DE69407727T2

DE69407727T2 - Kühlluftmengenregelung bei Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE69407727T2
Application number: DE69407727T
Authority: DE
Inventors: Brian P Arness; Wesley D Brown
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-10-26
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2014-10-22
Also published as: JP3671063B2; JPH07166801A; EP0649975B1; US5403156A; EP0649975A1; DE69407727D1

Description

Die Erfindung betrifft Turbinenlaufschaufeln für Gasturbinenmaschinen und insbesondere Mittel zum Zumessen von Kühlluft, um die Turbinenlaufschaufeln intern zu kühlen.
Wie auf dem Technikgebiet der Gasturbinenmaschinen bekannt, ist das Kühlen der Turbinenlaufschaufeln, insbesondere der ersten Turbinenstufe, nicht nur zum Bewahren der Integrität der Laufschaufelstruktur, sondern auch zum Erhalten einer hohen Triebwerksleistung durch das Betreiben der Turbine bei optimalen Temperaturniveaus, extrem wichtig. Es ist absolut erforderlich, in dieser Umgebung die Nutzung von Kühlluft zu maximieren, um das Verbrauchen von mehr Luft zu vermeiden, als erforderlich ist, um den Gesamtnachteil zu verringern, der die Verwendung von Maschinenluft zu anderen Zwecken als zum Erzeugen von Schub oder Leistung begleitet. Da die Gasturbinenmaschine effizienter arbeitet, wenn man die erste Turbinenstufe bei höheren Temperaturen betreibt und der Trend zukünftiger Maschinen dahin geht, die Temperaturen am Turbineneinlaß zu erhöhen, um die Effizienz der Maschine zu erhöhen und dadurch den Kraftstoffverbrauch zu verringern, ist der Entwickler von Turbinenmaschinen vor das Problem gestellt, die Turbineneinlaßtemperatur zu erhöhen und dabei gleichzeitig zu versuchen, die Menge an Kühlluft zu reduzieren oder deren Verwendung bis zum äußersten zu optimieren.
Wie bekannt, ist ein Verfahren zum Optimieren der Verwendung von Kühlluft das Verwenden von Zumeßeinrichtungen, um den in die Wurzeln jeder der Laufschaufeln gelangenden Strom zu begrenzen. Typischerweise weisen diese strömungsbegrenzenden oder -zumessenden Einrichtungen ein zusätzliches Metallblechbauteil auf, das an den Boden der Laufschaufel geschweißt oder hartgelötet ist. Ein Beispiel einer Zumeßeinrichtung, die an die Wurzel einer Statorlaufschaufel geschraubt ist, ist in dem U.S. Patent Nr. 3,706,508 exemplifiziert, das Moskowitz et al. am 19. Dezember 1972 erteilt wurde und den Titel "Transpiration Cooled Turbine Blade with Metered Coolant Flow" trägt.
Die Patentanmeldung Nr. 2 225 063 A des Vereinigten Königreichs, die für Ulrich Radons am 23. Mai 1990 veröffentlicht wurde und den Titel "Turbine Cooling Arrangement" trägt, beschreibt ein Einsatzelement, das mit der Laufschaufelbasis zum Einströmenlassen von Kühlmittel in die Rotorlaufschaufeln verbunden ist. Andere Patente, die, obwohl sie nicht notwendigerweise Zumeßeinrichtungen lehren, sondern sich auf Einrichtungen zum Zuführen von Kühlmittel zu den Turbinenrotorlaufschaufeln beziehen, sind das U.S. Patent Nr. 4,767,261, das Godfrey et al. am 12. Februar 1974 erteilt wurde und den Titel "Cooled Vane" trägt, das eine Prallplatte innerhalb der Leitschaufel verwendet, das U.S. Patent Nr. 3,791,758, das Jenkinson am 12. Februar 1974 erteilt wurde und den Titel "Cooling of Turbine Blades" trägt, das divergente Wände zum Definieren eines Diffusors aufweist zum Führen von Kühlmittel zu der Wurzel der Laufschaufeln, und das U.S. Patent Nr. 4,626,169, das Hsing et al. am 2. Dezember 1986 erteilt wurde und den Titel "Seal Means for a Blade Attachment Slot of a Rotor Assembly" trägt, das eine Prallplatte bereitstellt, die Kühlmittel zu den Rotorlaufschaufeln leitet. Außerdem beschreibt EP A-0 043 300 (SNECMA) einen Rotor, der eine Laufschaufel mit internen Kühlpassagen aufweist, wobei die Laufschaufel durch einen Wurzelabschnitt in einer Ausnehmung an der Rotorscheibe montiert ist, wobei die Laufschaufel mit einem integralen Vorsprung an ihrem Wurzelabschnitt gegossen ist.
Wir haben herausgefunden, daß wir eine effizientere Verwendung der Kühlluft erhalten können und die zusätzlichen Bauteile vermeiden können, die bislang zum Zumessen von Kühlmittel erforderlich waren, mit einer sich anschließenden Verbesserung bei der Eignung der Laufschaufel für das Gießen, einer Erleichterung der Herstellung und des Zusammenbaus durch das Vermeiden des Schritts des Hartlötens oder Schweißens und dem Eliminieren der Notwendigkeit des Inventarisierens der Bauteile. Dies hat den Nachteil einer geringen Gewichtserhöhung, fährt dabei aber zu einer Kostenerniedrigung.
Es gibt aber einen entscheidenden Vorteil bei der Verwendung dieser Erfindung bei gegossenen, filmgekühlten, hocheffizienten Turbinenlaufschaufelkonstruktionen. Der Druck der tangentialen Onboard-Injektoren (die als TOBI bekannt sind), der zum Übertragen der Kühlluft in die rotierende Konstruktion zu den Wurzeln der Turbinenlaufschaufeln dient, ist durch die Anforderungen an die Ausströmung der Laufschaufel und den Staudruck an der Vorderkante der Strömungsprofilwurzel bestimmt. Das liefert dem restlichen Teil der Laufschaufel typischerweise Luft mit einem höheren Druck als erforderlich. Deshalb müssen zur Beibehaltung akzeptabler Strömungsniveaus für die Hauptkörper-Filmkühleinrichtungen und die Hinterkanten-Strömungsbegrenzungseinrichtungen (beispielsweise die Quer- und die Filmöffnungen), diese Öffnungen relativ klein bemessen werden. Durch das Verringern dieses Drucks in diesen Bereichen durch die Verwendung des Zumeßventils können diese strömungsbegrenzenden Einrichtungen vergrößert werden, ohne die Strömung zu vergrößern. Der Vorteil davon, in der Lage zu sein, die Größe der Öffnungen zu vergrößern, verbessert die Eignung der Laufschaufel für das Gießen und die Effektivität des Films.
Bei tatsächlichen Tests von Laufschaufeln, die diese Erfindung enthalten, hat die erfindungsgemäße Zumeßplatte die Größe der Hinterkanten- Queröffnungen auf eine etwa 30% größere Größe als bei bislang bekannten Konstruktionen vergrößert. Außerdem macht es diese Konstruktion möglich, zusätzliche Filmkühlöffnungen hinzuzufügen, so daß bei der getesteten Konfiguration 3 zusätzliche Filmkühlöffnungen in jeder der Reihen der Filmkühlöffnungen hinzugefügt wurden.
Gemäß einem breiten Aspekt ist die Erfindung gegenüber EP-A-0 043 300 dadurch gekennzeichnet, daß daß der Vorsprung einen Kühlmittelzumeßquerschnitt in der Ausnehmung definiert, wobei die Größe oder Gestalt des Vorsprungs nach dem Gießen modifizierbar ist, um einen gewünschten Zumeßquerschnitt zu definieren.
Vorzugsweise erstreckt sich der Vorsprung von dem Wurzelabschnitt der Rotorscheibe axial, und der Rotor weist ferner eine Einrichtung zum Führen von Kühlluft durch die Ausnehmung in in der Turbinenlaufschaufel geformte interne Passagen auf, wobei der Vorsprung als eine Zumeßplatte wirkt, um den Kühlluftstrom von der Ausnehmung in die Passagen zu regulieren, wobei die Länge des Vorsprungs nach dem Gießen modifizierbar ist, um die Menge des Zumessens durch die Zumeßplatte zu wählen.
Gemäß einem zweiten breiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors mit Mitteln zum Kontrollieren des Stroms von Kühlluft zu den internen Passagen einer luftgekühlten Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbinenmaschine, aufweisend die folgenden Schritte:
Gießen der Turbinenlaufschaufel einschließlich interner Kühlpassagen und einem Vorsprung zum Einpassen in eine Ausnehmung einer Turbinenrotorscheibe zum Definieren einer Zumeßplatte in der Ausnehmung,
Einbauen der Laufschaufel in die Ausnehmung der Turbinenrotorscheibe, Strömenlassen von Kühlluft in die Ausnehmung, damit sie durch eine Zumeßöffnung der Zumeßplatte strömt, und Bestimmen, ob der Strom wie gewünscht ist, und falls nicht,
Ausbauen der Laufschaufel aus der Ausnehmung und Bearbeiten des Vorsprungs, um die Zumeßplatte so zu berichtigen, daß eine gewünschte Menge an Kühlluft in die Turbinenlaufschaufel strömt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht des Turbinenabschnitts einer Gasturbinenmaschine, die die Erfindung verwendet;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht einer Turbinenlaufschaufel, die Details der Erfindung zeigt; und
Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht, die entlang der Linien 3-3 von Fig. 2 genommen wurde.
Obwohl die Erfindung hier in ihrer bevorzugten Ausführungsform in Verwendung in der ersten Turbinenstufe einer Gasturbinenmaschine beschrieben ist, erkennt der Fachmann, daß die Erfindung bei anderen Rotoren verwendet werden kann. Die Erfindung liefert in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine Kombination aus einer Zumeßplatte und einer Turbinenlaufschaufel, die mit dem Drehkranzbereich der Scheibe den Zumeßbereich definieren, wobei die Zumeßplatte integral beim Gießen der Laufschaufel gegossen wird.
Die Erfindung erkennt man am besten durch die Bezugnahme auf die Fig. 1, die die Verwendung dieser Erfindung in dem Turbinenabschnitt der ersten Stufe einer Gasturbinenmaschine (die nur zum Teil gezeigt ist) beschreibt. Da die Details der Maschine für ein Verständnis dieser Erfindung nicht erforderlich sind, wird zum Zweck der Bequemlichkeit und der Einfachheit nur der Teil der Maschine beschrieben werden, der für die Beschreibung der Erfindung erforderlich ist. Für weitere Details einer Gasturbinenmaschine wird auf das U.S. Patent Nr. 4,069,662, das Redinger, Jr., et al. am 24. Januar 1978 erteilt wurde und den Titel "Clearance Control for Gas Turbine Engine" trägt oder jedes aus einer Anzahl von Maschinenmodellen, wie das F100, JT9D, PW2000 und PW4000 verwiesen, die von der Pratt & Whitney Division der United Technologies Corporation, der vorliegenden Anmelderin hergestellt werden.
Es genügt zu sagen, daß ein Teil der Luft von dem Verdichterabschnitt (nicht gezeigt) abgezapft wird und schließlich durch den TOBI 12, wie durch die Pfeile A gezeigt, zu dem Turbinenrotor geliefert wird, der generell mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist.
Der Rotor weist eine Scheibe 14 auf, die eine Mehrzahl umfangsmäßig beabstandeter Turbinenlaufschaufeln 16 geeignet abstützt. Die Wurzel 18 jeder der Laufschaufeln ist an einer Ausnehmung oder einer Ausräumung, die in dem Außenumfangsbereich oder in dem Drehkranzbereich der Scheibe 14 gebildet ist, befestigt. Bei dieser Konstruktion ist die Ausräumung in einer tannenbaumartigen Konfiguration ausgebildet, bei der es sich um eine bekannte Konfiguration zum Abstützen der Laufschaufeln an der Scheibe handelt.
Der Rotor 10 ist über die Triebwerkswelle drehbar gelagert und dem ersten Statorabschnitt 20 benachbart angeordnet, der an dem generell durch das Bezugszeichen 22 bezeichneten Brenner abgestützt ist. Wie bekannt, strömt Verbrennungsluft, die von dem Brenner 22 abgegeben wird, durch die Leitschaufeln des Statorabschnitts 20 und durch die Laufschaufeln 16, wo Leistung entzogen wird, um den Verdichter anzutreiben. Wie man aus dem Vorangegangenen erkennt, sind die Verbrennungsgase, die durch die Turbinenlaufschaufeln strömen, äußerst heiß und erfordern ein Kühlen des Turbinenrotors.
Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht die Laufschaufel 16 aus einer Wurzel 18, einem Strömungsprofilabschnitt 26 mit einem Spitzenabschnitt 28, einer Vorderkante 30, einer Hinterkante 32 und sich zwischen diesen erstreckend einer Druckseite 34 und einer Unterdruckseite (nicht gezeigt) auf der Rückseite der Druckoberfläche. Kühlmittel wird in den Drehkranzbereich 38 an dem Außenumfangsbereich der Scheibe und der Wurzel 18 zugeführt und strömt auf eine geeignete Art innen in der Laufschaufel und strömt von dieser durch eine Mehrzahl von Filmkühlöffnungen 36 oder Duschkopföffnungen 37 aus. Da die Details der Kühlaspekte der Laufschaufel bekannt sind und beispielsweise in dem U.S. Patent Nr. 4,820,123, das Kenneth B. Hall am 11. April 1989 erteilt wurde, beschrieben sind, wird für weitere Details einer geeigneten Turbinenlaufschaufel auf dieses Patent verwiesen.
Wie es in den Figuren 2 und 3 am besten gezeigt ist, besteht die generell mit dem Bezugszeichen 40 versehene Zumeßplatte aus einem abgehenden Element 42, das in die Wurzel 18 der Laufschaufel 26 integral eingegossen ist und sich in den Drehkranzbereich 38 in Richtung zu der oberen Oberfläche 44 der Scheibe 14 erstreckt. Der Bodenrand 46 erstreckt sich bis kurz vor die Oberfläche 44 und definiert mit dieser den Zumeßbereich 48. Wie in der Fig. 3 gezeigt, erstreckt sich das gegossene abgehende Element 42 der Zumeßplatte zwischen den Wänden 50 und 52, die die in der Scheibe 14 gebildete Ausräumung definieren.
Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß die Dimensionen des abgehenden Elements 42 fertigbearbeitet werden können, nachdem das Element 42 gegossen wurde. Auf diese Art wird das Element 42 auf Übermaß gegossen und auf das gewünschte Maß beim Finishbearbeiten der Laufschaufel bearbeitet. Das stellt sicher, daß das Zumeßmaß auf dem gewünschten Querschnitt zum Erzielen des gewünschten Drucks und Stroms des Kühlmittels für jede Laufschaufel eingenullt wird. Dadurch, daß man in der Lage ist, die Maße wie beschrieben zuzuschneidern, wird deutlich, daß nur die erforderliche Menge an Kühlmittel verwendet wird, die benötigt wird, um das gewünschte Kühlen durchzuführen. Deshalb kann jede Laufschaufel entsprechend auf Maß gebracht werden, um sicherzustellen, daß unnötiges Kühlmittel nicht versehentlich verwendet wird.
Das Verfahren des Justierens der Zumeßplatte, um die gewünschte Menge an Kühlluft zu den internen Passagen der Turbinenlaufschaufel zuzumessen ist es, die Laufschaufel mit dem Vorsprung mit Übermaß einzubauen und die Anordnung einem Strömungstest zu unterziehen, die Laufschaufel auszubauen und den Vorsprung mit Übermaß zu bearbeiten, um den gewünschten Zumeßquerschnitt zum Zumessen der beabsichtigten Menge an Kühlluft zu erhalten. Das wird wiederholt, bis die korrekte Menge "eingenullt" ist.
Ein weiterer Vorteil dieser integralen Konstruktion der gegossenen Zumeßplatte liegt darin, daß sie den Aufwendungen zum Gießen der Gesamtlaufschaufel nichts hinzufügt. Deshalb ist nicht nur die Erfindung günstig, sie umgeht auch all die mit den bisherigen Zumeßplatten, die mit der Laufschaufel nicht integral sind, verknüpften Probleme.
Aus dem vorangehenden erkennt man, daß mindestens in ihren bevorzugten Ausführungsformen die Erfindung eine verbesserte Kühleinrichtung für die Rotorlaufschaufeln einer Gasturbinenmaschine bereitstellt. Sie stellt auch eine integral gegossene Zumeßplatte bereit, die sich von der Wurzel der Laufschaufel in Richtung zu dem Drehkranz der Scheibe der Laufschaufel erstreckt, um mit dieser eine Zumeßplatte zu definieren, und ein Verfahren des "Maßschneiderns" der Menge der durch die Zumeßplatte zugemessenen Kühlluft.
Die gegossene Zumeßplatte kennzeichnet sich dadurch aus, daß sie weniger kostspielig ist als andere Zumeßplatten, das Zusammenbauen und das Auseinanderbauen von Laufschaufelanordnungen erleichtert und die Effizienz der Kühlung steigert.

Claims

1. Rotor aufweisend eine Laufschaufel (16) mit internen Kühlpassagen, wobei die Laufschaufel (16) mit einem Wurzelabschnitt (18) in einer Ausnehmung an der Rotorscheibe (14) montiert ist, wobei die Laufschaufel (16) mit einem integralen Vorsprung (42) an ihrem Wurzelabschnitt gegossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung einen Kühlmittelzumeßquerschnitt (48) in der Ausnehmung definiert, wobei die Größe oder Gestalt des Vorsprungs nach dem Gießen modifizierbar ist, um einen gewünschten Zumeßquerschnitt zu definieren.

2. Rotor nach Anspruch 1, bei dem der Vorsprung (42) kurz vor einer Bodenwand (44) einer Ausnehmung in der Scheibe endet, um den Zumeßquerschnitt (48) zwischen seinem unteren Rand und der Bodenwand (44) zu definieren.

3. Rotor nach Anspruch 1, bei dem sich der Vorsprung (42) von dem Wurzelabschnitt (18) axial erstreckt, wobei der Rotor ferner eine Einrichtung zum Führen von Kühlluft durch die Ausnehmung in in der Turbinenlaufschaufel (16) geformte interne Passagen aufweist, wobei der Vorsprung (42) als eine Zumeßplatte (40) wirkt, um den Kühlluftstrom von der Ausnehmung in die Passagen zu regulieren, wobei die Länge des Vorsprungs nach dem Gießen modifizierbar ist, um die Menge des Zumessens durch die Zumeßplatte (40) zu wählen.

4. Rotor nach Anspruch 3, bei dem die Scheibe (14) ein Paar gegenüberliegender Seitenwände (50, 52) und eine Bodenwand (44) zum Definieren der Ausnehmung aufweist, wobei sich der Vorsprung (42) bis kurz vor die Bodenwand (44) und an das Paar von Seitenwänden (50, 52) erstreckt.

5. Rotor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem die Ausnehmung mit einer tannenbaumartigen Gestalt gebildet ist.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, aufweisend einen tangentialen Onboard-Injektor (12) zum Führen von Kühlluft zu der Ausnehmung.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, aufweisend eine Mehrzahl von luftgekühlten Turbinenlaufschaufeln (16), die je einen Wurzelabschnitt (18) aufweisen und mit einem sich von diesem erstreckenden axialen Vorsprung (42) gegossen sind und die in Ausnehmungen abgestützt sind, die in dem Außenumfangsbereich der Scheibe (14) gebildet sind und umfangsmäßig beabstandet sind, wobei die Abstandsbereiche zwischen den einzelnen Ausnehmungen Seitenwände (50, 52) und eine Bodenwand (44) der Ausnehmungen definieren, wobei sich der Vorsprung (42) von jeder der luftgekühlten Turbinenlaufschaufeln (18) in die Ausnehmung bis kurz vor die Bodenwand (44) jeder der Ausnehmungen erstreckt und die Breite des Vorsprungs (42) jeder der Laufschaufeln (18) von gleicher Ausdehnung wie der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Wänden (50, 52) jeder der Ausnehmungen ist und mit diesen eingeschlossene Kammern zum Aufnehmen von Kühlluft definiert, und jeder der Vorsprünge (42) zusammen mit der Bodenwand (44) der Scheibe eine Zumeßplatte (40) zum Zumessen des Stroms in jede der Kammern zu den Passagen in jeder der luftgekühlten Turbinenlaufschaufeln definiert.

8. Gasturbinenmaschine aufweisend einen Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Verfahren zum Herstellen eines Rotors mit Mitteln zum Kontrollieren des Stroms von Kühlluft zu den internen Passagen einer luftgekühlten Turbinenlaufschaufel (16) für eine Gasturbinenmaschine, aufweisend die folgenden Schritte:

Gießen der Turbinenlaufschaufel (16) einschließlich interner Kühlpassagen und einem Vorsprung (42) zum Einpassen in eine Ausnehmung einer Turbinenrotorscheibe (14) zum Definieren einer Zumeßplatte (40) in der Ausnehmung,

Einbauen der Laufschaufel (16) in die Ausnehmung der Turbinenrotorscheibe (14),

Strömenlassen von Kühlluft in die Ausnehmung, damit sie durch eine Zumeßöffnung (48) der Zumeßplatte (40) strömt, und

Bestimmen, ob der Strom wie gewünscht ist, und falls nicht,

Ausbauen der Laufschaufel (16) aus der Ausnehmung und

Bearbeiten des Vorsprungs (42), um die Zumeßplatte (40) so zu berichtigen, daß eine gewünschte Menge an Kühlluft in die Turbinenlaufschaufel (16) strömt.