DE602004002004T2

DE602004002004T2 - Mit verringertem Kühlluftdurchstrom gekühlte Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE602004002004T2
Application number: DE602004002004T
Authority: DE
Inventors: Eric Schwartz; Laurent Dubois; Damien Redon
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2024-02-14
Also published as: JP4315829B2; UA79936C2; JP2004251280A; US20040208748A1; US7011492B2; ES2270300T3; DE602004002004D1; CA2456696C; RU2004104123A; CA2456696A1; EP1452695A1; FR2851286A1; EP1452695B1; FR2851286B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der Schaufeln von Turbinen von Turbomaschinen, insbesondere die Schaufeln von Turbinen, die mit integrierten Kühlkreisläufen versehen sind.
Stand der Technik
Wie bekannt, umfaßt eine Turbomaschine eine Brennkammer, in der Luft und Brennstoff gemischt werden, bevor sie dort verbrannt werden. Die Gase, die aus dieser Verbrennung hervorgehen, fließen stromabwärts von der Brennkammer und versorgen danach eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine, wobei jede Turbine eine oder mehrere Reihen stationärer Schaufeln (Leitschaufel genannt) aufweist, die mit einer oder mehreren Reihen beweglicher Schaufeln (Laufräder genannt) abwechseln, die auf dem Umfang um den ganzen Rotor der Turbine beabstandet sind. Diese Turbinenschaufeln unterliegen den sehr hohen Temperaturen der Verbrennungsgase, die Werte erreichen, die weit größer sind als die, welche die Schaufeln, die in direktem Kontakt mit diesen Gasen sind, schadlos überleben können, was ihre Lebensdauer einschränkt.
Um dieses Problem zu lösen, ist es bekannt, diese Schaufeln mit inneren Kühlkreisläufen, die darauf abzielen, die Temperatur dieser Letzteren zu verringern, indem im Inneren der Schaufel eine organisierte Zirkulation dieser Luft geschaffen wird, und die Wand der Schaufel mit Perforierungen zu versehen, die dazu bestimmt sind, einen Schutzfilm für diese Schaufel zu bilden.
Die 5 und 6 veranschaulichen eine herkömmliche gekühlte Schaufelstruktur des Typs mit Mantel, der derzeit bestimmte Luftfahrtmotoren ausstattet.
Die Schaufel 10, die ein hohles Schaufelblatt 12 aufweist, das zwischen eine äußere Plattform 14 und eine innere Plattform 16 eingefügt ist, weist einen Mantel 18 auf, der einen ringförmigen peripheren Hohlraum 20 zwischen der inneren Wand der Schaufel und der äußeren Wand des Mantels definiert. In seinem oberen Teil 18A ist dieser Mantel dicht auf der äußeren Plattform der Schaufel durch Schweißen oder Hartlöten befestigt und fügt sich in seinem unteren Teil 18B in die innere Plattform der Schaufel auf der Ebene einer Führungszone 16A, und läßt dabei ein bestimmtes Spiel frei, das für die Montage und das Gleiten des Mantels unter den Einwirkungen der Wärmedehnung erforderlich ist. Gemäß der in Betracht gezogenen Konfiguration, erhalten Klötze 22, die fest mit der inneren Wand verbunden sind oder aus Höckern des Mantels bestehen, einen konstanten Abstand zwischen dem Mantel und dieser inneren Wand aufrecht.
Der Mantel 18 ist vom mehrfach perforierten Typ, so daß der Kühlluftdurchsatz, der von einer Luftquelle unter Druck geliefert wird, im Allgemeinen ein Kompressor der Turbomaschine, in die äußere Plattform 14 durch eine Einlaßöffnung 24 eintritt, im Inneren des Mantels 18 ankommt und zum Teil durch die mehrfachen Perforationen des Mantels austritt und dabei in dem peripheren Hohlraum 20 Luftstrahlen bildet, die durch Aufprallen die innere Wand der Schaufelblatts 12 kühlen, und werden dann über kalibrierte Bohrungen 25, die auf der Blattaustrittskante oder auf der Blattunterseite dieses Schaufelblatts hergestellt sind, abgeleitet, um einen Schutzluftfilm zu bilden (wobei Stege 26 im Inneren der Schaufel vorgesehen werden können, um dort die Kühlluftzirkulation einzurichten). Der restliche Luftdurchsatz tritt durch die innere Plattform 16 aus, die er durchquert, wobei er sie abkühlt, um durch eine Auslaßöffnung 28 aus der Schaufel zu anderen Organen des Motors, die zu kühlen sind, auszutreten.
Aufgrund des Spiels, das zwischen dem unteren Teil des Mantels 18B und der Zone 16A der inneren Plattform, auf welcher dieser Mantel gleitet, existiert, ergibt sich notwendigerweise ein Kühlluftleck, dessen Ausmaß von dem Gleichgewicht der Drücke zwischen dem Ausgang des Mantels auf der Ebene seines unteren Teils 18A und dem peripheren Hohlraum 20 abhängt. Wenn der Druck am Mantelausgang daher größer ist als der in dem Hohlraum existierende Druck, steigt ein Luftdurchsatz in diesen Hohlraum zurück auf und verringert um ebenso viel den Durchsatz für das Belüften der äußeren Organe der Beschaufelung. Umgekehrt versorgt die Luft, die am Kühlen der inneren Wand des Mantels teilgenommen hat, bei einem geringeren Druck am Mantelausgang den Belüftungsstrom der äußeren Organe, was eine sehr nachteilige Störung für die Lebensdauer des Motors aufgrund der Steigerung seiner Temperatur, die beim Berühren der Wand der Schaufel entsteht, darstellt. Eine Turbomaschinenschaufel ist ferner in dem Dokument EP-A-1 160 418 beschrieben.
Aufgabe und Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, den Nachteilen in Zusammenhang mit diesen Kühlluftlecks abzuhelfen, indem sie eine Turbinenschaufel vorschlägt, die diese merklich verringert, ohne ein ergänzendes Abdichtsystem einzuführen, das den großen Nachteil aufweist, das Gleiten des Mantels zu bremsen. Die Erfindung hat ferner die Aufgabe, eine Schaufel herzustellen, deren Geometrie und daher Herstellungsprozeß im Vergleich zum herkömmlichen Herstellungsprozeß in der Gießerei wenig modifiziert sind, um jede Beeinträchtigung der allgemeinen mechanischen Festigkeit zu vermeiden. Schließlich zielt sie auf jede Turbine einer Turbomaschine ab, die mit solchen gekühlten Schaufeln ausgestattet ist.
Dazu ist eine Turbinenschaufel einer Turbomaschine vorgesehen, die einen mehrfach perforierten Mantel aufweist, der einen ringförmigen Hohlraum zwischen einer äußeren Wand dieses Mantels und einer inneren Wand der Schaufel definiert, eine Lufteinlaßöffnung, um das Innere dieses Mantels mit Kühlluft zu versorgen, und eine Luftauslaßöffnung, um einen Teil dieser Kühlluft aus der Schaufel heraus zu evakuieren, wobei der Mantel an einem Ende mit der Schaufel fest verbunden ist und an einem anderen Ende frei ist, um entlang einer inneren Kante der Schaufel unter den Wirkungen der Wärmedehnung zwischen dem Mantel und der inneren Wand der Schaufel zu gleiten, wobei der ringförmige Raum zwischen diesem freien Ende des Mantels und der inneren Kante der Schaufel einen Verflüchtigungsbereich für die Kühlluft bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kante eine Aussparung umfaßt, um einen Druckverlust in dem Verflüchtigungsbereich zu erzeugen, um den Durchsatz der Kühlluft, die ihn durchquert, zu reduzieren.
Auf diese Weise wird durch Schaffen der Druckverluste im Verflüchtigungsbereich der Durchsatz, der dieses Kühlluftleck durchquert, stark verringert. Diese besondere Geometrie des Führungsquerschnitts des Mantels erlaubt es daher, den Leckdurchsatz, der gewöhnlich an diesem Schaufeltyp mit Mantel festgestellt wird, um etwa 25% zu verringern, ohne den Herstellungsprozeß der Schaufel zu modifizieren (nur die Kernform der Innenplattform muß geringfügig geändert werden). Ferner erlaubt es das Fehlen eines Abdichtsystems, dem Gleiten des Mantels in der Schaufel nicht zu schaden.
Gemäß der in Betracht gezogenen Ausführungsform wird die Aussparung am ganzen oder an einem Teil des Umfangs der Innenkante hergestellt und weist vorteilhafterweise eine Rotationsgeometrie auf. Sie kann eine rechteckige Einkerbung oder auch eine wabenförmige Einkerbung bilden, die vorzugsweise mindestens eine Zelle aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner jede Turbine für Turbomaschine, die mit mehreren wie oben genannt gekühlten Schaufeln versehen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, die eine Ausführungsform ohne jede einschränkende Wirkung veranschaulichen, und in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Leitschaufel ist,
2 eine Detailansicht der Figur auf der Ebene eines Verflüchtigungsbereichs bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist,
3 eine Detailansicht der 1 auf der Ebene eines Verflüchtigungsbereichs bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist,
4 eine Vergrößerung der 3 ist,
5 eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel der Turbine des früheren Stands der Technik ist, und
6 eine Schnittansicht der Schaufel der 5 ist.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform
1 stellt perspektivisch eine gekühlte Beschaufelung 10 zum Beispiel eine Leitschaufel einer Turbine einer Turbomaschine gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Diese Schaufel, die aus einem Hohlblatt 12 gebildet ist, das zwischen einer äußeren Plattform 14 und einer inneren Plattform 16 montiert ist, ist auf einem Gehäuse (nicht dargestellt) der Turbine über die äußere Plattform, die eine äußere Wand für den Flußstrahl der Verbrennungsgase durch die Turbine definiert befestigt, wobei die innere Wand des Flußstrahls durch die innere Plattform dieser Schaufel definiert wird.
Eine solche Schaufel unterliegt den sehr hohen Temperaturen der Verbrennungsgase und muß daher gekühlt werden. Dazu und wie bekannt weist die Schaufel 10 mindestens einen mehrfach perforierten Mantel 18 auf, der an einem seiner radialen Enden mit Kühlluft versorgt wird und einen peripheren ringförmigen Hohlraum 20 zwischen der inneren Wand der Schaufel und der äußeren Wand des Mantels bildet. An seinem oberen Teil 18A ist dieser Mantel dicht auf der äußeren Plattform 14 der Schaufel durch Schweißen oder Hartlöten befestigt, und an seinem unteren Teil 18B fügt er sich in die innere Plattform 16 der Schaufel auf der Ebene einer Führungs- oder Gleitzone 16A, wobei er einen ringförmigen Raum 21 läßt, der ein bestimmtes Spiel schafft, das für die Montage und das Gleiten des Mantels beim Betrieb aufgrund der unterschiedlichen Entwicklung der Temperaturen der verschiedenen Bestandteile der Schaufel und daher ihrer relativen Dehnung erforderlich ist, aber auch einen Verflüchtigungsbereich für die Kühlluft. Lufteinlaßöffnungen 24 und Luftauslaßöffnungen sind auf der Ebene der äußeren und der inneren Plattform jeweils für die Kühlluftzirkulation vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, Druckverluste in dem Verflüchtigungsbereich so zu schaffen, daß der ihn durchquerende Kühlluftdurchsatz reduziert wird. Dazu und wie von den Ausführungsformen der 2 und 3 veranschaulicht, ist die Gleitzone 16A des unteren Teils des Mantels 18 auf der inneren Plattform 16 mit einer Aussparung 30 versehen, die am ganzen oder an einem Teil des Umfangs dieser Zone hergestellt ist, und zwar in Form eines kleinen Einschnitts oder einer Einkerbung, deren Formen und Maße von dem gewünschten Leckdurchsatz abhängen. Vorzugsweise hat diese Aussparung zum Beispiel ringförmige oder elliptische Rotationsgeometrie (oder Umfangsgeometrie).
In 2 besteht diese Aussparung einfach aus einer rechteckigen Einkerbung 32. Die Erfinder konnten mit dieser elementaren Geometrie messen, daß die Steigerung der Druckverluste, die von der Einkerbung bewirkt wird, eine nicht vernachlässigbare Verringerung des Kühlluftdurchsatzes in dem Verflüchtigungsbereich im Vergleich zu der Geometrie ohne Einkerbung des früheren Stands der Technik zeigt. Für eine Einkerbung mit 2 mm Breite und 0,6 mm Tiefe liegt diese Verringerung in der Größenordnung von 12%.
In 3 wird diese Aussparung durch eine wabenförmige Einkerbung gebildet, deren genaue Form detailliert in 4 dargestellt ist. Sie weist drei Zellen 34, 36, 38 auf, die es erlauben, drei aufeinander folgende Aufspaltungen des Leckstroms zu erzeugen. Die Anzahl der Zellen und ihre Form ist natürlich in keiner Weise einschränkend und der Fachmann kann je nach den verlangten Durchsatzmerkmalen ihre Anzahl und Form entscheiden. Auch hier konnten die Erfinder testen, daß die Steigerung der Druckverluste, die von dieser wabenförmigen Einkerbung bewirkt wird, mit einer solchen Geometrie eine nicht vernachlässigbare Verringerung des Kühlluftdurchsatzes im Verflüchtigungsbereich nicht nur im Vergleich zur Geometrie ohne Aussparung des früheren Stands der Technik, sondern auch im Vergleich zu einer rechteckigen Einkerbung mit gleichem Maß zeigt. Man erzielt in diesem Fall nämlich eine Verringerung des Durchsatzes in der Größenordnung von 25% (praktisch das Doppelte der vorhergehenden) mit drei Zellen zu 0,6 mm Tiefe (mit Krümmungsradius 0,2 mm) in einer Einkerbung zu 2 mm Breite.
Mit dieser Erfindung wurde der Fertigungsprozeß der Schaufel nicht geändert, es reicht, den Kern der Form, die zum Herstellen der inneren Plattform der Schaufel dient, geringfügig an die erstrebenswerte Aussparungsform anzupassen. Ferner vermeidet das Fehlen des Einführens einer Dichtung oder jedes anderen Dichtsystems in dem Verflüchtigungsbereich jedes Blockieren beim Gleiten des Mantels unter den Dehnungseinwirkungen.

Claims

Turbinenschaufel einer Turbomaschine umfassend einen mehrfach perforierten Mantel (18), der eine ringförmige Aushöhlung (20) zwischen einer äußeren Wand dieses Mantels und einer inneren Wand der Schaufel (10) definiert, eine Lufteinlaßöffnung (24), um das Innere dieses Mantels mit Kühlluft zu versorgen und eine Luftabzugsöffnung (28) um einen Teil dieser Kühlluft aus der Schaufel heraus zu evakuieren, wobei der Mantel an einem Ende (18A) mit der Schaufel fest verbunden ist und an einem anderen Ende (18B) frei ist, entlang einer inneren Kante (16A) der Schaufel unter den Wirkungen der relativen Wärmedehnung zwischen dem Mantel und der inneren Wand der Schaufel zu gleiten, wobei der ringförmige Raum (21) zwischen diesem freien Ende des Mantels und der inneren Kante der Schaufel einen Verflüchtigungsbereich für die Kühlluft bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kante (16A) eine Aussparung (30) umfaßt, um einen Druckverlust in dem sogenannten Verflüchtigungsbereich zu erzeugen, um den Durchsatz der Kühlluft, die ihn durchquert, zu reduzieren.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung am ganzen oder an einem Teil des Umfangs der inneren Kante ausgebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung eine Rotationsgeometrie aufweist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung eine rechteckige Einkerbung (32) umfaßt.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung eine wabenförmige Einkerbung (34, 36, 38) umfaßt.
Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wabenförmige Einkerbung mindestens eine Zelle umfaßt.
Turbine einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl gekühlter Schaufeln (10) nach einem der vorherigen Ansprüche umfaßt.