DE4427360B4

DE4427360B4 - Innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel eines Gasturbinenmotors

Info

Publication number: DE4427360B4
Application number: DE4427360A
Authority: DE
Inventors: Robert J. North Palm Beach Kildea
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1994-08-02
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: GB2291935B; GB9415591D0; GB2291935A; DE4427360A1; FR2723396B1; FR2723396A1; US5476364A

Abstract

Innengekühltes Blatt (16) einer Turbinenrotorschaufel (10) eines Gasturbinenmotors, mit
– einer Kopffläche (32), einer voreilenden Kante (20), einer nacheilenden Kante (22) und einer Druckseite (18),
– einer ringförmigen Abdeckung, die konzentrisch um die Blätter angeordnet ist und mit der Kopffläche (32) einen Spalt (48) begrenzt,
– einem inneren Durchlass (52) zum Leiten von Kühlluft zu Auslässen (30), die benachbart zur Kopffläche (32) des Blattes (16) im Bereich der Druckseite (18) ausgebildet sind und einen Kühlluftstrahl (42) unter einem gegebenen Winkel (C) abgeben,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Auslässe (30) in dem Übergang zwischen der Druckseite (18) und der Kopffläche (32) in einer Ausnehmung (36) mündet, welch letztere sich von der Druckseite (18) in Richtung der Saugseite (24) bis zur saugseitigen Wand des Auslasses und, gesehen in der Richtung von der voreilenden Kante (20) zur nacheilenden Kante (22), im Wesentlichen über die gesamte Breite des betreffenden Auslasses...

Description

Die Erfindung betrifft ein innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel eines Gasturbinenmotors, mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.
Auf dem Gebiet der Gasturbinenmotortechnik ist es bekannt, dass große Anstrengungen unternommen wurden, um die Maschinennutzleistung zu verbessern, indem versucht wird, das Spiel des Spaltes zwischen der äußeren Luftdichtung und dem Kopf der Turbinenschaufel über den vollen Bereich des Maschinenbetriebs auf einem Minimum zu halten. Im Laufe der Jahre wurden zur Erreichung dieses Ziels eine Vielzahl von Erfindungen gemacht und Konzepte entwickelt, um den Spalt passiv oder aktiv genau zu steuern.
Bis zu einem gewissen Grad haben sich viele dieser Erfindungen und Konzepte als erfolgreich erwiesen. Wegen des zunehmenden Bedarfs an Antriebs- und Fluggerätenutzleistung, ist das Problem jedoch immer schwieriger geworden. Die Lösung des Problems wird außerdem durch die Art der Auslegung des Fluggeräts und/oder des Antriebs sowie seine spezielle Bestimmung geprägt. Was beispielsweise für ein Zivilflugzeug zufriedenstellend ist, ist meist für ein Militärflugzeug, insbesondere für ein Kampfflugzeug, nicht zufriedenstellend.

Ein innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel eines Gasturbinenmotors und mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist aus der US 5 261 789 A bekannt. Dieses Blatt hat auf der Druckseite, radial einwärts beabstandet von der Kopffläche, eine zur Kopfflächenkante parallele Stufe. In der Kehle dieser Stufe und in erheblichem Abstand von der Kopffläche des Blattes münden unter einem Winkel Kühlluftauslässe, deren Durchmesser wesentlich kleiner als die Höhe und die Breite der Stufe ist.

Eine ähnliche Konstruktion ist aus der GB 2 105 415 A bekannt, mit dem Unterschied, dass die Kühlluftauslässe nicht unter einem Winkel sondern radial gerichtet sind und, teilweise unmittelbar in der Kopffläche mündend, die Kühlluft in den gegen die Verbrennungsgase abzudichtenden Spalt drücken, mit der Folge, dass die heißesten Teile des Blattes am schlechtesten gekühlt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel zu schaffen, dessen Kühlluftauslässe besser als bisher gegen Verschmutzung, Verstopfen und/oder Zusetzen der Kühlluftauslässe geschützt ist.

Diese Aufgabe ist bei einem solchen innengekühlten Blatt durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch diese Konstruktion wird erreicht, dass die Auslässe einen Kühlluftstrom in den Spalt zwischen der äußeren Luftdichtung und dem Kopf des Blattes ausströmen lassen.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 1 bis 4 angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenrotor schaufel für einen Gasturbinenmotor gemäß der Erfindung;
2 eine Aufsicht der in 1 gezeigten Schaufel;
3 eine Schnitt-Teilansicht entlang den Linien 3-3 von 2;
4 eine Schnitt-Teilansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und
5 eine Endansicht des Turbinenbereichs ohne die Auslässe und die Ausnehmungen in den Turbinenrotorschaufeln.
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus den 1 bis 3, die eine Turbinenrotorschaufel 10 zeigen, die einen Fußbereich 12, eine Plattform 14 und ein Blatt 16 hat. Typischerweise von einem (nicht gezeigten) Verdichterbereich herangeführte Luft wird innerhalb der Schaufel 10 in das Bodenende des Fußbereichs 12 geleitet und in den Gasweg durch die Luftauslasslöcher, wie beispielsweise die Duschkopf- und Filmkühllöcher (nicht gezeigt) ausgelassen. Da diese Erfindung in erster Linie mit den Kopfdichtungs- und Kühllöchern befasst ist, wird die Beschreibung der Einfachheit halber auf diesen Bereich der Schaufel beschränkt. Wegen weiterer Einzelheiten wird auf die US-PS 4 257 737 und die US-PS 4 753 575 verwiesen. Diese beiden Patente und deren Offenbarungsgehalt bilden einen Teil der vorliegenden Anmeldung. Das Blatt 16 hat eine Druckseite 18, eine voreilende Kante 20, eine nacheilende Kante 22, eine Kopffläche 32 und eine Saugseite 24, die sich gegenüber der Druckseite des Blatts befindet.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst der Kopf der Schaufel eine Mehrzahl beabstandeter Auslässe 30, die pro filsehnenartig von der voreilenden Kante 20 zur nacheilenden Kante 22 verlaufen. Beim Stand der Technik verlaufen diese Auslässe von einem inneren Kühldurchlass zum Kopfbereich und enden bündig mit der Kopffläche 32. Gemäß der Erfindung ist eine Ausnehmung 36 mit gewissen kritischen Abmessungen und Beschränkungen in der Kopffläche 32 im Bereich jedes Auslasses 30 ausgebildet. Da sämtliche Ausnehmungen und ihre Kriterien relativ zu den Auslässen 30 identisch sind, werden nachfolgend zur Vereinfachung lediglich ein Auslass und eine Ausnehmung erläutert.
Wie in den 3 und 5 gezeigt, verläuft die Ausnehmung 36 von der Kante der Druckseite 18 zur Saugseite 24 hinauf zur Rückwand 40 des Auslasses 30. Die Ausnehmung 36 verläuft in der anderen Richtung von der voreilenden Kante 20 zur nacheilenden Kante 22 im wesentlichen über die gesamte Breite des Auslasses 30. Für die Ausnehmung 36 gibt es kritische Beschränkungen. Unter gewissen Bedingungen muss der Auslassluftstrom oder -strahl 42 aus dem Auslass 30 berücksichtigt werden. Betrachtet in der Querschnittsebene durch den Luftstrahl 42 ist der Auslass 30 derart angeordnet, dass der äußere Rand in den Begrenzungen enthalten ist, die durch den Spalt 48 und die Verlängerung der Druckseite 18 bestimmt sind. Die den Luftstrahl bezeichnenden Linien sind lediglich aus Veranschaulichungsgründen gewählt, da die Luft auf die äußere Luftdichtung 50 (s. 5) trifft. Obwohl die mit dem Buchstaben A bezeichnete Tiefe der Ausnehmung 36 nicht als kritisch betrachtet wird, sollte sie zumindest fünfundsiebzig Prozent (75 %) der mit dem Buchstaben B bezeichneten Dicke des Auslasses 30 betragen.
Es ist wichtig, dass die Oberfläche 40 des Auslasses 30 unter einem Winkel zur Kopffläche 32 verläuft. Der Winkel, den die Oberfläche 40 mit der Kopffläche 32 einschließt und der mit dem Buchstaben C bezeichnet ist, sollte so gewählt sein, dass die aerodynamische Abdichtung maximiert ist, um den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen und dadurch die Motornutzleistung zu optimieren.
Gemäß der Erfindung ist der Winkel C, der zur Optimierung der Motornutzleistung auszulegen ist, größer als der Winkel bei den bekannten Konstruktionen, die keine Ausnehmung 36 umfassen. Wesentlich ist, dass durch Erhöhen des optimalen Winkels C im Bereich der voreilenden Kante eine bessere Funktion erreicht wird, wo der Winkel C vergrößert werden muss, damit der Auslass 30 den inneren Kühldurchlass 52 schneidet, der sich in Fluidkommunikation mit dem Auslass 30 befindet. Es wird erwartet, dass der innere Kühldurchlass 52, der eine Quelle für Kühldruckluft ist, die Funktion dieses Merkmals im Bereich der voreilenden Kante auf die örtliche Toleranz unempfindlich macht.
Die Gründe, weshalb der optimale Winkel C für die Löcher 30 erfindungsgemäß größer sein soll, ergeben sich auf Folgendem: Erstens dadurch, dass die Druckseite des Luftstrahls 42 dem hohen statischen Druck auf der Druckseite des Blatts ausgesetzt ist, wird ein zusätzlicher Strom hereingezogen und durch den Strahl 42 beschleunigt. Da diese Luft bei größeren Winkeln einen größeren „Zutritt" hat, führt dies dazu, dass der optimale Winkel ein größerer Winkel sein kann.
Zweitens vermag ein Hohlraum, wie die in 4 gezeigte Ausnehmung 36', die im vorstehenden Absatz beschriebene Wirkung zu verstärken und den optimalen Winkel C zu vergrößern (die Luft hat dadurch einen noch größeren Zutritt). Es ist jedoch zu bemerken, dass die Konfiguration in 4 durch die Erwärmung der Fläche 56' begrenzt sein könnte, da die zusätzliche Luft eine Luft aus dem Gasweg ist, die eine sehr viel höhere Temperatur als die Luft des Strahls 42 hat.
Drittens tritt auf den Schaufeln, die sich im Reibeingriff mit der äußeren Luftdichtung 50 (3 und 5) befunden haben, eine stärkere Dichtung auf, da eine Reibung über dem Auslass eine dünne „Rippe" an Material hinterläßt. Anstatt den Strahl 42 zu blockieren, lenkt diese „Rippe" den Strahl 42 zu einem kleineren effektiven Winkel C ab (der näher am optimalen Winkel liegt).
Die Erfindung bezweckt, dass der Winkel der Fläche 56' relativ zu dem Auslass 30 vergrößert wird, wie in 4 gezeigt, um die Nutzleistung zusätzlich zu vergrößern. Um jedoch innerhalb der vorstehend genannten Beschränkungen der kritischen Abmessungen zu bleiben, ist die Tiefe der Ausnehmung 36' dieselbe wie in 3. Die Tiefe wird jedoch an einer Ebene gemessen, die durch die Verbindung verläuft, wo die Ausnehmung 36' den Auslass 30 parallel zur Fläche 32 schneidet (gleiche Bezugsziffern bezeichnen in sämtlichen Figuren jeweils identische Elemente). Der Verbindungspunkt ist mit dem Buchstaben D bezeichnet, und diese Abmessung ist durch die mit dem Buchstaben E bezeichneten Pfeile dargestellt.
Die Ausnehmung 36 (3) und die Ausnehmung 36' (4) werden durch eine geeignete und bekannte elektrische Entladungsmaschine (EDM) hergestellt, die üblicherweise zum Lochbohren verwendet wird. Um die Größe und die Form dieser Ausnehmungen zu erzeugen, ist die Elektrode der EDM-Maschine in bekannter Weise entsprechend geformt. Bei derzeitigen Konstruktionen sind die Auslässe 30, wie gezeigt, als Schlitze ausgebildet, und in der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „Auslässe" und „Schlitze" austauschbar verwendet. Ein wesentlicher Punkt ist, dass zur Erreichung der gewünschten Leistung die Schlitze bei bisherigen Konstruktionen eine Länge von im wesentlichen 1,27 mm (0,050 Inch) haben müssen, um vollständig in der Kopffläche und sehr nahe an der Druckseite durchzutreten. Dies erforderte einen schwer durchzuführenden Herstellungsvorgang und führte deshalb zu einem Herstellungsproblem. Die Erfindung vermindert dieses Problem weitgehend.
Durch die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden neben anderen die folgenden Verbesserungen erzielt:

1. Die Wahrscheinlichkeit, dass Kopfauslässe durch Schmiermaterial infolge von Schaufelkopfreibung verstopft werden, wird minimiert, wodurch sichergestellt ist, dass die Dichtungs- und Kühleigenschaften der Auslässe erhalten bleiben.
2. Die Herstellbarkeit der Auslässe wird durch Unempfindlichmachen des Leistungszuwachses in Bezug auf die Toleranz der Auslassposition relativ zur Druckseite des Blatts verbessert.
3. Die Kopfdichtungsfunktion wird verbessert, wenn der Winkel C (3) aufgrund von räumlichen Beschränkungen vergrößert werden muss.
4. Kopfdichtungsauslasskonfigurationen lassen sich leichter herstellen, wenn die Schaufelkopfoberflächen mit schleifendem Material überzogen sind, das ein Problem beim Bohren von EDM-Löchern und/oder beim Abdecken der Auslässe hervorruft, wenn sie gebohrt werden.

Claims

Innengekühltes Blatt (16) einer Turbinenrotorschaufel (10) eines Gasturbinenmotors, mit – einer Kopffläche (32), einer voreilenden Kante (20), einer nacheilenden Kante (22) und einer Druckseite (18), – einer ringförmigen Abdeckung, die konzentrisch um die Blätter angeordnet ist und mit der Kopffläche (32) einen Spalt (48) begrenzt, – einem inneren Durchlass (52) zum Leiten von Kühlluft zu Auslässen (30), die benachbart zur Kopffläche (32) des Blattes (16) im Bereich der Druckseite (18) ausgebildet sind und einen Kühlluftstrahl (42) unter einem gegebenen Winkel (C) abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Auslässe (30) in dem Übergang zwischen der Druckseite (18) und der Kopffläche (32) in einer Ausnehmung (36) mündet, welch letztere sich von der Druckseite (18) in Richtung der Saugseite (24) bis zur saugseitigen Wand des Auslasses und, gesehen in der Richtung von der voreilenden Kante (20) zur nacheilenden Kante (22), im Wesentlichen über die gesamte Breite des betreffenden Auslasses (30) erstreckt.
Innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (36') angrenzend an die Druckseite (18) einen tieferen Bereich (56') umfassen, der stromlinienförmig in einen weniger tiefen, an den jeweiligen Auslass (30) angrenzenden Bereich übergeht.
Innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass ein Schlitz (30) ist.
Innengekühltes Blatt einer Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (A) der Ausnehmung (36) etwa zumindest 75 % der Schlitzdicke (B) entspricht.