DE602005006362T2 - Vielgestaltige Filmkühlungsbohrungen - Google Patents

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere eine Kühlung in diesen.
  • Ein typisches Gasturbinentriebwerk enthält einen mehrstufigen Verdichter, der Luft unter Druck setzt, die anschließend in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt wird, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. In mehreren Turbinenstufen wird den Gasen Energie entzogen, um den Verdichter anzutreiben und durch Antreiben eines Bläsers in einer Turbofan-Flugzeuganwendung oder durch Antreiben einer Ausgangswelle für schiffsbezogene und industrielle Anwendungen nützliche Arbeit zu erzeugen.
  • Die heißen Verbrennungsgase strömen über verschiedene Komponenten des Triebwerks, die wiederum gewöhnlich durch Verwendung eines von dem Verdichter abgezapften Teils der Druckluft gekühlt werden. Beispielsweise entstehen die Verbrennungsgase in der Brennkammer, die gewöhnlich durch radial äußere und innere ringförmige Brennkammerwände definiert ist. Die Wände sind gewöhnlich mit hindurchführenden Filmkühllöchern versehen, durch die die unter Druck gesetzte Verdichterzapfluft geleitet wird, um thermisch isolierende Kühlluftfilme stromabwärts von deren Auslässen zu erzielen.
  • Die Brennkammer enthält ferner Luftverwirbler, Ablenkplatten und Prallplatten, die entsprechende Brennstoffinjektoren in dem stromaufwärtigen Dom der Brennkammer umgeben, wobei zusätzliche Muster von Filmkühllöchern in diesem Bereich zur Komponentenkühlung vorgesehen sind.
  • Die heißen Verbrennungsgase werden zunächst in eine Hochdruckturbinendüse abgegeben, die eine Reihe von Statorleit schaufeln enthält. Die Leitschaufeln sind hohl und enthalten Filmkühllöcher in ihren Seitenwänden, um Filmkühlluft über die Außenoberfläche der Leitschaufelblätter abzugeben.
  • Die Turbine der ersten Stufe enthält ferner eine Reihe von Turbinenrotorlaufschaufeln, die sich von einer Rotorstützscheibe aus radial nach außen erstrecken. Jede Laufschaufel enthält ein hohles Turbinenschaufelblatt mit verschiedenen Reihen von Filmkühllöchern, die sich zur Filmkühlung der Außenoberflächen der Laufschaufel durch deren Seitenwände erstrecken.
  • Die Turbinenlaufschaufeln sind von einem Turbinenmantel umgeben, der an einem Umgebungsgehäuse aufgehängt ist. Der Turbinenmantel enthält gewöhnlich ebenfalls Filmkühllöcher, die sich zur Filmkühlung dessen radial innerer Oberfläche, die die Laufschaufelspitzen umgibt, durch diesen hindurch erstrecken.
  • Filmkühllöcher sind ferner in anderen Komponenten einer typischen Gasturbine vorzufinden und werden in verschiedenen Mustern eingerichtet, um ein Filmkühlluftpolster über deren Außenoberflächen, die die heißen Verbrennungsgase begrenzen, zu unterstützen. Die Filmkühllöcher sind gewöhnlich in linearen Reihen angeordnet, wobei die Reihen seitlich voneinander beabstandet sind, damit die Filmkühlluft in der zur Aufnahme der lokalen Wärmebelastungen durch die Verbrennungsgase erforderlichen Weise verteilt wird. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist in der EP 0 810 349 A angegeben.
  • Die Konfiguration, die Anzahl und das Muster der Filmkühllöcher sind speziell an die erwartete Wärmebelastung angepasst, die von Komponente zu Komponente sowie über der Außenoberfläche der einzelnen Komponente variiert. Ein Hauptziel besteht darin, die Menge der von dem Verdichter abgezapften Filmkühlluft, die folglich in dem Verbrennungsprozess nicht verwendet wird und den Wirkungsgrad des Triebwerks reduziert, zu minimieren.
  • Jedoch ist die Effizienz der Filmkühllöcher durch deren spezielle Geometrie und die lokalen Bedingungen in den speziellen Komponenten beeinflusst, zu denen der Differenzdruck oder das Druckverhältnis zwischen der Außenseite und der Innenseite der Filmkühllöcher sowie die Geschwindigkeits- und Druckverteilung der Verbrennungsgase über den Außenoberflächen gehören.
  • Das typische Filmkühlloch ist rohrförmig oder zylindrisch und wird beispielsweise durch Laserbohren erzeugt. Das Filmkühlloch verläuft schräg durch die Komponentenwand und weist einen Einlass auf der Innenseite der Wand sowie einen Auslass auf der Außenseite der Wand auf. Jedes schräge Filmkühlloch gibt folglich einen lokalen Kühlluftstrahl unter einem entsprechenden Antriebsdifferenzdruck über der Komponentenwand sowie mit einer entsprechenden Ausströmgeschwindigkeit durch den Lochauslass ab.
  • Das Blasverhältnis des über der Komponentenwand wirkenden Differenzdrucks beeinflusst die Neigung des abgegebenen Filmkühlluftstrahls, sich von der Außenoberfläche abzutrennen oder abzulösen, was unerwünscht ist. Ein typisches Filmkühlloch weist einen seichten Neigungswinkel von etwa 30° auf um sicherzustellen, dass die abgegebene Filmkühlluft an der Außenoberfläche haften bleibt und einen Film bildet, der stromabwärts entlang dieser in der Richtung nach hinten entsprechend der überwiegenden Richtung der Verbrennungsgasströmung verläuft.
  • Jede Reihe von Filmkühllöchern weist einen speziellen Teilungsabstand zwischen den Mittellinien benachbarter Löcher auf, so dass die gesonderten Kühlluftstrahlen in der stromabwärtigen Richtung von der gemeinsamen Reihe seitlich verteilt werden, um einen durchgehenden Kühlluftfilm sowohl in Seitenrichtung als auch nach hinten an der Komponentenwand zu fördern.
  • Wenn die Filmkühlluft von dem Filmkühllochauslass aus nach hinten strömt, nimmt ihre Kühleffektivität ab, wenn sie beginnt, sich mit den darüber strömenden Verbrennungsgasen zu vermischen. Folglich werden gewöhnlich zusätzliche Reihen von Filmkühllöchern eingesetzt, die in der stromabwärtigen Richtung schräg im Abstand angeordnet werden, um die Filmkühlluft von der vorherigen Reihe von Filmkühllöchern erneut anzutreiben und eine effektive Filmkühlluftabdeckung über der Außenoberfläche der Komponente zur Wärmeisolierung der Komponente gegenüber den heißen Verbrennungsgasen sicherzustellen.
  • Eine andere Form eines Filmkühllochs bildet das Diffusionsloch, das in der Technik verschiedene Konfigurationen aufweist. In dem Diffusionsloch läuft dessen Auslassabschnitt auseinander oder nimmt der Strömungsbereich des Auslassabschnitts in der stromabwärtigen Richtung nach hinten von dem stromaufwärtigen Einlass aus zu, um die Ausströmungsgeschwindigkeit aus diesem zu reduzieren. Ein beispielhaftes Diffusionsloch weist einen trapezförmigen Auslass mit Seitenrändern, die unter einem geeignet kleinen Diffusionswinkel divergieren, und einer inneren Wand auf, die in die Außenoberfläche der Komponente unter einem im Vergleich zu dem nominellen Neigungswinkel durch den Einlassabschnitt des Lochs flacheren Neigungswinkel verläuft.
  • Auf diese Weise wirkt das typische Diffusionsloch zur seitlichen Verteilung des abgegebenen Kühlluftstrahls und zur lokalen Verbesserung der Filmkühlleistung.
  • Angesichts der Komplexität der divergierenden Diffusionsfilmkühllöcher werden diese gewöhnlich durch Funkenerrosionsbearbeitung (EDM, Electrical Discharge Machining) hergestellt, die eine speziell eingerichtete EDM-Elektrode erfordert, die an die gewünschte Konfiguration des Diffusionslochs angepasst ist. EDM-Lochbohren ist deutlich teurer als typisches Laserbohren der zylindrischen Filmkühllöcher und steigert angesichts der großen Anzahl von Filmkühllöchern, die gewöhnlich in einer einzelnen Komponente vorzufinden sind, deutlich die Herstellungskosten.
  • Eine typische Turbinenkomponente, wie beispielsweise eine Turbinenrotorlaufschaufel oder eine Leitschaufel, kann verschiedene Reihen von zylindrischen Filmkühllöchern und formgestalteten Diffusionslöchern in unterschiedlichen Bereichen von dieser nutzen, um die Filmkühlleistung in den lokalen Bereichen der Schaufel, die im Betrieb unterschiedlichen Wärmebelastungen ausgesetzt werden, zu maximieren. Die Reihen von zylindrischen Filmkühllöchern und die Reihen von Diffusionslöchern haben einen jeweiligen Teilungsabstand und weisen unterschiedliches Verhalten und unterschiedliche Effektivität sowohl in Seitenrichtung von der Lochreihe aus als auch in der stromabwärtigen Richtung nach hinten auf. In jeder Konfiguration ist die effektive Abdeckung und Dichte der Löcher entsprechend anders und beeinflusst entsprechend die Filmkühlluftleistung sowie die auf deren unterschiedliche Komplexität zurückzuführenden Herstellungskosten.
  • Demgemäß ist es erwünscht, eine verbesserte Filmkühlanordnung für Gasturbinenkomponenten zu schaffen.
  • Gemäß der Erfindung enthält eine Turbinenwand mehrere erste und zweite Filmkühlöffnungen bzw. Löcher, die in einer gemeinsamen Reihe angeordnet sind. Die Löcher weisen verschiedene Gestalten auf und wechseln einander in der Reihe ab, um gemeinsam eine Filmkühlleistung daraus zu liefern.
  • Die Erfindung ist nachstehend in größeren Einzelheiten zu Beispielszwecken unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben:
  • 1 zeigt eine isometrische Ansicht einer beispielhaften Turbinenrotorlaufschaufel eines Gasturbinentriebwerks, die in einer beispielhaften Ausführungsform verschieden gestaltete Filmkühllöcher enthält.
  • 2 zeigt eine Radialschnittansicht durch das in 1 veranschaulichte Schaufelblatt, geschnitten entlang der Linie 2-2.
  • 3 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf einen Abschnitt der Reihe verschieden gestalteter Löcher, wie sie in 1 veranschaulicht sind.
  • 4 zeigt eine vergrößerte Radialschnittansicht von zylindrischen ersten Filmkühllöchern, wie sie in 3 veranschaulicht sind, und geschnitten entlang der Linie 4-4.
  • 5 zeigt eine vergrößerte Radialschnittansicht durch diffusorartige zweite Filmkühllöcher, wie sie in 3 veranschaulicht sind, und geschnitten entlang der Linie 5-5.
  • 6 zeigt eine der 3 ähnliche vergrößerte Seitenansicht einer Reihe von verschieden gestalteten Löchern in einer anderen Ausführungsform.
  • 7 zeigt eine der 3 ähnliche vergrößerte Seitenansicht einer Reihe von verschieden gestalteten Löchern in einer weiteren Ausführungsform.
  • 8 zeigt eine der 3 ähnliche vergrößerte Seitenansicht einer Reihe von verschieden gestalteten Löchern in einer weiteren Ausführungsform.
  • 9 zeigt eine der 3 ähnliche vergrößerte Seitenansicht einer Reihe von verschieden gestalteten Löchern in einer weiteren Ausführungsform.
  • 10 zeigt eine der 3 ähnliche vergrößerte Seitenansicht einer Reihe von verschieden gestalteten Löchern in einer weiteren Ausführungsform.
  • Eine beispielhafte Komponente einer Gasturbine in Form einer Turbinenrotorlaufschaufel 10 ist in 1 veranschaulicht. Die Laufschaufel enthält ein Schaufelblatt 12, das an deren Fuß integral mit einer Plattform 14 verbunden ist, die wiederum mit einem zur axialen Einführung eingerichteten Halteschwalbenschwanz 16 verbunden ist, der dazu dient, die Laufschaufel an dem Umfang einer (nicht veranschaulichten) Turbinenrotorlaufscheibe in einer herkömmlichen Weise zu montieren.
  • Wie ferner in 2 veranschaulicht, ist das Schaufelblatt hohl und von einer dünnen Seitenwand 18 begrenzt, die eine im Wesentlichen konkave Druckseite des Schaufelblatts und eine gegenüberliegende, im Wesentlichen konvexe Saugseite des Schaufelblatts definiert, die sich in Form einer Sehne in der axial stromabwärtigen Richtung zwischen einer Vorderkante 20 und einer gegenüberliegenden Hinterkante 22 erstrecken.
  • Das Schaufelblatt enthält einen inneren Kühlkreislauf 24, der eine beliebige herkömmliche Konfiguration aufweisen kann und gewöhnlich radial verlaufende Kanäle enthält, die durch radiale Trennwände voneinander getrennt sind, die die beiden Seiten des Schaufelblattes in einem oder mehreren bestimmten Kreisläufen miteinander verbinden, zu denen gewöhnlich serpentinenartige Kreisläufe mit mehreren Durchgängen gehören, wie sie herkömmlich bekannt sind.
  • Im Betrieb werden in einer (nicht veranschaulichten) Brennkammer Verbrennungsgase 26 erzeugt, die stromabwärts über die Außenoberfläche des Schaufelblatts 12 strömen. Unter Druck gesetzte Kühlluft 28 wird von einem (nicht veranschaulichten) Verdichter abgezapft und geeignet durch Einlassöffnungen geleitet, die sich in radialer Richtung durch den Schwalbenschwanz 16 der Laufschaufel hindurch erstrecken, um den inneren Kühlkreislauf 24 zu speisen.
  • Der innere Kühlkreislauf für die in 1 veranschaulichte Schaufel kann in einer gewünschten Weise zur Kühlung der unterschiedlichen Abschnitte des Schaufelblattes zwischen der Vorderkante und der Hinterkante eingerichtet sein und enthält gewöhnlich verschiedene radiale Reihen herkömmlicher Filmkühllöcher 30, die sich durch die Druck- und die Saugseite von diesem hindurch erstrecken, um die Kühlluft 28 aus dem inneren Kühlkreislauf 24 ausströmen zu lassen. Die dünne Hinterkante 22 des Schaufelblattes wird gewöhnlich ebenfalls durch eine Reihe von druckseitigen Hinterkanten-Kühllöchern 32 in irgendeiner herkömmlichen Konfiguration gekühlt.
  • In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den 1 und 2 veranschaulicht ist, sind die Filmkühllöcher 30 in verschiedenen Reihen in dem Vorderkantenbereich des Schaufelblattes in herkömmlich bekannten duschkopfartigen und kiemenartigen Lochkonfigurationen angeordnet. Auf diese Weise erzielen die speziell konfigurierten Filmkühllöcher eine lokale Kühlung der unterschiedlichen Abschnitte der Vorderkante auf deren Druckseite und deren Saugseite, um die unterschiedlichen Wärmebelastungen durch die Verbrennungsgase aufzunehmen, die über die Druck- und die Saugseite des Schaufelblattes mit unterschiedlichen Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen strömen.
  • Die beispielhaften Filmkühllöcher 30 sind gewöhnlich zylindrische oder rohrförmige Löcher, die durch die Schaufelblattseitenwand unter verschiedenen Neigungswinkeln in Bezug auf das sich ändernde Profil des Schaufelblattes an der Vorderkante schräg verlaufen, um deren Filmkühlung zu erzielen.
  • 1 und 2 veranschaulichen ferner Filmkühllöcher in einer verbesserten Konfiguration an einer beispielhaften Stelle an der Druckseite des Schaufelblattes, obwohl diese Löcher an einer beliebigen, gewünschten Stelle in dem Schaufelblatt oder in sonstigen Turbinenkomponenten, die eine Filmkühlung erfordern, angeordnet werden können. Genauer gesagt ist die Seitenwand oder einfach Wand 18 des Schaufelblattes relativ dünn, und sie begrenzt den inneren Kühlkreislauf 24 und enthält eine gemeinsame Reihe von seitlich einander abwechselnden, unterschiedlich gestalteten Filmkühllöchern (Multiform-Filmkühllöchern) 34, 36, die sich in Längsrichtung durch die Wand in Strömungsverbindung mit dem inneren Kühlkreislauf 24 erstrecken, um die unter Druck stehende Kühlluft 28 zu empfangen, die zuerst zur innenseitigen Kühlung des Schaufelblattes genutzt wird.
  • Die ersten Filmkühllöcher 34 sind in einer Linie entlang der radialen Spannweite des Schaufelblattes in einer Reihe angeordnet, die im Wesentlichen senkrecht zu der stromabwärts führenden Richtung der Verbrennungsgase ausgerichtet ist. Und die zweiten Filmkühllöcher 36 sind ebenfalls in einer Linie entlang der Spannweite des Schaufelblattes in einer gemeinsamen Reihe mit den ersten Löchern 34 angeordnet und seitlich mit jeweils einzelnen von diesen abwechselnd eingerichtet.
  • 3 veranschaulicht in größeren Einzelheiten die gemeinsame Reihe oder radiale Spalte der unterschiedlich gestalteten Löcher 34, 36, die sich durch das Schaufelblatt hindurch erstrecken. Die Multiformlöcher 34, 36 sind speziell unterschiedlich voneinander konfiguriert, damit sich ihr Kühlverhalten in der einzelnen oder gemeinsamen Längsreihe, die entlang der Schaufelblattspannweite verläuft, ergänzt. Die ersten Löcher 34 sind rohrförmig oder zylindrisch und verlaufen gerade durch die Seitenwand 18. Die zweiten Löcher 36 weisen eine andere Form als die ersten Löcher auf und sind vorzugsweise in Form von divergierenden diffusorartigen Filmkühllöchern gestaltet, die eine beliebige herkömmliche Konfiguration aufweisen können.
  • 4 und 5 veranschaulichen in einer Querschnittsansicht die unterschiedlichen Formen der ersten und zweiten Löcher 34, 36, die durch die gemeinsame Seitenwand 18 zwischen deren inneren Oberfläche oder Innenoberfläche 38 und deren äußerer Oberfläche oder Außenoberfläche 40 verlaufen. Das erste rohrartige Loch 34, wie es in 4 veranschaulicht ist, verläuft vorzugsweise schräg durch die Wand 18 unter einem flachen Neigungswinkel A von beispielsweise 30°. Das diffusorartige zweite Loch 36 unterscheidet sich hinsichtlich seiner Form von dem zylindrischen ersten Loch 34 und verläuft vor zugsweise ebenfalls schräg durch die Wand 18 unter einem entsprechenden Neigungswinkel B.
  • Jedes der ersten Löcher 34, wie in 4 veranschaulicht, enthält einen entsprechenden ersten Einlass 42 in Form einer Durchlassöffnung in der Innenoberfläche 38 der Wand sowie einen in Längsrichtung gegenüberliegenden ersten Auslass 44 in Form einer Öffnung in der Außenoberfläche 40 des Schaufelblattes.
  • Jedes der zweiten Löcher 36, wie in 5 veranschaulicht, enthält einen entsprechenden zweiten Einlass 46 in Form einer Öffnung in der Innenoberfläche 38 und einen größeren zweiten Auslass 48 in Form einer Öffnung in der Außenoberfläche 40.
  • Die in den 35 veranschaulichten ersten und zweiten Löcher 34, 36 können jeweils eine beliebige herkömmliche Konfiguration, jedoch mit verbesserter Effizienz in ihrer gemeinsamen vermengten Reihe aufweisen. Beispielsweise verlaufen die zylindrischen ersten Löcher 34 unter einer Neigung durch die Seitenwand 18 und erzeugen aufgrund ihres Neigungswinkels ovale oder elliptische erste Einlässe 42 und Auslässe 44 auf der Innenoberfläche und der gegenüberliegenden Außenoberfläche.
  • Die zweiten Löcher 36 können zylindrische zweite Einlässe 46 aufweisen, die sich im vorderen Teil durch die Seitenwand hindurch erstrecken, wobei die Löcher 46 im hinteren Teil durch die Seitenwand bis zu einem im Wesentlichen trapezförmigen zweiten Auslass 48 an der Außenoberfläche auseinanderlaufen bzw. divergieren.
  • Die zylindrischen Abschnitte der beiden Sätze von Löchern 34, 36 können einen im Wesentlichen identischen Durchmesser oder eine im Wesentlichen identische Strömungsfläche aufweisen, wobei die ersten und die zweiten Einlässe 42, 46 und der erste Auslass 44 hinsichtlich der Form und der Strömungsfläche im Wesentlichen gleich sein können, wenn dies gewünscht ist.
  • Wie in den 4 und 5 veranschaulicht, sind die ersten und die zweiten Löcher 34, 36 vorzugsweise ähnlich geneigt durch die Seitenwand 18 unter entsprechenden Neigungswinkeln A, B in Längsrichtung angeordnet, die untereinander gleich sein und beispielsweise etwa 30° betragen können. Die zweiten Löcher 36 divergieren in Längsrichtung nach hinten von ihren zylindrischen Einlässen aus vorzugsweise unter einem flacheren Neigungswinkel C bei den entsprechenden zweiten Auslässen 48 in der Außenoberfläche 40 oder in der Nähe derselben.
  • Der Neigungswinkel C des Lochauslasses kann beispielsweise ungefähr 15° betragen, was eine Streuung der Kühlluft 38 in der Rückwärtsrichtung und deren glatten Übergang in die freiliegende Außenoberfläche 40 stromabwärts davon ermöglicht. Wie in 3 veranschaulicht, ist der beispielhafte trapezförmige Auslass 48 symmetrisch und weist divergierende Seiten auf, die jeweils einen geeignet kleinen Diffusionswinkel von beispielsweise etwa 7,5° aufweisen, der in herkömmlicher Weise mit dem flachen Neigungswinkel C zusammenwirkt.
  • In beiden Formen von Filmkühllöchern 34, 36, wie sie in den 4 und 5 veranschaulicht sind, dosieren ihre rohrförmigen Einlassabschnitte die Abgabe der unter Druck stehenden Kühlluft 28 aus dem inneren Kühlkreislauf des Schaufelblattes. Die divergierenden Diffusionsauslässe 48 der zweiten Löcher 36 reduzieren die Ausströmungsgeschwindigkeit aus diesen und verteilen die Filmkühlluft seitlich in der Spannwei tenrichtung, wie dies schematisiert in 3 veranschaulicht ist.
  • Auf diese Weise kann ein Kühlluftstrahl mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit aus den zylindrischen ersten Löchern 34 in derselben Strömungsrichtung wie die Verbrennungsgase und zwischen den entsprechenden Filmkühlluftstrahlen mit relativ niedriger Geschwindigkeit abgegeben werden, die aus den benachbarten zweiten Löchern 36 austreten.
  • Die unterschiedlichen Formen der beiden Filmkühllöcher, ihr unterschiedliches Verhalten und die unterschiedliche Verteilung der aus diesen abgegebenen Kühlluftstrahlen können derart eingesetzt werden, dass sie sich in einer bevorzugten Weise hinsichtlich des Leistungsverhaltens ergänzen, um einen gemeinsamen Kühlluftfilm zu erzielen, der stromabwärts aus der gemeinsamen seitlichen Reihe von diesen abgegeben wird.
  • Wie oben erwähnt, geben Filmkühllöcher Kühlluftstrahlen ab, die eine Filmkühlwirkung erzielen, die sich stromabwärts von diesen mit einer schmalen seitlichen Verteilung in der radialen Spannweitenrichtung erstreckt. Die beiden Formen von Filmkühllöchern können mit einer entsprechenden gemeinsamen Dichte von diesen und einer entsprechenden Abdeckung oder einem entsprechenden Grundriss der entsprechenden Auslässe von diesen gepackt werden, um sowohl die Wirksamkeit des gemeinsamen Filmes der Kühlluft in stromabwärtiger oder rückwärtiger Richtung als auch die seitliche Wirksamkeit der Filmkühlluft von Loch zu Loch entlang der Längsausdehnung der gemeinsamen Reihe von diesen zu verbessern.
  • Außerdem ermöglichen die unterschiedlichen Formen der ersten und zweiten Auslässe 44, 48 eine einander ergänzende Abdeckung zwischen den beiden Arten von Löchern, und die beiden Arten von Löchern können in herkömmlicher Weise unter Verwendung des kostengünstigeren Laserbohrens für die zylindrischen Löcher 34 und der teureren EDM-Bearbeitung für die formgestalteten Diffusionslöcher 36 hergestellt werden. Anstelle der Verwendung einer vollständigen Reihe der Diffusionslöcher 36 alleine und ihrer dazugehörigen hohen Kosten können die Diffusionslöcher folglich abwechselnd mit den kostengünstigeren lasergebohrten Löchern 34 angeordnet werden, um die Kosten des Schaufelblattes zu reduzieren sowie das Leistungsverhalten der unter Druck stehenden Kühlluft, die aus der gemeinsamen Reihe der unterschiedlich geformten Löcher abgegeben wird, zu verbessern.
  • Wie oben erwähnt, können die einzelnen Filmkühllöcher 34 und 36 eine beliebige geeignete herkömmliche Konfiguration, die Ersteren ohne Diffusorform und die Letzteren mit Diffusorform, aufweisen und in einer gemeinsamen Reihe seitlich nebeneinander angeordnet werden, damit die Konfiguration und das Verhalten von diesen einander ergänzen. Beispielsweise veranschaulicht 3, dass die ersten Auslässe 44 entlang der radialen Spannweitenrichtung oder des Längsspanns der Seitenwand in einer Linie gemeinsam mit den zweiten Auslässen 48 ausgerichtet sind, wobei die stromaufwärtigen Enden der beiden unterschiedlichen Auslässe im Wesentlichen zueinander ausgerichtet sind. Da die beiden Auslässe unterschiedliche Formen aufweisen, können die stromabwärtigen Enden von diesen ähnlich zueinander ausgerichtet sein oder auch nicht.
  • In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in 3 veranschaulicht ist, können die Nenndurchmesser der ersten Löcher 34 und der Einlässe der zweiten Löcher 36 identisch sein und in dem beispielhaften Bereich von 10–40 Mills liegen. Die nominellen Neigungswinkel A, B können ebenfalls gleich sein und beispielsweise etwa 30° betragen. In dieser Konfiguration weisen die trapezförmigen zweiten Auslässe 48 eine größere Ausströmungsfläche als die der zweiten Auslässe 44 auf.
  • Jedoch divergieren die beiden Seiten der trapezförmigen zweiten Auslässe 48 in der stromabwärtigen Richtung und ergeben konvergierende Stege zwischen den benachbarten zweiten Löchern 36, in denen jeweils einer der ovalen ersten Auslässe 44 passend zentriert angeordnet werden kann.
  • Die in 3 veranschaulichten ersten Löcher 34 weisen vorzugsweise einen gleichmäßigen Teilungsabstand D auf, und die zweiten Löcher 36 weisen vorzugsweise ebenfalls einen gleichmäßigen Teilungsabstand E auf. Außerdem kann der Teilungsabstand aller Löcher 34, 36 in der gemeinsamen Reihe im Wesentlichen gleich sein, wobei der Teilungsabstand D gleich dem Teilungsabstand E sein und etwa zweimal bis fünfmal soviel wie der Durchmesser der Löcher betragen kann.
  • In dieser Konfiguration sind die verschieden geformten Löcher 34, 36 entlang der radialen Spannweite der gemeinsamen Reihe gleichmäßig verteilt, wobei die ovalen ersten Auslässe 44 in dem verfügbaren Steg zwischen den divergierenden zweiten Auslässen 48 passend angeordnet sind. Die aus den divergierenden Auslässen 48 ausströmende Filmkühlluft breitet sich seitlich aus, wenn sie in stromabwärtiger Richtung nach hinten strömt. Die Filmkühlluft tritt aus den ovalen ersten Auslässen 44 mit einer größeren Geschwindigkeit als aus den zweiten Löchern 36 aus, und sie überbrückt die Filmkühl-Diffusionsluft von Loch zu Loch und treibt die sich langsamer bewegende Luft erneut an.
  • 6 veranschaulicht eine Modifikation der Reihe von Multiformlöchern 34, 36, in der die ersten Auslässe 44 im axialen Abstand F nur zum Teil vor den entsprechenden zweiten Auslässen 48 in der stromaufwärtigen Richtung zu den entsprechenden Einlässen von diesen hin versetzt angeordnet sind. Die ersten Auslässe 44 können zum größten Teil gegenüber den stromaufwärtigen Enden der zweiten Auslässe 48 versetzt angeordnet sein, um die gemeinsame seitliche Reihe von diesen zu erhalten, ohne die beiden Lochformen in zwei unabhängige und diskrete Löcher aus lediglich den rohrartigen ersten Löchern 34 und den diffusorartigen zweiten Löchern 36 zu entkoppeln.
  • In dieser Konfiguration sind die ersten Löcher 34 weiter vor den zweiten Löchern 36 angeordnet, was den zweiten Löchern ermöglicht, bedarfsweise einen engeren Teilungsabstand E als in der Ausführungsform nach 3 zu haben. Da die divergierenden Auslässe 48 konvergierende Stege zwischen aufeinanderfolgenden zweiten Löchern 36 definieren, ist zwischen den vorderen Enden der zweiten Auslässe mehr Platz vorhanden, um die entsprechenden ersten Auslässe 44 zu positionieren.
  • Dieser zusätzliche seitliche Freiraum kann verringert werden, um die Packungsdichte der Löcher in der gemeinsamen Reihe zu erhöhen. Die entsprechende Dichte und Abdeckung der gemeinsamen Multiformlöcher 34, 36 kann folglich derart angepasst werden, dass Leistung und Wirkungsbereich der Löcher in der gemeinsamen Reihe maximiert werden.
  • Indem die ersten Löcher 34 stromaufwärts von den zweiten Löchern 36 positioniert werden, sind sie jedoch auch in einem größeren Abstand zu dem stromabwärtigen Zielbereich positioniert, der sich an die hinteren Enden der zweiten Löcher 36 anschließt. Wie oben erwähnt, nimmt die Effektivität der Filmkühlluft in der stromabwärtigen Richtung von den Auslassenden der Filmkühllöcher ab, was gewöhnlich durch Einführung zusätzlicher Reihen von Filmkühllöchern stromabwärts davon aufgefangen wird. Ein Kompromiss hinsichtlich des Verhaltens des un terschiedlichen Packungsmusters aus den ersten und den zweiten Löchern, wie in 6 veranschaulicht, kann für die verschiedenen Leistungseigenschaften der Löcher einzeln und gemeinsam erzielt werden.
  • 7 veranschaulicht eine weitere Modifikation der Packung bzw. Anordnung der ersten und der zweiten Löcher 34, 36, in der die ersten Auslässe 44 in einem axialen Abstand F lediglich zum Teil hinter den entsprechenden Einlässen dieser Löcher versetzt angeordnet sind. In dieser Konfiguration können sich die ersten Auslässe 44 zum Teil über die hinteren Enden der formgestalteten Auslässe 48 hinaus erstrecken, um die Filmkühlluft mit höherer Geschwindigkeit aus den ersten Löchern 34 mit einer effektiveren stromabwärtigen Abdeckung als in jeder der in den 3 und 6 veranschaulichten Ausführungsformen abzugeben.
  • Wie oben erwähnt, sollten die ersten Löcher 34 in dem axialen Bereich der zweiten Löcher 36 liegen, um die Ausbildung zweier unabhängiger und verschiedener Reihen von lediglich zylindrischen Löchern und lediglich Diffusionslöchern, deren Verhalten voneinander entkoppelt ist, zu verhindern. Da die divergierenden Auslässe 48 zwischen nebeneinander liegenden zweiten Auslässen 48 zueinander konvergieren, steht weniger Raum zur Einbringung der ersten Auslässe 44 zur Verfügung.
  • Demgemäß haben die zweiten Löcher 36 in dieser Ausführungsform vorzugsweise einen weiteren oder größeren Teilungsabstand E als in der Ausführungsform nach 3. Der größere Teilungsabstand vergrößert den seitlichen Raum zwischen den konvergierenden Seiten benachbarter zweiter Auslässe 48, um einen geeigneten Freiraum zur Unterbringung der nach hinten versetzten ersten Löcher 34 zwischen benachbarten zweiten Löchern 36 bereitzustellen.
  • 3, 6 und 7 veranschaulichen unterschiedliche Ausführungsformen, bei denen der axiale Abstand oder Versatz F der beiden unterschiedlich geformten Filmkühllöcher 34, 36 zueinander verändert werden kann, wie auch deren radialer Abstand oder Teilungsabstand D, E im Verhältnis zueinander verändert werden kann, um deren Packungsdichte, den gemeinsamen Erfassungsbereich der Auslässe und die einander ergänzende Leistung der aus den verschiedenen ersten und zweiten Auslässen 44, 38 austretenden Filmkühlluftstrahlen anzupassen.
  • Diese drei Figuren veranschaulichen ferner, dass die ersten und die zweiten Multiformlöcher 34, 36 wiederum in ihrer gemeinsamen Reihe in einer Anordnung mit einem Verhältnis von 1:1 einander gleichmäßig abwechselnd angeordnet sein können. Die entsprechenden Vorteile der zylindrischen ersten Löcher 34 können folglich mit den entsprechenden Vorteilen der diffusorartigen zweiten Löcher 36 in einer gemeinsamen Reihe kombiniert werden, die eine Synergie der Konfiguration und des Verhaltens ergibt, wie dies vorstehend beschrieben ist.
  • 8 veranschaulicht eine noch weitere Ausführungsform der Multiformlöcher 34, 36, in der die ersten zylindrischen Löcher 34 in einer Folge von 1:2 mit den diffusorartigen zweiten Löchern 36 abwechselnd angeordnet sind. Auf diese Weise können die kombinierten Wirkungen der beiden benachbarten Diffusionslöcher 36 mit einem einzelnen zylindrischen ersten Loch 34 kombiniert werden, das wiederum zwischen zwei aufeinanderfolgenden zweiten Löchern 36 angeordnet ist.
  • 9 veranschaulicht eine noch weitere Ausführungsform, in der die Multiformlöcher einander abwechseln, wobei zwei erste zylindrische Löcher 34 und ein einzelnes diffusorartiges zweites Loch 36 zwischen jeweils zwei der ersten Löcher 34 vorgesehen sind. Auf diese Weise können zwei aufeinander folgende zylindrische Löcher 34 die Filmkühlluft mit höherer Geschwindigkeit stromabwärts davon zwischen den nächsten benachbarten Diffusionslöchern 36 abgeben, die auf gegenüberliegenden Seiten von diesen angeordnet sind und aus denen die verteilte Filmkühlluft abgegeben wird. Da in der Ausführungsform nach 9 zwei zylindrische Löcher 34 mit einem einzelnen Diffusionsloch 36 abwechselnd angeordnet sind, sind die entsprechenden Herstellungskosten zur Einbringung der Löcher geringer als für eine vollständige Reihe der Diffusionslöcher selbst.
  • 10 veranschaulicht eine noch weitere Ausführungsform der ersten und der zweiten Löcher 34, 36, die sich in Längsrichtung durch die Wand unter einem zusammengesetzten Neigungswinkel mit einer Neigung sowohl in Längs- als auch in Seitenrichtung erstrecken. Wie vorstehend erwähnt, weisen beide Locharten seichte Neigungswinkel A, B auf, wenn sie sich in Längsrichtung durch die Wand erstrecken, bis sie den inneren Kühlkreislauf 24 erreichen, von dem sie die verbrauchte Kühlluft ausströmen lassen.
  • In 10 enthalten beide Löcher 34, 36 ferner ähnliche seitliche Neigungswinkel G von beispielsweise etwa 45° entlang der Spannweite der gemeinsamen Reihe, wodurch diese Löcher gegenüber der nominellen axial stromabwärts weisenden Richtung der Verbrennungsgase seitlich verdreht wird. Jedes Filmkühlloch 34, 36 ist folglich unter einem zusammengesetzten Winkel schräg geneigt, um die abgegebene Filmkühlluft weiter seitlich zu verteilen, um den Wärmeschutz vor den heißen Verbrennungsgasen zu erhöhen.
  • Die Konfiguration der Multiformlöcher 34, 36 mit zusammengesetztem Winkel bringt noch eine weitere Variable hervor, die bei der Modifikation deren Gestaltung zur Maximierung der Kühlleistung bei minimaler Kühlluftmenge nützlich ist. Die unter dem zusammengesetzten Winkel verlaufenden ersten Löcher 34 bleiben im Wesentlichen symmetrisch mit ovalen Einlässen und ovalen Auslässen.
  • Jedoch enthalten die divergierenden zweiten Auslässe 48 nicht nur die drei Neigungswinkel B, C, G sondern auch die halben Diffusionswinkel ihrer Seitenwände, was dazu führt, dass ihre Umrisse über der Außenoberfläche 40 asymmetrisch deformiert oder verzerrt ausgebildet sind. In 3 ist das Grundprofil der zweiten Auslässe 48 trapezförmig und symmetrisch. In 10 wird das Auslasstrapezoid aufgrund der zusammengesetzten Neigung zu einer verzerrten tränenförmigen Gestalt verformt. Nichtsdestoweniger haben die resultierenden Multiformen aus den ersten und den zweiten Löchern das verbesserte Kühlverhalten, das auf deren Wechselwirkung zurückzuführen ist.
  • Die formgestalteten Diffusionslöcher 36 all der veranschaulichten Ausführungsformen können unter Verwendung eines üblichen EDM-Werkzeugs 56 hergestellt werden, wie in 10 veranschaulicht. Das Werkzeug 56 weist ein zylindrisches distales Ende auf, das gemeinsam mit einem größeren proximalen Ende integral ausgebildet ist, dessen Größe allmählich bis zu dem Zylinder abnimmt. Das proximale Ende weist Seitenwände auf, die unter den gewünschten halben Diffusionswinkeln auseinanderlaufen. Das proximale Ende ist koaxial zu dem Zylinder ausgebildet und weist eine Wand, die mit dem Zylinder ausgerichtet ist, sowie eine gegenüberliegende Wand auf, die unter einem Winkel C geneigt verläuft, wie er in 5 veranschaulicht ist. In 5 würde das EDM-Werkzeug 56 durch die Wand 18 unter dem einfachen Neigungswinkel B eingetrieben werden, um durch Funkenerosionsbearbeitung das resultierende zweite Loch 36, wie veranschaulicht, zu erzeugen.
  • In 10 wird das EDM-Werkzeug 56 durch die Wand 18 hindurch unter den zusammengesetzten Neigungswinkeln B und G eingetrieben, um die resultierenden zweiten Löcher 36 mit zusammengesetztem Winkel gemäß dieser Ausführungsform zu erzeugen.
  • Wie oben erwähnt, ist der Stand der Technik reich an verschiedenen Formen von Filmkühllöchern, die unterschiedliche Vorteile ergeben. Die Möglichkeit, in einer gemeinsamen Reihe nun zwei oder mehrere unterschiedliche Formen von ansonsten herkömmlichen Filmkühllöchern einander abwechselnd anzuordnen, gestattet eine zusätzliche Anpassung des Kühlverhaltens in verschiedenen Gasturbinenkomponenten. Die verschiedenen Figuren, wie sie vorstehend beschrieben sind, veranschaulichen grundlegende Modifikationen und Packungs- bzw. Anordnungskonfigurationen, die zwei unterschiedliche Arten von Filmkühllöchern in einer gemeinsamen Reihe in einer Turbinenkomponente verwenden.
  • Da Filmkühllöcher in typischen Gasturbinen universell eingesetzt werden, veranschaulicht 1 in schematisierter Weise, dass die Multiformlöcher 34, 36 in dem hohlen Turbinenschaufelblatt 12 der Rotorlaufschaufel 10 bedarfsweise an jeder beliebigen gewünschten Stelle über deren Außenoberfläche, einschließlich entweder der Druckseitenwand oder der Saugseitenwand oder beider, eingesetzt werden kann.
  • 1 veranschaulicht ferner in schematisierter Weise, dass die Multiformlöcher 34, 36 auch in dem hohlen Leitschaufelblatt 50 der typischen Turbinenleitschaufel eingesetzt werden kann, deren Druckseite und gegenüberliegende Saugseite sich zwischen einem radial äußeren und einem radial inneren Band (nicht veranschaulicht) erstrecken. Die Leitschaufeln der ersten Stufe sind gewöhnlich hohl und mit inneren Kühlkreisläufen versehen, die die verbrauchte Kühlluft durch verschiedene Reihen von Filmkühllöchern durch deren Seitenwände hindurch abgeben. Die Multiformlöcher können in der Leitschaufel an einer beliebigen geeigneten Stelle über deren Außenoberfläche passend eingeführt werden.
  • 1 veranschaulicht ferner in schematisierter Weise, dass die Multiformlöcher 34, 36 auch in einer typischen ringförmigen inneren oder äußeren Brennkammerwand 52 in der gewünschten Weise in einem beliebigen Bereich eingesetzt werden können, der ansonsten herkömmliche Filmkühllöcher nutzen würde.
  • Wie oben erwähnt, umgeben Turbinenmäntel 54 die radial äußeren Spitzen der in 1 veranschaulichten Turbinenlaufschaufel, wobei sie gewöhnlich eine Filmkühlung enthalten. Demgemäß können die Multiformlöcher 34, 36 auch in den Turbinenmänteln 54 in der gewünschten Weise anstelle herkömmlicher Muster von Filmkühllöchern eingeführt werden.
  • 1 veranschaulicht ferner in schematisierter Weise, dass verschiedene weitere Komponenten in der typischen Gasturbine vorhanden sind, in denen Filmkühllöcher in verschiedenen Mustern vorzufinden sind. Die Einführung der Multiformlöcher 34, 36 in den verschiedenen Komponenten der Gasturbine kann vorteilhafterweise verwendet werden, um die sich ergänzende Leistung der unterschiedlichen ersten und zweiten Löcher in einer ergänzenden Anordnung zu erhalten. Herkömmliche Filmkühllöcher werden gewöhnlich in linearen Reihen oder zweidimensionalen Mustern mit vielen Reihen verwendet, wobei alle eine einzige Form des Filmkühllochs aufweisen. Die Möglichkeit, unterschiedliche Formen von Filmkühllöchern in lokalen Bereichen von Gasturbinenkomponenten abwechselnd einzusetzen, ermöglicht es, eine weitere Variable hinsichtlich deren Filmkühlleistung zu erhalten, die vorteilhafterweise verwendet werden kann, um den Wirkungsgrad der Gasturbine auf ein Maximum zu steigern.
  • Da die verschiedenen Muster von Filmkühllöchern gewöhnlich entsprechende Reihen enthalten, kann eine oder können mehrere dieser Reihen modifiziert werden, um die einander abwechselnden Multiformlöcher 34, 36 einzuführen, die das einander ergänzende Leistungsverhalten aufweisen.

Claims (10)

  1. Turbinenwand (18), umfassend: eine Vielzahl in einer Reihe angeordneter zylinderförmiger erster Filmkühlöffnungen (34) und eine Vielzahl in ihrer Form abweichender zweiter Diffusions-Filmkühlöffnungen (36), die sich in einer gemeinsamen Reihe seitlich mit den ersten Öffnungen (34) abwechseln und eine von den ersten Öffnungen (34) verschiedene Form aufweisen.
  2. Wand nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Öffnungen (34, 36) zwischen einer Innenoberfläche (38) und einer gegenüberliegenden Außenoberfläche (40) der Wand einen geneigten Verlauf durch die Wand (18) nehmen und entsprechende erste und zweite Einlässe (42, 46) auf der Innenoberfläche (38) sowie erste und zweite Auslässe (44, 48) auf der Außenoberfläche (40) aufweisen.
  3. Wand nach Anspruch 2, wobei der zweite Einlass (46) zylinderförmig ist und der zweite Auslass (48) hinten davon abweicht.
  4. Wand nach Anspruch 3, wobei die ersten Auslässe (44) teilweise gegenüber den zweiten Auslässen (48) nach vorn versetzt sind.
  5. Wand nach Anspruch 3, wobei die ersten Auslässe (44) teilweise gegenüber den zweiten Auslässen (48) nach hinten versetzt sind.
  6. Wand nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Öffnungen (34, 36) sich in Längsrichtung mit einem zusammengesetzten Neigungswinkel – Neigung sowohl in Längsrichtung als auch seitwärts – durch die Wand erstrecken.
  7. Wand nach Anspruch 6, wobei die zweiten Auslässe (48) asymmetrisch über die Außenwandoberfläche (40) verteilt sind.
  8. Wand nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Öffnungen (34, 36) sich im Verhältnis 1:1 miteinander abwechseln.
  9. Wand nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Öffnungen (34, 36) sich im Verhältnis 1:2 miteinander abwechseln.
  10. Wand nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Öffnungen (34, 36) sich im Verhältnis 2:1 miteinander abwechseln.
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