DE60119273T2 - Gekühlte Turbinenleitschaufel - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere darin enthaltene Hochdruckturbinendüsen.
  • In einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, denen in mehreren abstromseitig der Brennkammer angeordneten Turbinenstufen Energie entzogen wird. Die Hochdruckturbine (HPT = High Pressure Turbine) nimmt zunächst die heißesten Verbrennungsgase aus der Brennkammer entgegen, um den Verdichter anzutreiben, wobei den Gasen weitere Energie in einer Niederdruckturbine (LPT = Low Pressure Turbine) entzogen wird, die gewöhnlich einen Bläser eines Zweikreistriebwerks eines Flugzeugs antreibt.
  • Die HPT enthält eine stationäre Turbinendüse, die zunächst die Verbrennungsgase aus der Brennkammer entgegen nimmt und diese zu Turbinenrotorschaufeln der ersten Stufe verzweigt, die auf einer entsprechenden Rotorscheibe sitzen. Die Turbinendüse wird mittels der von dem Verdichter ausgestoßenen Druckluft durch Luftkühlung vor den heißen Verbrennungsgasen geschützt. Die Düse enthält eine Reihe von hohlen Statorschaufeln mit inneren Kühlkreisläufen, die Luft durch eine Vielzahl unterschiedlicher Löcher ausstoßen, die durch die Seitenwände der Leitschaufeln hindurch ausgebildet sind.
  • Das Kühlen der Düse ist hinsichtlich des dreidimensionalen aerodynamischen Profils der Leitschaufelströmungsflächen und der wechselnden Wärmelast, die über deren Druck- und Saugseitenoberflächen auftritt, naturgemäß kompliziert. Es soll die Kühlluftanforderungen an die auftretenden Wärmelasten angepasst werden, um die Menge an Kühlluft zu minimieren, die aus dem Verbrennungsprozess abgeleitet wird, während Temperaturunterschiede, denen sämtliche Leitschaufeln ausgesetzt sind, und die sich daraus ergebenden thermisch induzierten Spannungen derselben entsprechend minimiert werden.
  • Allerdings sind die Leitschaufeln selbst den heißen Verbrennungsgasen unmittelbar ausgesetzt und sind an verhältnismäßig kühlen äußeren und inneren Bändern, gewöhnlich in Form von Umfangssegmenten, montiert, um die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung und Kontraktion entstehenden thermischen Spannungen zu minimieren. In einer typischen Kühlanordnung ist ein mit Löchern ausgebildetes Aufprallblech bzw. ein solcher Einsatz innerhalb jeder Leitschaufel montiert, um Kühlluft in Form diskreter Strahlen gegen die innere Oberfläche der Leitschaufel zu lenken, so dass deren Kühlung verbessert wird. Um die Aufprallkühlung zu steuern, muss das Aufprallblech von der inneren Oberfläche der Leitschaufeln exakt beabstandet sein, wobei abhängig von der speziellen Düsenkonstruktion an der inneren Oberfläche des Leitblechs oder der Leitschaufel Abstandhaltermerkmale ausgebildet sind.
  • In einem herkömmlichen Konstruktionsentwurf weist jede Leitschaufel einen Mittelsehnentrennwand oder eine Brücke auf, die sich zwischen den beiden Seitenwänden erstreckt, um vordere und hintere radiale Hohlräume festzulegen, in denen entsprechende Aufprallbleche angeordnet sind. Den beiden Hohlräumen werden getrennt Anteile der Verdichterausstoßkühlluft zugeführt, um die vorderen und hinteren Be reiche jeder Leitschaufel voneinander unabhängig zu kühlen, so dass eine bessere Anpassung an die externe Wärmelast erzielt wird.
  • Allerdings ist die Brücke im Betrieb verhältnismäßig kalt, da sie innerhalb der Leitschaufel angebracht ist und selbst durch die in die Leitschaufel geleitete Luft unmittelbar gekühlt wird. Die kalte Brücke ist also mit den beiden heißen Seitenwänden an örtlichen Bereichen verbunden, die aufgrund ihrer verhältnismäßig niedrigen und hohen Betriebstemperaturen einer stark differierenden Wärmeausdehnung und Kontraktion unterworfen sind.
  • Dennoch sind Turbinendüsenkonstruktionen mit kalten Brücken in der gewerblichen Praxis verbreitet. Beispielsweise wurde eine Turbinendüse mit zwei durch eine kalte Brücke getrennten Aufprallblechen über viele Jahre erfolgreich in den USA vermarktet. Diese exemplarische Düse enthält axial oder in Sehnenrichtung sich erstreckende Seitenrippen, die in jedem Hohlraum an dessen gegenüberliegenden Seitenwänden angeordnet sind, um Abstandhaltermerkmale vorzusehen, die dazu dienen, jedes Aufprallblech in seinem entsprechenden Hohlraum zentrisch zu positionieren.
  • Die Seitenrippen versteifen die dünnen Seitenwände der Leitschaufeln bzw. steigern deren Festigkeit und stützen die Aufprallbleche mit verhältnismäßig geringen Toleranzen dazwischen. Die durch die Leitblechlöcher ausgestoßene Luft trifft zunächst auf die Innenflächen der Seitenwände auf und wird anschließend radial durch die Rippen geleitet, um durch schräge Filmkühlungslöcher, die in den vorderen und hinteren Hohlräumen durch die Leitschaufelseitenwände hin durch ausgebildet sind, sowie durch einen Hinterkantenkühlkreislauf ausgestoßen zu werden.
  • Der Hinterkantenkühlkreislauf in der handelsüblichen Düse weist axial sich erstreckende Trennwände oder zusätzliche Brücken auf, die sich von dem hinteren Ende des hinteren Hohlraums zu der Leitschaufelhinterkante erstrecken. Die Trennwände sind entlang der Spannweite der Leitschaufel voneinander beabstandet, um entsprechende Hinterkantenausstoßkanäle zu definieren, die an entsprechenden Öffnungen an der Hinterkante enden. In den Hinterkantenkanälen sind sich radial erstreckende Turbulatoren vorhanden, um den Kühlwirkungsgrad der ausgegebenen Aufprallluft zu verbessern, die durch den Hinterkantenkühlkreislauf ausgestoßen wird.
  • In dem oben erwähnten Beispiel einer handelsüblichen Düse erstrecken sich die Seitenrippen innerhalb beider Leitschaufelseitenwände zu der kalten Brücke hin und sind mit dieser einstückig ausgebildet. Auf diese Weise fassen die Seitenrippen die Eckenverbindungspunkte der Seitenwände und die kalte Brücke in einem gleichmäßigen Übergang ein.
  • Die einfassenden Seitenrippen an dem hinteren Ende des vorderen Hohlraums bilden ein wirkungsvolles Abstandhaltermerkmal, um den Weg des vorderen Aufprallblechs nach hinten zu begrenzen und einen minimalen Spalt gegenüber der kalten Brücke aufrecht zu erhalten. In Entsprechung fassen auch die Seitenrippen in dem hinteren Hohlraum entlang der Leitschaufelsaugseitenwand die gegenüberliegende Druckseitenwand ein oder gehen in Richtung derselben über, wo die beiden Seitenwände knapp vor der Hinterkante nahe zueinander konvergieren. Mehrere der Hinterkantentrennwände erstrecken sich örtlich nach vorne und bilden einstückige Fortsetzungen entsprechender Seitenrippen, um ein entsprechendes Abstandhaltermerkmal zu bilden, so dass der Weg des hinteren Aufprallblechs nach hinten begrenzt ist.
  • In dieser Konfiguration wirken die axial länglichen Seitenrippen so, dass sie die einzelnen Aufprallbleche in deren entsprechenden Leitschaufelhohlräumen um den Umfang herum zentrieren, wobei der hintere Übergang jeder Seitenrippe ein praktisch zu verwirklichendes hinteres Abstandhaltermerkmal zur Verfügung stellt. Weiter bilden die länglichen Hinterkantentrennwände in dem hinteren Hohlraum vollständige kalte Brücken über die beiden Seitenwände, um den axialen Weg des hinteren Leitblechs zu begrenzen.
  • Zwar wurde diese handelsübliche Konstruktion in den USA über viele Jahre mit einer entsprechend großen Anzahl thermischer Betriebszyklen industriell erfolgreich eingesetzt, jedoch treten regelmäßig thermisch induzierte Risse auf, die die Nutzungslebensdauer der Düsen entsprechend begrenzen, was deren Austausch in Verbindung mit einer typischen Wartungsausfallzeit erfordert. Derartigen Rissen treten in den Leitschaufelseitenwänden an der kalten Brücke und insbesondere an der konvexen Seitenwand der Leitschaufel auf.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf, die Konstruktion der Turbinendüse zu verbessern, um deren Nutzungslebensdauer zu verlängern.
  • US 4 153 386 offenbart eine Turbinendüse, die Leitschaufeln mit einer Anzahl Rippen aufweist, die in Hohlräumen in den Leitschaufeln angeordnet sind.
  • Die Rippen erstrecken sich in Sehnenrichtung entlang den Leitschaufelseitenwänden bis knapp vor eine einstückig ausgebildete Brücke.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Turbinendüse geschaffen, aufweisend:
    mehrere Leitschaufeln, die fest mit äußeren und inneren Bändern verbunden sind;
    wobei jede von den Leitschaufeln gegenüberliegende erste und zweite Seitenwände, die sich in Sehnenrichtung zwischen Vorder- und Hinterkanten und in Spannenrichtung zwischen den Bändern erstrecken, und eine Innenbrücke aufweist, die sich in einem Stück zwischen den Seitenwänden erstreckt, um einen vorderen Hohlraum auf ihrer Vorderseite, der durch die Vorderkante begrenzt ist, und einen hinteren Hohlraum auf ihrer Rückseite, der durch die Hinterkante begrenzt ist, zu bewirken;
    wobei jede Leitschaufel ferner mehrere längliche Seitenrippen enthält, die sich in Sehnenrichtung entlang den Seitenwänden erstrecken und davon nach innen gerichtet in die Hohlräume vorstehen;
    wobei sich die Rippen entlang den Seitenwänden vor und hinter der Brücke innerhalb der Hohlräume erstreckenden Rippen über einen Großteil ihrer Länge in Sehnenrichtung erstrecken; und wobei jede von den Rippen angrenzend an die Brücke beschnitten ist, um die Rippen davon zu entkoppeln.
  • In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Steigern der Lebensdauer einer Turbinendüse (10) mit mehreren Leitschaufeln (12), die fest mit äußeren und inneren Bändern (14, 16) verbunden sind; wobei jede von den Leitschaufeln gegenüberliegende erste und zweite Seitenwände (20, 22), die sich in Sehnenrichtung zwischen Vorder- und Hinterkanten (24, 26) und in Spannenrichtung zwischen den Bändern erstrecken, und eine Innenbrücke (28) aufweist, die sich in einem Stück zwischen den Seitenwänden erstreckt, um einen vorderen Hohlraum (30) auf ihrer Vorderseite, der durch die Vorderkante begrenzt ist, und einen hinteren Hohlraum (32) auf ihrer Rückseite, der durch die Hinterkante begrenzt ist, zu bewirken; wobei jede Leitschaufel ferner enthält: mehrere längliche Seitenrippen (34), die sich in Sehnenrichtung entlang den Seitenwänden erstrecken und davon nach innen gerichtet in die Hohlräume vorstehen; und wobei die Seitenrippen (34) sich zu der Brücke (28) hin erstrecken und mit dieser einstückig ausgebildet sind; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
    Beschneiden der Rippen (34) von der Brücke aus entlang wenigstens der ersten Seitenwand in dem hinteren Hohlraum (32); und Beschneiden der Rippen (34) von der Brücke aus entlang der ersten Seitenwand in dem vorderen Hohlraum (34); und dadurch Erzielen einer Düse, in der jede Rippe angrenzend an die Brücke beschnitten ist, um die Rippen davon zu entkoppeln.
  • Erfindungsgemäß enthält eine Turbinendüse Leitschaufeln, die mit äußeren und inneren Bändern verbunden sind. Jede Leitschaufel weist gegenüberliegende Seitenwände auf, die sich zwischen Vorder- und Hinterkanten erstrecken, wobei sich zwischen den Seitenwänden eine Innenbrücke erstreckt, um vordere und hintere Hohlräume zu bilden. Sei tenrippen erstrecken sich entlang der Seitenwände und stehen nach innen in die Hohlräume vor. Jede der Seitenrippen ist angrenzend an die Brücke beschnitten, um die Rippen davon zu entkoppeln und die Lebensdauer der Düse zu steigern.
  • Die Erfindung wird gemäß bevorzugten und exemplarischen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit weiteren Aufgaben und Vorteilen der Erfindung in der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Figuren näher erörtert:
  • 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines Abschnitts einer exemplarischen Hochdruckturbinendüse eines Gasturbinentriebwerks, das für den Antrieb eines Flugzeugs während des Fluges konfiguriert ist.
  • 2 zeigt eine radiale Querschnittsansicht durch eine der in 1 veranschaulichten Leitschaufeln in Verbindung mit einer Darstellung eines Verfahrens zur Steigerung der Lebensdauer der Düse in Form eines Flussdiagramms.
  • 3 zeigt eine radiale Querschnittsansicht durch die in 2 veranschaulichte Leitschaufel und längs der Schnittlinie 3-3 in Verbindung mit bevorzugten Elementen des Verfahrens zum Steigern der Lebensdauer der Düse.
  • 4 zeigt eine radiale Querschnittsansicht durch einen Abschnitt des in 2 veranschaulichten hinteren Hohlraums und längs der Schnittlinie 4-4.
  • 5 zeigt eine radiale Querschnittsansicht durch den in 2 veranschaulichten vorderen Hohlraum und längs der Schnittlinie 5-5.
  • In 1 ist in einem Ausführungsbeispiel ein Abschnitt einer Hochdruckturbinendüse 10 eines Zweikreisturbinentriebwerks dargestellt, das für den Antrieb eines Flugzeugs während des Fluges konfiguriert ist. Die Düse ist um die axiale oder Mittelachse des Triebwerks achsensymmetrisch und definiert einen Kreisring, von dem in 1 lediglich ein Abschnitt veranschaulicht ist, der darin mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Strömungsflächenleitschaufeln 12 aufweist. Die einzelnen Leitschaufeln 12 sind gewöhnlich durch ein herkömmliches Gießverfahren hergestellt und sind in entsprechenden radial außen bzw. innen angeordneten bogenförmigen Bändern 14, 16 auf eine beliebige geeignete Weise fest mit diesen verbunden, beispielsweise indem sie mit diesen gemeinsam gegossen werden.
  • In einer typischen Konfiguration sind zwei Leitschaufeln 12 in jedem Paar Bändern angebracht, die sich in Umfangsrichtung aneinanderreihen, um eine kollektive, segmentierte ringförmige Düse zu bilden. Die Düse ist direkt am Auslass einer (nicht gezeigten) ringförmigen Brennkammer angeordnet, die durch die Düse heiße Verbrennungsgase 18 ausstößt, die einer Reihe von (nicht gezeigten) Turbinenrotorschaufeln der ersten Stufe zugeführt werden, die den Gasen Energie entziehen, um einen (nicht gezeigten) Verdichter des Triebwerks anzutreiben.
  • Die Leitschaufeln 12 sind zueinander identisch und jede enthält eine erste, nach außen konvexe Saugseitenwand 20 und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende zweite, nach außen konkave Druckseitenwand 22. Die beiden Seitenwände erstrecken sich axial oder in Sehnenrichtung zwischen entsprechenden Vorder- und Hinterkanten 24, 26 der Leitschaufel und erstrecken sich außerdem fest in den entsprechenden Bändern 14, 16 montiert radial in Spannenrichtung zwischen Spitze und Fußpunkt.
  • Wie zu Beginn in 1 und detaillierter in 2 gezeigt, enthält jede Leitschaufel ferner eine innere radiale Rippe oder Brücke 28, die sich in einem Stück zwischen den beiden Seitenwänden in Form eines gemeinsamen Gussstücks erstreckt, das entlang der Sehne zwischen der Vorder- und Hinterkante der Leitschaufel geeignet beabstandete ist, um an der Vorderseite der durch die Vorderkante begrenzten Brücke einen ersten oder vorderen Hohlraum 30 und an der hinteren Seite der durch die Hinterkante begrenzten Brücke einen zweiten oder hinteren Hohlraum 32 zu definieren oder zu bilden.
  • Jede Leitschaufel enthält ferner eine Anzahl axial längliche Seitenrippen 34, die sich in Sehnenrichtung entlang den Innenflächen der beiden Seitenwände erstrecken und davon nach innen gerichtet in die entsprechenden Hohlräume 30, 32 vorstehen. Die Seitenrippen 34 sind dazu eingerichtet, Abstandhaltermerkmale zu erzeugen, die dazu dienen, in den entsprechenden Hohlräumen jeweils darin angeordnete vordere und hintere, mit Löchern ausgebildete Aufpralleinsätze oder -leitbleche 36, 38 zu zentrieren.
  • 3 veranschaulicht mehr im Einzelnen, dass die beiden Leitbleche 36, 38 geeignet konfiguriert sind, um zu dem sich ändernden inneren Profil der beiden Hohlräume 30, 32 zu passen, während sich der Querschnitt der Leitschaufel zwischen der Vorder- und Hinterkante in einem allgemeinen wachsenden oder aerodynamischen Profil ändert. Diese Seitenrippen 34 erstrecken sich aus der inneren Oberfläche der Leitschaufel nach innen in die Höhe, um die ent sprechenden Leitbleche in den jeweiligen Hohlräumen zentrisch zu beabstanden.
  • Zwischen den Rippen und dem Leitblech ist eine geringe Toleranz oder ein kleiner Spalt vorgesehen, um den Einbau der Leitbleche in die entsprechenden Hohlräume in radialer Richtung zu erlauben. Weiter weisen die Rippen eine geeignete Höhe auf, um die Seitenwände der Leitbleche in dem gewünschten Abstand von der inneren Oberfläche der Leitschaufel zu halten, so dass der Wirkungsgrad der Aufprallkühlung maximiert wird, die auf die entsprechenden Strahlen von Aufprallluft zurückzuführen ist, die durch die entsprechende Aufprallluftlöcher der Leitbleche in Richtung der Innenflächen der Leitschaufel ausgestoßen wird.
  • Wie in 2 und 3 gezeigt, ist jede der Seitenrippen 34 benachbart zu der kalten Brücke 28 in ihrer axialen Länge beschnitten, um die Rippen von der Brücke strukturell und thermisch zu entkoppeln, so dass die Nutzungslebensdauer der Düse erfindungsgemäß erheblich gesteigert wird.
  • In 3 ist schematisch ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der Düse dargestellt, die zur Steigerung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufeln gegenüber der oben in dem Abschnitt über den Hintergrund der Erfindung beschriebenen, handelsüblich bewährten Konstruktion dient. In der herkömmlichen Konstruktion sind die Seitenrippen 34 konfiguriert, um sich anfänglich an vier entsprechenden Seitenrippenübergängen 34x zu der kalten Brücke 28 hin zu erstrecken und mit dieser einstückig ausgebildet zu sein. In dieser herkömmlichen Konstruktion sind die Rippenübergänge 34x mit der kalten Brücke 28 an deren Verbindungspunkten einstückig ausgebildet, wobei die entsprechenden Seitenwände sich in einem mechanisch und thermisch gekoppelten Zustand befinden.
  • Da die erste Seitenwand 20 nach außen hin konvex ist und die Saugseite der Leitschaufel definiert, bewirkt sie eine andere Geschwindigkeitsverteilung der über die Leitschaufel strömenden Verbrennungsgase als jene, die durch die im Wesentlichen konkave zweite Seitenwand 22 erzeugt wird, die die Leitschaufeldruckseite definiert. Felderfahrung nach jahrelangem Betrieb, wie oben erwähnt, deckte in der konvexen Seitenwand in der Nähe der kalte Brücke Risskeimbildung auf.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, dass eine derartige Risskeimbildung bei über längere Zeit eingesetzten Turbinendüsenleitschaufeln auf die mechanische und thermische Kopplung der Seitenrippen 34 mit der kalten Brücke 28 zurückzuführen ist und insbesondere an der konvexen Seitenwand 20 der Leitschaufel auftritt.
  • Während des Betriebes ist die Saugseitenwand 20 den darüber strömenden heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt und erfährt eine verhältnismäßig hohe Wärmelast, die eine entsprechende Kühlung von dem Innern jeder Leitschaufel her erfordert. Üblicherweise wird von dem Ausstoßöffnungsende des (nicht gezeigten) Verdichters Druckluft 40 abgezweigt, um die einzelnen Leitschaufeln zu kühlen. Die Kühlluft 40 strömt zunächst durch die einzelnen Leitbleche 36, 38 und tritt aus deren Aufprallöffnungen aus, um Luftstrahlen gegen die innere Oberfläche der Leitschaufel zu richten, so dass diese aufprallgekühlt wird. Die den vorderen und hinteren Hohlraum trennende Innenbrücke 28 ist durch die beiden Seitenwände vor den heißen Verbrennungsgasen geschützt und wird selbst unmittelbar durch die Kühlluft in den Hohlräumen gekühlt.
  • Die verhältnismäßig kalte Brücke 28 ist an entsprechende Verbindungsstellen, die der entsprechenden unterschiedlichen Wärmeausdehnung und Kontraktion unterworfen sind, mit den verhältnismäßig heißen Saug- und Druckseitenwänden 20, 22 der Leitschaufel verbunden. Die herkömmlichen Rippenübergänge 34x sind ebenfalls verhältnismäßig kühl und waren an den beiden Verbindungspunkten mit den Seitenwänden mechanisch an die kalte Brücke 28 gekoppelt.
  • Es hat sich herausgestellt, dass durch ein Abtrennen der in 3 veranschaulichten Seitenrippen 34 sowohl in dem vorderen als auch in dem hinteren Hohlraum 36, 38 entlang der ersten Seitenwand 20 von der kalten Brücke 28 die Rippen strukturell und thermisch von der kalten Brücke entkoppelt werden, so dass die Betriebsnutzungslebensdauer der Leitschaufel erheblich gesteigert wird.
  • In dem in 3 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiel enden die beschnittenen Seitenrippen 34 in der Nähe der kalten Brücke 28 an oder in der Nähe der entsprechenden Hohlkehlen 42, die zwischen der ersten Seitenwand 20 und der Brücke sowie zwischen der zweiten Seitenwand 22 und der Brücke angeordnet sind. Auf diese Weise können die Seitenrippen nahe an die kalte Brücke 28 heran reichen und dennoch knapp davor an den ebenmäßigen Hohlkehlen 42 enden, die an dem Verbindungspunkt der kalten Brücke und der Seitenwände gebildet sind, um dort Spannungskonzentrationen zu reduzieren.
  • Die innerhalb des ersten Hohlraums 30 entlang der ersten Seitenwand angeordneten Seitenrippen 34 sind auf diese Weise knapp vor der kalten Brücke beschnitten, wobei die Seitenrippen in dem zweiten Hohlraum 32 entlang der ersten Seitenwand knapp hinter der kalten Brücke beschnitten sind. Falls gewünscht, können die Seitenrippen 34 weiter von der kalten Brücke und den dort befindlichen Hohlkehlen entfernt enden, um die Rippen noch mehr von der Brücke zu entkoppeln.
  • In ähnlicher Weise können auch die Seitenrippen 34 sowohl in dem vorderen als auch in dem hinteren Hohlraum 30, 32 entlang der zweiten Seitenwand 22 von der kalten Brücke abgetrennt sein. Die entsprechende Verbindungsstelle zwischen der kalten Brücke und der Druckseitenwand 22 ist auf diese Weise ebenfalls von den Seitenrippen 34 entkoppelt, um die Wärmebelastung dort zu reduzieren.
  • Vorzugsweise sind die Seitenrippen 34 in beiden Seitenwänden der Leitschaufel von der kalten Brücke 28 entkoppelt, wodurch die mangelnde thermische Übereinstimmung zwischen diesen reduziert wird, und die thermisch induzierte Spannung an den Verbindungsstellen der kalten Brücke mit den Seitenwänden entsprechend vermindert wird, mit dem Ergebnis einer wesentlichen Steigerung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufel. Eine Analyse weist eine Vervierfachung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufel nach, die auf die resultierende Verringerung der thermisch induzierten Spannung an der kalten Brücke zurückzuführen ist. Die herkömmliche, Lebensdauer verkürzende Positionierung der Leitschaufel an dem Verbindungspunkt der kalten Brücke und der konvexen Seitenwand 20 ist auf diese Weise vermieden, wobei der die Lebensdauer verkürzende Ort in der Leit schaufel in einen unbedeutenderen Bereich verlagert wird, der die verbesserte Nutzungslebensdauer erlaubt.
  • Wie in 2 und 3 gezeigt, erstrecken sich die Seitenrippen 34 in jedem Kühllufthohlraum 30, 32 vorzugsweise axial entlang den Seitenwänden über einen Großteil ihrer Länge in Sehnenrichtung. Die axialen Rippen erhöhen die Festigkeit der dünnen Leitschaufelseitenwände in jedem der Hohlräume, während sie eine gleichmäßige Abstandhalterung bereitstellen, um die jeweiligen Leitbleche darin zu zentrieren. Weiter steuern die Reihen von Seitenrippen in jedem Hohlraum den Ausstoßstrom der ausgegebenen Aufprallluft zwischen entsprechenden Seitenrippen und erlauben eine Maßschneiderung der Kühlung der Leitschaufel über ihre Spannweite hinweg. Auf diese Weise kann in der Nähe der Mitte der Spannweite jeder Leitschaufel eine stärkere Kühlung bewirkt werden als an deren Fuß- und Spitzenenden, die in der Nähe entsprechender innerer und äußerer Bänder angeordnet sind und geringeren Wärmelasten der Verbrennungsgase ausgesetzt sind.
  • Wie ebenfalls in 2 und 3 gezeigt, ist der vordere Hohlraum 30 zwischen der Vorderkante 24 und der kalten Brücke 28 angeordnet, und die Brücke ist geeignet vor der Mittelsehne der Leitschaufel angeordnet, um einen eigenen Kühlkreislauf für den Vorderkantenabschnitt der Leitschaufel zu schaffen, die als erste die heißen Verbrennungsgase von der Brennkammer entgegennimmt. Der hintere Hohlraum 32 ist direkt hinter der Brücke 28 angeordnet und erstreckt sich etwa über das mittlere Drittel der Leitschaufelsehnenlänge, um den mittleren Sehnentrennwandbereich der Leitschaufel in einem weiteren Kühlkreislauf zu kühlen. Weiter ist in jeder Leitschaufel ein Hinterkantenkühlkreislauf 44 angeordnet, der mit dem hinteren Hohlraum 32 in strömungsmäßiger Verbindung steht, um das hintere Drittel jeder Leitschaufel in einem dritten Kühlkreislauf zu kühlen.
  • Wie zu Beginn in 2 gezeigt, enthält der Hinterkantekreislauf 44 eine Anzahl axialer Brücken oder Trennwände 46, die entlang der Spannweite der Leitschaufel voneinander beabstandet sind, um entsprechende axial sich erstreckende Ausstoßkanäle 48 zu definieren, die an entsprechenden Hinterkantenschlitzen oder -öffnungen 50 enden. Weiter sind in dem Eingangsbereich der Hinterkantenkanäle 48 Reihen von sich radial erstreckenden kurzen Turbulatoren 52 angeordnet, um die Turbulenz der ausgegebenen Aufprallluft, die aus den Leitschaufelhinterkanten ausgestoßen wird, zu fördern.
  • Im Betrieb wird die Kühlluft 40 durch die entsprechende Aufprallbleche hindurch, die in den Leitschaufelhohlräumen abgestützt sind, getrennt durch die Bänder in jeden der beiden Leitschaufelhohlräume 30, 32 geleitet. Die Luft wird zunächst genutzt, um die Innenflächen der Leitschaufelseitenwände durch Aufprall zu kühlen, und ein Teil der ausgegebenen Luft wird anschließend durch vielfältige Filmkühlungslöcher 54 ausgestoßen, die sich in einer beliebigen herkömmlichen Weise durch die Seitenwände erstrecken. Ein Teil der in dem hinteren Hohlraum 32 ausgegebenen Aufprallluft wird durch die Filmkühlungslöcher geleitet, wobei der restliche Teil der ausgegebenen Luft durch den Hinterkantenkühlkreislauf 44 geleitet wird, um den Hinterkantenabschnitt jeder Leitschaufel zu kühlen.
  • Wie in 3 gezeigt, erstreckten sich die Seitenrippen 34 ursprünglich nach hinten, wobei einstückig ausgebil dete einfassende Übergänge 34x, die mit entsprechenden der Hinterkantentrennwände 46 verbunden waren, um eine Reihe hinterer Abstandhaltermerkmale zu bilden, so dass der axiale Weg des hinteren Leitblechs 38 in dem hinteren Hohlraum in der oben in dem Abschnitt über den Hintergrund offenbarten kommerziell erfolgreichen Düse nach hinten hin begrenzt ist.
  • Allerdings wurde auch entdeckt, dass die einstückige Verbindung, die durch die Übergänge 34x zwischen den hinteren Enden der Seitenrippen und dem hinteren Hohlraum und den entsprechenden Hinterkantentrennwänden 46 gebildet werden, ebenfalls eine thermisch induzierte Spannung an deren Verbindungspunkten örtlich erhöhen. Die Trennwände 46 sind kalte Brücken, die die beiden heißen Seitenwände der Leitschaufel an der Hinterkantentrennwand miteinander verbinden, und die Seitenrippen einschließlich der herkömmlichen Übergänge 34x sind in dem hinteren Hohlraum ebenfalls verhältnismäßig kühl.
  • Dementsprechend ist es auch erwünscht, die Seitenrippen 34 entlang der konvexen Seitenwand 20 der Leitschaufel an dem hinteren Ende des hinteren Hohlraums 32 zu beschneiden, um die Seitenrippen von den entsprechenden Hinterkantentrennwänden zu entkoppeln. In einer dem Entkoppeln der Seitenrippen von der kalten Brücke 28 ähnelnden Weise entkoppelt ein Entkoppeln der kalten axialen Trennwände 46 von den hinteren Enden der entlang der inneren Oberfläche der konvexen Seitenwand 20 verlaufenden Seitenrippen die thermische Reaktion und reduziert die sich ergebende thermisch induzierte Spannung an diesen Stellen.
  • Durch Eliminieren der hinteren Übergänge 34x der entsprechenden Seitenrippen in den in 3 veranschaulichten vorderen und hinteren Hohlräumen erfahren die entsprechenden Leitbleche 36, 38 in den Hohlräumen möglicherweise eine unerwünschte Bewegung nach hinten, wobei deren lokale Kühlung beeinträchtigt wird. Die Seitenrippenübergänge 34x können daher durch entsprechende erste und zweite Endrippen 56a, b ersetzt werden, die geeignet an dem hinteren Ende jedes der beiden Hohlräume 30, 32 angeordnet sind, um axial an die darin angeordneten Leitbleche anzugrenzen.
  • Abhängig von der speziellen Konfiguration der Hohlräume 30, 32 können die gegenüberliegenden Seitenrippen 34 in jedem Hohlraum ausreichen, um jedes der darin enthaltenen Leitbleche sowohl in transversaler als auch in Umfangsrichtung oder in der axialen oder Sehnenrichtung der Düse zentrisch zu stützen. Allerdings können die Endrippen 56a, b, wo es gewünscht ist, dafür eingesetzt werden, um eine vorbestimmte Beabstandung zwischen den hinteren oder vorderen Enden der einzelnen Leitbleche und den hinteren oder vorderen Enden beider Hohlräume aufrecht zu erhalten.
  • In dem oben in dem Abschnitt über den Hintergrund offenbarten vermarkteten Ausführungsbeispiel, waren mehrere der links in 2 veranschaulichten Trennwände 46 einstückig mit Verlängerungen ausgebildet, die die einfassenden Übergänge 34x mit den entsprechenden Seitenrippen 34 definierten, um mehrere hintere Abstandhaltermerkmale für das hintere Leitblech 38 vorzusehen. Allerdings sind die Hinterkantentrennwände 46 kalte Brücken, und deren Verbindungspunkte mit den entsprechenden Seitenrippen 34 erzeugten lokale Regionen mangelnder thermischer Übereinstimmung zwischen den kalten Trennwänden und den heißen Seitenwän den, was die Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufel verkürzt.
  • Dementsprechend sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die herkömmlich gekoppelten Hinterkantentrennwände 46 und Seitenrippen 34 durch Beschneiden der hinteren Enden der länglichen Trennwände, wie in 2 gezeigt, voneinander entkoppelt, um die Verlängerungen dort zu eliminieren, was einem Beschneiden der hinteren Enden der entsprechenden Seitenrippen 34 entlang der Saugseitenwand entspricht, wie es insbesondere in 3 veranschaulicht ist.
  • Da die beschnittenen Trennwände 46 nicht mehr zur Verfügung stehen, um für das hintere Leitblech hintere Abstandhaltermerkmale bereit zu stellen, enthält mindestens eines der Trennwände 46 in einer Ebene, die sich von jener der Seitenrippen unterscheidet, vorzugsweise die zweite Endrippe 56b, die sich, wie in 2 und 3 veranschaulicht, davon ausgehend nach vorne in den hinteren Hohlraum 32 erstreckt.
  • Wie am besten in 4 zu sehen, überbrückt jede der Hinterkantentrennwände 46 die erste und zweite Seitenwand 20, 22 und ist mit dieser in dem gemeinsamen Gussstück einstückig ausgebildet. Wie außerdem in 2 gezeigt, erstreckt sich in dem Ausführungsbeispiel eine einzelne Endrippe 56b vorzugsweise lediglich von der letzten der dem inneren Band 16 benachbarten Trennwände 46. Da diese Endrippe 56b eine Verlängerung der entsprechenden letzten Trennwand 46 ist, überbrückt sie auch die beiden Seitenwände und ist im Betrieb im Vergleich zu den heißen Seitenwänden kalt.
  • Dementsprechend ist die in 2 veranschaulichte Endrippe 56b in dem hinteren Hohlraum 32 von den Seitenrippen 34 entlang der Leitschaufelspannweite vorzugsweise radial beabstandet, um die Endrippe 56b von den Seitenrippen 34 zu entkoppeln und ein entsprechendes Abstandhaltermerkmal für das hintere Leitblech 38 zu schaffen, während thermisch induzierte Spannungen an diesem Ort erheblich reduziert werden.
  • In dem in 2 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsbeispiel enthält das äußere Band 14 an dem hinteren Hohlraum 32 einen äußeren Anschlusskanal 58, der dazu dient, das hintere Leitblech 38 während des Zusammenbaus darin radial zu empfangen, und durch den hindurch die Kühlluft 40 entgegen genommen wird. In Entsprechung ist das innere Band 16 an dem hinteren Hohlraum geschlossen.
  • In ähnlicher Weise enthält das innere Band 16 an dem vorderen Hohlraum 30 einen inneren Anschlusskanal 60, um das vordere Leitblech 36 aufzunehmen, und durch den hindurch ein weiterer Teil der Kühlluft entgegengenommen wird. In Entsprechung ist das äußere Band 14 an dem vorderen Hohlraum geschlossen.
  • Wie in 2 gezeigt, sind sämtliche der Hinterkantentrennwände 46, mit Ausnahme der letzten darin, vorzugsweise bis knapp vor das hintere Ende des hinteren Leitblechs 38 sowie bis knapp vor das hintere Ende des äußeren Anschlusskanals 58 beschnitten. Auf diese Weise kann das hintere Ende des äußeren Anschlusskanals 58 wirkungsvoll genutzt werden, um für das äußere Ende des hinteren Leitblechs 38 ein Abstandhaltermerkmal zu schaffen, während die am weitesten innen angeordnete Trennwand 46 die Endrippe 56b einschließt, um das Abstandhaltermerkmal für das innere Ende des Leitblechs zu bilden.
  • Da die Endrippe 56b von den Seitenrippen 34 entkoppelt ist, ist eine eventuelle mangelnde thermische Übereinstimmung dazwischen auf ein Minimum reduziert. Außerdem ist die Endrippe 56b, da sie vorzugsweise an der am weitesten innen liegenden Trennwand 46 angeordnet ist, einer erheblich kühleren Umgebung ausgesetzt als die bei der mittleren Spannweite angeordneten Trennwände, die sich an einer Stelle höherer Wärmelast befinden, die von den Verbrennungsgasen außerhalb der Leitschaufel ausgeht. Der kühlere Ort des inneren Bandes und der dort angeordneten Endrippe 56b minimiert jede mangelnde thermische Übereinstimmung zwischen der überbrückenden Endrippe 56b und den angebrachten Leitschaufelseitenwänden.
  • Wie ebenfalls in 2 gezeigt, erstrecken sich mehrere der ersten Endrippen 56a vorzugsweise von der radialen Brücke 28 in den vorderen Hohlraum 30 und sind entlang der Leitschaufelspannweite radial voneinander beabstandet.
  • Wie in 3 gezeigt, sind die ersten Endrippen 56a in dem vorderen Hohlraum zwischen den gegenüberliegenden Leitschaufelseitenwänden 20, 22 mit der Vorderseite der Brücke 28 einstückig ausgebildet und sind an den beiden Seitenwänden in Umfangsrichtung beschnitten, um die Endrippen von den Seitenwänden in einer Weise zu entkoppeln, die dem Abtrennen der Seitenrippen 34 von der kalten Brücke ähnelt. Auf diese Weise bilden die Endrippen 56a wirkungsvolle Abstandhaltermerkmale für das hintere Ende des vorderen Leitblechs 36, während sie dennoch von den Seitenwänden entkop pelt bleiben, um dort thermisch induzierte Spannungen zu minimieren.
  • Wie in 5 zu sehen, sind in dem vorderen Hohlraum 30 entlang der ersten Seitenwand 20 sechs exemplarische Seitenrippen 34 radial voneinander beabstandet, wobei eine geringere Zahl der Seitenrippen 34, beispielsweise sind dies drei, entlang der gegenüberliegenden zweiten Seitenwand 22 voneinander beabstandet sind. Die Druckseitenrippen 34 sind vorzugsweise mit entsprechenden der Saugseitenrippen 34 in gemeinsamen radialen Ebenen angeordnet, um das Leitblech 36 dazwischen zu zentrieren. Weiter sind die ersten Endrippen 56a in dem vorderen Hohlraum 30 entlang beiden Seitenwänden 20, 22 mit entsprechenden Endrippen der Seitenrippen 34 vorzugsweise koplanar.
  • Wie am besten in 3 veranschaulicht, begrenzen die drei koplanaren Rippen 34, 56a das vordere Leitblech 36 über einen Großteil seines Umfangs, um das Leitblech in dem vorderen Hohlraum 30 zu zentrieren. Allerdings sind die Seitenrippen 34 und Endrippen 56a strukturell voneinander entkoppelt, und sind ebenso von den Verbindungspunkten der kalten Brücke 28 und der heißen Seitenwände 20, 22 strukturell entkoppelt.
  • Das vordere Leitblech wird auf diese Weise wirkungsvoll in dem vorderen Hohlraum zentriert, wobei thermische Spannungen an dem Verbindungspunkt der kalten Brücke und der Leitschaufelseitenwände und insbesondere an der konvexen Seitenwand 20 bedeutend reduziert sind, die herkömmlich durch den Lebensdauer beschränkenden Bereich der Leitschaufel beeinträchtigt wurde. Wie oben erwähnt, kann die verbesserte Konstruktion der Abstandhaltermerkmale im Ver gleich zu der herkömmlichen vermarkteten Konstruktion, die diese Verbesserungen nicht aufweist, zu einer Vervierfachung der Nutzungslebensdauer der Düsenleitschaufeln beitragen.
  • Die Entdeckung der Ursache der die Lebensdauer beschränkenden Eigenschaften der herkömmlichen handelsüblichen Turbinendüse führte zu einer Lösung, die lediglich eine geringe Änderung der ursprünglichen Konstruktion erfordert und dennoch eine tiefgreifende Wirkung hinsichtlich einer wesentlichen Verlängerung der Nutzungslebensdauer erzielt. Die länglichen Seitenrippen sind örtlich von der kalten Brücke 28 sowie von den Hinterkantentrennwänden 46 entkoppelt, um mangelnde thermische Übereinstimmung dazwischen erheblich zu reduzieren. Weiter sind die Endrippen 56a, b an bevorzugten Stellen eingeführt, um die entsprechenden Aufprallbleche zu tragen, ohne in sonstiger Weise unerwünschte mangelnde thermische Übereinstimmung zwischen den Endrippen und den heißen Seitenwänden einzuführen.
  • Die verbesserten Merkmale können ohne weiteres in neuen Turbinendüsenkonstruktionen genutzt, sowie in bestehenden Konstruktionen nachgerüstet werden, um während normaler Wartungsausfallzeiten eines Gasturbinentriebwerks ausgetauscht zu werden. Mit einer relativ geringen Änderung der Düsenkonstruktion und einer geringen oder überhaupt keiner Steigerung der Herstellungskosten lässt sich eine wesentliche Verlängerung der Nutzungslebensdauer der Turbinendüse erzielen.

Claims (8)

  1. Turbinendüse (10) aufweisend: mehrere Leitschaufeln (12), die fest mit äußeren und inneren Bändern (14, 16) verbunden sind; wobei jede von den Leitschaufeln gegenüberliegende erste und zweite Seitenwände (20, 22), die sich in Sehnenrichtung zwischen Vorder- und Hinterkanten (24, 26) und in Spannenrichtung zwischen den Bändern erstrecken, und eine Innenbrücke (28) aufweist, die sich in einem Stück zwischen den Seitenwänden erstreckt, um einen vorderen Hohlraum (30) auf ihrer Vorderseite, der durch die Vorderkante begrenzt ist, und einen hinteren Hohlraum (32) auf ihrer Rückseite, der durch die Hinterkante begrenzt ist, zu bewirken; wobei jede Leitschaufel ferner mehrere längliche Seitenrippen (34) enthält, die sich in Sehnenrichtung entlang den Seitenwänden erstrecken und davon nach innen gerichtet in die Hohlräume vorstehen; wobei sich die Rippen (34) entlang den Seitenwänden (20, 22) vor und hinter der Brücke (28) innerhalb der Hohlräume (30, 32) erstreckenden Rippen (34) über einen Großteil ihrer Länge in Sehnenrichtung erstrecken; und wobei jede von den Rippen angrenzend an die Brücke beschnitten ist, um die Rippen davon zu entkoppeln.
  2. Düse nach Anspruch 1, wobei die erste Seitenwand (20) nach außen gerichtet konvex ist und die Rippen (34) an der Brücke (28) in der Nähe entsprechender dazwischen angeordneter Übergänge (42) enden.
  3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, welche ferner vordere und hintere Aufprallleitwände (36, 38) aufweist, die innerhalb der vorderen bzw. hinteren Hohlräume angeordnet und darin durch die Rippen (34) in Abstand zentriert angeordnet sind.
  4. Düse nach Anspruch 3, welche ferner eine Endrippe (56a, b) aufweist, die an einem hinteren Ende von jedem Hohlraum (30, 32) angeordnet ist, um an den Leitwänden (36, 38) darin anzuliegen.
  5. Düse nach Anspruch 3, wobei die Rippen (34) an der Brücke (28) an dazwischen angeordneten entsprechenden Übergängen (42) enden und ferner eine Endrippe (56a, b) enthalten, die an einem hinteren Ende von jedem Hohlraums (30, 32) angeordnet ist, um an den Leitwänden (36, 38) darin anzuliegen.
  6. Düse nach Anspruch 5, ferner aufweisend: einen Vorderkanten-Kühlkreislauf (44), der in jeder Leitschaufel (12) in Strömungsverbindung mit dem hinteren Hohlraum (32) darin angeordnet ist und mehrere Trennwände (46) enthält, die entlang der Spannenrichtung in Abstand angeordnet sind, um entsprechende Auslasskanäle (48) zu definieren, die bei entsprechenden Öffnungen (50) an der Hinterkante (26) enden; wobei sich die Endrippe (56b) in dem hinteren Hohlraum (32) von einer Trennwand (46) aus vorwärts in den hinteren Hohlraum erstreckt, und die Endrippe in dem vorderen Hohlraum in einem Stück mit der Brücke (28) zwischen den Seitenwänden ausgebildet und dort beschnitten ist, um die Endrippe davon zu entkoppeln.
  7. Düse nach Anspruch 6, wobei: die Endrippe (56b) in dem hinteren Hohlraum (32) von den Seitenrippen (34) entlang der Spannenrichtung darin in Abstand angeordnet und davon entkoppelt ist; und sich mehrere von den Endrippen (56a) von der Brücke (28) aus in den vorderen Hohlraum (30) erstrecken und voneinander entlang der Spannenrichtung in Abstand angeordnet sind.
  8. Verfahren zum Steigern der Lebensdauer einer Turbinendüse (10), die mehrere Leitschaufeln (12), die fest mit äußeren und inneren Bändern (14, 16) verbunden sind; wobei jede Leitschaufel gegenüberliegende erste und zweite Seitenwände (20, 22) enthält, die sich in Sehnenrichtung zwischen Vorder- und Hinterkanten (24, 26) und in Spannenrichtung zwischen den Bändern erstrecken und eine Innenbrücke (28) aufweist, die sich in einem Stück zwischen den Seitenwänden erstreckt, um einen vorderen Hohlraum (30) auf ihrer Vorderseite, der durch die Vorderkante begrenzt ist, und einen hinteren Hohlraum (32) auf ihrer Rückseite, der durch die Hinterkante begrenzt ist, zu bewirken; wobei jede Leitschaufel ferner mehrere längliche Seitenrippen (34) enthält, die sich in Sehnenrichtung entlang den Seitenwänden erstrecken und davon nach innen gerichtet in die Hohlräume vorstehen; und wobei sich die Seitenrippen (34) zu der Brücke (28) hin erstrecken und in einem Stück damit ausgebildet sind, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist, durch die Schritte: Beschneiden der Rippen (34) von der Brücke aus entlang. wenigstens der ersten Seitenwand in dem hinteren Hohlraum (32); und Beschneiden der Rippen (34) von der Brücke aus entlang der ersten Seitenwand in dem vorderen Hohlraum (34); und dadurch Erzielen einer Düse, in welcher jede Rippe angrenzend an die Brücke beschnitten ist, um die Rippen davon zu entkoppeln.
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