DE4441507C2 - Gekühlte Turbinenschaufel - Google Patents

Gekühlte Turbinenschaufel

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Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenschaufel, die einen Schaufelkörper mit einem inneren, hohlen Bereich umfaßt und ein Einsatzkernbauteil, das in den inneren, hohlen Bereich des Schaufelkörpers unter Bildung eines Zwischenraums eingepaßt ist, welches Einsatzkernbauteil mit Aufprallöchern versehen ist, durch die Kühlluft von der Innenseite des Einsatzkernbauteils in den Zwischenraum strömt, wobei die Aufprallöcher an den Enden von Vorsprüngen ausgebildet sind, die am Einsatzkernbauteil zu der Innenseite des Schaufelkörpers hervorspringend ausgebildet sind. Solche gekühlten Turbinenschaufeln werden in Gasturbinen verwendet, wie sie beispielsweise in Kraftwerken zur Stromerzeu­ gung oder in Triebwerken eingesetzt werden.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer Gasturbine ist es vorteilhaft, die Turbinen­ einlaßtemperatur zu erhöhen. Für die davon betroffenen Teile müssen dann hochtempera­ turfeste Superlegierungsmaterialien verwendet werden. Die kritische Temperatur für solche Materialien liegt bei 800 bis 900°C. Die Turbineneinlaßtemperatur erreicht jedoch 1300 °C. Daher ist es notwendig, gekühlte Turbinenschaufeln einzusetzen.
Eine zur Kühlung von Turbinenschaufeln eingesetzte Technologie ist die sogenannte Aufprallkühlung. Dabei trifft ein Fluid mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu kühlende Wand, wobei eine große Wärmeübergangszahl erreicht wird, so daß wirksam gekühlt wird. Die Aufprallkühlung ist dann am wirksamsten, wenn das Kühlfluid bzw. die Kühlluft senkrecht auf die zu kühlende Oberfläche aufprallt. Wenn die Kühlluft nach dem Auf­ prallen seitlich abströmt, lenkt sie die aus benachbarten Aufprallöchern ausströmende Kühlluft vor deren Aufprallen ab, wodurch die Aufprallkühlung vermindert wird.
Bei einer bekannten gekühlten Turbinenschaufel der eingangs beschriebenen Gattung (DE- OS 21 27 454) ist das Einsatzkernbauteil mit Vorsprüngen oder Nocken ausgebildet, die einen definierten schmalen Zwischenraum zwischen Schaufelkörper und Einsatzkernbauteil sicherstellen sollen, um durch enge Spalträume möglichst hohe Strömungsgeschwindigkei­ ten zu erzielen. Die Löcher im Einsatzkernbauteil sind normalerweise als einfache Öff­ nungen ausgebildet. Sie können jedoch auch als Düsen ausgebildet sein, indem durch entsprechende Ausformung des Einsatzkernbauteils ein Auslaßkanal gebildet wird. Solche Düsen befinden sich bevorzugt im Bereich der Einströmseite der Kühlluft am vorlaufenden Ende der Schaufel, von wo aus die Luft nach beiden Seiten abströmt. Bei der beschriebe­ nen gekühlten Turbinenschaufel soll insgesamt eine besonders wirksame Kühlung dadurch erreicht werden, daß zwischen Schaufelkörper und Einsatzkernbauteil hohe Strömungs­ geschwindigkeiten mit entsprechenden Turbulenzen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekühlte Turbinenschaufel mit verbes­ serter Kühlung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Die erfindungsgemäße gekühlte Turbinenschaufel wird durch Aufprallkühlung im Zu­ sammenwirken mit durch den Zwischenraum strömender Kühlluft, die bereits zum Auf­ prallkühlen herangezogen wurde, gekühlt. Das geschilderte Problem der Kühlungsver­ schlechterung infolge der Wechselwirkung der Aufprallströmung mit der Strömung der Kühlluft längs des Zwischenraums wird dadurch gelöst, daß der Querschnitt des Zwischen­ raums zwischen dem Einsatzkernbauteil und dem Schaufelkörper außerhalb der Aufprallöcher erweitert ist, so daß dort genügend Strömungsquerschnitt für die durch den Zwi­ schenraum strömende Kühlluft besteht und die Aufprallkühlung nur wenig verschlechtert wird.
Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen gekühlten Turbinenschaufel gerichtet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Hauptbereiches einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen gekühlten Turbinenschaufel;
Fig. 2 eine Ansicht aus der Richtung A der Fig. 1;
Fig. 3A und 3B Ansichten, die qualitativ die lokale Wärmeübergangszahl der ersten Aus­ führungsform mit der des Standes der Technik vergleichen;
Fig. 4 Kurven, die die Verminderung der Wärmeübergangszahl der ersten Ausfüh­ rungsform mit der des Standes der Technik vergleichen;
Fig. 5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Hauptbereiches einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel; und
Fig. 6 einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Hauptbereiches einer ersten Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel und Fig. 2 ist eine Ansicht aus der Richtung A der Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein zu einer hohlen Struktur ausgebildeter Einsatzkern 7 in einem Kühlschaufelhauptkörper 5 aufgenommen, wird Kühlluft 8 zuerst dem Einsatzkern 7 zuge­ leitet und tritt durch viele, im Einsatzkern 7 ausgebildete Aufprallöcher 9 hindurch, und die auf diese Weise erhaltene Aufprallkühlluft 9a prallt auf die Innenfläche des Kühl­ schaufelhauptkörpers 5 auf.
Bei dieser Ausführungsform sind viele zylindrische Vorsprünge 20 im Einsatzkern 7 derart ausgebildet, daß sie zur Seite des Kühlschaufelhauptkörpers 5 hin vorspringen bzw. vorste­ hen und ist am äußersten Ende jedes Vorsprungs 20 ein scheiben-(kreis)förmiges Aufpralloch 9 ausgebildet. Mit dieser Anordnung hat ein Zwischenraum 11 eine vergrößerte Flä­ che und ist im Zwischenraum ein großer Strömungsweg für die Kühlluft 11a ausgebildet.
Wenn der Einsatzkern 7 eine Zwischenwand bzw. Trennwand bilden soll und der Kühl­ schaufelhauptkörper 5 bei dieser Ausführungsform ein Mantelsegment (Schaufelverstei­ fungsband) bilden soll, kann diese Anordnung in vollständig gleicher Weise für das Mantelsegment verwendet werden.
Genauer sind bei der Anordnung, bei der die Zwischenwand mit dem Mantelsegment ver­ sehen ist, die Aufprallkühllöcher 9 in der Zwischenwand gebildet, und das Mantelsegment wird durch die Kühlluft 9a gekühlt, die aus den Aufprallkühllöchern 9 zugeführt wird; die Vorsprünge 20, die zur Mantelsegmentseite hin vorstehen, können an der Zwischenwand ausgebildet sein und die Aufprallöcher 9 können an jedem der Vorsprünge 20 ausgebildet sein.
Im folgenden wird die Wirkungsweise dieser Ausführungsform beschrieben.
Mit dieser Ausführungsform ist beabsichtigt, die Wechselwirkung der Aufprallkühlluft 9a mit der Zwischenraumkühlluft 11a zu vermindern. Ein Grund, warum ein Idealzustand, bei welchem die Aufprallkühlluft 9a senkrecht auf die Innenfläche des Kühlschaufelhauptkör­ pers 5 auftrifft, nicht verwirklicht werden kann, liegt offensichtlich in der Tatsache, daß die Aufprallkühlluft 9a in X-Richtung durch die Bewegungsgröße der Zwischenraumkühl­ luft 11a in X-Richtung gebogen bzw. abgelenkt wird.
Das Ablenkungsausmaß der Aufprallkühlluft 9a in X-Richtung kann dadurch vermindert werden, daß die Größe des Massenflusses der Zwischenraumkühlluft 11a vermindert wird oder ihre Strömungsgeschwindigkeit vermindert wird. Da die Zwischenraumkühlluft 11a aus der Aufprallkühlluft 9a, die auf die Innenfläche des Kühlschaufelhauptkörpers 5 auf­ geprallt ist, hervorgeht, muß jedoch die Durchflußmenge der Aufprallkühlluft 9a selbst vermindert werden, um die Massenströmungsmenge zu vermindern. Dieses Verfahren je­ doch ist nicht vorteilhaft, da die Wirksamkeit der Aufprallkühlung selbst vermindert wird.
Wenn die Fläche des Zwischenraums 11 durch Ausbildung der Vorsprünge 20, wie bei dieser Ausführungsform, vergrößert wird, wird somit ein für die Kühlluft 11a bestimmter Pfad bzw. Weg geschaffen, so daß nur die Strömungsgeschwindigkeit vermindert wird, ohne die Durchflußmenge der Luft zu vermindern.
Fig. 3A und 3B zeigen Ansichten, die qualitativ die Wärmeübergangszahl dieser Ausfüh­ rungsform mit der des Standes der Technik vergleichen; in diesen Figuren weist die Kurve gleicher Wärmeübergangszahl innen eine höhere Wärmeübergangszahl auf. Beim Stand der Technik gemäß Fig. 3B wird, da die Zwischenraumkühlluft 11a eine hohe Strömungs­ geschwindigkeit hat, die Strahlströmung für die Aufprallkühlung abgelenkt und trifft schräg auf die Innenfläche des Kühlschaufelhauptkörpers 5 auf; im Ergebnis ist die Wärmeüber­ gangszahl vermindert und die Kurven gleicher Wärmeübergangszahlen des Standes der Technik haben die Form flacher Ellipsen.
Wie in Fig. 3A gezeigt, wird bei dieser Ausführungsform, bei der die Zwischenraumkühl­ luft 11a eine verminderte Strömungsgeschwindigkeit hat, demgegenüber, weil die Aufprall­ kühlluft 9a senkrecht auf die Innenfläche des Kühlschaufelhauptkörpers 5 in dessen Nähe aufprallt, die Wärmeübergangszahl vergrößert, und die Kurven gleicher Wärmeübergangs­ zahlen dieser Ausführungsform haben die Gestalt weniger flacher Ellipsen. Deshalb hat diese Ausführungsform eine größere mittlere Wärmeübergangszahl und kann eine wirksa­ mere Kühlwirkung erreichen.
D. M. Kercher und W. Tabakoff haben systematisch die Verminderung der Wärmeüber­ gangszahl als Folge der Wechselwirkung zwischen der Aufprallkühlluft 9a und der Zwi­ schenraumkühlluft 11a untersucht und haben eine experimentelle Formel entwickelt, die einem dimensionslosen Verfahren unterworfen ist, wie in "Heat Transfer by a Square Array of Round Air Jets Impinging Perpendicular to a Flat Surface Including the Effect of Spent Air", Transaction of AMSE, Journal of Engineering for Power, January 1970, Seiten 73-82 beschrieben ist. Wenn die Wärmeübergangszahl in Form der Nußeltschen Kennzahl NuD,X als ein dimensionsloser Wert unter Berücksichtigung der Zwischenraum­ kühlluft 11a angegeben wird, kann entsprechend der experimentiellen Formel die Wärme­ übergangszahl wie folgt angegeben werden.
NuD,X = hD/k (1)
wobei NuD,X die Nußeltsche Kennzahl unter Berücksichtigung der Zwischenraumkühlluft ist, h die Wärmeübergangszahl (kcal/m²hr°C) ist, k die Wärmeleitfähigkeit (kcal/mhr°C) ist und D der Durchmesser (m) eines Aufpralloches ist.
Das Ergebnis des Experiments ist in der folgenden Formel angegeben:
NuD,X = Φ1 Φ2 ReDmPr1/3(Yi/D)0,091
wobei bedeuten: ReD die Reynoldssche Kennzahl und ReD = ρ VD/µ bedeutet. ρ ist die Dichte (kg/m³), V die Geschwindigkeit (m/s), µ die Viskositätszahl (kg/ms), Pr die Prandtlsche Kennzahl, und Yi der Abstand zwischen einem Aufpralloch und dem Kühl­ schaufelhauptkörper 5. Der Exponent m der Reynoldsschen Kennzahl ist eine Größe, die experimentiell in Form von m = f (Pi/D, ReD) bestimmt wird, und eine Funktion von Pi/D und ReD ist. Pi ist der Aufprallochmittenabstand (m), und Φ1 ist ebenfalls eine Größe, die experimentiell in Form von Φ1 = f (Pi/D, ReD) bestimmt wird und eine Funktion von Pi/D und ReD ist.
Weiter ist der Ausdruck Φ2 ein Korrekturparameter zur Verminderung der Wärmeüber­ gangszahl aufgrund des Vorhandenseins der Zwischenraumkühlluft, der folgendermaßen ausgedrückt wird:
Φ2 = NuD,X/NuD = f {(Wx,i/Wi) (Yi/D), ReD}
Somit ist Φ2 eine Funktion des dimensionslosen Wertes (Wx,i/Wi) (Yi/D) und ReD. In der Formel ist Wx,i die Masse (kg/m²s) je Flächeneinheit der Zwischenraumkühlluft, Wi ist die Größe der Massenströmung je Flächeneinheit der Aufprallkühlluft (kg/m²s) und NuD ist die Nußeltsche Kennzahl, wenn keine Zwischenraumkühlluft vorhanden ist.
Entsprechend dem experimentiellen Ergebnis in der obengenannten Literaturstelle wird, wenn der dimensionslose Wert (Wx,i/Wi) (Yi/D) weiter vergrößert wird, die Wärmeüber­ gangszahl vermindert. Das heißt, wenn die Größe der Massenströmung je Flächeneinheit Wx,i der Zwischenraumkühlluft 11 vergrößert wird, wird die Wärmeübergangszahl ver­ mindert, was ein vernünftiges Ergebnis ist. Des weiteren wird, selbst wenn der Abstand Yi zwischen dem Aufpralloch 9 und dem Kühlschaufelhauptkörper vergrößert wird, quan­ titativ das gleiche Ergebnis erzielt, was ein Phänomen ist, was ebenfalls daraus verstanden werden kann, daß bei einem großen Abstand Yi die Menge an abgelenkter Aufprallkühlluft 9a vergrößert ist. Die Strömungsgeschwindigkeit im Zwischenraum 11 muß daher vermin­ dert werden, während der Abstand Yi so groß wie beim Stand der Technik gehalten wer­ den muß.
Es sei in Fig. 1 angenommen, daß der Zwischenraum 11 vergrößert wird, während der Abstand Yi zwischen dem i-ten Aufpralloch vom Vorderrand des Kühlschaufelhauptkörpers 5 gehalten wird, und daß die Durchflußmenge je Flächeneinheit der Aufprallkühlluft 9a so groß ist wie beim Stand der Technik, indem der Vorsprung 20 im Aufpralloch 9 ausgebil­ det wird, dann wird die Größe der Massenströmung je Flächeneinheit Wx,i der Zwischen­ raumkühlluft 11a durch die Vergrößerung der Fläche des Zwischenraums 11 vermindert, so daß die Verminderung der Wärmeübergangszahl verhindert werden kann.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die den Fall zeigt, bei dem die Fläche des Zwi­ schenraums 11 auf das 1,5fache des Standes der Technik vergrößert ist und die Verminde­ rungen der Wärmeübergangszahl von sechs Aufprallöchern berechnet werden und mit de­ nen des Standes der Technik verglichen werden, wobei die Abszisse die Zahl der Aufprallöcher und die Ordinate die Wärmeübergangszahl im Aufpralloch mit i = 1 im Stand der Technik zeigt und die Wärmeübergangszahl gezeigt ist, indem sie einem dimensionslosen Verfahren unterworfen wird.
Obwohl gemäß Fig. 4 die Wärmeübergangszahl des sechsten (i = 6) Aufpralloches des Standes der Technik im Vergleich zu der des ersten (i = 1) Aufpralloches um 20% ver­ mindert ist, weil die Zwischenraumkühlluft 11a allmählich zunimmt, beträgt die Verminde­ rung der Wärmeübergangszahl dieser Ausführungsform etwa 12%, und somit wird eine große Wirkung erzielt.
Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform die Fläche des Zwischenraums 11 vergrößert, während der Abstand Yi zwischen dem Aufpralloch 9 und dem Schaufelhaupt­ körper 5 so groß wie beim Stand der Technik gehalten wird, indem die Aufprallöcher 9 mit den Vorsprüngen 20 versehen werden. Als Ergebnis wird die Größe der Massenströ­ mung je Flächeneinheit Wx,i der Zwischenraumkühlluft 11a vermindert und die Wechsel­ wirkung der Aufprallkühlluft 9a mit der Zwischenraumkühlluft 11a wird verhindert, so daß die Verminderung der Wärmeübergangszahl bei der Aufprallkühlung reduziert werden kann.
Man beachte, daß bei Ausbildung der Vorsprünge 20 an der Zwischenwand und der Auf­ prallöcher 9 an den Vorsprüngen in dieser Ausführungsform die gleiche Betriebsweise und der gleiche Vorteil auch im Mantelsegment erzielt werden kann.
Fig. 5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die den Hauptbereich einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenkühlschaufel zeigt und in Fig. 5 werden der Einfachheit halber die gleichen Bezugszeichen, wie sie bei der ersten Ausführungsform verwendet wurden, zur Bezeichnung der gleichen Teile ver­ wendet. Bei der zweiten Ausführungsform ist eine Mehrzahl kanalförmiger Vorsprünge 21, die zur Seite des Kühlschaufelhauptkörpers 5 hin vorstehen, an einem Einsatzkern 7 in einer zur Strömung der Kühlluft im wesentlichen parallelen Richtung ausgebildet und ist an jedem Vorsprung 21 ein kreisförmiges Aufpralloch 9 definiert.
Auch bei der zweiten Ausführungsform kann die Fläche des Zwischenraums 11 vergrößert werden, während der Abstand Yi zwischen dem Aufpralloch 9 und dem Kühlschaufel­ hauptkörper 5 so groß wie beim Stand der Technik gehalten werden kann. Des weiteren kann die erste Abänderung durch Ausbildung der reihenförmigen Vorsprünge 21 einfacher als die erste Ausführungsform hergestellt werden.
Fig. 6 ist eine Längs-/Querschnittansicht, die eine dritte Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Turbinenkühlschaufel zeigt, wobei in Fig. 6 der Ein­ fachheit halber die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform zur Be­ zeichnung der gleichen Teile verwendet werden. Da die Zwischenraumkühlluft 11a ge­ sammelt wird, so wie die Aufprallkühlluft 9a in stromabwärtiger Richtung strömt, nimmt die Menge an Zwischenraumkühlluft 11a zum Hinterrand hin zu, beispielsweise indem ein abgestufter Einsatzkern verwendet wird, wie in Fig. 6 dargestellt.
Bei der dritten Ausführungsform ist der Zwischenraum zwischen dem Einsatzkern 7 und dem Kühlschaufelhauptkörper 5 somit zum Hinterrand hin vergrößert. Da die Zwischenraum­ kühlluft 11a eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit hat, kann bei der zweiten Abän­ derung die Wärmeübergangszahl beim Aufprallkühlen gleichmäßiger verteilt werden.
Des weiteren sei darauf hingewiesen, daß die zweite und dritte Ausführungsform in ähnlicher Weise auf ein Mantelsegment angewandt werden können, wenn der Einsatzkern 7 eine Zwischenwand und der Kühlschaufelhauptkörper 5 das Mantelsegment ist.

Claims (5)

1. Gekühlte Turbinenschaufel, die
einen Schaufelkörper (5) mit einem inneren, hohlen Bereich umfaßt; und
ein Einsatzkernbauteil (7), das in den inneren hohlen Bereich des Schaufelkör­ pers unter Bildung eines Zwischenraums (11) eingepaßt ist, welches Einsatzkernbauteil mit Aufprallöchern (9) versehen ist, durch die Kühlluft von der Innenseite des Einsatzkernbau­ teils in den Zwischenraum strömt, wobei die Aufprallöcher an den Enden von Vorsprüngen (20) ausgebildet sind, die am Einsatzkernbauteil (7) zu der Innenseite des Schaufelkörpers (5) hin vorspringend ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Aufprallöchern (9) ausgebildeten Vorsprünge (20) über die den Innenflächen des Schaufelkörpers (5) gegen­ überliegenden Außenflächen des Einsatzkernbauteils (7) verteilt sind, so daß die aus den Aufprallöchern austretende Kühlluft auf die Innenflächen des Schaufelkörpers (5) aufprallt und zwischen den Vorsprüngen ein erweiterter Strömungsweg für die Kühlluft vorhanden ist.
2. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder der Vorsprünge (20) eine zylindrische äußere Gestaltung hat und an seiner der Innenfläche des Schaufelkörpers (5) gegenüberliegenden Endfläche mit einem Aufpralloch (9) versehen ist.
3. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorsprünge, von denen jeder derart geformt ist, daß ein vom Einsatzkernbauteil (7) in Richtung auf die Innenfläche des Schaufelkörpers (5) vorstehen­ der Kanal (21) gebildet ist, in einer Reihe im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Kühlluft angeordnet sind.
4. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Aufpralloch (9) kreisförmige Gestalt hat.
5. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Einsatzkernbauteil (7) und der Innenfläche des Schaufelkörpers (5) derart ausgebildet ist, daß er sich in strömungsabwärti­ ger Richtung der Kühlluftströmung erweitert.
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