-
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 3–5 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.