleisten 46 in den Zufuhrkanal 26 eingeglie­ dert werden. Diese Sperrleisten erfüllen eine zusätzliche Funktion neben dem Kühlungsaspekt, indem sie eine Druckab­ fallcharakteristik erzeugen. Dies kann erwünscht sein, wenn die an die Schaufelspitze aufgrund der Zentrifugalwirkung der Luft im Zufuhrkanal 26 und in der Zufuhrkammer 32 sich annähernde Kühlluft unter einen Überdruckzustand gelangt und es notwendig ist, diesen Druck zu vermindern, um das Druckverhältnis zu erreichen, das zur Optimierung der Bil­ dung des aus den Filmkühlöffnungen 28 austretenden Films notwendig ist.

Aus dem Obigen wird deutlich, daß der Zufuhrkanal 26 und die Zufuhrkammer 32 geradlinig durchlaufende Radialkanäle sind und insofern die üblicherweise verwendeten serpenti­ nen- oder schlangenförmigen Kanäle beseitigen. Dieses Merk­ mal ermöglicht es dem Konstrukteur der Schaufel, die Spit­ zenabmessung zu vermindern, da dort nicht länger die Um­ kehrübergänge der serpentinenförmigen Kanalkonstruktion aufgenommen werden müssen und der Konstrukteur nunmehr in der Lage ist, aerodynamische Spitzenabschlußtechniken zur Anwendung zu bringen. Dadurch ist der aerodynamische Kon­ strukteur in der Lage, die Schaufelspitzen-Sehnenlänge mit dem Minimum zu wählen, das durch Erwägungen in bezug auf aerodynamische Leistung gefordert wird, ohne übermäßig Rücksicht auf die Größenerfordernisse für die innere Küh­ lung zu nehmen. Selbstverständlich führt dieses Merkmal mehrere Vorteile mit sich, die in der Turbinenkonstruktion erwünscht und vorteilhaft sind. Durch dieses Merkmal kann in vorteilhafter Weise die Schaufel leichter gemacht wer­ den, hat sie eine erheblich verminderte Zugwirkung und kann die die Schaufel tragende Laufradscheibe leichter gefertigt werden. All diese Merkmale beeinflussen in günstiger Weise die Masse (das Gewicht), die Leistungsfähigkeit und die Le­ bensdauer der Turbine.

Im Betrieb tritt, wie das Strömungsbild von Fig. 3 zeigt, Kühlluft in die Schaufel in deren Fußbereich am untersten Ende der Schaufel ein und durch den Flügelkörper zur Spitze der Schaufel, wird durch die gestrichelten Pfeile A und die ausgezogenen Pfeile B dargestellt ist. Öffnungen in der Spitze erlauben, daß ein Teil der Luft an dieser Stelle ausgestoßen wird, wobei ein Anteil der Kühlluft zum Schau­ fel- oder Siebkopf an der Vorderkante strömt und ein Teil der Kühlluft zur Hinterkante geleitet wird, wie durch die horizontalen Pfeile C und D jeweils angedeutet ist.

Wenn die Luft sich radial auswärts zur Schaufelspitze hin bewegt, ergänzt die Luft in der Zufuhrkammer (Pfeil B) ständig die Luft im Zufuhrkanal (Pfeil A). Insofern wird der Zufuhrkanal ständig mit Kühlluft versorgt. Wegen der Pumpwirkung, die mit der Drehung der Schaufeln verknüpft ist, wird der Druck an der Spitze, wo er am meisten benö­ tigt wird, aus sich heraus erzeugt. Das gewährleistet, daß das geeignete Druckverhältnis an den oder über den Filmöff­ nungen aufrechterhalten wird, und zwar längs der gesamten Fläche des Außenmantels.

Da die Innenwand die Rippen ersetzt, die die Serpenti­ nenkanäle bildeten, dient die Innenwand als eine Wärmeüber­ gangsfläche, um dieselbe Wärmekonvektionseigenschaft zu bieten, die der Serpentinenkonstruktion zugemessen wird oder eigen ist.

Gemäß der Erfindung und wie am besten der Fig. 2 zu entneh­ men ist, sind die kleinen Öffnungen oder Düsenöffnungen 50 und 52 so ausgerichtet, daß die aus den Zufuhrkanälen 26 und der Zufuhrkammer 32 austretende Strömung zur Druckseite der Schaufel hin unter einem Winkel gerichtet wird, der im wesentlichen gleich 40° bis 45° ist. Der Winkel wird von der ebenen Fläche der Schaufelspitze aus gemessen und wird sich an unterschiedlichen Orten der Schaufelfläche ändern. Vorzugsweise wird dieser Winkel auf einem minimalen Wert von etwa 15° sein, jedoch soll er 45° nicht übersteigen. Das dient dazu, eine Puffer- oder Trennzone an der Schau­ felspitze in dem Spalt 54 zwischen der Spitze und der schematisch dargestellten Umhüllung oder Verkleidung 56, welche die Schaufel umschließt, zu bilden. Da die durch die Düsen­ öffnungen 50 und 52 austretende Strömung dem durch die Pumpwirkung der Schaufel hervorgerufenen Vorteil unterwor­ fen war, ist die Geschwindigkeit, mit der die Strömung aus­ gestoßen wird, erheblich hoch, um eine Verminderung der ae­ rodynamischen Verluste herbeizuführen, die ansonsten in diesem Spalt auftreten, und wirksam die Schaufel gegenüber dem Spitzenfreiraum unempfindlich zu machen.

Die Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Tur­ binenschaufel, wobei der Radialkanal 70 sich über die Schaufelfläche von der Sogseite 72 aus quer erstreckt, so daß die Luft an der Spitze benachbart zur Druckseite 74 ausgestoßen wird. Die Austrittsöffnung oder -düse 76 ist mit der ebenen Fläche 78 der Schaufel so ausgerichtet, daß sie einen Winkel von 20° bildet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere beispielhafte Ausfüh­ rungsform gemäß der Erfindung, wobei die Schaufelspitze mit einer Kehle versehen ist, um nahe der Druckseite 62 der Schaufel eine Kühltasche 60 abzugrenzen. Die Austrittsöff­ nungen 64 sind in diesem Fall unter einem Winkel angeord­ net, um eine Puffer- oder Trennzone in der Nachbarschaft der Schaufelspitze zu bilden, so daß ein aerodynamischer Abschluß geschaffen wird, um die Leckströmung des Trieb­ werk-Arbeitsmittels, die in diesem Spalt auftritt, zu ver­ mindern.

Gemäß der Erfindung wird eine aerodynamische Puffer- oder Trennzone in dem Spalt zwischen der Spitze einer luftge­ kühlten Schaufel einer Axialturbine eines Gasturbinentrieb­ werks und der umschließenden Verkleidung oder dem äußeren Luftabschluß erzeugt, indem ein Strom von Kühlluft von der Schaufelspitze in einer wohl überlegten Richtung diskret mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Dieser Strom ist unter einem Winkel mit Bezug zur Drehebene der Turbine ausgerichtet, so daß er in den Spalt in der Richtung der Druckseite der Turbine und vorzugsweise unter einem Winkel mit Bezug zur ebenen Fläche der Spitze der Schaufel zwi­ schen 15° und 45° ausgestoßen wird.

Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen erläutert und bildlich dargestellt wurde, so ist klar, daß dem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet der Technik bei Kenntnis der durch die Erfindung vermittel­ ten Lehre Abwandlungen und Abänderungen an die Hand gegeben sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind.

Claims (4)

1. Axialturbine für ein Gasturbinentriebwerk in Verbin­ dung mit einer die Turbine umschließenden ringförmigen Ver­ kleidung (56), wobei die Turbine eine Mehrzahl von innen­ seitig durch Luft gekühlte Turbinenschaufeln (10) hat, die jeweils eine nahe der Verkleidung angeordnete Schaufelspit­ ze (30) haben, die mit der Verkleidung einen Spalt (54) be­ grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der ringförmigen Ver­ kleidung (56) zugewandten Fläche der Schaufelspitze (30) eine Vielzahl von Austrittsmündungen (50) zum Austritt der Kühlluft der Schaufel (10) vorgesehen ist, die zur Druck­ seite der Schaufel (10) geneigt und zur Druckfläche (14) benachbart sind, wird daß der Winkel der Austrittsmündungen mit Bezug zu der Fläche der Schaufelspitze (30) 15°-45° beträgt.

2. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verkleidung (56) zugewandte Fläche der Schau­ felspitze (30) eine im wesentlichen ebene Fläche ist.

3. Axialturbine nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel von allen Austrittsmündungen (50) im wesentlichen gleich ist.

4. Axialturbine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Schaufel (10) eine Mehrzahl von im Inne­ ren der Schaufel angeordneten luftführenden Kanälen (26, 32) aufweist, von denen sich wenigstens einer als Zufuhrka­ nal (26) radial gerade durch die Schaufel (10) erstreckt und Kühlluft vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze (30) führt, wobei der Zufuhrkanal (26) eine Vielzahl von in der Schau­ felfläche (12) mit radialem Abstand zueinander angeordnete Filmkühlöffnungen (28) und die Austrittsmündungen (50) speist, und wobei diesem Zufuhrkanal (26) von einem benachbarten Kanal (32) ergänzende Kühlluft durch Nachfüllöffnungen (36) zugeführt wird, die längs des Zufuhrkanals (26) radial beabstandet sind.