DE60205977T2

DE60205977T2 - Turbinenschaufel mit Kühlluftleiteinrichtung

Info

Publication number: DE60205977T2
Application number: DE60205977T
Authority: DE
Inventors: Morgan Lionel Balland; Sylvie Coulon
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: EP1251243B1; UA73655C2; CA2444862C; EP1251243B8; FR2823794B1; RU2003133669A; JP2004522049A; DE60205977D1; EP1251243A1; CA2444862A1; RU2325537C2; FR2823794A1; JP4112986B2; WO2002086291A1; US6981845B2; US20040115054A1; ES2244738T3

Description

Diese Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, wobei die Schaufel an einer Scheibe der Turbine angebaut ist und durch einen inneren Luftkreislauf gekühlt wird.
Eine axiale Turbinenstufe besteht aus einem Schaufelgitter mit feststehenden Schaufeln, Leitschaufelapparat genannt, und einem Schaufelgitter mit bewegbaren Schaufeln, Schaufelrad genannt. Es gibt einstückige Schaufelräder, bei denen Schaufeln und Scheibe ein einziges Stück bilden. Und es gibt auch Räder mit angebauten Schaufeln, bei denen Schaufeln und Scheibe mechanisch zusammengebaut werden, im Allgemeinen mittels Schaufelfüßen.
Wenn die Räder bei hoher Temperatur arbeiten, müssen die Schaufeln gekühlt werden. Diese Kühlung kann mittels Luft erfolgen, die beispielsweise am Ausgang des Verdichters entnommen und durch ihre Befestigung an der Scheibe hindurch ins Innere der Schaufeln geleitet wird. Die Kühlungsluft tritt durch den Fuß einer Schaufel ein und tritt beispielsweise durch das entgegengesetzte Ende und durch eine ihrer Seitenflächen wieder aus.
1A zeigt eine Teilansicht einer Schaufel 1, die an einer Scheibe 2 sitzt, wobei die Ansicht in einer Ebene ausgerichtet ist, die senkrecht zur Turbinenachse verläuft. Genauer ausgedrückt zeigt sie den Fuß 3 der Schaufel 1 an seinem Platz in einer Zelle 4 der Scheibe 2. Der Fuß ist im Schnitt entlang der Achse eines Kanals 5 dargestellt, welcher die Kühlungsluft vom Boden der Zelle 4 aus bis zu dem inneren Kühlungskreislauf der Schaufel führt, der nicht dargestellt ist. Die Kühlungsluft zirkuliert in der Zelle 4 in einer im rechten Winkel zur Ebene der Figur verlaufenden Richtung. Bei dem dargestellten Beispiel wird die Luft an einem Ende der Zelle eingeführt, das einer Seite der Scheibe, und zwar der sogenannten vorderen Seite, entspricht, und steigt dann in dem Kanal (oder den Kanälen) 5, wobei das andere Ende der Zelle, das der anderen Seite der Scheibe oder hinteren Seite entspricht, verschlossen ist.
Die am Ausgang des Verdichters entnommene Kühlungsluft wird durch einen Flansch hindurch eingespritzt, der an der vorderen Seite der Scheibe angebracht ist, um die Dichtigkeit des Luftkreislaufs zu gewährleisten. Dazu wird der Flansch an der Scheibe häufig durch ein System von Haken, Klauen genannt, festgehalten.
Die Haken erfüllten noch eine weitere Funktion. Sie verleihen der zu den Zellen strömenden Kühlungsluft eine Rotationsgeschwindigkeit, die gleich der des Rotors der Turbine ist. Die Kühlungsluft rotiert also, wenn sie vor der Zelle ankommt, mit der gleichen Geschwindigkeit wie diese und tritt ohne Nebenwirkungen ins Innere der Zelle ein.
Diese Haken haben jedoch den Nachteil, kostenaufwändig zu sein und eine relativ kurze Lebensdauer zu haben. Es wäre also von Interesse, auf sie verzichten zu können. Jedoch haben Versuche ergeben, dass die Kühlung der Turbinenschaufeln weniger gut gewährleistet ist, wenn man diese Haken weglässt.
In der Schrift WO-A-99 47792 ist eine Turbinenschaufel beschrieben, deren Fuß es ermöglicht, sie in einer Zelle einer Scheibe dieser Turbine einzubauen. Die Schaufel besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf mit Lufteinlassmitteln, die sich an dem Fuß der Schaufel gegenüber der Zelle befinden, und mit Laufauslassmitteln. Der Fuß der Schaufel ist mit einer Vorrichtung versehen, die es ermöglicht, die Kühlungsluft der Schaufel zu kanalisieren. Diese Vorrichtung ermöglicht es ebenfalls, die Kühlungsluft nach ihrem Durchgang durch das Innere der Schaufel abzuführen. Die Vorrichtung gewährleistet die Trennung der in die Schaufel eintretenden und aus der Schaufel austretenden Kühlungsluftkreise voneinander.
In der Schrift GB-A-1 605 282 ist eine Turbinenschaufel beschrieben, deren Fuß es ermöglicht, sie in einer Zelle einer Scheibe der Turbine einzubauen. Die Schaufel besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf, der von Kanälen gebildet wird und Lufteinlassmittel aufweist, die sich an dem Fuß der Schaufel gegenüber der Zelle befinden, sowie Luftauslassmittel aufweist, die sich am Schaufelende befinden. Der Fuß der Schaufel ist mit einem Kühlungsrohr versehen, durch das die Kühlungsluft vom Ansaugluftkollektor bis zu den Lufteinlässen geführt werden kann.
In der Schrift US-A-4 348 157 ist eine Turbinenschaufel beschrieben, die mit einem Fuß an einer Scheibe angebaut ist. Die Schaufel besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf, der eine Lufteinlassöffnung aufweist. Die Lufteinlassöffnung befindet sich nicht an dem Fuß der Schaufel und gegenüber der Zelle zur Aufnahme dieses Fußes, sondern in dem Verbindungsteil zwischen dem Fuß und der Schaufel, d. h. in dem Schenkel. Es sind Durchlässe vorgesehen, um die Kühlungsluft bis zu den Lufteinlässen der Schaufeln zu führen. Diese Durchlässe können Ablenkeinrichtungen enthalten.
In der Schrift US-A-4 178 129 ist ein Kühlungssystem für Turbinenschaufeln durch Luftzirkulation beschrieben. Jede Schaufel weist einen Fuß auf, mit dem sie in einer Zelle einer Scheibe der Turbine angebaut werden kann. Die Schaufel besitzt einen inneren Luft-Kühlungskreislauf mit Lufteinlassmitteln, die sich an dem Fuß der Schaufel befinden. Die Kühlungsluft wird entweder in eine Kühlungsluft-Zufuhrkammer, in die die Kühlungskanäle münden, oder direkt über ein Pitot-Rohr in den Vorderkanten-Kanal geschickt.
Bei der oben genannten Schrift WO-A-99 47792 wird die ankommende Kühlungsluft durch eine rohrförmige Vorrichtung geführt, die mit den Öffnungen der Kühlungskanäle kommuniziert. Die rohrförmige Vorrichtung kann Öffnungen haben, die in der Größe an die Öffnungen der Kanäle angepasst sind, oder Öffnungen, die praktisch der Breite der Zelle entsprechen. In beiden Fällen lässt sich die Bildung eines Wirbels nicht vermeiden.
Bei der oben genannten Schrift GB-A-1 605 282 ist ein Luftkühlungsrohr vorgesehen, das an die Breite der Zelle angepasst ist. Es lässt sich also die Bildung eines Wirbels nicht vermeiden.
Bei der oben genannten Schrift US-A-4 348 157 gelangt die Luft direkt auf eine mit einem durchgehenden Loch versehene Fläche, was zu der gleichen Schlussfolgerung führt.
Bei der oben genannten Schrift US-A-4 178 129 gelangt die Luft entweder direkt in ein Loch (durch ein Pitot-Rohr), oder direkt auf eine mit Löchern versehene Fläche, was zu der gleichen Schlussfolgerung führt.
Den Erfindern dieser Erfindung gelang es, den Grund für den geringeren Wirkungsgrad einer Kühlung ohne Haken oder Klauen zu entdecken und für dieses Problem eine Lösung zu finden.
In 1B konnte das Phänomen dargestellt werden, das eine Verringerung des Wirkungsgrads der Kühlung der Schaufeln verursacht. Diese Figur zeigt die Unterseite des Fußes 3, die in 1A die Bezugszahl 6 trägt. Der Kanal (oder die Kanäle) 5 wurde nicht dargestellt. Der an der Vorderseite der Scheibe angebrachte Flansch ist mit der Bezugszahl 7 dargestellt. Mit der Bezugszahl 8 wurde ein Flansch zum Verschließen der Zelle an der Hinterseite der Scheibe dargestellt.
Die Erfinder sind zu dem Schluss gekommen, dass die Kühlungsluft, wenn sie nicht mehr bis zu der Zelle geführt wird, mit einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit in die Zelle gelangt, als wenn sie geführt wird. Dann wird die Luft geschöpft und wirbelt in der Zelle, wobei sie einen Wirbel bildet, wie in 1B dargestellt. Das Zentrum dieses Wirbels (oder Spiralwirbel) bildet ein sehr starkes Tiefdruckloch, das für die Versorgung der Schaufel mit Kühlungsluft nachteilig ist.
Diese Erfindung ermöglicht es, dieses Problem zu beseitigen, wann immer es in einer Turbine auftritt.
Gegenstand dieser Erfindung ist eine Turbinenschaufel mit einem Fuß, der es ermöglicht, sie in eine Zelle einer Scheibe der Turbine einzubauen, wobei die Schaufel einen inneren Luft-Kühlungskreislauf besitzt, der Lufteinlassmittel aufweist, die sich an einer Seite des Fußes der Schaufel gegenüber dieser Zelle befinden, und Laufauslassmittel aufweist, wobei die Schaufel dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Seite des Schaufelfußes mit einer Ablenkeinrichtung versehen ist, die mindestens eine Rippe enthält, mit der die am Grund der Zelle zirkulierende Kühlungsluft kanalisiert werden kann, um den Luftstrom zu den Lufteinlassmitteln hin zu regulieren.
Mit einer solchen Ablenkeinrichtung an der Seite des Schaufelfußes, an der sich die Lufteinlassmittel befinden, kann die Bildung eines Wirbels vermieden werden.
Die Ablenkeinrichtung kann einen integrierenden Bestandteil der Schaufel bilden.
Die Ablenkeinrichtung kann ein an den Schaufelfuß angebautes Element sein und mit Zugangsmitteln zu den Lufteinlassmitteln versehen sein. Die Lufteinlassmittel können mindestens ein kalibriertes Loch umfassen.
Die Rippe kann gerade oder zur Hauptachse der Schaufel geneigt ausgeführt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Ablenkeinrichtung mindestens eine Rippe, mit der die in die Zelle eintretende Kühlungsluft kanalisiert werden kann, sowie mindestens eine Rippe, mit der die zum Zentrum der Zelle strömende Luft kanalisiert werden kann.
Die Erfindung und weitere Vorteile und Besonderheiten gehen näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel anhand der beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wobei
1A wie bereits beschrieben eine Teilansicht einer an einer Scheibe angebrachten Turbinenschaufel nach dem Stand der Technik zeigt,
1B wie bereits beschrieben eine Ansicht der Unterseite eines Turbinenschaufelfußes nach dem Stand der Technik zeigt,
2A eine Ansicht einer an einer Scheibe angebrachten erfindungsgemäßen Turbinenschaufel zeigt,
2B eine Ansicht der Unterseite eines erfindungsgemäßen Turbinenschaufelfußes zeigt,
3 eine Perspektivansicht einer Ablenkeinrichtung zeigt, wie sie bei dieser Erfindung verwendet wird,
4 eine Teilschnittansicht einer Turbine zeigt, die mit einer erfindungsgemäßen Schaufel ausgerüstet ist,
5 und 6 Unteransichten von Ablenkeinrichtungen zeigen, die bei dieser Erfindung verwendet werden können,
7 bis 10 Querschnittansichten von unterschiedlichen Ablenkeinrichtungen zeigen, die bei dieser Erfindung verwendet werden können.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen dieser Erfindung.
2A zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaufel 11, die an einer Scheibe 12 angebracht ist, wobei die Ansicht in einer Ebene dargestellt ist, die im rechten Winkel zur Achse der Turbine verläuft, wie in 1A. Der Fuß 13 der Schaufel 11 befindet sich in seinem Sitz in einer Zelle 14 der Scheibe 12. Der Fuß wird im Schnitt gemäß der Achse eines Kanals 15 gezeigt, welcher die Kühlungsluft vom Boden der Zelle 14 aus bis zu dem inneren Kühlungskreislauf der Schaufel führt, der nicht dargestellt ist. Die Zirkulation der Kühlungsluft in der Zelle erfolgt wie oben für 1A beschrieben.
Im Unterschied zu der in 1A beschriebenen Schaufel ist die Schaufel von 2A mit einer Ablenkeinrichtung 20 ausgerüstet, die fest mit der Unterseite 16 des Schaufelfußes verbunden ist. Die Ablenkeinrichtung 20 enthält Rippen, mit denen die am Grund der Zelle 14 zirkulierende Kühlungsluft kanalisiert werden kann. 2A zeigt, dass die Ablenkeinrichtung im Anschluss an den Kanal 15 ein Loch 21 aufweist, das für die Kühlungsluft als Zutrittsmittel zu dem Kanal dient. Dieses Loch kann ein kalibriertes Loch sein, dessen Ausführung an einem Werkstück wie beispielsweise einer angebauten Ablenkeinrichtung leicht zu erzielen ist.
2B, die analog zu 1B des Standes der Technik ist, zeigt mit Pfeilen, wie die Kühlungsluft am Grund der Zelle zwischen den Flanschen 17 und 18 der Scheibe 12 kanalisiert wird. In dieser Figur ist die Ablenkeinrichtung mit zwei Rippen 22 und 23 ausgerüstet, die sich beiderseits der Achse befinden, auf der die Löcher 21 ausgerichtet sind. Die Rippen sind dergestalt ausgeführt, dass sie eine Art Hindernis bilden. Es ist ferner zu bemerken, dass die dargestellte Ablenkeinrichtung vier Löcher für den Durchlass der Kühlungsluft aufweist.
Mit einer Ablenkeinrichtung an der Unterseite des Schaufelfußes kann die Bildung eines Wirbels und die Ausbildung eines Tiefdrucklochs vermieden werden.
Die Ablenkeinrichtung kann ein Werkstück sein, das durch Schweißen oder Löten an dem Schaufelfuß angebracht wird. In einer Variante kann die Ablenkeinrichtung einen integrierenden Bestandteil der Schaufel bilden.
3 zeigt eine Perspektivansicht der oben erwähnten Ablenkeinrichtung 20. In dieser Figur sind die Rippen 22 und 23 sowie die Löcher 21 besser zu erkennen.
4 zeigt eine Teilschnittansicht einer Turbine, die mit einer erfindungsgemäßen Schaufel ausgerüstet ist. 4 zeigt eine Schaufel 11, die mit einer Ablenkeinrichtung 20 ausgerüstet ist und in einer Zelle 14 der Scheibe 12 angebracht ist. In dieser Figur ist auch der an der Vorderseite der Scheibe 12 angebrachte Flansch 17 sowie der Flansch 18 zum Verschließen der Zelle zu sehen.
Die Kühlungsluft wird am Kammerboden entnommen und durch eine Reihe von Einspritzdüsen wie beispielsweise die Einspritzdüse 31 beschleunigt. Sodann gelangt diese Luft durch Löcher wie beispielsweise das Loch 32 hindurch, welche durch den Flansch 17 gebohrt sind, und strömt zu den Böden der Zellen, wie in 4 durch Pfeile angegeben. Mit gestrichelten Linien wurden die Haken oder Klauen dargestellt, die bei dieser Erfindung wegfallen können.
Die 5 und 6 zeigen in der Position an der Unterseite eines Schaufelfußes weitere Formen von Ablenkeinrichtungen, die mit dieser Erfindung verwendet werden können.
In 5 weist die Ablenkeinrichtung 40 zwei Rippen 41 und 42 auf, die sich über die gesamte Länge der Ablenkeinrichtung erstrecken. Es sind auch Zutrittslöcher 43 zu den Kanälen der Schaufeln dargestellt.
In 6 weist die Ablenkeinrichtung 50 eine erste Reihe von Rippen 51 und 53 auf, die sich auf einer Seite der Ablenkeinrichtung befinden, sowie eine zweite Reihe von Rippen 52 und 54, die sich auf der anderen Seite der Ablenkeinrichtung befinden. Die Rippen sind dergestalt ausgeführt, dass sie Hindernisse bilden. Ferner sind Zutrittslöcher 55 zu den Kanälen der Schaufeln dargestellt.
Die Ablenkeinrichtung kann auch eine oder mehrere Rippen mit gebogener Form aufweisen, die eine Führung der Kühlungsluft auf einer erweiterbaren Bahn ermöglichen.
In den 7 bis 10 sind als Beispiele weitere Formen von Ablenkeinrichtungen dargestellt, die mit dieser Erfindung verwendet werden können. Alle diese Ansichten sind Darstellungen im Querschnitt durch ein Durchlassloch für die Kühlungsluft.
Die Ablenkeinrichtung 60 von 7 ist in Schienenform ausgeführt. Sie weist Rippen 61 und 62 auf, die im rechten Winkel zur Anlagefläche 63 der Ablenkeinrichtung an dem Schaufelfuß angeordnet sind. Die Rippen 61 und 62 können sich über die gesamte Länge der Ablenkeinrichtung erstrecken oder unterbrochen sein, um Hindernisse zu bilden.
Das gleiche gilt für die Ablenkeinrichtungen 70, 80 und 90, die in den 8, 9 bzw. 10 dargestellt sind. Die Ablenkeinrichtung 70 weist Rippen 71 und 72 auf, die sich in ihrem Verlauf von der Anlagefläche 73 der Ablenkeinrichtung an dem Schaufelfuß aus erweitern. Die Ablenkeinrichtung 80 weist Rippen 81 und 82 auf, die sich in ihrem Verlauf von der Anlagefläche 73 der Ablenkeinrichtung an dem Schaufelfuß aus aneinander annähern. Die Ablenkeinrichtung 90 weist vier parallele Rippen 91, 92, 93 und 94 auf, die im rechten Winkel zur Anlagefläche 95 der Ablenkeinrichtung an dem Schaufelfuß angeordnet sind.
Mit dieser Erfindung kann ein Gewinn an statischem Druck im Zentrum der Zelle erzielt werden, der das Tiefdruckloch, das ohne die angebaute Einrichtung bestehen würde, zu ungefähr 75% beseitigt. Durch diese Verbesserung der Versorgung der Schaufel mit Kühlungsluft kann die je nach Betriebsbedingungen durchschnittliche Temperatur der Schaufel gesenkt werden und damit ihre Lebensdauer erhöht werden.

Claims

Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel, die eine Schaufel (11), eine Scheibe (12) umfasst, wobei die Schaufel einen Fuß (13) aufweist, mittels dessen sie in einer Zelle (14) der Scheibe (12) der Turbine eingebaut werden kann, wobei die Schaufel einen inneren Luft-Kühlungskreislauf besitzt, der Lufteinlassmittel (15) aufweist, die sich an einer Seite des Fußes der Schaufel gegenüber dieser Zelle befinden, und Laufauslassmittel aufweist, wobei diese Seite des Schaufelfußes mit einer Ablenkeinrichtung (20) versehen ist, die eine Rippe (22, 23) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippe auf der einen Seite oder der anderen Seite der Ausrichtachse der Lufteinlassmittel (15) befindet.
Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel, die eine Schaufel (11), eine Scheibe (12) umfasst, wobei die Schaufel einen Fuß (13) aufweist, mittels dessen sie in einer Zelle (14) der Scheibe (12) der Turbine eingebaut werden kann, wobei die Schaufel einen inneren Luft-Kühlungskreislauf besitzt, der Lufteinlassmittel (15) aufweist, die sich an einer Seite des Fußes der Schaufel gegenüber dieser Zelle befinden, und Laufauslassmittel aufweist, wobei diese Seite des Schaufelfußes mit einer Ablenkeinrichtung (20) versehen ist, die mindestens zwei Rippen (22, 23) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen beiderseits der Ausrichtachse der Lufteinlassmittel (15) befinden.
Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung einen integrierenden Bestandteil der Schaufel bildet.
Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (20) ein an den Fuß (13) der Schaufel (11) angebautes Element ist und mit Zugangsmitteln (21) zu den Lufteinlassmitteln (15) versehen ist.
Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsmittel (21) mindestens ein kalibriertes Loch umfassen.
Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Rippe (22, 23) gerade oder zur Hauptachse der Schaufel geneigt ausgeführt ist.
Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (20) mindestens eine Rippe (22) umfasst, mit der die in die Zelle eintretende Kühlungsluft kanalisiert werden kann, sowie mindestens eine Rippe (23), mit der die zum Zentrum der Zelle strömende Luft kanalisiert werden kann.
Kühlungsvorrichtung für eine Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung mindestens eine gebogene Rippe umfasst.