DE69628818T2

DE69628818T2 - Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE69628818T2
Application number: DE69628818T
Authority: DE
Inventors: Kuniaki Arai-cho AOYAMA; Masao Arai-cho TERAZAKI
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2016-11-21
Also published as: KR19980701560A; JP3477296B2; EP0805263A4; JPH09144503A; CN1076782C; EP0805263B1; KR100234467B1; EP0805263A1; CA2209851C; DE69628818D1; US5897294A; WO1997019257A1; CA2209851A1; CN1169175A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenschaufel, wie sie durch die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 oder Anspruch 2 definiert ist, und die einen Sprühkopf-Kühlungsmechanismus aufweist.
Beschreibung des Standes der Technik
In einer luftgekühlten Schaufel einer Hochtemperatur-Gasturbine hat sich eine Schichtkühlung nun als unerlässlicher Stand der Technik etabliert. Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 wird eine Beschreibung zu dieser Art von herkömmlicher Kühlungstechnik vorgenommen. 3 ist eine Schnittansicht einer luftgekühlten Schaufel und 4 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer Anordnung von Sprühkopf-Kühlungslöchern.
Allgemein sind bei einer Hochtemperatur-Gasturbinenschaufel gemäß 3 Sprühkopf-Kühlungslöcher SC in einem Schaufel-Vorderkantenabschnitt vorgesehen, Schicht-Kühlungslöcher FC an einer stromaufwärtigen Seite eines dorsalen Schaufelabschnitts und an einer stromabwärtigen Seite eines ventralen Schaufelabschnitts sowie Stiftrippenlöcher (pin fin holes) PC an einem Schaufel-Hinterkantenabschnitt.
Von diesen Kühlungslöchern werden die Sprühkopf-Kühlungslöcher SC gemäß 4 in einen Vorderkantenabschnitt einer Schaufel 2 so gebohrt, dass sie von einer Schaufelspitzenseite TS aus in einer geraden Linie zu einer Schaufelnabenseite AS angeordnet sind, und Luft wird aus diesen entgegengesetzt zur Richtung einer Gasströmung ausgeblasen.
Sprühkühlung und Schichtkühlung beziehen sich auf einen Stand der Technik, der eine Kühlwirkung durch Bedecken einer Schaufeloberfläche mit Kühlluft verbessert, die auf eine Gasströmungsfläche geblasen wird.
Falls die Kühlluft zu stark geblasen wird, bewirkt jedoch die Kühlluft ein Ablösen bzw. Abheben von der Schaufeloberfläche, so dass sie sich mit einem Hauptströmungsgas vermischt, mit dem Ergebnis, dass kein Brennstoffeffekt der Schichtkühlung ausgeübt wird, oder wenn die Kühlluft schwach geblasen wird, kann sie ebenfalls keine richtige Kühlwirkung infolge eines Mangels an Kühlluftmenge ausüben. Demgemäß muss berücksichtigt werden, dass die Schaufeloberfläche von einer Luftschicht optimal bedeckt ist bzw. wird.
Wie oben erwähnt wurde, tritt ein Unterschied in einer Druckverteilung von Gas zwischen der Schaufelspitzenseite TS und der Schaufelnabenseite HS gemäß einer Richtung einer Wirbelströmung in einem Kombustor auf, falls die Sprühkopf-Kühlungslöcher SC entgegengesetzt zur Richtung der Gasströmung vorgesehen sind.
Wenn andererseits die Schichtkühlungsluft mit einem Druck mit konstantem Niveau zugeführt wird, kommt es an einer Stelle nur zu einem geringen Differentialdruck: d. h., an einer mittleren Stelle des Spitzenabschnitts und des Nabenabschnitts. Aus diesem Grund ergibt sich ein Problem, nämlich dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, die von den Kühlungslöchern ausgeblasen wird, verringert wird, wodurch die Kühlwirkung beeinträchtigt wird.
Eine vorbekannte Gasturbinenschaufel mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 oder Anspruch 2 ist in GB 2 087 980 A offenbart. Die Schicht-Kühlungslöcher bei dieser Schaufel sind an einer geneigten Linie angeordnet, aber diese Löcher sind nur an der ventralen Seite der Schaufel des Vorderhälftenabschnitts der Schaufel vorgesehen.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenschaufel bereitzustellen, welche die genannten Probleme löst und eine gleichmäßige Kühlung erzielt, wobei ein konstanter Druck unabhängig von der Lage der Kühllöcher aufrechterhalten wird. Um diese Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenschaufel bereit, wie sie in Anspruch 1 oder in Anspruch 2 definiert ist. Bei dieser Gasturbinenschaufel sind mehrere in einen Schaufel-Vorderkantenabschnitt gebohrte Sprühkopf-Kühlungslöcher auf einer Linie angeordnet, um so entweder zu einer linken Seite oder zu einer rechten Seite, von stromauf betrachtet, von einer Schaufelspitzenseite zu einer Schaufelnabenseite: gemäß der Richtung einer Wirbelströmung in einem Kombustor vorbelastet zu sein. Somit sind unter Berücksichtigung der Richtung der Wirbelströmung in dem stromauf angeordneten Kombustor die Kopf-Kühlungslöcher auf einer Linie angeordnet, die von links nach rechts, von stromauf her betrachtet, von der Schaufelspitzenseite zu der Schaufelnabenseite vorbelastet, wodurch der Gasdruck an jeder Stelle der Kühlungslöcher in einer Schaufelhöhenrichtung konstant wird, der Differantialdruck von dem Kühlluftdruck ebenfalls konstant wird und eine gleichmäßige Kühlung erzielbar wird.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Gasturbinenschaufel bereit, bei der mehrere Sprühkopf-Kühlungslöcher auf einer Linie so angeordnet sind, dass die Sprühkopf-Kühlungslöcher der Schaufelspitzenseite nach links, von stromauf her gesehen, gegenüber denen der Schaufelnabenseite vorbelastet sind, falls die Richtung der Wirbelströmung im Kombustor im Uhrzeigersinn stattfindet. Somit sind Sprühkopf-Kühlungslöcher, falls die Richtung der Wirbelströmung in dem stromauf angeordneten Kombustor im Uhrzeigersinn stattfindet, auf einer Linie so angeordnet, dass die Sprühkopf-Kühlungslöcher der Schaufelspitzenseite nach links, von stromauf her gesehen, über denjenigen der Schaufelnabenseite vorbelastet sind, wodurch der Gasdruck an jeder Stelle der Kühlungslöcher in der Schaufelhöhenrichtung konstant wird, und der Differentialdruck vom Kühlungsluftdruck ebenfalls konstant wird und eine gleichmäßige Kühlung erzielbar wird.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenschaufel bereit, bei der mehrere Sprühkopf-Kühlungslöcher auf einer Linie angeordnet sind, so dass die Sprühkopf-Kühlungslöcher der Schaufelspitzenseite nach rechts, von der stromaufwärtigen Seite her gesehen, gegenüber denjenigen der Schaufelnabenseite vorbelastet sind, falls die Richtung der Wirbelströmung im Kombustor im Gegenuhrzeigersinn erfolgt. Wenn somit die Richtung der Wirbelströmung in dem stromauf angeordneten Kombustor im Gegenuhrzeigersinn ist, sind die Sprühkopf-Kühlungslöcher auf einer Linie angeordnet, so dass die Sprühkopf-Kühlungslöcher der Schaufelspitzenseite nach rechts, von der stromaufwärtigen Seite her gesehen, gegenüber denjenigen Schaufelnabenseite vorbelastet sind, wodurch der Gasdruck an jeder Stelle der Kühlungslöcher in der Schaufelhöhenrichtung konstant wird, und der Differentialdruck von dem Kühlluftdruck ebenfalls konstant wird und eine gleichmäßige Kühlung erzielbar wird.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Gasturbinenschaufel bereit, bei der Kühlluft aus den mehreren Sprühkopf-Kühlungslöchern so geblasen wird, dass eine Schaufeloberfläche gekühlt wird. Damit wird Luft als aus den Sprühkopf-Kühlungslöchern zum Kühlen der Schaufeloberfläche geblasenes Kühlungsmedium verwendet, wodurch eine gewünschte Kühlung sicher und genau erzielt werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung von Sprühkopf-Kühlungslöchern einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine erläuternde Ansicht zur Darstellung eines Druckzustandes an drei Positionen der Sprühkopf-Kühlungslöcher der 1 im Vergleich mit vorbekannten Sprühkopf-Kühlungslöchern,
3 eine Seitenansicht zur Darstellung einer Luftstruktur einer vorbekannten Gasturbinenschaufel,
4 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung von Sprühkopf-Kühlungslöchern einer vorbekannten Gasturbinenschaufel.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachstehend wird eine Beschreibung zu einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 und 2 gegeben. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer luftgekühlten Schaufel einer Gasturbine und 2 ist eine erläuternde Ansicht zur Darstellung an drei Positionen von Kühlungslöchern der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich mit Kühlungslöchern nach dem Stand der Technik.
Die Bezugsziffer 1 bezeichnet ein Sprühkopf-Kühlungsloch, das in größerer Anzahl in einen Vorderkantenabschnitt einer Schaufel 2 gebohrt ist, um so in einer Linie von einer Schaufelspitzenseite TS zu einer Schaufelnabenseite HS angeordnet zu sein. Die Sprühkopf-Kühlungslöcher 1 sind mit einer Positionsabweichung zwischen jedem Loch so angeordnet, dass sie einer Richtung einer Wirbelströmung in einen; Kombustor, wie durch einen Pfeil C in 1 gezeigt ist, entsprechen.
Das heißt, wenn die Richtung der Wirbelströmung im Uhrzeigersinn ist, wie durch Pfeil C gezeigt ist, sind die Sprühkopf-Kühlungslöcher 1 der Schaufelspitzenseite TS zu einer linken Seite A (dorsale Schaufelseite in dieser Ausführungsform) vorbelastet, betrachtet von einer stromaufwärtigen Seite der Schaufel, und zur Schaufelnabenseite HS hin sind die Sprühkopf-Kühlungslöcher 1 zu einer rechten Seite B (ventrale Schaufelseite in dieser Ausführungsform) vorbelastet, betrachtet von der stromaufwärtigen Seite der Schaufel. Es ist anzumerken, dass, obwohl dies nicht speziell in der Figur gezeigt ist, falls die Richtung der Wirbelströmung im Kombustor im Gegenuhrzeigersinn ist. Die Sprühkopf-Kühlungslöcher 1 so gebohrt sind, dass sie: umgekehrt hierzu vorbelastet bzw. geneigt sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Sprühkopf- Kühlungslöcher 1 so geneigt, dass sie der Richtung der Wirbelströmung nach obiger Beschreibung entsprechen. In 2 ist der Zustand der Luftströmung und der Druckänderung des Falles, bei dem die Kühlungslöcher auf einer geraden Linie angeordnet sind, im Vergleich mit der Schaufel nach dem Stand der Technik gezeigt.
Das heißt, wie bei Position X auf der linken Seite der 2 gezeigt ist, ist im Fall der vorbekannten Schaufel, bei der die Kühlungslöcher auf einer geraden Linie von der Schaufelspitzenseite TS zur Schaufelnabenseite HS gebohrt sind, der Druck P₂ der Kühlluft an jeweiligen Positionen auf der geraden Linie konstant, während es zu Änderungen der Druckverteilung P₁ der Gasströmung kommt. Demgemäß treten Unterschiede in einem Differentialdruck ΔP desselben an verschiedenen Positionen H1, H2 und H3 in einer Höhenrichtung der Schaufel 2 auf. Damit werden verschiedene Strömungsarten erzeugt, was eine weniger gleichmäßige Kühlwirkung ergibt, speziell an der Schaufelposition H2, an der die Kühlwirkung infolge der Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlungsluft beeinträchtigt wird.
Andererseits sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Sprühkopf-Kühlungslöcher 1 mit einer Positionsabweichung zwischen jedem Loch gebohrt, und zwar unter Berücksichtigung der Wirbelströmung, so dass sie der Druckverteilung von Gas entsprechen, wodurch gemäß der Position Y in der Mitte der 2 ein konstanter Differentialdruck ΔP relativ zum Kühlluftdruck P₂ an jeder Schaufelhöhenposition H₁, H₂ und H₃ erzielt wird. Somit kann, da die Strömungart an jeder Position konstant ist, eine gleichmäßige Kühlung erfolgen, und der Wirkungsgrad der Kühlung kann weiter verbessert werden.
Vorstehend wurde die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschrieben, selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt, sondern es können verschiedene Modifikationen an ihrer endgültigen Struktur innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche hinzugefügt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung nach obiger Beschreibung wird bei einer Hochtemperatur-Turbinenschaufel, wenn eine Schichtkühlung durch von Sprühkopf-Kühlungslöchern eingeblasener Kühlungsluft vorzunehmen ist, ein konstanter Druck an jeder Position der Kühlungslöcher von der Schaufelspitzenseite zur Schaufelnabenseite erzielt, und die Strömungsart des Fluids an jeder Position wird gleichmäßig, so dass eine gleichmäßige Schichtkühlung erfolgen kann. Dadurch kann ein hoher Wirkungsgrad der Schichtkühlung erzielt werden, und die Zuverlässigkeit der Schaufel kann weiter verbessert werden.

Claims

Gasturbinenschaufel mit: einer Schaufelsektion mit einer Schaufelspitzenseite (TS), einer Schaufelnabenseite (HS), einer dorsalen Schaufelseite (A), einer ventralen Schaufelseite (B) und einem Schaufel-Vorderkantenabschnitt, und mehreren in dem Schaufel-Vorderkantenabschnitt ausgebildeten Sprühkopf-Kühlungslöchern (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühkopf-Kühlungslöcher (1) entlang einer Linie: angeordnet sind, die von der dorsalen Schaufelseite (A) an der Schaufelspitzenseite (TS) der Schaufelsektion zu der ventralen Schaufelseite (B) an der Schaufelnabenseite (HS) der Schaufelsektion verläuft.
Gasturbinenschaufel mit: einer Schaufelsektion mit einer Schaufelspitzenseite (TS), einer Schaufelnabenseite (HS), einer dorsalen Schaufelseite (A), einer ventralen Schaufelseite (B), und einem Schaufel-Vorderkantenabschnitt, und mehreren in dem Schaufel-Vorderkantenabschnitt ausgebildeten Sprühkopf-Kühlungslöchern (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühkopf-Kühlungslöcher (1) entlang einer Linie angeordnet sind, die von der ventralen Schaufelseite (B) an der Schaufelspitzenseite (TS) der Schaufelsektion zu der dorsalen Schaufelseite (A) an der Schaufelnabenseite (HS) der Schaufelsektion verläuft.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei die Kühlungslöcher (1) zur Verwendung mit einem Combustor angeordnet sind, in dem eine Richtung einer Wirbelströmung, von stromaufwärts der Gasturbinenschaufel betrachtet, im Uhrzeigersinn ist.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 2, wobei die Kühlungslöcher (1) zur Verwendung mit einem Combustor angeordnet sind, in dem eine Richtung einer Wirbelströmung im Gegenuhrzeigersinn, von stromaufwärts der Gasturbinenschaufel betrachtet, ist.
Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sprühkopf-Kühlungslöcher (1) so ausgelegt sind, daß sie ein Durchblasen von Kühlungsluft durch sie gestatten, um eine Oberfläche des Schaufelabschnitts zu kühlen.
Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sprühkopf-Kühlungslöcher (1) aufeinanderfolgend entlang einer Höhe der Schaufelsektion von der Schaufelspitzenseite (TS) zu der Schaufelnabenseite (HS) angeordnet und voneinander in einer Richtung von der dorsalen Schaufelseite (A) zu der ventralen Schaufelseite (B) oder umgekehrt versetzt sind, so daß ein im wesentlichen konstantes Druckgefälle (ΔP) zwischen dem Kühlluftdruck (P₂) durch die Sprühkopf-Kühlungslöcher (1) und einem Gasströmungsdruck (P₁) an der Schaufelsektion an betreffenden Höhenpositionen der Schaufelsektion zwischen der Schaufelspitzenseite (TS) und der Schaufelnabenseite (HS) erzielt wird.