DE4441507C3

DE4441507C3 - Gekühlte Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE4441507C3
Application number: DE4441507A
Authority: DE
Inventors: Hideo Nomoto; Takanari Okamura; Shoko Ito
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2014-11-23
Also published as: FR2712919A1; JPH07145702A; DE4441507A1; FR2769947B1; FR2769947A1; FR2712919B1; JP3110227B2; DE4441507C2; US5533864A

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenschau fel, die einen Schaufelkörper mit einem inneren, hohlen Bereich umfaßt und ein Einsatzkernbauteil, das in den inneren, hohlen Bereich des Schaufelkörpers unter Bil dung eines Zwischenraums eingepaßt ist, welches Ein satzkernbauteil 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 Schaufelkör pers hervorspringend ausgebildet sind. Solche gekühl ten Turbinenschaufeln werden in Gasturbinen verwen det, wie sie beispielsweise in Kraftwerken zur Stromer zeugung oder in Triebwerken eingesetzt werden.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer Gastur bine ist es vorteilhaft, die Turbineneinlaßtemperatur zu erhöhen. Für die davon betroffenen Teile müssen dann hochtemperaturfeste Superlegierungsmaterialien ver wendet werden. Die kritische Temperatur für solche Materialien liegt bei 800 bis 900°C. Die Turbineneinlaß temperatur erreicht jedoch 1300°C. Daher ist es not wendig, 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 Wärmeübergangs zahl erreicht wird, so daß wirksam gekühlt wird. Die Aufprallkühlung ist dann am wirksamsten, wenn das Kühlfluid bzw. die Kühlluft senkrecht auf die zu kühlen de Oberfläche aufprallt. Wenn die Kühlluft nach dem Aufprallen seitlich abströmt, lenkt sie die aus benach barten Aufprallöchern ausströmende Kühlluft vor de ren Aufprallen ab, wodurch die Aufprallkühlung ver mindert 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 Zwischen raum zwischen Schaufelkörper und Einsatzkernbauteil sicherstellen sollen, um durch enge Spalträume mög lichst hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen. Die Löcher im Einsatzkernbauteil sind normalerweise als einfache Öffnungen ausgebildet. Sie können jedoch auch als Düsen ausgebildet sein, indem durch entspre chende Ausformung des Einsatzkernbauteils ein Aus laßkanal gebildet wird. Solche Düsen befinden sich be vorzugt im Bereich der Einströmseite der Kühlluft am vorlaufenden Ende der Schaufel, von wo aus die Luft nach beiden Seiten abströmt. Bei der beschriebenen ge kühlten Turbinenschaufel soll insgesamt eine besonders wirksame Kühlung dadurch erreicht werden, daß zwi schen Schaufelkörper und Einsatzkernbauteil hohe Strömungsgeschwindigkeiten mit entsprechenden Tur bulenzen auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ge kühlte Turbinenschaufel mit verbesserter Kühlung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Haupt anspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße gekühlte Turbinenschaufel wird durch Aufprallkühlung im Zusammenwirken mit durch den Zwischenraum strömender Kühlluft, die be reits zum Aufprallkühlen herangezogen wurde, gekühlt. Das geschilderte Problem der Kühlungsverschlechte rung infolge der Wechselwirkung der Aufprallströmung mit der Strömung der Kühlluft längs des Zwischen raums wird dadurch gelöst, daß der Querschnitt des Zwischenraums zwischen dem Einsatzkernbauteil und dem Schaufelkörper außerhalb der Aufprallöcher er weitert ist, so daß dort genügend Strömungsquerschnitt für die durch den Zwischenraum strömende Kühlluft besteht und die Aufprallkühlung nur wenig verschlech tert wird.

Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Wei terbildung der erfindungsgemäßen gekühlten Turbinen schaufel gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati scher Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Ein zelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Hauptbereiches einer ersten Ausführungsform einer er findungsgemäßen 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 Ausführungsform mit der des Standes der Technik vergleichen;

Fig. 4 Kurven, die die Verminderung der Wärme übergangszahl der ersten Ausführungsform 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 Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfin dung anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Hauptbereiches einer ersten Ausführungsform ei ner 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 Kühlschaufel hauptkörper 5 aufgenommen, wird Kühlluft 8 zuerst dem Einsatzkern 7 zugeleitet und tritt durch viele, im Einsatzkern 7 ausgebildete Aufprallöcher 9 hindurch, und die auf diese Weise erhaltene Aufprallkühlluft 9a prallt auf die Innenfläche des Kühlschaufelhauptkörpers 5 auf.

Bei dieser Ausführungsform sind viele zylindrische Vorsprünge 20 im Einsatzkern 7 derart ausgebildet, daß sie zur Seite des Kühlschaufelhauptkörpers 5 hin vor springen bzw. vorstehen und ist am äußersten Ende je des Vorsprungs 20 ein scheiben-(kreis)förmiges Auf pralloch 9 ausgebildet. Mit dieser Anordnung hat ein Zwischenraum 11 eine vergrößerte Fläche und ist im Zwischenraum ein großer Strömungsweg für die Kühl luft 11a ausgebildet.

Wenn der Einsatzkern 7 eine Zwischenwand bzw. Trennwand bilden soll und der Kühlschaufelhauptkör per 5 bei dieser Ausführungsform ein Mantelsegment (Schaufelversteifungsband) bilden soll, kann diese An ordnung in vollständig gleicher Weise für das Mantel segment verwendet werden.

Genauer sind bei der Anordnung, bei der die Zwi schenwand mit dem Mantelsegment versehen 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 vorste hen, können an der Zwischenwand ausgebildet sein und die Aufprallöcher 9 können an jedem der Vorsprünge 20 ausgebildet sein.

Im folgenden wird die Wirkungsweise dieser Ausfüh rungsform beschrieben.

Mit dieser Ausführungsform ist beabsichtigt, die Wechselwirkung der Aufprallkühlluft 9a mit der Zwi schenraumkühlluft 11a zu vermindern. Ein Grund, war um ein Idealzustand, bei welchem die Aufprallkühlluft 9a senkrecht auf die Innenfläche des Kühlschaufel hauptkörpers 5 auftrifft, nicht verwirklicht werden kann, liegt offensichtlich in der Tatsache, daß die Aufprall kühlluft 9a in X-Richtung durch die Bewegungsgröße der Zwischenraumkühlluft 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 Strömungsgeschwindig keit vermindert wird. Da die Zwischenraumkühlluft 11a aus der Aufprallkühlluft 9a, die auf die Innenfläche des Kühlschaufelhauptkörpers 5 aufgeprallt ist, hervorgeht, muß jedoch die Durchflußmenge der Aufprallkühlluft 9a selbst vermindert werden, um die Massenströmungs menge zu vermindern. Dieses Verfahren jedoch ist nicht vorteilhaft, da die Wirksamkeit der Aufprallkühlung selbst vermindert wird.

Wenn die Fläche des Zwischenraums 11 durch Ausbil dung der Vorsprünge 20, wie bei dieser Ausführungs form, 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 Ausführungsform 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 Zwischenraumkühl luft 11a eine hohe Strömungsgeschwindigkeit hat, die Strahlströmung für die Aufprallkühlung abgelenkt und trifft schräg auf die Innenfläche des Kühlschaufelhaupt körpers 5 auf; im Ergebnis ist die Wärmeübergangszahl vermindert und die Kurven gleicher Wärmeübergangs zahlen des Standes der Technik haben die Form flacher Ellipsen.

Wie in Fig. 3A gezeigt, wird bei dieser Ausführungs form, bei der die Zwischenraumkühlluft 11a eine ver minderte Strömungsgeschwindigkeit hat, demgegen über, weil die Aufprallkühlluft 9a senkrecht auf die In nenfläche des Kühlschaufelhauptkörpers 5 in dessen Nähe aufprallt, die Wärmeübergangszahl vergrößert, und die Kurven gleicher Wärmeübergangszahlen dieser Ausführungsform haben die Gestalt weniger flacher El lipsen. Deshalb hat diese Ausführungsform eine größere mittlere Wärmeübergangszahl und kann eine wirksame re Kühlwirkung erreichen.

D. M. Kercher und W. Tabakoff haben systematisch die Verminderung der Wärmeübergangszahl als Folge der Wechselwirkung zwischen der Aufprallkühlluft 9a und der Zwischenraumkühlluft 11a untersucht und ha ben eine experimentelle Formel entwickelt, die einem dimensionslosen Verfahren unterworfen ist, wie in "He at Transfer by a Square Array of Round Air Jets Imping ing Perpendicular to a Flat Surface Including the Effect of Spent Air", Transaction of AMSE, Journal of Engi neering for Power, January 1970, Seiten 73-82 be schrieben ist. Wenn die Wärmeübergangszahl in Form der Nußeltschen Kennzahl NuD,X als ein dimensionslo ser Wert unter Berücksichtigung der Zwischenraum kühlluft 11a angegeben wird, kann entsprechend der experimentiellen Formel die Wärmeübergangszahl wie folgt angegeben werden.

NuD,X = hD/k (1)

wobei NuD,X die Nußeltsche Kennzahl unter Berück sichtigung der Zwischenraumkühlluft ist, h die Wärme übergangszahl (kcal/m²hr°C) ist, k die Wärmeleitfähig keit (kcal/mhr°C) ist und D der Durchmesser (m) eines Aufpralloches ist.

Das Ergebnis des Experiments ist in der folgenden Formel angegeben:

NuD,X = Φ1Φ2ReD^mPr^1/3(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 Kühlschaufelhauptkörper 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 Wärmeübergangszahl aufgrund des Vorhandenseins der Zwischenraumkühlluft, der fol gendermaßen 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 Zwischenraum kühlluft, Wi ist die Größe der Massenströmung je Flä cheneinheit der Aufprallkühlluft (kg/m²s) und NuD ist die Nußeltsche Kennzahl, wenn keine Zwischenraum kühlluft vorhanden ist.

Entsprechend dem experimentiellen Ergebnis in der obengenannten Literaturstelle wird, wenn der dimen sionslose Wert (Wx,i/Wi)(Yi/D) weiter vergrößert wird, die Wärmeübergangszahl vermindert. Das heißt, wenn die Größe der Massenströmung je Flächeneinheit Wx,i der Zwischenraumkühlluft 11 vergrößert wird, wird die Wärmeübergangszahl vermindert, was ein vernünftiges Ergebnis ist. Des weiteren wird, selbst wenn der Ab stand Yi zwischen dem Aufpralloch 9 und dem Kühlsch aufelhauptkörper vergrößert wird, quantitativ das glei che Ergebnis erzielt, was ein Phänomen ist, was eben falls daraus verstanden werden kann, daß bei einem gro ßen Abstand Yi die Menge an abgelenkter Aufprall kühlluft 9a vergrößert ist. Die Strömungsgeschwindig keit im Zwischenraum 11 muß daher vermindert wer den, während der Abstand Yi so groß wie beim Stand der Technik gehalten werden 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 Kühlschauf elhauptkörpers 5 gehalten wird, und daß die Durchfluß menge je Flächeneinheit der Aufprallkühlluft 9a so groß ist wie beim Stand der Technik indem der Vorsprung 20 im Aufpralloch 9 ausgebildet wird, dann wird die Größe der Massenströmung je Flächeneinheit Wx,i der Zwi schenraumkühlluft 11a durch die Vergrößerung der Flä che des Zwischenraums 11 vermindert, so daß die Ver minderung der Wärmeübergangszahl verhindert wer den kann.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die den Fall zeigt, bei dem die Fläche des Zwischenraums 11 auf das 1,5fache des Standes der Technik vergrößert ist und die Verminderungen der Wärmeübergangszahl von sechs Aufprallöchern berechnet werden und mit denen des Standes der Technik verglichen werden, wobei die Ab szisse 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% vermindert ist, weil die Zwischenraumkühlluft 11a allmählich zunimmt, beträgt die Verminderung der Wärmeübergangszahl dieser Ausführungsform etwa 12%, und somit wird eine große Wirkung erzielt.

Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungs form die Fläche des Zwischenraums 11 vergrößert, wäh rend der Abstand Yi zwischen dem Aufpralloch 9 und dem Schaufelhauptkörper 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 Massenströmung je Flächeneinheit Wx,i der Zwischenraumkühlluft 11a vermindert und die Wechselwirkung der Aufprallkühlluft 9a mit der Zwi schenraumkühlluft 11a wird verhindert, so daß die Ver minderung der Wärmeübergangszahl bei der Aufprall kühlung reduziert werden kann.

Man beachte, daß bei Ausbildung der Vorsprünge 20 an der Zwischenwand und der Aufprallöcher 9 an den Vorsprüngen in dieser Ausführungsform die gleiche Be triebsweise und der gleiche Vorteil auch im Mantelseg ment 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 Be zugszeichen, wie sie bei der ersten Ausführungsform verwendet wurden, zur Bezeichnung der gleichen Teile verwendet. Bei der zweiten Ausführungsform ist eine Mehrzahl kanalförmiger Vorsprünge 21, die zur Seite des Kühlschaufelhauptkörpers 5 hin vorstehen, an ei nem 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 Flä che des Zwischenraums 11 vergrößert werden, während der Abstand Yi zwischen dem Aufpralloch 9 und dem Kühlschaufelhauptkörper 5 so groß wie beim Stand der Technik gehalten werden kann. Des weiteren kann die erste Abänderung durch Ausbildung der reihenförmi gen Vorsprünge 21 einfacher als die erste Ausführungs form hergestellt werden.

Fig. 6 ist eine Längs-/Querschnittansicht, die eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbi nenkühlschaufel zeigt, wobei in Fig. 6 der Einfachheit halber die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform zur Bezeichnung der gleichen Teile verwendet werden. Da die Zwischenraumkühlluft 11a gesammelt wird, so wie die Aufprallkühlluft 9a in strom abwärtiger Richtung strömt, nimmt die Menge an Zwi schenraumkühlluft 11a zum Hinterrand hin zu, beispiels weise indem ein abgestufter Einsatzkern verwendet wird, wie in Fig. 6 dargestellt.

Bei der dritten Ausführungsform ist der Zwischen raum zwischen dem Einsatzkern 7 und dem Kühlschauf elhauptkörper 5 somit zum Hinterrand hin vergrößert. Da die Zwischenraumkühlluft 11a eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit hat, kann bei der zweiten Abänderung die Wärmeübergangszahl beim Aufprall kühlen 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 Kühlschauf elhauptkörper 5 das Mantelsegment ist.

Claims

1. Gekühlte Turbinenschaufel, die
einen Schaufelkörper (5) mit einem inneren, hohlen Bereich umfaßt; und
ein Einsatzkernbauteil (7), das in den inneren hohlen Bereich des Schaufelkörpers unter Bil dung eines Zwischenraums (11) eingepaßt ist, welches Einsatzkernbauteil mit Aufprallöchern (9) versehen ist, durch die Kühlluft von der Innenseite des Einsatzkernbauteils in den Zwi schenraum strömt, wobei die Aufprallöcher an den Enden von Vorsprüngen (20) ausgebildet sind, die an dem Einsatzkernbauteil (7) zu den Innenseite des Schaufelkörpers (5) hin vor springend ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die mit den Aufprallöchern (9) ausgebildeten Vorsprünge (20) über die den Innenflächen des Schaufelkörpers (5) gegenüberliegenden Außenflächen des Einsatzkernbauteils (7) verteilt sind, so daß die aus den Aufprallöchern austretende Kühlluft auf die Innenflächen der Schau felkörper (5) aufprallt und zwischen den Vorsprüngen ein erweiterter Strömungsweg für die Kühlluft vorhanden ist,
und daß der Zwischenraum zwischen dem Einsatzkernbauteil (7) und der Innenfläche des Schaufelkörpers (5) derart ausgebildet ist, daß er sich in strömungsabwärtiger Richtung der Kühlluftströmung erweitert.

2. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, daß die Vor sprünge, von denen jeder derart geformt ist, daß ein vom Einsatzkernbauteil (7) in Richtung auf die Innenfläche des Schaufelkörpers (5) vorstehender Kanal (21) gebildet ist, in einer Rei he im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Kühlluft angeordnet sind.

4. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Auf pralloch (9) kreisförmige Gestalt hat.