DE69714960T3

DE69714960T3 - Wirbelelementkonstruktion für Kühlkanäle eines Gasturbinenrotorschaufelblattes

Info

Publication number: DE69714960T3
Application number: DE69714960T
Authority: DE
Inventors: Ching-Pang Cincinnati Lee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-01-03
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JPH10274002A; EP0852285B2; US5797726A; DE69714960T2; EP0852285A1; EP0852285B1; JP4063938B2; DE69714960D1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Innenkühlung von Rotorschaufeln in einem Gasturbinentriebwerk und insbesondere auf eine Turbulator-Konfiguration, die entlang der Innenfläche von wenigstens einer Wand angeordnet ist, die einen Kühlkanal in einer derartigen Rotorschaufel bildet, wobei die Turbulator-Konfiguration Vorteile aus den Coriolis-Kräften zieht, die während der Rotation erzeugt werden.
Gasturbinentriebwerke, wie beispielsweise Flugzeug-Strahltriebwerke, enthalten Komponenten (z. B. Turbinen, Verdichter, Bläser und ähnliches) mit Rotorschaufeln. Beispielsweise enthält eine Turbinenrotorschaufel einen Schaftabschnitt, der an einer rotierenden Turbinenrotorschaufel befestigt ist, und einen stromlinienförmigen Schaufelabschnitt, der dazu verwendet wird, nutzbare Arbeit aus den heißen Gasen zu entziehen, die den Triebwerksbrenner verlassen. Die stromlinienförmige Schaufel enthält einen Schaufelfuß, der an dem Schaft befestigt ist, und eine Schaufelspitze, die das freie Ende von der stromlinienförmigen Schaufel bildet. Moderne Flugzeug-Strahltriebwerke haben eine Innenkühlung von Turbinenrotorschaufeln verwendet, um die Temperaturen der stromlinienförmigen Schaufel innerhalb gewisser Konstruktionsgrenzen zu halten. Üblicherweise wird der stromlinienförmige Schaufelabschnitt der Turbinenrotorschaufel durch Luft (normalerweise von dem Verdichter des Triebwerkes abgezapft) gekühlt, die durch einen longitudinal verlaufenden Innenkanal hindurchströmt, wobei die Luft nahe dem Fuß der stromlinienförmigen Schaufel eintritt und nahe der Spitze der stromlinienförmigen Schaufel austritt. Bekannte Turbinenschaufel-Kühlkanäle enthalten einen Kühlkreis, der mehrere unverbundene, longitudinal orientierte Kanäle aufweist, wobei jeder Kanal Kühlluft nahe dem Fuß der stromlinienförmigen Schaufel empfängt und die Luft longitudinal in Richtung auf die Spitze der stromlinienförmigen Schaufel leitet, und auch einen serpentinenförmigen Kühlkreis, der mehrere longitudinal orientierte Kanäle enthält, die in Reihe verbunden sind, um eine serpentinenförmige Strömung zu erzeugen. Für jeden der beiden Kühlkreise verlässt einige Luft die stromlinienförmige Schaufel durch Filmkühllöcher nahe der Vorderkante der stromlinienförmigen Schaufel, und einige Luft verlässt die stromlinienförmige Schaufel durch Kühlkanäle an der Hinterkante.
Kühlkanäle haben üblicherweise kreisförmige, rechteckige, quadratische oder längliche Querschnittsformen. Es ist bekannt, dass für eine umlaufende stromlinienförmige Schaufel mit einem serpentinenförmigen Kühlkreis, der longitudinal orientierte Kühlkreise mit einer quadratischen Querschnittsform enthält, Coriolis(Rotations)-Kräfte den Wärmeübertragungs-Koeffizienten entlang gewisser Wände des Kanals vergrößern und den Wärmeübertragungs-Koeffizienten entlang anderer Wände des Kanals im Vergleich zu einem nicht-rotierenden stromlinienförmigen Abschnitt verkleinern. Grundsätzlich ist die Coriolis-Kraft proportional zu dem Vektorkreuzprodukt aus dem Geschwindigkeitsvektor des durch den Kanal strömenden Kühlmittels und dem Winkelgeschwindigkeitsvektor der rotierenden stromlinienförmigen Schaufel. Die Coriolis-Kraft verdichtet das Kühlmittel gegen die eine Seite des quadratischen Kanals und vergrößert die Wärmeübertragung an dieser Seite, während die Wärmeübertragung an der gegenüberliegenden Seite verkleinert wird. Dies ruft ein ungleichmäßiges Querschnitts-Schaufeltemperaturprofil hervor, das heiße Bereiche hervorruft, die kompensiert werden müssen, beispielsweise indem die Kühlströmung vergrößert wird. Eine Vergrößerung der Kühlströmung könnte dadurch erreicht werden, dass mehr Verdichter luft des Triebwerkes abgezapft wird, aber dies würde den Wirkungsgrad des Triebwerkes verringern, indem die Anzahl von Meilen verkleinert wird, die für jede Gallone von verbrauchtem Brennstoff geflogen wird.
Turbulenzförderer oder Turbulatoren sind Vorrichtungen, die üblicherweise in den Kühlströmungskanälen von Rotorschaufeln verwendet werden, um die thermische Grenzschicht aufzubrechen und eine Turbulenz nahe der Kühlkanalwand zu erzeugen. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Wand erhöht. Es ist verständlich, dass die Höhe und Form der Turbulatoren (bisher rechteckige oder quadratische Rippen, die auf der Kühlkanalwand mit identischem Querschnitt und Abstand gegossen sind) kritisch sind für die Effektivität der Turbulenzerzeugung. Insbesondere muss die Turbulatorhöhe größer sein als die Dicke der thermischen Grenzschicht, um diese auszulösen. Derartige Turbulenzförderer sind beispielsweise aus der US-A-4,416,585 bekannt.
Es ist deshalb erwünscht, dass eine Turbulator-Konfiguration für eine Integration mit Kühlkanälen in Rotorschaufeln von einem Gasturbinentriebwerk entwickelt wird, die die Wirkungen von Coriolis-Kräften auf die Kühlkanalwände ergänzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk entsprechend dem hier angegebenen Patentanspruch 1 geschaffen.
Während die Beschreibung mit Ansprüchen abgeschlossen ist, die die vorliegende Erfindung besonders hervorheben und genau beanspruchen, wird angenommen, dass sie besser verständlich wird aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht von einer Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk ist;
2 ein Längsschnitt der in 1 gezeigten Rotorschaufel ist;
3 ein vergrößerter Querschnitt von dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt der in 1 gezeigten Rotorschaufel entlang der Linie 3-3 in 2 ist;
4 ein Teilquerschnitt von der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel ist, wobei die Richtung der Luftströmung durch den Kühlkanal radial nach außen ist;
5 ein Teilschnitt des in 4 gezeigten Kühlkanals entlang der Linie 5-5 in 3 ist, wobei eine Turbulatorkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Vorderwand der stromlinienförmigen Schaufel gezeigt ist;
6 ein Teilschnitt des in 4 gezeigten Kühlkanals entlang der Linie 6-6 in 3 ist, wobei eine Turbulatorkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Hinterwand der stromlinienförmigen Schaufel gezeigt ist;
7 ein Teilquerschnitt von der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel ist, wobei die Richtung der Luftströmung durch den Kühlkanal radial nach innen ist;
8 ein Teilschnitt des in 7 gezeigten Kühlkanals entlang der Linie 8-8 in 3 ist, wobei ei ne Turbulatorkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Vorderwand der stromlinienförmigen Schaufel gezeigt ist; und
9 ein Teilschnitt des in 7 gezeigten Kühlkanals entlang der Linie 9-9 in 3 ist, wobei eine Turbulatorkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Hinterwand von der stromlinienförmigen Schaufel gezeigt ist.
Es wird nun auf die Zeichnungen im Detail Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszahlen die gleichen Elemente in den verschiedenen Figuren angeben. 1 zeigt eine Rotorschaufel 10 von einem Gasturbinentriebwerk (z. B. eine Rotorschaufel von einem Flugzeug-Strahltriebwerk). Die Rotorschaufel 10 enthält einen Schaft 12 und eine stromlinienförmige Schaufel 14. Ferner enthält der Schaft 12 eine Schaufelplattform 16, die dabei hilft, die Turbinenluftströmung radial einzuschließen, und einen Schwalbenschwanz 18, der an einer Turbinenrotorscheibe (nicht gezeigt) befestigt ist. Die stromlinienförmige Schaufel 14 hat eine konvex geformte Saugseite 20 und eine konkav geformte Druckseite 22, die miteinander verbunden sind, um eine Stromlinienform zu bilden. Eine longitudinale Achse 24 erstreckt sich radial nach außen in Richtung auf eine Schaufelspitze 25 und radial nach innen in Richtung auf einen Schaufelfuß 28, der an dem Schaft 12 befestigt ist. Die Rotorschaufel 10 rotiert in einer Richtung derart, dass die Druckseite 22 der stromlinienförmigen Schaufel der Saugseite 20 der stromlinienförmigen Schaufel folgt. In den 1, 3, 4 und 7 ist die Drehrichtung für die Rotorschaufel 10 durch einen Pfeil 25 angegeben.
Wie in den 2 und 3 angegeben ist, enthält die stromlinienförmige Schaufel 14 mehrere im allgemeinen lon gitudinal verlaufende innere Kühlkanäle 30 und 32, die die Strömung der Kühlluft oder des Kühlmittels in Richtung auf bzw. von der Schaufelspitze 26 weg (oder radial nach außen und radial nach innen) richten. Die Kühlkanäle 30 und 32 sind vorzugsweise in einer Reihe angeordnet, wobei benachbarte Kanäle miteinander verbunden sind, um wenigstens einen Abschnitt von einem serpentinenförmigen Kühlmittelkreis 34 zu bilden. In 3 ist zu sehen, dass jeder der Kanäle 30 und 32 einen einheitlichen Querschnitt hat, der von im Wesentlichen rechteckig bis nahezu trapezförmig reicht, obwohl der Querschnitt dieser Kühlkanäle 30 und 32 jede Form haben kann. In der vorliegenden stromlinienförmigen Schaufel, die gezeigt und beschrieben ist, haben jedoch die Kühlkanäle 30 und 32 eine im Wesentlichen vierseitige Form mit zwei Paaren von gegenüberliegenden Wänden. Ein erstes Paar von gegenüberliegenden Wänden 36 und 38 (die auch als die Vorder- und Hinterwände bekannt sind) stimmen im Wesentlichen in der Richtung mit der Saugseite 20 bzw. der Druckseite 22 der stromlinienförmigen Schaufel 14 überein. Ein zweites Paar von gegenüberliegenden Wänden 40 und 42 verbindet die Vorderwand 36 und die Hinterwand 38 miteinander, um so jeden Kanal 30 und 32 zu bilden. Es wird deutlich, dass die Kühlkanäle 30 und 32 des serpentinenförmigen Kühlmittelkreises 34 Kühlmittel aus einem Einlass 44 in dem Schaft 12 empfangen. Nachdem es durch die Kühlkanäle 30 und 32 hindurchgeströmt ist, verlässt das Kühlmittel die stromlinienförmige Schaufel 14 durch Löcher 46 in der Schaufelspitze 26.
Wie in den 2–4 zu sehen ist, ist die Strömung des Kühlmittels durch die Kühlkanäle 30 in einer Richtung radial nach außen in Bezug auf die Längsachse 24 gerichtet, wogegen die Strömung des Kühlmittels durch die Kühlkanäle 32 in einer Richtung radial nach innen gerichtet ist. Während des Betriebs des die Rotorschaufel 10 ent haltenden Gasturbinentriebwerks wird die Luft, die innerhalb der Kühlkanäle 30 und 32 strömt, einer Rotationskraft ausgesetzt. Die Interaktion zwischen der radialen Strömung durch die Kühlkanäle 30 und 32 und dieser Rotation hat eine Kraft zur Folge, die als Coriolis-Kraft bekannt ist, die eine innere Strömungszirkulation in den Kanälen 30 und 32 hervorruft. Wie in den 4 und 7 zu sehen ist, ist die Richtung der Strömungszirkulation abhängig von der Richtung der radialen Strömung (d. h. ob sie radial nach außen oder radial nach innen in Bezug auf die Längsachse 24 verläuft). 4 zeigt schematisch zwei entgegengesetzt rotierende Zirkulationen 48 und 50, die durch die Coriolis-Kraft in dem Kanal 30 hervorgerufen sind, die das Strömungsmittel von der Vorderwand 36 zur Hinterwand 38 bewegt. Im Gegensatz dazu zeigt 7 schematisch zwei entgegengesetzt rotierende Zirkulationen 52 und 54, die durch die Coriolis-Kraft im Kanal 32 hervorgerufen sind, die das Strömungsmittel von der Hinterwand 38 zur Vorderwand 36 bewegt.
Die Verwendung von Turbulatoren, um eine Grenzschichtströmung 25 entlang der Wände von einem Kühlkanal zu unterbrechen und auch Turbulenz innerhalb der Grenzschicht zu erzeugen, um die Wärmeübertragung zwischen dem Strömungsmittel und den Wänden zu fördern, ist gut bekannt. Es ist auch bekannt, dass unter einem Winkel angeordnete Turbulatoren in der Lage sind, die Grenzschichtströmung entlang ihrer Orientierung zu richten, wie es in dem US-Patent 0,661,414 und dem US-Patent 4,514,144 für Lee beispielhaft veranschaulicht ist (dessen Inhaberin ebenfalls die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung ist und durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird). Wie darin zu sehen ist, sind jedoch alle Turbulatoren auf jeder Wand in der gleichen Richtung unter einem Winkel angeordnet in Bezug auf eine Mittellinie durch den Kühlkanal, da die Absicht bestand zu verhindern, dass sich Schmutz auf der stromaufwärtigen Seite der Turbulatoren sammelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine neue Turbulatorkonfiguration bereitgestellt, bei der mehrere longitudinal im Abstand angeordnete Turbulatorpaare 56 und 58 mit Innenflächen 31 und 33 der Vorder- und Hinterwände 36 bzw. 38 der Kühlkanäle 30 und 32 integriert sind. Genauer gesagt, zeigt 5 Turbulatorpaare 56A, die auf einer Innenfläche 31A der Vorderwand 36 angeordnet sind, und 6 zeigt Turbulatorpaare 58A, die auf einer Innenfläche 33A der Hinterwand 58 für den Kühlkanal 30 angeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die radiale Strömung der Luft 60 durch den Kühlkanal 30 in Richtung auf die Schaufelspitze 26 verläuft. Da die Coriolis-Kraft in dem Kühlkanal 30 Zirkulationen 48 und 50 darin von der Vorderwand 36 zur Hinterwand 38 hervorruft, sind die Turbulatorpaare 56A auf der Innenfläche 31A der Vorderwand 36 so orientiert, dass sie unter einem Winkel in Richtung auf eine hindurchführende Mittellinie 62 (Winkel α₁ in 5, der vorzugsweise im Bereich von etwa 30–60° in Bezug auf die Mittellinie 62 beträgt), und die Turbulatorpaare 58A auf der Innenfläche 33A der Hinterwand 38 sind so orientiert, dass sie unter einem Winkel von der Mittellinie 32 weg angeordnet sind (Winkel β₁ in 6, der vorzugsweise in den Bereich von etwa 120–150° in Bezug auf die Mittellinie 62 beträgt). Auf diese Weise ist die thermische Grenzschichtströmung (angegeben durch Pfeile 37A bzw. 39A) entlang der Vorder- und Hinterwände 36 und 38 in einer Art und Weise gerichtet, die mit den Zirkulationen 48 und 50 übereinstimmt. Deshalb verstärkt die Coriolis-Kraft die Strömungsmittelbewegung innerhalb dieser Grenzschichtströmungen und infolgedessen die Wärmeübertragung zwischen dem Strömungsmittel und den Wänden 36 und 38.
In ähnlicher Weise zeigt 8 Turbulatorpaare 56B, die auf einer Innenfläche 31B der Vorderwand 36 angeordnet sind, und 9 zeigt Turbulatorpaare 58B, die auf der Innenfläche 33B der Hinterwand 38 für den Kühlkanal 32 angeordnet sind. Es wird deutlich, dass die radiale Strömung der Luft 64 durch den Kühlkanal 32 von der Schaufelspitze 26 weg verläuft. Da die Coriolis-Kraft in dem Kühlkanal 32 Zirkulationen 52 und 54 darin von der Hinterwand 38 zur Vorderwand 36 hervorruft, sind die Turbulatorpaare 56B auf der Innenfläche 31B der Vorderwand 36 so orientiert, dass sie unter einem Winkel von der Mittellinie 66 weg gerichtet sind (Winkel α₂ in 8, der vorzugsweise in dem Bereich von etwa 120°–150° in Bezug auf die Mittellinie 66 beträgt), und die Turbulatorpaare 58B auf der Innenfläche 33B der Hinterwand 38 sind so orientiert, dass sie unter einem Winkel in Richtung auf die Mittellinie 66 angeordnet sind (Winkel β₂ in 9, der vorzugsweise in den Bereich von etwa 30°–60° in Bezug auf die Mittellinie 66 beträgt). Wie in dem obigen Fall des Kühlkanals 30 ist die thermische Grenzschichtströmung (angegeben durch Pfeile 37B bzw. 39B) entlang der Vorder- und Hinterwände 36 und 38 in einer Weise gerichtet, dass sie mit den Zirkulationen 52 und 54 übereinstimmt. Deshalb verstärkt die Coriolis-Kraft auch die Strömungsmittelbewegung innerhalb der Grenzschichtströmung des Kühlkanals 32 und die Wärmeübertragung zwischen dem Strömungsmittel und den Wänden 36 und 38.
Aus den 5, 6, 8 und 9 ist ersichtlich, dass die Turbulatorpaare 56 und 58 vorzugsweise aus Rippen aufgebaut sind, die im Wesentlichen symmetrisch auf jeder Seite der Mittellinien 62 bzw. 66 angeordnet sind, wobei dazwischen eine Strömungsbahn ausgebildet wird. Obwohl es nicht gezeigt ist, müssen diese Rippen nicht in allen Anwendungsfällen massiv sein, und jeder Turbulator kann aus im Abstand angeordneten Rippensegmenten, Zylindern oder Ähnli chem gebildet sein. Somit ist der besondere Aufbau oder die Form der Turbulatoren, die für die Turbulatorpaare 56 und 58 vorgesehen ist, nicht wesentlich in der vorliegenden Erfindung und sollte nicht in einem beschränkenden Sinn betrachtet werden.
Obwohl es nicht ein Teil der vorliegenden Erfindung ist, enthält die Rotorschaufel 10 auch Hinterkanten- und Vorderkanten-Kühlkreise mit einem Kühlmittel, das an einer Hinterkantenleitung 68 eintritt und durch Hinterkantenöffnungen 70 austritt, und mit einem Kühlmittel, das an einer Vorderkantenleitung 72 eintritt und durch Vorderkanten-Filmkühl-Lochöffnungen 74 austritt.

Claims

Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die mehrere sich im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckende innere Kühlkanäle (30, 32) enthält, die die Strömung eines Kühlmittels radial nach außen (30) beziehungsweise radial nach innen (32) richten, wobei jeder Kühlkanal einen im Wesentlichen viereckigen Querschnitt hat und eine Vorderwand (36) und eine Hinterwand (38) in Bezug auf die Rotation der Rotorschaufel und eine hindurchführende Mittellinie (62) enthält sowie eine darin ausgebildete Turbulatorkonfiguration aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorkonfiguration aufweist: (a) mehrere im Abstand angeordnete Turbulatorpaare (56A), die auf einer inneren Oberfläche von der Vorderwand angeordnet sind, wobei die Teile von den Turbulatoren von jedem Paar, die sich im Abstand zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie befinden, im Winkel in Bezug auf die Mittellinie angeordnet sind, wobei die Vorderwandteile der Turbulatorpaare in Richtung auf die Mittellinie im Winkel angeordnet sind, wenn Kühlmittel radial nach außen durch den Kühlkanal strömt, und von der Mittellinie weg im Winkel angeordnet sind, wenn Kühlmittel radial nach innen durch den Kühlkanal strömt; und (b) mehrere im Abstand angeordnete Turbulatorpaare (58A), die auf einer inneren Oberfläche von der Hinterwand angeordnet sind, wobei die Teile von den Turbulatoren von jedem Paar, die sich im Abstand zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie befinden, im Winkel in Bezug auf die Mittellinie angeordnet sind, wobei die Hinterwandteile der Turbulatorpaare von der Mittellinie weg im Winkel angeordnet sind, wenn Kühlmittel radial nach außen durch den Kühlkanal strömt, und in Richtung auf die Mittellinie im Winkel angeordnet sind, wenn Kühlmittel radial nach innen durch den Kühlkanal strömt; wodurch die Turbulatorkonfiguration die Kühlmittelgrenzschichtströmung in eine Richtung in Übereinstimmung mit der Richtung von entgegengesetzt rotierenden Strömungszirkulationen richtet, die von den Vorder- und Hinterwänden des Kühlkanals erfahren werden, die durch Coriolis-Kräfte auf das hindurchströmende Kühlmittel bewirkt werden.
Rotorschaufel nach Anspruch 1, wobei die Turbulatorpaare der Vorder- und Hinterwände in Bezug auf die Mittellinie im Wesentlichen symmetrisch angeordnet sind.
Rotorschaufel nach Anspruch 1, wobei die Turbulatorpaare der Vorder- und Hinterwände in Bezug auf die Mittellinie im Winkel angeordnet sind im Bereich von etwa 300–60°, wenn sie in Richtung auf die Mittellinie im Winkel angeordnet sind.
Rotorschaufel nach Anspruch 1, wobei die Turbulatorpaare der Vorder- und Hinterwände in Bezug auf die Mittellinie im Winkel angeordnet sind im Bereich von etwa 120°–150°, wenn sie von der Mittellinie weg im Winkel angeordnet sind.
Rotorschaufel nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator des Turbulatorpaares ferner eine Rippe aufweist.
Rotorschaufel nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator des Turbulatorpaares ferner mehrere im Abstand angeordnet Rippensegmente aufweist.
Rotorschaufel nach Anspruch 1, wobei zwischen jedem Turbulatorpaar ein Strömungspfad besteht.