DE60020007T2 - Internes Luftkühlungssystem für Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Verbesserungen im inneren Luftsystem einer Gasturbinenschaufel.
• Insbesondere betrifft sie Verbesserungen zum Aussieben von im Luftsystem mitgeführten Teilchen oberhalb einer vorgegebenen Größe und zum Austragen dieser übergroßen Teilchen.
• Es besteht eine Notwendigkeit, bestimmte Komponenten wie beispielsweise Düsenleitschaufeln in Gasturbinentriebwerken zu kühlen, indem eine Strömung relativ kühler Luft in das Innere des Schaufelblattabschnitts erzeugt wird. Die Schaufelblattabschnitte einfach hohl auszubilden und Luft hindurchzuleiten ist bezüglich der Kühlung ineffizient und vergeudet Luft. Es wird bevorzugt, die Kühlluft in gewissen Bereichen des Schaufelblatts zu konzentrieren, und eine Möglichkeit, dies zu tun, ist das Richten konzentrierter Kühlluftstrahlen auf gewisse Teile der Innenoberfläche in einer als Auftreffkühlung bekannten Technik. Das Schaufelblatt ist gewöhnlich als Hohlkörper gegossen und hat innere Positionierelemente, die einen Einsatz positionieren, der eine perforierte Platte ein perforiertes Blech in kurzer Entfernung von der Innenoberfläche umfasst. Denn die inneren Hohlräume mit einer Quelle druckbeaufschlagter Kühlluft verbunden werden, bewirken kleine Löcher in der Platte das Auftreffen von Kühlluft auf die Innenwände des Schaufelblatts. Zusätzlich können kleine Löcher in den Schaufelblattwänden vorgesehen sein, damit ein Teil der verbrauchten Kühlluft durch diese austreten und einen Luftfilm über der Außenoberfläche erzeugen kann. Ein Beispiel eines solchen Schaufelblatts ist in der US 4 063 851 (Weldon) offenbart.
• Ein Nachteil von Innenluftsystemen dieser Art ist die Empfindlichkeit der kleinen Löcher gegen Verstopfung durch große Teilchen, die im Kühlluftstrom mitgeführt werden können. Dieser Nachteil ist besonders evident, wenn das Gasturbinentriebwerk in Umgebungen betrieben wird, wo große Teilchen, z.B. Staub und Sandpartikel, in der Luft vorhanden sind. Die Teilchen sammeln sich im Luftsystem fortschreitend an und bewirken Verstopfungen, welche die Kühlluftzufuhr unterbrechen. Wenn diese Verstopfungen erheblich werden, können beeinträchtigte Teile der gekühlten Komponente sich überhitzen und schnell anfangen, Hitzeschäden zu erleiden. Ein Ausfall der Komponente kann recht schnell auftreten. Unsere ebenfalls anhängige Anmeldung GB 98 13 251.7 (Anwaltsakten zeichen BL 2637 UK) und nachfolgende Anmeldungen, die deren Priorität beanspruchen, beinhalten eine Lösung dieser Probleme, in dem sie versuchen, Teilchen oberhalb einer gewissen Größe aus Teilen des Luftsystems mit Löchern und Kanälen, die klein genug sind, um gegen Verstopfung durch diese Teilchen empfindlich zu sein, herauszuhalten und sicherzustellen, daß selbst dort, wo Teilchen eingefangen usw. werden, die Zufuhr von Kühlluft nicht wesentlich gehemmt wird. Diese Anordnungen stellen sicher, daß eine Zufuhr von Kühlluft auf einem vorgegebenen Pegel wieder eine viel längere Zeitperiode aufrechterhalten wird, als dies vorher erreicht worden ist. Um jedoch ein Aufbauen ausgesiebter Teilchen zu vermeiden, die weitere Verstopfungen erzeugen, ist es notwendig, sie aus dem Luftsystem auszutragen.
• Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer Lösung dieses weiteren Problems und kann allein oder in Verbindung mit den oben erwähnten früheren Anordnungen eingesetzt werden, um das vollständige Abscheiden und Austragen übergroßer Teilchen aus dem Innenluftsystem zu bewirken.
• Deshalb ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Gasturbinenschaufel mit innerem Luftsystem vorgesehen, die mit einer Wandkühlanordnung ausgestattet ist, die Mittel zum Aussieben festen Teilchenmaterials über eine vorgegebenen Größe (f) im Luftstrom des inneren Luftsystems, eine Kammer, wo solche übergroßen Teilchen abgetrennt werden können, und Austragmittel aufweist, die von der Kammer in einen äußeren Luftstrom zum Austragen der übergroßen Teilchen führt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen Raum angrenzend an eine Seitenwand der Schaufel umfasst und die Wandkühlanordnung und die Kammer mittels eines Einsatzes gebildet sind, der von der Innenseite der Schaufelseitenwand durch einen vorgegebenen Spalt (c) zur Bildung des Kammerraums und einen Siebschlitz beabstandet ist, durch welchen die Wandkühlanordnung mit Kühlluft aus dem Kammerraum versorgt wird, wobei der Siebschlitz so bemessen ist, daß er den Durchtritt von Teilchen verhindert, die größer als eine vorgegebene Größe (f) sind.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beispielshalber beschrieben, um zu erläutern, wie die Erfindung praktisch ausgeführt werden kann, wobei Bezug auf die anliegenden Zeichnungen genommen wird, in denen zeigt:
• 1 eine perspektivische Darstellung eines Düsenleitschaufelsegments,
• 2 einen Querschnitt einer Leitschaufel längs der Linie I-I in 1,
• 3 eine Einzelheit des Leitschaufelauskleidungseinsatzes im Bereich der Austragmittel, und
• 4 eine nähere Darstellung der Austragmittelanordnung einschließlich der Auskleidung nach 3.
• Die grundsätzliche Anordnung eines Gasturbinentriebwerks ist bekannt, und diese soll hier nicht im einzelnen beschrieben werden. Es ist daher klar, daß in einem Triebwerk herkömmlicher Bauart die Rotorstufen mit Statorringen abwechseln, die gewöhnlich als Leitschaufeln oder Düsenleitschaufeln bezeichnet werden. Diese Stufen stromab der Brenneinrichtung können mittels eines Innenluftsystems, welches mit relativ kühlerer Luft aus dem Verdichter gespeist wird, innengekühlt und mit einer Außenoberflächenfilmkühlung ausgestattet werden.
• Ein solcher Düsenleitschaufelring ist aus einer Anzahl von Leitschaufelsegmenten aufgebaut, von denen einer in der perspektivischen Ansicht nach 1 dargestellt ist, und die mit ihren Enden aneinanderstoßend um den Gaskanal zusammengesetzt sind. Das allgemein mit 2 bezeichnete Leitschaufelsegment weist eine radial innere und eine radial äußere Plattform 4, 6 auf, die beabstandet sind, um die entsprechende Wand des Gaskanals zu bilden. Eine Mehrzahl hohler Leitschaufeln, wie sie allgemein mit 8 bezeichnet ist, verläuft in radialen Richtungen zwischen den Plattformen 4, 6. Das innere der Leitschaufeln 8 wird, wie durch Pfeile 10 gezeigt, mit Kühlluft aus einer die äußeren Plattformen 6 unmittelbar umgebenden Sammelkammer 11 versorgt. Es versteht sich daher, daß bei diesem speziellen Beispiel die Kühlluftströmung 10 in radial einwärtiger Richtung in das Innere 12 der Leitschaufeln 8 eintritt.
• 2 zeigt das Innere einer Leitschaufel mehr im einzelnen. Der hohle Innenraum 12 der Schaufel 8 ist mittels Blechmetalleinsätzen 14, 16 in mehrere Kammern unterteilt. Ursprünglich wird die Schaufel 8 mit einem einzigen inneren Hohlraum gegossen, der durch druck- und saugseitige Seitenwände 18, 20 begrenzt wird und zur Vorderkante und Hinterkante 22, 24 konvergiert. Die Seitenwände 18, 20 sind an ihren Innenoberflächen mit mehreren einstückig angegossenen Elementen versehen, nämlich einer Mehrzahl einzelner Vorsprünge 26 (die in der Zeichnung als einwärts weisende pilzförmige Vorsprünge erscheinen), die über die Innenoberfläche von ungefähr der Sehnenmitte bis zur Hinterkante 24 beabstandet sind, und zwei entgegengesetzt weisende radiale Nuten 28, 30, die etwa bei der größten Schaufelbreite über die volle Schaufelhöhe verlaufen. Der erste Einsatz 14 erstreckt sich über die volle Höhe der Schaufel und besteht aus einem einfachen, ungefähr V-förmigen Blech, das zur Hinterkante hin verläuft, um zwei Seitenplatten 14a, 14b zu bilden. Die distalen Ränder 32, 34 dieser Platten sind als Rinnen ausgebildet, die so bemessen sind, daß sie in die Wandnuten 28 bzw. 30 eingreifen.
• Der Einsatz 14 ist so in das Innere der Schaufel eingesetzt, daß die Rinnen 32, 34 in die Wandnuten 28, 30 eingreifen, und die Spitzen der mehreren Vorsprünge 26 an den Oberflächen der Platten 14a, 14b anstoßen. Der Einsatz 14 bildet daher eine Auskleidung im Inneren des Schaufelblatts, der einen Kühlspalt angrenzend an die Innenwandfläche der Seitenwände 18, 20 definiert, dessen Breite durch die Höhe der Vorsprünge 26 bestimmt ist. Der zweite Einsatz 16 umfaßt eine gesonderte Platte bzw. ein gesondertes Teil, das in den Raum zwischen den Rinnen 32, 34 des ersten Einsatzes in Position gebracht ist und den Eingriff der Rinnen mit den Wandnuten 28, 30 verstärkt. Dieser zweite Einsatz kann ein Bauteil oder eine Platte sein, wie in unserer parallelen GB-Patentanmeldung Nr. 98 13 251.7 beschrieben.
• Die Innenkühlung besteht aus mehreren Elementen: Das von den Einsatzplatten 14a, 14b und dem Einsatz 16 begrenzte Innenvolumen 12 erhält Kühlluft aus einer Quelle (nicht dargestellt), die durch ein radial äußeres Ende des Schaufelblattabschnitts (1) eintritt. Ein Teil dieser Luft gelangt durch Löcher 17 in der Platte 16 hindurch und bildet Auftreff kühlstrahlen in einer vorderen Kammer bzw. einem Raum 38 hinter der Vorderkante 22 des Schaufelplatzes. Der Rest der in das Volumen 12 eintretenden Luft wird zwischen Auftreffkühllöchern 45 in den Auskleidungsplatten 14a, 14b, der Filter- oder Siebanordnung, welche Luft in den Auskleidungswandkühlspalt 42 zuführt, und eine zum Ausblasen ausgefilterter übergroßer Teilchen benutzte kleine Menge aufgeteilt.
• Zum Zweck der Außenkühlung sind die Wände 18, 20 der Schaufel durch eine Vielzahl von Austrittskühlöffnungen durchstochen, wie bei 36 in den 1 und 2 dargestellt ist. Im vorderen Teil der Schaufel 2, d.h. links von dem Trennwandteil 16 in 1, stehen die Öffnungen 36 mit einer vorderen Kammer 38 in Verbindung, die über die Auftrefflöcher 17 im Bauteil 16 mit druckbeaufschlagter Kühlluft versorgt wird.
• Entsprechende Austrittskühlöffnungen 40 im hinteren Teil der Schaufel hinter der Trennwand 16 stehen mit einem schmalen Spalt 42 in Verbindung, der zwischen dem Einsatz 14 und der Innenwandfläche der Schaufelwände 18, 20 gebildet ist. Wie oben erwähnt, wird die Breite dieses Spalts 42 durch die Höhe der Vorsprünge 26 bestimmt, an denen der Einsatz 14 anstößt. Die Vorsprünge 26 sind voneinander getrennt und vergrößern den Oberflächenbereich der Schaufelwände 18, 20 beträchtlich, der der Kühlströmung ausgesetzt ist, und sie wirken natürlich zur Bildung verbundener Mehrpfadkanäle für die Kühlströmung zusammen.
• Die Kühlluftströmung durch den Spalt 42 wird über die Sieb- bzw. Toranordnung bereitgestellt, die in den 3 und 4 gezeigt ist, die Teilchen oberhalb einer vorgegebenen Größe abscheidet und die ausgesiebten Teilchen in den Gaskanal austrägt. Mindestens ein wesentlicher Teil der Kühlströmung durch den Spalt 42 (und bei manchen Anordnungen die gesamte) tritt durch einen Abscheideschlitz bzw. eine Siebsperre 44 in den Spalt ein. Eine Auftreffkühlung der Schaufelwände 18 kann auch durch Kühllöcher 48 erfolgen, die in den Wänden 14a, 14b des Auskleidungseinsatzes 14 gebildet sind. Die durch den Raum oder Spalt 42 zwischen der Auskleidung 14 und den Schaufelwänden 18, 20 strömende Kühlluft wird entweder durch die Hinterkante 24 oder die Austrittskühlöffnungen 40 ausgeblasen.
• Es wird nun auf 3 Bezug genommen, wo eine Kammer 46 durch eine konkave Ausbuchtung gebildet ist, bei dieser speziellen Ausführungsform als flacher rechteckiger Sumpf 48, die in die Wand der Einsatzplatte 14a, eingepresst ist. Die Rückwand des Sumpfes 48 ist durch eine Vielzahl von Öffnungen 50 durchbrochen (in der Zeichnung 3, im allgemeinen ist mindestens eine solche Öffnung vorhanden), die eine offene Verbindung mit dem Innenraum 12 der Schaufel herstellen. Vorzugsweise ist die Kammer 46 und daher der Sumpf 48 an dem zum Kühllufteintritt gegenüberliegenden Ende der Schaufelspannweite angeordnet. Daher ist bei der dargestellten Ausführungsform, wo der Lufteintritt durch die radial äußere Schaufelplattform 6 erfolgt, die Kammer 46 usw. am radial inneren Ende der Schaufelspannweite neben der Plattform 4 und zu einer der Nuten 28 hin angeordnet, welche das Trennwandteil 16 positioniert. Bei den beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Seiten der rechteckigen Kammer 46 nicht für die Strömung offen. Eine Seite angrenzend an das Trennwandteil 16 ist durch das Teil 16 verschlossen, welches die Platte 14a in dichtende Berührung mit der Schaufelwand 18 entlang der Kante der Nut 28 drängt. Eine zweite Seite zur inneren Plattform 4 hin ist durch einen Boden 19 wirksam abgedichtet, an welchem der radial innere Rand der Platte 14a anstößt. Ein Luftstrom aus der Kammer 46 in den Spalt 42 ist an zwei Seiten möglich, so daß der Siebspalt 44 an diesen Seiten zwischen der Oberfläche der Einsatzplatte 14a und einer erhabenen Formation 52 in der Schaufelwand 18 gebildet ist. Die erhabene Formation 52 kann einen "L-förmigen" Teil gegenüber von zwei Seiten des Sumpfes 48 bilden. Der Spalt "f" in 4 zwischen der Spitze der erhabenen Formation 52 und der Platte 14a umfasst eine Sieböffnung, welche Teilchen von größerer Größe als der Breite "f" des Spalts aus dem Kühlraum 42 fernhält.
• Teilchen mit Übergröße können sich daher in der Kammer 46 sammeln, außer es ist ein Austragmittel vorgesehen, das aus der Kammer durch die Schaufelwand 18 in die äußere Luftströmung mit mindestens einer Austragöffnung 54 führt. Vorzugsweise ist die oder jede Austragöffnung 54 rückwärts abgewinkelt und gegenüber einer entsprechenden Öffnung 50 in der Rückwand der Kammer positioniert. Die Größe(n) der Öffnungen 50, 54 können gleich sein, aber dies ist nicht notwendig. Jedoch muß die Größe der Öffnungen "e" und "d" jeweils größer als die maximale Größe der Teilchen sein, die zum Durchtritt durch die übrigen Öffnungen zugelassen sind. Des weiteren muß die Breite "f" des Sieb schlitzes 44 kleiner als die Größe "h" der Austrittskühlöffnungen 40 sein, die von dem Wandspalt 42 durch die Schaufelwände 18 führen.
• Im Betrieb tritt Kühlluft in den Haupthohlraum 12 der Schaufel ein; ein Teil gelangt durch die Trennwand 16 in den vorderen Hohlraum zum Austritt durch die Vorderkanten-Oberflächenfilmkühlöffnungen 36, ein weiterer Teil wird zur Auftreffkühlung der Schaufelwände 18, 20 durch Löcher 45 in den Einsatzplatten 14a, 14b verwendet, und der Rest wird in den Raum 42 zwischen den Platten und den Schaufelwänden durch die Kammer 46 und den Siebspalt 44 eingeleitet. Der gemeinsame Pfad bei diesen Kühlströmungen ist der erste Abschnitt im Hohlraum 12 und die Erfahrung zeigt, daß größere Teilchen in der Strömung sich im stromabwärtigen Ende dieses Abschntits anzuhäufen tendieren. Bei der vorliegenden Anordnung ist in diesem Bereich die Kammer 46 angeordnet, und der Pfad durch die Austragöffnungen 46, 54 bewirkt die Abscheidung der größeren Teilchen durch Ausstoßen der Teilchen in einen Luftstrom, der von einer inneren Öffnung oder inneren Öffnungen 50 durch die Sammelkammer 46 gelangt und durch eine äußere Öffnung oder äußere Öffnungen 54 in den Gaskanal austritt.

Claims (7)

1. Gasturbinenschaufel (8) mit innerem Luftsystem, die mit einer Wandkühlanordnung ausgestattet ist, die Mittel (44) zum Aussieben festen Teilchenmaterials über einer vorgegebenen Größe (f) im Luftstrom des inneren Luftsystems, eine Kammer (46), wo solche übergroßen Teilchen abgetrennt werden können, und Austragsmittel (54) aufweist, die von der Kammer (46) in einen äußeren Luftstrom zum Austragen der übergroßen Teilchen führt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (46) einen Raum angrenzend an eine Seitenwand (18) der Schaufel umfasst und die Wandkühlanordnung (42) und die Kammer (46) mittels eines Einsatzes (14) gebildet sind, der von der Innenseite der Schaufelseitenwand (18) durch einen vorgegebenen Spalt (c) zur Bildung des Kammerraums (46) und einen Siebschlitz (44) beabstandet ist, durch welchen die Wandkühlanordnung (42) mit Kühlluft aus dem Kammerraum (46) versorgt wird, wobei der Siebschlitz (44) so bemessen ist, dass er den Durchtritt von Teilchen verhindert, die größer als eine vorgegebene Größe (f) sind.
2. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei die Mittel (44) zum Aussieben fester Teilchen zwischen dem Kammerraum (46) und der Wandkühlanordnung (42) angeordnet ist, um Teilchen auszusieben, die mit der dazwischen zugeführten Kühlluft mitgeführt werden.
3. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Kammerraum (46) durch eine in dem Einsatz (14) gebildete konkave Einbuchtung (48) gebildet ist.
4. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 3, wobei der Einsatz (14) aus einem Metallblech (14a) besteht und die konkave Einbuchtung (48), welche den Kammerraum (46) bildet, in eine Wand des Blechs (14a) eingepresst ist.
5. Gasturbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Austragsmittel mindestens eine offene Öffnung (54) aufweisen, die eine Verbindung zwischen der Kammer (46) und dem äußeren Luftstrom herstellt.
6. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 5, wobei Kühlluft in die Kammer (46) durch mindestens eine Einlassöffnung (50) in der Wand der Kammer (46) eintritt, die Luft aus dem inneren Luftsystem erhält.
7. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Einlassöffnung (50) und die mindestens eine Auslassöffnung (54) im wesentlichen koaxial sind.