DE69500735T2 - Gasturbinenschaufel - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Strömungsprofile der ersten Stufe für Gasturbinen, die eine kräftige Luftkühlung benötigen, und insbesondere eine Auftreffkühlanordnung dafür.
• Eine hocheffiziente Gasturbinenmaschine benötigt hohe Einlaßgastemperaturen zu der Turbine. Folglich arbeiten die Leitschaufeln und die Laufschaufeln der ersten Stufe nahe der Maximaltemperatur, für die sie ausgelegt werden können.
• Diese Leitschaufeln und Laufschaufeln müssen für eine lange Lebensdauer gekühlt werden. Ein übliches Verfahren ist die Verwendung von Hochdruckluft von dem Verdichter, die zum Kühlen der Struktur den Strömungsprofilen der Leitschaufeln oder der Laufschaufeln intern zugeführt wird.
• Unterschiedliche Verfahren zur Verwendung dieser Kühlluft zur Kühlung der Oberfläche sind bekannt. Ein Filnikühlen der Außenoberfläche erzielt man, indem man ein Austreten der Luft durch die Oberfläche in einer kontrollierten Art erlaubt, damit diese entlang der Außenschicht der Laufschaufel strömt. Es wird auch ein Konvektionskühlen der Innenoberfläche verwendet, wobei manchmal Stolperstreifen (trip strips) angeordnet sind, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Es wird auch Auftreffkühlen verwendet, indem eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit im wesentlichen im rechten Winkel zu der Innenoberfläche des gekühlten Strömungsprofils gelenkt wird.
• In der japanischen Patentanmeldung 58-197402(A) läßt man Luft auf die Innenwand einer Laufschaufel an einem Ort zwischen Vorsprüngen auftreffen. Diese Vorsprünge ragen von der Innenoberfläche der Wand der Laufschaufel über die gesamte Höhe der Luftpassage.
• Es ist aus EP-A-416542 auch bekannt, ein hohles Strömungsprofil für eine Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung kennzeichnet sich dieser Offenbarung gegenüber dadurch, daß sich die Strömungsöffnungen mit mindestens einigen der Vorsprünge in Ausrichtung befinden. Man wird deshalb erkennen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung ein hohles Rohr in einem Strömungsprofil von der Innenoberfläche der Strömungsprofilwände beabstandet angeördnet ist. Das bildet eine Strömungskammer zwischen den Rohren und der Innenoberfläche. Ein Luftauslaß ist an der Hinterkante des Strömungsprofils in Strömungsverbindung mit der Strömungskammer angeordnet. Eine Mehrzahl von Strömungsöffnungen in dem hohlen Rohr erlauben ein Strömen von Kühlluft, die in das Zentrum des Rohrs abgegeben wurde, durch diese Öffnungen, das Auftreffen gegen die Innenoberfläche des Strömungsprofils und dann das Strömen durch den Luftauslaß nach außen. Eine Mehrzahl von Oberflächenvergrößerungsvorsprüngen ist an der Innenoberfläche angeordnet, wobei sich die Strömungsöffnungen mit mindestens einigen dieser Vorsprünge in Ausrichtung befinden.
• Die vergrößerte Oberfläche an der Innenpassagenwand erhöht die zur Auftreffkühlung zur Verfügung stehende Oberfläche. Eine Erhöhung der Innenoberfläche liefert eine verbesserte Wärmeübertragung von der Passagenwand. Die Beziehung zwischen der Wärmeübertragung und der Oberfläche ist durch die Wärmegleichung Q = H x A x delta T demonstriert. Dabei ist Q die übertragene Wärme, H der Wärmeübertragungskoeffizient, A die Oberfläche und delta T der Temperaturunterschied von der Luft zu der Wand. Eine Betrachtung der Wärmegleichung ergibt, daß mit der Zunahme der Oberfläche (A) auch die Wärmeübertragung (Q) von der Wand zunimmt.
• Ein weiterer Vorteil der vergrößerten Oberflächen tritt an von dem Auftreffen der Luft entfernten Stellen auf, wenn die vergrößerte Oberfläche die Form von Stolperstreifen annlmmt. An diesen Orten fördern Stolperstreifen Turbulenzen in dem Strömungskanal, die ihrerseits die Wärmeübertragung verbessern.
• Eine bevorzugte Ausführungsform wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
• Fig. 1 ist ein Schnitt durch das gekühlte Strömungsprofil;
• Fig. 2 ist eine entlang 2-2 genommene Ansicht, welche die über den Stolperstreifen liegenden Auftrefföffnungen zeigt;
• Fig. 3 ist ein entlang 3-3 genommener Schnitt, der eine Relation einer Öffnung zu den örtlichen Stolperstreifen zeigt; und
• Fig. 4 ist eine entlang dem Schnitt 4-4 genommene Ansicht, welche die schräg begrenzte Strömungsprofilkammer zeigt.
• Fig. 1 zeigt ein Strömungsprofil 10 mit einer Wand 12 und einer Innenoberfläche 14. Ein hohles Rohr 16 ist in dem Strömungsprofil angeordnet und von der Innenoberfläche des Strömungsprofils beabstandet. Eine Strömungskammer 18 ist dadurch zwischen dem hohlen Rohr und der Innenoberfläche des Strömungsprofils gebildet. Ein Luftauslaß 20 ist an der Hinterkante 22 des Strömungsprofils angeordnet, wobei sich dieser Luftauslaß mit der Strömungskammer 18 in Fluidverbindung befindet.
• Eine Luftzuführeinrichtung 24, die an einem Ende des Strömungsprofils angeordnet ist, erhält Luft von der Verdichterquelle als eine Zufuhr von Kühlluft für das Strömungsprofil. Die Rohrwand 26 weist eine Mehrzahl von Strömungsöffnungen 28 auf, durch die Kühlluft 29 strömt und gegen die Innenoberfläche 14 des Strömungsprofils trifft.
• Eine Mehrzahl von Oberflächenvergrößerungsvorsprüngen 30 ist an der Innenoberfläche 14 angeordnet, wobei sich die Öffnungen 28 durch die Rohrwand 26 mit mindestens einigen der Vorsprünge in Ausrichtung befinden.
• Durch die Öffnungen gelagende Strömung 29 strömt in Richtung des Auslasses 20, wie durch den Pfeil 32 gezeigt.
• Die Vorsprünge weisen Rippen auf, die in die Strömungskammer 18 eine Strecke hineinragen, die kleiner ist als die Höhe der Kammer, und ein Darüberströmen der Strömung erlauben. Die Vorsprünge sind segmentiert und mit einem Winkel von etwa 45º bezogen auf die Richtung in Richtung zu dem Luftauslaß angeordnet.
• Die Hauptfunktion dieser Vorsprünge ist die Erhöhung der Wärmeübertragungsoberfläche in dem Bereich der Auftreffströmung. Ein zweiter Effekt ist die Verbesserung der Turbulenzen und der Wärmübertragung, die durch die ausströmende Querströmung in den Bereichen zwischen den Öffnungen hervorgerufen werden.
• Wie in der Fig. 3 gezeigt, sind die Vorsprünge 30 an der Oberfläche 14 im wesentlichen halbkreisförmig gewölbt. In dem konkreten Bereich, wo dieser Vorsprung angeordnet ist, führt das zu einer Oberflächenzunahme von 50% bis 60%. Bei der Gesamtoberfläche des Gesamtbereichs der Vorsprünge wird ein Anstieg von 15 % erzielt.
• Fig. 4 ist ein entlang 4-4 von Fig. 2 genommener Schnitt, der zeigt, daß die Strömungskammer 18 in ihrer Höhe von 0,64 mm bis auf 1,02 mm zunimmt, während die Strömung 32 in Richtung zu dem Auslaß strömt.
• Die gesammelte Strömung 32 nimmt mit dem Zuführen jeder Auftreffströmung 29 zu.
• Die zunehmende Kanalhöhe trägt der zusammenkommenden strömungsaufwärtigen Strömung und der Abnahme der Passagenhöhe, verursacht durch den Beginn der Anordnung vergrößernder vorragenden Oberflächen, ab. Die Höhenschrägung minimiert den Kanaldruckabfall, indem sie eine zusätzliche Fläche bereitstellt, während sie die Beziehung zwischen der Auftreff- und der Querströmungsverbindung in dem Strömungskanal optimiert. Sie erhöht die Gleichförmigkeit der Auftreffströmungen, indem der Gegendruck gegen die diversen strömungsaufwärtigen Öffnungen verringert wird.
• Die vergrößerte Wärmeoberfläche, die durch die Vorsprünge erzeugt wird, ist vorzugsweise in Ausrichtung mit den Auftrefföffnungen konzentriert oder in deren Halbschatten. Eine zusätzliche Oberfläche in der Form von Stolperstreifen ist an den entfernten Stellen wünschenswert.

Claims (4)

1. Hohles Strömungsprofil der ersten Stufe für eine Gasturbine, aufweisend:

Strömungsprofilwände (12) mit einer äußeren Strömungsprofilform und einer Innenoberfläche (14);

ein hohles Rohr (16), das in dem Strömungsprofil angeordnet ist und von der Innenoberfläche der Strömungsprofilwände beabstandet ist, was eine Strömungskammer (18) zwischen dem Rohr und der Innenoberfläche bildet;

eine Luftzuführeinrichtung (24) zum Zuführen von Kühiluft durch das hohle Rohr;

einen Luftauslaß (20), der an der Hinterkante des Strömungsprofils und in Fluidverbindung mit der Strömungskammer angeordnet ist;

eine Mehrzahl von Oberflächenvergrößerungsvorsprüngen (30) an der Innenoberfläche (14); und

eine Mehrzahl von Strömungsöffnungen (28) in dem hohlen Rohr; wobei die Vorsprünge Rippen aufweisen, die in die Strömungskammer (18) eine Strecke weit hineinragen, die kürzer ist als die Höhe der Kammer (18); dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Strömungsöffnungen (28) mit mindestens einigen der Vorsprünge (30) in Ausrichtung befinden.

2. Strömungsprofil nach Anspruch 1, bei dem die Richtung in Richtung zu dem Luftauslaß eine Auslaßrichtung definiert, wobei die Vorsprünge (30) unterteilt sind und mit einem Winkel nicht parallel zu der Auslaßöffnung (32) angeordnet sind.

3. Strömungsprofil nach Anspruch 2, bei dem der Winkel im wesentlichen 45º beträgt.

4. Strömungsprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das hohle Rohr in Richtung zu dem Luftauslaß von der Innenoberfläche zunehmend beabstandet ist.