DE602004010965T2 - Hohle Rotorschaufel eines Gasturbinentriebwerks - Google Patents

Hohle Rotorschaufel eines Gasturbinentriebwerks Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine hohle Rotorschaufel für die Turbine eines Gasturbinentriebwerks, insbesondere für eine Turbine vom Typ Hochdruckturbine.
  • Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung die Ausbildung einer hohlen Schaufel vom Typ derer, die folgendes umfaßt, nämlich einen inneren Kühldurchgang, einen offenen Hohlraum, der am freien Ende der Schaufel gelegen ist und der durch eine bodenseitige Wand, die sich über das gesamte Ende der Schaufel erstreckt, und durch einen Rand, der sich zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante entlang der außenseitigen Wand und der innenseitigen Wand erstreckt, begrenzt ist, sowie Kühlkanäle, die den inneren Kühldurchgang und die Außenseite der innenseitigen Wand verbinden, wobei die Kühlkanäle gegenüber der innenseitigen Wand geneigt sind, so daß sie im Bereich ihres Ausgangs an der Außenseite der innenseitigen Wand in Richtung des Scheitels des Randes ausmünden.
  • Die Kühlkanäle dieser Art sind dazu bestimmt, das freie Ende der Schaufel zu kühlen, da sie ermöglichen, einen Kühlluftstrahl von dem inneren Kühldurchgang aus in Richtung des Endes der Schaufel im Bereich des oberen Endes der Außenseite der innenseitigen Wand zu fördern. Dieser Luftstrahl erzeugt „thermisches Pumpen", nämlich eine Verringerung der Temperatur des Metalls durch Wärmeaufnahme im Innersten der Metallwand, sowie einen Kühlluftfilm, der das Ende der Schaufeln innenseitig schützt.
  • Aufgrund der hohen Arbeitsgeschwindigkeiten am Ende dieser Schaufeln sowie aufgrund der Temperaturen, denen diese Schaufeln ausgesetzt sind, ist es erforderlich, sie zu kühlen, damit ihre Temperatur unter derjenigen der Gase bleibt, bei denen sie arbeiten.
  • Aus diesem Grund sind die Schaufeln herkömmlicherweise hohl, um ihre Kühlung mittels der in einem inneren Kühldurchgang vorhandenen Luft zu ermöglichen.
  • Darüber hinaus ist bekannt, am Ende der Schaufel einen auch als „Badewanne" bezeichneten offenen Hohlraum vorzusehen; diese Schaufelendform begrenzt die gegenüberliegenden Flächen zwischen dem Ende der Schaufel und der entsprechenden ringförmigen Fläche des Turbinengehäuses, um den Körper der Schaufel gegen Schäden zu schützen, die durch den eventuellen Kontakt mit einem Ringsegment verursacht werden.
  • Die Dokumente US 6,231,307 und EP 0 816 636 stellen eine solche hohle Schaufel vor, die außerdem mit Kühlkanälen ausgestattet ist, welche den inneren Kühldurchgang und die Außenseite des Randes des Hohlraums im Bereich der innenseitigen Wand verbinden.
  • Diese Kühlkanäle, die auf der Seite der innenseitigen Wand gelegen sind, ermöglichen somit den Austritt eines Luftstrahls aus dem inneren Kühldurchgang, der kälter als derjenige ist, welcher die innenseitige Wand umgibt, wobei dieser Luftstrahl einen örtlich begrenzten Kühlluftfilm an der Außenseite der innenseitigen Wand bildet, der in Richtung der außenseitigen Wand gesogen wird.
  • In dem Dokument US 6,231,307 verbinden diese geneigten Kühlkanäle den inneren Kühldurchgang und die Außenseite des Randes des Hohlraums im Bereich der innenseitigen Wand dadurch, daß sie (siehe 2 dieses Dokuments) derart angeordnet sind, daß sie die bodenseitige Wand des Hohlraums und den Rand des Hohlraums im Bereich der innenseitigen Wand durchqueren und dabei durch den Hohlraum verlaufen.
  • Diese Lösung erfordert folglich eine große Materialdicke, sei es für die bodenseitige Wand des Hohlraums oder für den Rand des Hohlraums, um nicht die Leistungen thermomechanischer Festigkeit am Schaufelende in Frage zu stellen. Des weiteren begrenzt diese Lösung sehr stark den Kühlluftstrom, der den Scheitel des Randes erreicht, da der größte Teil des Stroms aus dem inneren Kühldurchgang über den ersten Abschnitt der Kühlkanäle austritt und direkt in den Hohlraum eindringt, ohne zur Außenseite der innenseitigen Wand zu gelangen.
  • Die Lösung des Dokuments EP 0 816 636 , die in 5 dieses Dokuments zu sehen ist, besteht darin, diese Kühlkanäle derart anzuordnen, daß sie die innenseitige Wand durchqueren und dabei an der Außenseite dieser innenseitigen Wand im Bereich der Basis des Randes des Hohlraums ausmünden.
  • Auch hier erfordert diese Lösung eine große Materialdicke, sei es für die bodenseitige Wand des Hohlraums oder für den Rand des Hohlraums, um nicht die Leistungen thermomechanischer Festigkeit am Schaufelende in Frage zu stellen.
  • In Anbetracht der immer höheren Betriebstemperaturen der Turbinen ermöglichen diese Lösungen jedoch derzeit nicht die Ausbildung einer hohlen Schaufel, deren Kühlung am Ende ausreichend ist.
  • Denn um eine ausreichende thermomechanische Festigkeit um die Kühlkanäle herum aufrechtzuerhalten, führt der Einsatz großer Wanddicken zu einer sehr erheblichen Beschwerung des Laufrades (oder der Laufräder) der Turbine. Da, je größer die Materialdicken sind, die Temperatur aufgrund einer langsameren Kühlung um so mehr ansteigt, ermöglichen diese großen Materialdicken demzufolge nicht, eine ausreichende Kühlung am Schaufelende zu bewerkstelligen, um einen Betrieb der Turbine bei den gewünschten höheren Temperaturen zu ermöglichen.
  • Es ist anzumerken, daß wenn die Kühlung am Ende der Schaufel unzureichend ist, es zu lokalen Verbrennungen oder überhitzten Stellen kommen kann, die zu Metallverlusten führen können, welche die Spiele vergrößern, was dem aerodynamischen Leistungsgrad der Turbine schadet. Auch wenn die Temperatur des Randes des Hohlraums zu stark steigt, werden Risiken von Verbrennungen oder überhitzten Stellen mit einer Abnutzung oder Beschädigung der Metallwand festgestellt.
  • Die vorliegende Erfindung versucht, die vorgenannten Probleme zu lösen.
  • Demzufolge besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine hohle Rotorschaufel vorgenannter Art für die Turbine eines Gasturbinentriebwerks zu liefern, die ermöglicht, das Ende der Schaufel ausreichend zu kühlen, um deren Zuverlässigkeit zu verbessern, ohne die aerodynamischen und thermomechanischen Leistungen der Schaufel zu verringern.
  • Zu diesem Zweck ist die Schaufel gemäß der vorliegenden Erfindung durch Patentanspruch 1 definiert.
  • Auf diese Weise wird verständlich, daß durch das Vorliegen der Materialverstärkung die Kühlkanäle so näher am Scheitel des Randes ausmünden können, ohne den Abstand zwischen diesen Kühlkanälen und der bodenseitigen Wand des Hohlraums zu verändern.
  • Diese Materialverstärkung erzeugt nämlich eine Überdicke in dem Teil des Endes der Schaufel, in dem der Rand und die bodenseitige Wand auf der Innenseite des Hohlraums aufeinandertreffen.
  • Eine solche Verstärkung ist auch leicht herzustellen, ohne das Herstellungsverfahren der Schaufel zu verändern, da ab dem Schritt des Gießens, insbesondere bei der Gestaltung der diesem Teil der Schaufel entsprechenden Form, an dieser Stelle lediglich eine größere Metallmenge vorgesehen werden muß.
  • Diese Lösung weist auch den zusätzlichen Vorteil auf, daß die Struktur der Schaufel nicht erheblich schwerer gemacht wird.
  • Ingesamt ist es dank der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die am Ende der Schaufel, vor allem im Bereich des Scheitels des Randes der innenseitigen Wand erzeugte Kühlung durch die aus den Kühlkanälen austretende Luft zu verbessern, ohne die thermomechanischen und aerodynamischen Leistungen der Schaufeln zu verändern.
  • Vorzugsweise bildet die dem Hohlraum zugewandte Fläche der Verstärkung mit der dem Hohlraum zugewandten Fläche der bodenseitigen Wand einen Winkel (α) zwischen 170° und 100°, vorzugsweise zwischen 135° und 110°.
  • Bei einer bevorzugten Anordnung ist der Winkel (α) im wesentlichen gleich 112°.
  • Eine solche Anordnung ermöglicht, das Phänomen des thermischen Pumpens zu optimieren und die Kühlung der vertikalen Wand der „Badewanne", d. h. den Rand des offenen Hohlraums zu erhöhen.
  • Vorzugsweise verläuft die dem Hohlraum zugewandte Fläche der Verstärkung im wesentlichen parallel zur Richtung der Kühlkanäle.
  • Diese bevorzugte Ausführung ermöglicht, die beste mechanische Verstärkung mit einem Minimum an Material im Bereich der Verstärkung zu erzielen.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Anordnung ist der Abstand (A) zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle und dem Scheitel des Randes geringer als der Abstand (B) zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle und der dem Hohlraum zugewandten Fläche der Verstärkung.
  • Diese Anordnung ermöglicht, den Ausgang der Kühlkanäle möglichst nahe dem Scheitel des Randes anzuordnen, der sehr wirkungsvoll gekühlt wird.
  • Bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform ist der Abstand (B) zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle und der dem Hohlraum zugewandten Fläche der Verstärkung wenigstens gleich, und insbesondere exakt gleich dem Abstand (C), welcher den Schnittpunkt (C1) zwischen der Innenseite des Randes im Bereich der außenseitigen Wand und der dem Hohlraum zugewandten Fläche der bodenseitigen Wand und den Schnittpunkt (C2) zwischen der Außenseite der außenseitigen Wand und der dem Hohlraum abgewandten Fläche der bodenseitigen Wand voneinander trennt.
  • Auf diese Weise wird nämlich an der Stelle der Verstärkung, also auf der Seite der innenseitigen Wand des Endes der Schaufel, eine Struktur geschaffen, die genauso widerstandsfähig ist wie diejenige, die sich an dem Ende der Schaufel auf der Seite der außenseitigen Wand befindet.
  • Weitere Vorteile sowie Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden, als Beispiel zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, hierin zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer hohlen Rotorschaufel für eine herkömmliche Gasturbine,
  • 2 in der Perspektive, in vergrößerter Form, das freie Ende der Schaufel der 1,
  • 3 eine ähnliche Ansicht wie die der 2, nachdem die Austrittskante der Schaufel durch einen Längsschnitt entfernt worden ist,
  • 4 eine Ansicht im Längsschnitt entlang der Richtung IV-IV der 3 und
  • 5 eine ähnliche Ansicht wie die der 4, welche die Anpassungen der Schaufel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 1 ist in der Perspektive ein Beispiel einer herkömmlichen hohlen Rotorschaufel 10 für eine Gasturbine zu sehen. (Nicht dargestellte) Kühlluft strömt innerhalb der Schaufel von dem unteren Teil des Fußes 12 der Schaufel in radialer (vertikaler) Richtung zum freien Ende 14 der Schaufel (in 1 oben), anschließend entweicht diese Kühlluft über einen Auslaß, um sich dem Hauptgasstrom anzuschließen.
  • Insbesondere zirkuliert diese Kühlluft in einem inneren Kühldurchgang, der innerhalb der Schaufel gelegen ist und der am freien Ende 14 der Schaufel im Bereich von Durchgangsbohrungen 15 endet.
  • Der Körper der Schaufel ist derart profiliert, daß er eine innenseitige Wand 16 (in allen Figuren links) und eine außenseitige Wand 18 (in allen Figuren rechts) definiert. Die innenseitige Wand 16 weist eine allgemein konkave Form auf und ist als erste Fläche dem Strom heißer Gase, d. h. auf der Druckseite der Gase, ausgesetzt, während die außenseitige Wand 18 konvex ist und anschließend dem Strom heißer Gase, d. h. auf der Saugseite der Gase, ausgesetzt ist.
  • Die innenseitige Wand 16 und die außenseitige Wand 18 laufen an der Stelle der Eintrittskante 20 und an der Stelle der Austrittskante 22, die sich radial zwischen dem freien Ende 14 der Schaufel und dem oberen Teil des Fußes 12 der Schaufel erstrecken, zusammen.
  • Wie aus den vergrößerten Ansichten der 2 bis 5, im Bereich des freien Endes 14 der Schaufel hervorgeht, ist der innere Kühldurchgang 24 durch die Innenseite 26a einer bodenseitigen Wand 26 begrenzt, die sich über das gesamte freie Ende 14 der Schaufel, zwischen der innenseitigen Wand 16 und der außenseitigen Wand 18, also von der Eintrittskante 20 bis zur Austrittskante erstreckt.
  • Im Bereich des freien Endes 14 der Schaufel bilden die innenseitige und die außenseitige Wand 16, 18 den Rand 28 eines Hohlraums 30, der in der zum inneren Kühldurchgang 24 entgegengesetzten Richtung, also radial nach außen (in allen Figuren nach oben) geöffnet ist.
  • Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist dieser offene Hohlraum 30 also seitlich durch die Innenseite dieses Randes 28 und im unteren Teil durch die Außenseite 26b der bodenseitigen Wand 26 begrenzt.
  • Der Rand 28 bildet folglich eine dünne Wand entlang dem Profil der Schaufel, welche das freie Ende 14 der Schaufel 10 vor dem Kontakt mit der entsprechenden Ringfläche des Turbinengehäuses schützt.
  • Wie aus den Schnittansichten der 4 und 5 genauer ersichtlich ist, durchqueren geneigte Kühlkanäle 32 die innenseitige Wand 16, um den inneren Kühldurchgang 24 mit der Außenseite der innenseitigen Wand 16 zu verbinden.
  • Diese Kühlkanäle 32 sind derart geneigt, daß sie in Richtung des Scheitels 28a des Randes ausmünden, um diesen Scheitel 28a, entlang der innenseitigen Wand 16 soweit wie möglich zu kühlen.
  • Wie aus den 4 und 5 durch die schwarzen dicken Pfeile 33 am Ausgang der Kühlkanäle zu sehen ist, ist ein Luftstrahl entlang der innenseitigen Wand 16 in Richtung des Scheitels 28a des Randes gerichtet.
  • Im Fall der bekannten Schaufeln, wie in 4 genauer gezeigt ist, empfiehlt es sich zum Aufrechterhalten einer ausreichenden thermomechanischen Festigkeit am freien Ende 14 der Schaufel, zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle 32 (wobei der Meßpunkt die Achse dieser Kanäle ist) und dem Schnittpunkt (B1) zwischen der Innenseite des Randes 28 im Bereich der innenseitigen Wand 16 und der dem Hohlraum 30 zugewandten Außenseite 26b der bodenseitigen Wand 26 einen ausreichenden Abstand B zu lassen.
  • Diese Situation, die sich aus einer maschinenbaulichen Notwendigkeit ergibt, führt zu der Tatsache, daß der Abstand A, der zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle 32 (wobei der Meßpunkt die Achse dieser Kanäle ist) und dem Scheitel 28a des Randes 28 auf der Seite der innenseitigen Wand gemessen wird und der weit größer als der vorgenannte Abstand B ist, nicht ausreicht, um den Scheitel 28a ausreichend stark zu kühlen.
  • Um diesen Nachteil zu beheben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung, und wie aus 5 ersichtlich ist, zwischen der dem Hohlraum 30 zugewandten Seite des Randes 28, entlang der innenseitigen Wand 16, und der dem Hohlraum 30 zugewandten Seite 26b der bodenseitigen Wand 26 eine Materialverstärkung 34 vorgesehen.
  • Diese Materialverstärkung 34 ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, daß sie eine dem Hohlraum 30 zugewandte Fläche 34a bildet, die im wesentlichen eben ist, so daß der Übergang zwischen der dem Hohlraum 30 zugewandten Außenseite 26b der bodenseitigen Wand 26 und der Innenseite des Randes 28 stufenweise erfolgt.
  • Wie aus 5 ersichtlich ist, wird dank dieser Materialverstärkung 34 der vorgenannte Abstand B, der zur Sicherstellung der thermomechanischen Festigkeit am Schaufelende aufrechterhalten werden muß, zu einem Abstand B', der zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle 32 (wobei der Meßpunkt die Achse dieser Kanäle ist) und der genannten Fläche 34a der Verstärkung 34 gemessen wird.
  • Da dieser Abstand B' auf dem Wert des Abstandes B der 4 gehalten wird, wird dem Ausgang der Kühlkanäle durch das Vorliegen der Verstärkung 34 ermöglicht, sich dem Scheitel 28a des Randes 28 entlang der innenseitigen Wand 16 sehr stark anzunähern, da der vorgenannte Abstand A nun kleiner als der Abstand B' ist (siehe 5).
  • Diese Verstärkung 34 ist entlang wenigstens einem Teil der innenseitigen Wand angeordnet. Diese Verstärkung 34 kann von einem durchgehenden Streifen oder einer Reihe von Vorsprüngen gebildet sein, vorausgesetzt, daß diese Materialverstärkung 34 in jeder durch einen Kühlkanal 32 verlaufenden Querebene vorhanden ist.
  • In einem gemäß 5 eingesetzten Ausführungsbeispiel für die Hochdruckturbine eines Triebwerks vom Typ M88, wurde eine Schaufel 10 aus einer Legierung auf Nickelbasis von der Art AM1 (NTa8GKWA) ausgebildet, bei der die Materialverstärkung – durch Bildung eines Wulstes entlang der gesamten innenseitigen Wand 16 – direkt aus dem Gießvorgang hervorgegangen ist. Die Abmessungen dieses Beispiels sind insbesondere folgende:
    • – Höhe des Randes 28 (vom Scheitel 28a bis zur Außenseite 26b der bodenseitigen Wand 26): 1 mm
    • – Dicke des Randes 28 sowie der innenseitigen Wand 16 und der außenseitigen Wand 18: 0,65 mm;
    • – konstante Dicke der bodenseitigen Wand 26: 0,8 mm;
    • – Durchmesser der Kühlkanäle 32: 0,3 mm (es kann ein Durchmesser zwischen 0,25 mm und 0,35 mm in Betracht gezogen werden);
    • – Abstand A: 1,7 mm;
    • – Abstand B: 1,2 mm.
  • Unter Einsatz der Lösung der vorliegenden Erfindung durch Hinzufügen der Materialverstärkung 34 über eine an der Oberseite 26b der bodenseitigen Wand 26 gemessene Breite von 0,5 mm, gelangt man zu der Situation der 5 mit dem Abstand B = B' = 1,2 mm, während der Abstand A nun lediglich gleich 1 mm ist.
  • Diese Annäherung von 0,7 mm des Ausgangs der Kühlkanäle 32 an den Scheitel 28a ermöglicht einen Gewinn von 40°C bei der während des Betriebs der Hochdruckturbine erzielten Kühlung.
  • Auch die dem Hohlraum zugewandte Fläche der Verstärkung ist im wesentlichen eben und bildet mit der dem Hohlraum zugewandten Fläche der bodenseitigen Wand einen Winkel α gleich 112°.
  • Der Rand 28, der vorteilhafterweise eine dünne Wand bildet, weist folglich eine geringe Dicke auf, nämlich weniger als 1,5 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, und in weiterhin bevorzugter Weise eine Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm.
  • Wie aus 5 hervorgeht, welche die bevorzugte Ausführungsform darstellt:
    • – weist ferner, im Bereich des Hohlraums 30, der Rand 28 und insbesondere sein Ende eine zur bodenseitigen Wand 26 des Hohlraums oder genauer gesagt zur Außenseite 26b der bodenseitigen Wand 26, die im wesentlichen eben (und in 5 horizontal) ist, orthogonale Allgemeinrichtung auf;
    • – befindet sich die Verstärkung 34 an der Basis des Randes 28; und
    • – weisen die Kühlkanäle 32 einen über ihre gesamte Länge konstanten Querschnitt auf.

Claims (6)

  1. Hohle Rotorschaufel (10) für die Turbine eines Gasturbinentriebwerks, umfassend einen inneren Kühldurchgang (24), einen offenen Hohlraum (30), der am freien Ende (14) der Schaufel (10) gelegen ist und der durch eine bodenseitige Wand (26), die sich über das gesamte Ende (14) der Schaufel erstreckt, und durch einen Rand (28), der sich zwischen der Eintrittskante (20) und der Austrittskante (22) entlang der außenseitigen Wand (18) und der innenseitigen Wand (16) erstreckt, begrenzt ist, sowie Kühlkanäle (32), die den inneren Kühldurchgang (24) und die Außenseite der innenseitigen Wand (16) verbinden, wobei die Kühlkanäle (32) gegenüber der innenseitigen Wand (16) geneigt sind, so daß sie an der Außenseite der innenseitigen Wand (16) in Richtung des Scheitels (28a) des Randes ausmünden, wobei der Rand (28) eine dünne Wand bildet, und dadurch gekennzeichnet, daß eine Materialverstärkung (34) zwischen dem Rand (28) und der bodenseitigen Wand (26) des Hohlraums (30) entlang wenigstens eines Teils der innenseitigen Wand (16) vorhanden ist, wobei die dem Hohlraum (30) zugewandte Fläche (34a) der Verstärkung (34) im wesentlichen eben ist, wodurch der Rand (28) an seiner Basis benachbart zur bodenseitigen Wand (26) verbreitert wird, so daß die Kühlkanäle (32) in der Nähe des Scheitels (28a) des Randes (28) ausmünden, ohne die mechanische Festigkeit des Endes (14) der Schaufel (10) ungünstig zu beeinflussen.
  2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Hohlraum (30) zugewandte Fläche (34a) der Verstärkung (34) mit der dem Hohlraum (30) zugewandten Fläche (26b) der bodenseitigen Wand (26) einen Winkel (α) zwischen 170 und 100°, vorzugsweise zwischen 135 und 110° bildet.
  3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) im wesentlichen gleich 112° beträgt.
  4. Turbinenschaufel nach irgendeinem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Fläche (34a) der Verstärkung (34) im wesentlichen parallel zur Richtung der Kühlkanäle (32) verläuft.
  5. Turbinenschaufel nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A) zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle (32) und dem Scheitel (28a) des Randes (28) geringer ist als der Abstand (B') zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle (32) und der Fläche (34a) der Verstärkung (34).
  6. Turbinenschaufel (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (B') zwischen dem Ausgang der Kühlkanäle (32) und der Fläche (34a) der Verstärkung (34) wenigstens gleich dem Abstand (C) ist, welcher den Schnittpunkt (C1) zwischen der Innenseite des Randes (28) im Bereich der außenseitigen Wand (18) und der dem Hohlraum (30) zugewandten Fläche (26b) der bodenseitigen Wand (26) von dem Schnittpunkt (C2) zwischen der Außenseite der außenseitigen Wand (18) und der dem Hohlraum (30) abgewandten Fläche (26a) der bodenseitigen Wand (26) voneinander trennt.
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