DE60024362T2

DE60024362T2 - Deckbandkonfiguration für Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE60024362T2
Application number: DE60024362T
Authority: DE
Inventors: Stephen Nicholas Dancer; Alec George Dodd
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: US6413045B1; GB9915648D0; EP1067273A1; DE60024362D1; EP1067273B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mit Deckband versehene Turbinenlaufschaufeln jener Bauart, wie sie in Gasturbinentriebwerken benutzt wird. Die Erfindung hat eine besondere Leistungsfähigkeit, wenn sie bei Gasturbinentriebwerken Anwendung findet, wie sie zum Antrieb von Flugzeugen benutzt werden.
Während sich ein Gasturbinentriebwerk im Betrieb befindet, durchströmen die Verbrennungsgase eine Stufe von Leitschaufeln und werden durch diese auf eine rotierende Stufe von Turbinenlaufschaufeln in bekannter Weise gerichtet. Die Laufschaufelstufe wird dadurch in Drehung versetzt und über eine Verbindungswelle wird dadurch ein Kompressor und/oder ein Fan angetrieben.
Die Seitenränder der Deckbänder der Turbinenlaufschaufeln sind in bekannter Weise gegeneinander durch Mittel abgedichtet, die es ermöglichen, dass sich die Laufschaufeln seitlich voneinander weg bewegen, unter anderem bedingt durch den Einfluss der Zentrifugalkräfte, ohne dass dadurch Spalte gebildet werden, durch die die Gase entweichen könnten. Jedoch müssen axiale Abstände zwischen den stromabwärtigen Rändern der Deckbänder, die die Stufe der Leitschaufeln umgeben und den stromaufwärtigen Rändern der Deckbänder der Turbinenlaufschaufeln vorgesehen werden, um eine Reibung zwischen den Statorstufen und den Rotorstufen zu vermeiden.
Bei der betriebsmäßigen Drehung der Laufschaufelstufe der Turbine erzeugen die Rotationsbelastungen, die auf die Gasströmung ausgeübt werden, zusammen mit den Reibungskräften zwischen dem Gas und der Verbindung der Laufschaufel-Arbeitsabschnitte mit der Unterseite des jeweiligen Deckbandes ein Volumen mit relativ hohem Gasdruck, das radial aus den Schaufeloberflächen in Form eines Strahls in Richtungen austritt, die von der Richtung stromab abweichen, und zwar hauptsächlich in einer Richtung vor den Schaufelvorderkanten, d.h. stromauf hiervon. Die Kräfte des Strahls sind unter gewissen Betriebsbedingungen des zugeordneten Triebwerks ausreichend, um die Kraft des Gases zu überwinden, das den entsprechenden Bereich auf den Leitschaufeln verlässt, d.h. die Verbindung zwischen ihren Arbeitsabschnitten und den Deckbändern in Richtung stromab. Dies führt zu einer nach außen gewendeten Gasströmung durch den Spalt zwischen den Leitschaufeln und der Turbine, und diese Strömung kehrt sich dann um und strömt über das Äußere der Turbinenlaufschaufel-Deckbänder.
Die US-A-5 466 123 beschreibt einen Ringaufbau aus Düsenleitschaufeln mit radial inneren Plattformen, deren stromabwärtige Ränder so konfiguriert sind, dass sie mehrere radial gerichtete konvexe und konkave Abschnitte definieren. Die Konfigurationen dieser Abschnitte sind so ausgebildet, dass sie den statischen Druck in dem Feld unmittelbar stromab der Leitschaufeln verändern. Die Wirkung besteht darin, einen im Wesentlichen in Umfangsrichtung gleichförmigen statischen Druck in diesem Feld zu erzeugen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Deckband versehene Turbinenlaufschaufel zu schaffen, die eine verbesserte Gasströmungssteuerung bewirkt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine mit Deckband versehene Turbinenlaufschaufel vorgesehen, die mit einer gegenüberliegenden mit Deckband versehenen Leitschaufel zusammenwirkt und einen Arbeitsabschnitt mit einem Deckband am radial äußeren Ende bezüglich ihrer Drehachse aufweist, bei der die örtliche Form der Vorderkante des Deckbandes über den Hauptteil der Breitenerstreckung ihrer Vorderkante konvex verläuft, wobei der Scheitel der örtlich konvexen Gestalt betriebmäßig am nächsten dem Deckband der gegenüberliegenden Leitschaufel und direkt vor der Vorderkante des Arbeitsabschnitts der zugeordneten Laufschaufel liegt, wobei die örtlich konvexe Gestalt effektiv identisch mit dem Druckwellenmuster ist, das durch die Gase in der Nähe der Vorderkante des Arbeitsabschnitts definiert ist, wodurch die Verbrennungsgasströmungen, die sich von dem radial äußeren Vorderkantenabschnitt des Arbeitsabschnitts der Turbinenlaufschaufel in Richtungen erstrecken, die nicht stromab gerichtet sind, während sich die Turbinenlaufschaufel, die sich in einem Gasturbinentriebwerk dreht, wenigstens teilweise enthalten ist.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 1, 4 und 5 der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit Leitschaufeln und Turbinenlaufschaufeln, die in bekannter Weise positioniert sind, und zwar mit oder ohne den Merkmalen der vorliegenden Erfindung;
2 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel und einer mit Deckband versehenen Turbinenlaufschaufel, die in bekannter Weise zusammenwirken;
3 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 3 gemäß 2;
4 ist eine der 3 entsprechende Ansicht, bei der jedoch eine Turbinenlaufschaufel mit Deckband ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst; und
5 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 5 gemäß 4.
Gemäß 1 weist ein Gasturbinentriebwerk 10 in Strömungsrichtung hintereinander einen Kompressor 12, eine Verbrennungseinrichtung 14, einen Turbinenabschnitt 16 und eine Abgasdüse 18 auf.
Die Turbinenstufe 16 besteht aus einer Stufe von drehfesten Leitschaufeln 20, denen in Strömungsrichtung eine rotierende Stufe von Turbinenlaufschaufeln 22 folgt, die von der Leitschaufelstufe 20 in Richtung axial des Triebwerks 10 distanziert ist. Jede Leitschaufel 20 und jede Laufschaufel 22 ist mit einem entsprechenden Deckband 24 bzw. 26 versehen. Diese Deckbänder bilden zusammen axiale Abschnitte der Außenwand des Gasringkanals 28.
Nunmehr wird auf 2 Bezug genommen, die einen Nachteil veranschaulicht, der sich bei der Benutzung bekannter Turbinenlaufschaufeln 22 in Verbindung mit Leitschaufeln 20 eingestellt hat.
Während der Rotation der Turbinenlaufschaufeln 22 bewirkt die Reibung zwischen dem Gas und den Arbeitsabschnitten der Schaufeln und der Unterseite der Deckbänder eine örtliche Verzögerung der Gasströmung in jenen Bereichen. Dies führt zu einem Aufbau von Druck in der verzögerten Gasströmung an der Verbindung der jeweiligen Laufschaufel-Arbeitsabschnitte und den Deckbändern, was sich zu einer Strömung entwickelt, die radial nach außen um die Vorderkante jeder Schaufel herum in Richtungen seitlich und davor austritt. Der maximale Druck in der radialen Strömung besteht in jenem Teil des Gases, der von der Vorderkante einer jeden Laufschaufel in Richtung stromab abfließt, d.h. in umgekehrter Richtung relativ zur Hauptströmung durch das Triebwerk. Eine kurze Betrachtung der 3 zeigt das Druckmuster 29 in der verlangsamten Gasströmung, die eine pseudosinusförmige Form besitzt und sich mit der Turbinenstufe dreht.
Im Folgenden wird wiederum auf 2 Bezug genommen. Der oben erwähnte Vorteil besteht darin, dass der Druck der umgekehrten Gasströmung von den Vorderkanten der Schaufeln so hoch ist, dass er die Gasströmung überwindet, die den entsprechenden Bereich der Leitschaufeln 20 in Gegenrichtung übersteigt, was zur Folge hat, dass beide Gasströmungen nach außen durch den Zwischenraum zwischen ihren gegenüberliegenden Deckbandrändern strömen und sich dort mit Kühlluft (Pfeile 25) mischen, die über die äußeren Oberflächen der Deckbänder 26 der Laufschaufeln strömt. Dadurch wird die Wirksamkeit der Kühlluft beeinträchtigt mit der Folge, dass bei bekannten Turbinen eine besondere Kühlluft vorgesehen werden musste, um eine geeignete Kühlung und eine entsprechende Lebensdauer der Laufschaufel-Deckbänder aufrecht zu erhalten. Die Benutzung von mehr Luft zum Erreichen der erforderlichen Kühlung belässt weniger Luft zur Verbrennung und infolgedessen wird der Wirkungsgrad des Triebwerks vermindert.
Nunmehr wird auf 4 Bezug genommen. Die vorliegende Erfindung wird veranschaulicht durch Modifizierung der Vorderkante eines jeden Turbinenlaufschaufel-Deckbandes 26 derart, dass ein Teil hiervon, der unmittelbar vor der Vorderkante seiner jeweiligen Laufschaufel liegt, genügend weit erstreckt ist, um den Hochdruckabschnitt der revertierten Gasströmung abzudecken, bis der Druck darin auf einen Wert abgefallen ist, der zu niedrig ist, um einen nachteiligen Effekt auf die Gegengasströmung auszuüben, die den entsprechenden Bereich der Leitschaufeln 20 verlässt. Durch diese Maßnahmen wird ein Leckstrom nach dem Äußeren der Turbine auf einen annehmbaren Wert vermindert und die Notwendigkeit einer besonderen Kühlung wird vermieden.
In dem dargestellten Beispiel vorliegender Erfindung ist die Vorderkante 30 eines jeden Laufschaufel-Deckbandes 26 konvex gekrümmt, wobei der Scheitel jeder Kurve dem Deckband der gegenüberliegenden Leitschaufel am nächsten liegt und direkt vor der Vorderkante ihres zugeordneten Laufschaufel-Arbeitsprofils liegt. Der übrige Teil der Kurve folgt etwa dem Druckmuster, das in 3 beim Stand der Technik angegeben ist.
In 5 ist die im Druck verminderte Umkehrgasströmung durch unterschiedlich bemessene Pfeile repräsentiert.

Claims

Mit Deckband versehene Turbinenlaufschaufel (22), die mit einer gegenüberliegenden mit Deckband versehenen Leitschaufel (20) zusammenwirkt und einen Arbeitsabschnitt mit einem Deckband (26) am radial äußeren Ende bezüglich ihrer Drehachse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche Form der Vorderkante (30) des Deckbandes (26) über den Hauptteil der Breitenerstreckung ihrer Vorderkante (30) konvex verläuft, wobei der Scheitel der örtlich konvexen Gestalt betriebmäßig am nächsten dem Deckband (24) der gegenüberliegenden Leitschaufel (20) und direkt vor der Vorderkante des Arbeitsabschnitts der zugeordneten Laufschaufel (22) liegt, wobei die örtlich konvexe Gestalt effektiv identisch mit dem Druckwellenmuster ist, das durch die Gase in der Nähe der Vorderkante des Arbeitsabschnitts (22) definiert ist, wodurch die Verbrennungsgasströmungen, die sich von dem radial äußeren Vorderkantenabschnitt des Arbeitsabschnitts der Turbinenlaufschaufel (22) in Richtungen erstrecken, die nicht stromab gerichtet sind, während sich die Turbinenlaufschaufel (22), die sich in einem Gasturbinentriebwerk dreht, wenigstens teilweise enthalten ist.
Turbinenscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenscheibe mit Turbinenlaufschaufeln mit Deckband gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist.
Gasturbinentriebwerk, welches mit einer Turbinenscheibe versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenscheibe gemäß Anspruch 2 ausgebildet ist.