DE60024917T2

DE60024917T2 - Schaufelspitze mit Prallkühlung

Info

Publication number: DE60024917T2
Application number: DE60024917T
Authority: DE
Inventors: Victor Hugo Silva Milton Mills Correia
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2020-05-04
Also published as: DE60024917D1; EP1057970A2; EP1057970B1; US6231307B1; JP2000345803A; EP1057970A3

Description

Gegenstand der Erfindung sind allgemein Gasturbinenantriebe und insbesondere die Kühlung von Turbinenschaufeln.
Bei einem Gasturbinenantrieb wird in einem Kompressor Luft komprimiert und in einer Brennkammer mit Kraftstoff vermischt und gezündet, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Die Gase fließen durch Turbinenstufen, die ihnen Energie entziehen, um den Kompressor anzutreiben und Nutzarbeit zu erzeugen, wie beispielsweise einen Bläser anzutreiben, der ein Luftfahrzeug im Flug vorwärts treibt.
Eine Turbinenstufe enthält eine Reihe von Turbinenschaufeln, die sich von einem sie tragenden Laufrad radial nach außen erstrecken. Jede Schaufel enthält ein Blatt, über das die Verbrennungsgase strömen, wobei ihnen Energie entzogen wird. Das Blatt ist hohl und mit Luft versorgt, die von dem Kompressor abgeleitet wird, um als Kühlmittel zur Kühlung des Blatts während des Betriebs zu dienen.
Es wird ein maximaler Wirkungsgrad der Turbine erreicht, indem das radial äußere Ende der Schaufel einem umgebenden stationären Turbinengehäuse unmittelbar benachbart angeordnet wird, um Leckagen der Verbrennungsgase zwischen ihnen zu minimieren. Jedoch können unterschiedliche thermische Ausdehnungen und Kontraktionen zwischen den Blattenden und dem Turbinengehäuse eine Reibung zwischen ihnen verursachen. Zur Anpassung an diese Reibung enthält das Ende der Schaufel an ihrem Außenumfang eine Anlaufspitzenrippe, die sich von einem Endabschluss weg erstreckt, der innerhalb der Schaufel einen Kühlmittelströmungskanal abschließt. Die Anlaufrippe kann dem Gehäuse eng benachbart angeordnet werden und beschränkt die Reibung zwischen dem Oberflächenbereich und der Rippe.
Jedoch ist die Anlaufrippe auf diese Weise von drei Seiten den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt und schwierig zu kühlen, was die Lebensdauer der Schaufel entsprechend beeinträchtigt. Das Schaufelende wird typischerweise gekühlt, indem in dem Endabschluss Löcher vorgesehen werden, die einen Teil des Kühlmittels in die Endausnehmung leiten, die oberhalb des Endabschlusses gebildet ist. Außerdem können sich geneigte Filmkühlungsöffnungen durch die konkave oder druckseitige Seitenwand der Schaufel gerade unterhalb des Endabschlusses erstrecken, um Filmkühlungsluft zu liefern, die den druckseitigen Abschluss der Spitze in Filmkühlungsluft badet. Die oben genannte Spitzenkühlung wird in dem Dokument US-A-4142824 beschrieben, die solche Kühlöffnungen beschreibt. Jedoch weist diese Form der Spitzenkühlung eine beschränkte Effizienz auf.
Entsprechend wird es gewünscht, eine Turbinenschaufel zu schaffen, die eine verbesserte Schaufelspitzenkühlung aufweist.
Eine Turbinenschaufel enthält druck- und saugseitige Seitenwände, die miteinander an voreilenden und nacheilenden Kanten verbunden sind und sich vom Fuß zur Spitze erstrecken. Die Spitze enthält eine Spitzenrippe, die sich von einem Spitzenende, das einen internen Flusskanal zwischen den Seitenwänden abschließt, weg erstreckt. Durch den Spitzenabschluss bzw. die Rippe erstrecken sich ein ausgerichtetes Paar erster und zweiter Löcher, um Kühlmittel aus dem Strömungskanal auszugeben.
Die Erfindung wird nun im Wege eines Beispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:
1 eine ausschnittsweise isometrische Schnittansicht einer exemplarischen Gasturbinenlaufschaufel mit einer verbesserten Spitze gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
2 ist eine geschnittene Seitenansicht durch das in 1 veranschaulichte Schaufelende, geschnitten entlang 2-2, zur Veranschaulichung fluchtender Spitzenöffnungen.
3 ist eine Seitenansicht ähnlich 2 zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform der fluchtenden Spitzenöffnungen.
4 ist eine Querschnittsansicht durch die in 3 veranschaulichte Spitzenrippe und geschnitten entlang der Linie 4-4 zur Veranschaulichung einer verschlossenen Öffnung,
5 ist eine der 4 ähnliche Querschnittsansicht, die die verschlossene Öffnung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
1 veranschaulicht eine exemplarische Turbinenrotorschaufel 10 für ein Gasturbinentriebwerk. Die Schaufel ist eine von vielen in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten und um den Umfang eines (nicht veranschaulichten) Turbinenlaufrads angeordneten Schaufeln. Jede Schaufel enthält einen geeigneten Schwalbenschwanz 12, der die Schaufel in einem komplementären Schwalbenschwanzschlitz hält, der in dem Umfang des Laufrads ausgebildet ist. Die Schaufel weist eine radiale Längsachse auf und ist mit einer Plattform 14 einstöckig ausgebildet, wobei das Blatt 16 seinerseits zu dem Schwalbenschwanz radial außen angeordnet ist.
Die Schaufel ist typischerweise als einteilige, einstöckige Komponente gegossen und enthält einen inneren Strömungskanal oder Kreis 18 zur Kanalisierung eines Kühlmittels 20. Der Strömungskanal 18 kann jede konventionelle Form, wie beispielsweise vielzweigige Serpentinenkanäle, aufweisen, wobei das Kühlmittel 20 typischerweise ein Teil der Luft ist, die dem Kompressor des Triebwerks entnommen wird.
Während des Betriebs wird die von dem Kompressor verdichtete Luft mit Kraftstoff vermischt und in einer (nicht veranschaulichten) Brennkammer gezündet, um heiße Brenngase 22 zu erzeugen, die über das Blatt 16 strömen, das ihnen Energie zum drehenden Antrieb des Laufrads entzieht. Das Blatt 16 weist eine im Wesentlichen konkave erste oder druckseitige Seitenwand 24 auf, die größtenteils von einer konvexen zweiten oder saugseitigen Seitenwand 26 seitlich oder in Umfangsrichtung beabstandet ist. Die Seitenwände sind an axial einander gegenüber liegenden voreilenden und nacheilenden Kanten 28, 30 verbunden und erstrecken sich längs oder radial von einem Fuß 32, an dem das Blatt die Plattform trifft, zu einer radial äußeren Spitze 34.
Das Blatt- oder Luftschaufelende enthält eine Anstreifspitzenrippe 36, die vollständig entlang der druck- und saugseitigen Seitenwände 24, 26 ausgebildet ist, um eine offene Endausnehmung 38 zu bilden, die sich von einem Endboden oder einem Abschluss 40 radial nach außen erstreckt. Der Endabschluss 40 schließt das obere Ende des Strömungskanals 18 zwischen den Seitenwänden.
Bei der veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Spitzenrippe 36 von dem Umfang des Endabschlusses 40 weg und der druckseitigen und saugseitigen Seitenwand 24, 26 folgend entlang des Außendurchmessers der Schaufel.
Wie in den 1 und 2 veranschaulicht, enthält das Schaufelende eine Anzahl von zueinander koaxial ausgerichteten Paaren erster und zweiter Spitzenlöcher 42, 44, die sich durch den Endabschluss 40 bzw. die Spitzenrippe 36 erstrecken. Die Lochpaare 42, 44 sind vorzugsweise durch den druckseitigen Abschnitt der Spitzenrippe 36 an der druckseitigen Schaufelseitenwand 24 angeordnet und sie sind zwischen der voreilenden und der nacheilenden Kante voneinander beabstandet, um entlang der Druckseite des Schaufelendes eine verbesserte Kühlung zu erbringen.
Das erste und das zweite Spitzenloch ist in jedem Paar koaxial zu einer gemeinsamen Lochachse in serieller oder sequentieller Folge ausgerichtet. Wie in 2 veranschaulicht, sind die Löcher 42, 44 des ausgerichteten Paars gemeinsam in einem gemeinsamen Spitzenneigungswinkel A ausgerichtet, der zur Radial- oder Längsachse gemessen wird. Auf diese Weise ist das erste in 2 veranschaulichte Loch 42 in Strömungsverbindung zu dem internen Strömungskanal 18 ausgebildet, um aus diesem einen Teil des Kühlmittels 20 aus- und der Innenfläche der Spitzenrippe 36 zuzuleiten, um diese zu kühlen.
Das Lochpaar 42, 44 ist zu der Spitzenrippe und zu dem Abschluss geneigt und sie werden an der inneren Ecke 46 unterbrochen, die zwischen dem Endabschluss 40 und der benach barten Spitzenrippe 36 definiert ist. Die Position und Neigung des Lochpaars ist vorzugsweise so ausgewählt, dass der Auslass des ersten Lochs 42 an der Basis der Spitzenrippe 36 liegt, wo sie mit dem Endabschluss 40 eine Innenecke 46 definiert. Auf diese Weise kann das Kühlmittel 20 aus dem Strömungskanal 18 an der inneren Basis der Spitzenrippe 36 ausgegeben werden, um eine verbesserte Kühlung derselben zu erbringen.
Beispielsweise kann ein Teil des von dem ersten Loch 42 abgegebenen Kühlmittels auf die Innenfläche der Spitzenrippe 36 um das zweite Loch 44 herum auftreffen, um eine Prallkühlung derselben zu erbringen, während ein Teil des abgegebenen Kühlmittels außerdem durch das zweite Loch 44 strömt, um eine innere Konvektionskühlung derselben wie auch eine Filmkühlung beim Verlassen des zweiten Lochs 44 zu bewirken.
3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die wie die Ausführungsform gemäß 2 konfiguriert ist, jedoch einen Stopfen 48 beinhaltet, der innerhalb des zweiten Lochs 44 angeordnet ist, während das erste Loch 42 leer bleibt. Durch das Verschließen des zweiten Lochs 44 kann das von dem ersten Loch 42 abgegebene Kühlmittel vollständig an der Innenfläche und nahe an dem Stopfen 44 auftreffen, um die Kühlung der Spitzenrippe selbst zu verbessern. Der Stopfen 48 ist in 4 zusätzlich im Schnitt dargestellt und kann aus jedem geeigneten Material ausgebildet werden, wie beispielsweise hart verlöten oder verschweißen des anfänglich leeren zweiten Lochs 44, wobei geeignetes Füllmaterial benutzt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stopfen 48 eine andere Materialzusammensetzung auf als die Spitzen rippe 36, wobei der Stopfen 48 vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als die Wärmeleitfähigkeit der Spitzenrippe 36 und relativ hoch ist. Auf diese Weise kann die Prallkühlung an dem Stopfen 48 dazu genutzt werden, der Spitzenrippe 36 während des Betriebs Wärme zu entziehen, um ihre Betriebstemperatur weiter zu reduzieren und die Schaufellebensdauer entsprechend zu erhöhen.
Bei der in den 3 und 4 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsform haben das erste und das zweite Loch 42, 44 die gleiche Querschnittsform wie beispielsweise rund- oder kreisförmig, wobei der Stopfen 48 das zweite Loch 44 vollständig ausfüllt, um in diesem einen runden oder zylindrischen Zapfen zu bilden.
5 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der das erste und das zweite Loch 42, 44 unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, um die Kühlung der Spitzenrippe weiter zu verbessern.
Spezieller kann das zweite Loch 44 vorzugsweise einen größeren Querschnitt oder eine Länge als das erste Loch 42 aufweisen, wobei das letztere, vorzugsweise einen runden Querschnitt und das vorgenannte vorzugsweise einen mit Ausbuchtungen versehenen Querschnitt aufweist.
Wie in 5 veranschaulicht, enthält das zweite Loch 44 vorzugsweise eine Anzahl von in Umfangsrichtung anschließenden Ohren in geeigneter Anzahl einschließlich zwei oder mehrere oder, wie dargestellt, vier. Vorzugsweise sind zwei der Ohren des zweiten Lochs 44 längs- oder radialsymmetrisch in der Spitzenrippe 36 angeordnet und divergieren voneinander von dem darunter liegenden Endabschluss 40.
Entsprechend weist der Stopfen 48 entsprechende Ohren auf, die mit dem Kühlmittel zusammenwirken, das in Betrieb an der Innenfläche des Stopfens auftritt. Wenn das Kühlmittel auf den Stopfen auftrifft, wird eine Prallkühlung erreicht, und wenn die Luft entlang der Innenfläche der Spitzenrippe entlang der divergierenden Ohren fließt, wird eine Filmkühlung erzeugt.
Weil das erste und das zweite Spitzenloch 42, 44 einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen, wobei ein exemplarischer Nenndurchmesser ungefähr 15 bis 20 mils (0,38–0,5 mm) beträgt, werden sie vorzugsweise nach dem Gießen der Schaufel erzeugt.
Wie in 2 veranschaulicht, ist die Schaufel einschließlich ihres Blatts zunächst in konventioneller Weise durch Gießen hergestellt, worauf die verschiedenen Lochpaare 42, 44 in der gegossenen Spitzenrippe 36 und den Endabschluss 40 geeignet ausgeformt werden. Jedes Lochpaar wird vorzugsweise in einer einzigen Operation durch Bohren mittels eines Lasers, einer elektrischen Funkenerosionsmaschine, eines Wasserstrahls oder ähnlichem ausgebildet.
Weil das erste in 2 veranschaulichte Loch 42 geneigt und hinter der druckseitigen Spitzenrippe 36 versteckt angeordnet ist, kann dieses Loch nur ausgebildet werden, nachdem das zweite Loch 44 in der Spitzenrippe ausgebildet worden ist. Deshalb kann ein gemeinsamer Bohrvorgang genutzt werden, um das zweite Loch 44 gefolgt durch das erste Loch 42 herzustellen, um eine Strömungsverbindung durch diese aus dem Strömungskanal 18 zu der Außenseite der Spitzenrippe 36 zu bilden.
Wie in 3 veranschaulicht, kann das zweite Loch 44 dann in jeder geeigneten Weise, beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen verschlossen werden, wobei geeignetes Füllmaterial benutzt wird. Alternativ kann der Stopfen 48 als Stift ausgebildet werden, der seinerseits in dem zweiten Loch 44 hart eingelötet oder anderweitig darin befestigt wird.
Wie oben dargestellt, bewirkt die mit Ohren versehene Ausführung des zweiten Lochs 44, die in 5 dargestellt ist, einen Querschnitt mit hohem Umfangs- zu Flächenverhältnis, um die Kühlwirkung der auftreffenden Luft zu erhöhen. Die unterschiedlich gestalteten ersten und zweiten Löcher 42, 44 können entsprechend ausgebildet werden, indem zunächst durch die Spitzenrippe 36 und dem Abschluss ein gemeinsames Loch, beispielsweise als ein rundes Loch, ausgebildet wird. Das zweite Loch 44 in der Spitzenrippe 36 kann dann durch Vergrößerung des anfänglich ausgebildeten runden Lochs in einer Größe ausgebildet werden, die größer als das erste Loch 42 ist sowie in geeigneter Konfiguration oder Profil, wie beispielsweise das mit Ausbuchtungen versehene, in 5 veranschaulichte Profil. Das mit Ausbuchtungen versehene Profil des zweiten Lochs 44 kann erhalten werden, indem eine entsprechend gestaltete elektrische Funkenerosionsmaschinenelektrode oder ähnliches verwendet wird. Die ersten oben beschriebenen Spitzenlöcher 42 sind wirksam, um das Kühlmittel an der Innenfläche der Spitzenrippe 36 auftreffen zu lassen, um eine verbesserte Kühlung derselben zu bewirken. Die auftreffende Luft ist durch die Spitzenrippe 36 geschützt und nicht direkt den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt, die die Außenfläche der Spitzenrippe umgeben. Eine Prallkühlung liefert eine größere Kühlwirkung als eine einfache Filmkühlung oder Konvektionskühlung allein. Entsprechend erfreut sich das Luftschaufelende einer verbesserten Kühlung zur Erhöhung der Lebensdauer während des Betriebs.

Claims

Turbinenleitschaufel (16): mit druckseitigen und saugseitigen Seitenwänden (24, 26), die an der vorderen und der hinteren Kante (28, 30) miteinander verbunden sind und sich von einem Fuß (32) zu einer Spitze (34) erstrecken, wobei die Spitze eine Spitzenrippe (36) aufweist, die entlang der Seitenwände verläuft, um eine Spitzenausnehmung (38) zu definieren, die sich von einem Spitzenabschluss (40) erstreckt, der einen inneren Strömungskanal (18) zwischen den Seitenwänden abschließt und mit einem ausgerichteten Paar erster und zweiter Löcher (42, 44), die sich durch den Spitzenabschluss bzw. die Rippe mit einem spitzen Neigungswinkel zu der Radialachse erstrecken, wobei das erste Loch (42) in Fluidverbindung mit dem Strömungskanal steht, um aus diesem ein Kühlmittel zu einer inneren Fläche der Spitzenrippe zur Kühlung derselben zu leiten.
Luftschaufel nach Anspruch 1, bei der das erste und das zweite Loch (42, 44) an einer innenseitigen Ecke (46) zwischen dem Spitzenabschluss und der Rippe unterbrochen sind.
Luftschaufel nach Anspruch 1 oder 2, die außerdem einen Verschluss (48) aufweist, der in dem zweiten Loch (44) angeordnet ist, um das Kühlmittel aus dem ersten Loch (42) aufprallend aufzunehmen.
Luftschaufel nach Anspruch 2, bei der der Verschluss (48) eine Materialzusammensetzung aufweist, die von der der Spitzenrippe (36) abweicht.
Verfahren zur Ausbildung einer Luftschaufel nach Anspruch 2, bei dem: die Luftschaufel (16) gegossen wird und durch die Spitzenrippe (36) und den Abschluss hindurch ein Paar Löcher (42, 44) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem außerdem das zweite Loch (44) in der Spitzenrippe (36) geschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem das Lochpaar (42, 44) geformt wird, indem: ein gemeinsames Loch sowohl durch die Spitzenrippe (36) als auch durch den Abschluss (40) hindurch ausgebildet wird und das Loch durch die Spitzenrippe (36) auf eine Größe vergrößert wird, die größer ist als das Loch (42) durch den Spitzenabschluss (40).