DE69817720T2

DE69817720T2 - Gekühlte Gasturbinenschaufel mit Turbulatoren

Info

Publication number: DE69817720T2
Application number: DE69817720T
Authority: DE
Inventors: Yasuoki Takasago-shi Tomita; Sunao Takasago-shi AOKI; Hiroki Takasago-shi Fukuno; Kiyoshi Takasago-shi SUENAGA
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2018-04-01
Also published as: US6089826A; CA2253741A1; WO1998044241A1; EP0907005A4; EP0907005B1; JPH10280905A; CA2253741C; DE69817720D1; EP0907005A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit Turbulatoren, wie sie durch den Oberbegriff von Anspruch 1 definiert sind, insbesondere mit Turbulatoren, die auf einen Schaufel-Vorderkantenabschnitt einer gekühlten Gasturbinenschaufel angewandt sind, um eine Wärmeübertragungsleistung zu verbessern.
Beschreibung des Standes der Technik
6, die eine Längsschnittansicht einer vorbekannten Gasturbinen-Laufschaufel ist, zeigt eine Anordnung von Turbulatoren in Kühlluftdurchgängen derselben, und 7 ist eine Querschnittansicht der Gasturbinenlaufschaufel von 6. In diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 30 eine Laufschaufel, und Kühldurchgänge 31A, 31B, 31C, 31D und 31E sind darin vorgesehen, so daß Kühlluft 33 jeweils in die Kühldurchgänge 31A, 31B und 31E geliefert wird. Die Kühlluft 33, die in den Kühldurchgang 31A eingetreten ist, wird von einem Vorderkantenabschnitt aus eingeblasen, um eine Duschkopfkühlung 51 auszuführen, wie in 7 gezeigt ist. Die Kühlluft 33, die in den Kühldurchgang 31B eingetreten ist, strömt durch den Kühldurchgang 31C und ferner durch den Kühldurchgang 31D, um von einer Schaufeloberfläche ausgestoßen zu werden und eine Schichtkühlung 52 auszuführen, wie in 7 gezeigt ist. Ferner wird die Kühlluft 33, welche in den Kühldurchgang 31E auf einer Hinterkantenseite eingetreten ist, durch eine Hinterkante ausgestoßen, um eine Nadelkissenkühlung 53 auszuführen, wie in 7 gezeigt ist.
In jedem der Kühldurchgänge 31A bis 31E sind eine Vielzahl schräggestellter Turbulatoren 32 vorgesehen, um die Kühlluft 33 in der Konvektion zu aktivieren und eine Wärmeübertragungsfähigkeit zu verbessern, wobei die Turbulatoren 32 die gleichen Formen aufweisen und schräggestellt in bezug auf die Kühldurchgänge angeordnet sind, wie in 6 gezeigt ist.
Auch in 8, die eine Längsschnittansicht eines weiteren Beispiels einer vorbekannten Gasturbinenlaufschaufel zeigt, bezeichnet die Bezugsziffer 40 eine Laufschaufel, und Kühldurchgänge 41A, 41B, 41C, 41D, 41E, 41F und 41G sind darin vorgesehen, so daß Kühlluft jeweils in die Kühldurchgänge 41A, 41D und 41E eingeleitet wird. Die Kühlluft, welche in den Kühldurchgang 41A eingetreten ist, wird von einem Vorderkantenabschnitt aus ausgestoßen, um eine Duschkopfkühlung, wie schon erwähnt wurde, auszuführen. Die Kühlluft 43, die in den Kühldurchgang 41D eingetreten ist, strömt durch die Kühldurchgänge 41C und 41B, und die Kühlluft 43, die in den Kühldurchgang 41E eingetreten ist, strömt durch die Kühldurchgänge 41F und 41G, wobei beide von einer Schaufeloberfläche aus eingeleitet werden, um eine Schichtkühlung auszuführen. Ferner wird die Kühlluft 43, die auf diese Weise durch die Kühldurchgänge 41F und 41G geströmt ist, durch eine Hinterkante ausgestoßen, um eine Nadelkissenkühlung auszuführen.
In jedem der Kühldurchgänge 41A bis 41G sind eine Vielzahl orthogonaler Turbulatoren 42 vorgesehen, um die Kühlluft 43 in der Konvektion zu aktivieren und eine Wärmeübertragungsfähigkeit zu verbessern, wobei die Turbulatoren 42 die gleiche Form aufweisen und orthogonal in bezug auf jeden der Kühldurchgänge angeordnet sind, wie 8 zeigt.
Wie oben erwähnt wurde, sind die vorbekannten Turbulatoren von gekühlten Gasturbinenschaufeln aus einer Art gefertigt, entweder aus schräggestellten Turbulatoren oder aus orthogonalen Turbulatoren, wobei allgemein behauptet wird, daß die schräggestellten Turbulatoren in den Wärmeübertragungseigenschaften dann, wenn die Kühldurchgänge einen quadratischen Querschnitt aufweisen, besser sind.
Ferner zeigen jüngste Veröffentlichungen zu Turbulatoren, von denen eine den Titel „Heat transfer performance in triangular channels", Zhang et al., 1994 trägt, zeigt beispielweise ein Vergleichsbeispiel wie in 5 mit einer detaillierten Beschreibung, die hier wegfällt.
In 5 sind Fälle (a) bis (e) Beispiele, bei denen jeweils Rippen in dreieckigen Kanälen vorgesehen sind. Der Fall (a) ist ein Beispiel, bei dem Rippen 61, 62 und 63 separat voneinander an Innenwänden des dreieckigen Kanals jeweils mit einem Winkel α = 90° vorgesehen sind, wobei α ein Winkel relativ zur Luftströmungsrichtung ist. Der Fall (b) ist ein Beispiel, bei dem eine Rippe 71 entlang eines gesamten Umfangs der Innenwand des dreieckigen Kanals, ebenso mit dem Winkel α = 90°, vorgesehen ist. Fall (c) ist ein Beispiel, bei dem Rippen 61, 62 und 63 separat wie im Fall (a) vorgesehen sind, aber schräggestellt mit einem Winkel β < 90°, wobei β ein Winkel relativ zur Luftströmungsrichtung ist. Fall (d) ist ein Beispiel, bei dem die Rippe 71 entlang dem gesamten Umfang der Innenwand wie im Fall (b) vorgesehen ist, aber schräggestellt mit dem Winkel β < 90°, und Fall (e) ist ein Beispiel, bei dem die Rippen 61 und 62 an zwei Seiten der Innenwand des dreieckigen Kanals schräggestellt mit dem Winkel β < 90° vorgesehen sind.
In den genannten Fällen (a) bis (e) ist die Reihenfolge hinsichtlich eines guten Wärmeübertragungskoeffizienten (a), (b), (c), (d) und (e). Somit ist bezüglich der an der Innenwand des dreieckigen Kanals vorgesehenen Rippen derjenige Fall, bei dem die Rippen 61, 62 und 63 separat an der Innenwand mit dem Winkel α = 90° vorgesehen sind wie im Fall (a), der beste hinsichtlich des Wärmeübertragungs-Koeffizienten.
Bei vorbekannten Turbulatoren von gekühlten Gasturbinenschaufeln nach obiger Beschreibung sind die Turbulatoren entweder schräggestellt oder orthogonal ausgestaltet. Andererseits wird eine große Menge an Kühlluft zum Kühlen der Schaufeln benötigt, und darüber hinaus wird die Kühlluft, die auf diese Weise zum Kühlen der Schaufeln eingesetzt wurde, in einen Gasdurchgang ausgetragen. Folglich ist es nötig, daß die Turbulatoren in einem Kühldurchgang so angeordnet sind, damit sie ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen, um dadurch eine Kühlwirkung der Kühlluft zu verbessern.
Die Vorderkante der Schaufel ist ein Abschnitt, der weitestgehend durch eine Hochtemperatur-Verbrennungsgasströmung beeinflusst wird, und während eine Kühlung des Vorderkantenabschnitts wirksam durchgeführt werden muß, ist die gegenwärtige Situation die, daß die in den Kühldurchgängen des Vorderkantenabschnitts vorgesehenen Turbulatoren entweder nur schräggestellt oder nur orthogonal sind. Hinsichtlich des Durchgangs mit dreieckigem Querschnitt, in dem Rippen nach obiger Beschreibung vorgesehen sind, ist bekannt, daß der Fall, bei dem die drei Rippen 61, 62 und 63 separat mit dem Winkel α = 90° vorgesehen sind, d. h. orthogonal zur Luftströmung wie im Fall (a) in 5, der beste hinsichtlich der Wärmeübertragung ist.
Eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit Turbulatoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist in JP 62 085102 A beschrieben. Bei dieser gekühlten Gasturbinenschaufel sind Wärmeübertragungs-Beschleunigungsrippen an der Innenfläche eines vorderen Abschnitts einer Vorderkanten-Strömungsbahn innerhalb der Schaufel ausgebildet, und schräggestellte Turbulatoren sind an der Innenwandfläche einer Stirnwand vorgesehen, die ihrerseits in den Innenraum des Schaufel-Vorderkantenabschnitts eingefügt ist, wobei ein Zwischenraum zwischen der Stirnwand und der Schaufel-Innenwandfläche mittels rippenartiger Vorsprünge gebildet ist.
Die US-A-4 515 526 offenbart eine gekühlte Gasturbinenschaufel, bei der sogenannte „trip strips" und ein Wirbelstromerzeuger so angeordnet sind, daß sie von dem Schaufel-Vorderkantenabschnitt zu dessen hinterem Abschnitt miteinander verbunden sind.
Die JP 61 001804 A offenbart, daß Kühlrippen, die an der Innenwandfläche einer Schaufelvorderkante vorgesehen sind, und Führungsplatten, die an der Innenwandfläche an deren Rückseite vorgesehen sind, voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Führungsplatten regeln die Luftströmung, indem sie sie in zwei Bahnen aufteilen, dienen jedoch nicht dazu, eine Luftturbulenz in der Luftströmung zum Zweck der Verbesserung des Wärmeübertragungseffekts zu erzeugen.
Die US-A-4 786 233 offenbart eine gekühlte Gasturbinenschaufel, bei der orthogonale Rippen an der Innenwandfläche der Schaufelvorderkante vorgesehen sind, und schräg angeordnete Elemente, die als „zylindrische Penetrationselemente" bezeichnet werden, an deren hinterem Abschnitt positioniert sind. Diese Elemente haben schaufelartige oder elliptische Querschnittsform, um den Kühlfluidstrom zu leiten, und sind so angeordnet, daß sie sich in den Innenraum der Schaufel erstrecken, um beide Seitenwände der Schaufel miteinander zu verbinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit Turbulatoren bereitzustellen, die verbessert ist, um so eine bessere Wärmeübertragung zu erhalten.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der abgerundete Innenwandabschnitt des Querschnitt-Endabschnitts des Kühldurchgangs des Vorderkantenabschnitts einer Dreieckform angenähert, bei der die orthogonalen Turbulatoren ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Folglich sind die orthogonalen Turbulatoren in diesem abgerundeten Innenwandabschnitt angeordnet. Der sanft gekrümmte Innenwandabschnitt auf der Rückseite des abgerundeten Innenwandabschnitts ist einer Quadratform angenähert, bei der bekannt ist, daß die schräggestellten Turbulatoren ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Folglich sind die schräggestellten Turbulatoren in diesem sanft gekrümmten Abschnitt angeordnet. Durch die vorliegende Erfindung, bei der die Turbulatoren so angeordnet sind, können die Wärmeübertragungseigenschaften des Kühldurchgangs des Vorderkantenabschnitts im Vergleich zu der vorbekannten Anordnung, bei der die Turbulatoren entweder nur orthogonal oder nur schräg bereitgestellt werden, verbessert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Anordnung von Turbulatoren eines Beispiels, das dazu dient, bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung zu erklären, wobei die Turbulatoren in einem Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgang einer gekühlten Gasturbinenschaufel vorgesehen sind, und zur Darstellung eines Querschnitts des Kühldurchgangs einerseits und einer longitudinalen Innenwand-Seitenfläche desselben andererseits, wobei 1(a) eine Ansicht ist, bei der ein Abschnitt des Kühldurchgangs einem dreieckigen Durchgang angenähert ist, 1(b) eine Ansicht, bei der ein weiterer Abschnitt des Kühldurchgangs durch einen quadratischen Durchgang angenähert ist und 1(c) eine Ansicht, bei der beide Abschnitte kombiniert sind, um so den Vorderkantenabschnitt Kühldurchgang zu bilden,
2 eine Querschnittansicht der gekühlten Gasturbinenschaufel, die mit Turbulatoren des Beispiels von 1 versehen ist,
3 eine Querschnittansicht eines Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgangs, der mit Turbulatoren eines anderen Beispiels einer Ausführungsform der Erfindung versehen ist,
4 eine Ansicht zur Darstellung einer longitudinalen Innenwand-Seitenfläche, die mit Turbulatoren einer Ausführungsform der Erfindung versehen ist,
5 eine Ansicht zur Darstellung von Fällen, bei denen Rippen jeweils in dreieckigen Kanälen vorgesehen sind, wobei die Fälle (a), (b), (c), (d) und (e) in dieser Reihenfolge ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften zeigen,
6 eine Längsschnittansicht einer vorbekannten Gasturbinen-Laufschaufel zur Darstellung von darin vorgesehenen schräggestellten Turbulatoren,
7 eine Querschnittansicht der Laufschaufel von 6,
8 eine Längsschnittansicht einer weiteren vorbekannten Gasturbinen-Laufschaufel zur Darstellung von darin vorgesehenen orthogonalen Turbulatoren.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung konkret unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 1 zeigt einen Querschnitt und eine longitudinale Innenwand-Seitenfläche eines Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgangs einer gekühlten Gasturbinenschaufel, die mit Turbulatoren eines Beispiels versehen sind, das dazu dient, bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung zu erläutern, wobei der Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgang in zwei Teile unterteilt ist, um so jeweils näherungsweise einen dreieckigen Durchgang und einen quadratischen Durchgang zu bilden, wobei Turbulatoren in den Durchgängen angeordnet sind, um so jeweils ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften zu erzielen, was darin resultiert, eine ausgezeichnete Turbulatoranordnung eines Vorderkantenabschnitts mit zwei kombinierten Durchgängen zu erhalten. 2 ist eine Querschnittansicht der gekühlten Gasturbinenschaufel, die mit den Turbulatoren von 1 versehen ist.
1(a) zeigt einen abgerundeten Innenwandabschnitt mit daran vorgesehenen Turbulatoren mit einem Querschnitt des Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgangs, der näherungsweise ein dreieckiger Durchgang ist, 1(b) zeigt einen sanft gekrümmten Innenwandabschnitt mit daran vorgesehenen Turbulatoren im hinteren Teil des Vorderkantenabschnitt- Kühldurchgangs, der näherungsweise ein quadratischer Durchgang ist und 1(c) zeigt einen Querschnitt des Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgangs, der aus einer Kombination der Kühldurchgänge der 1(a) und (b) gebildet ist.
In 1(a) bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen dreieckigen Kühldurchgang, und die Bezugsziffern 11, 12 bezeichnen orthogonale Turbulatoren, die an beiden Innenwand-Seitenflächen des dreieckigen Kühldurchgangs 1 vorgesehen sind. Wie oben bezüglich 5 beschrieben wurde, ist bekannt, daß orthogonal angeordnete Rippen beste Wärmeübertragungseigenschaften in einem als spitzes Dreieck ausgebildeten Durchgang zeigen, und folglich sind die orthogonalen Turbulatoren 11, 12 in dem dreieckigen Kühldurchgang 1 angeordnet, wie in 1(a) gezeigt ist.
In 1(b) bezeichnet die Bezugsziffer 2 einen quadratischen Kühldurchgang, und die Bezugsziffern 13, 14 bezeichnen schräggestellte Turbulatoren, die an beiden Innenwand-Seitenflächen des quadratischen Kühldurchgangs 2 vorgesehen sind. Bei diesem quadratischen Kühldurchgang sind die schräggestellten Turbulatoren 13, 14 in allgemein bekannter Weise angeordnet.
In 1(c), in der Turbulatoren in einem Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgang in einer Kombination der Anordnungen von 1(a) und (b) angeordnet sind, bezeichnet die Bezugsziffer 21 orthogonale Turbulatoren, die an dem abgerundeten Endabschnitt des Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgangs 3 angeordnet sind, und die Bezugsziffern 22, 23 bezeichnen schräggestellte Turbulatoren, die an beiden Seiten des sanft gekrümmten Innenwandabschnitts in dessen rückwärtigem Teil angeordnet sind. Die orthogonalen Turbulatoren 21 entsprechen den in 1(a) beschriebenen, d. h. die orthogonalen Turbulatoren 11, 12 von 1(a) erstrecken sich in Bögen, um miteinander verbunden zu sein und so die orthogonalen Turbulatoren 21 zu bilden, und die schräggestellten Turbulatoren 22, 23 entsprechend den schräggestellten Turbulatoren 13, 14 von 1(b).
Wie in 1(c) gezeigt ist, sind die orthogonalen Turbulatoren 21 und die schräggestellten Turbulatoren 22, 23 getrennt voneinander angeordnet, und die schräggestellten Turbulatoren 22, 23 erstrecken sich zu einer Position einer. Linie L von Abschlussenden der orthogonalen Turbulatoren 21 in einer mittleren Position von zwei Turbulatoren der orthogonalen Turbulatoren 21. Durch Anwenden des mit auf diese Weise getrennten und kompliziert gestalteten Turbulatoren versehenen Kühldurchgangs wird eine Konvektion aktiviert und ein Wärmeübertragungskoeffizient stark verbessert. Die gekühlte Gasturbinenschaufel, die mit den so angeordneten Turbulatoren versehen ist, ist in der Schnittansicht von 2 dargestellt.
3 zeigt ein weiteres Beispiel der Turbulatoren von 1(c), wobei die orthogonalen Turbulatoren 21 von 1(c) an einem zentralen Abschnitt derselben in zwei Abschnitte unterteilt sind, wobei ein Spalt bzw. Zwischenraum d dazwischen aufrechterhalten wird; somit sind die orthogonalen Turbulatoren 24, 25 derart ausgebildet, daß Kühlluft einfach durch den abgerundeten Endabschnitt des Vorderkantenabschnitt-Kühldurchgangs 3 strömen kann und eine Kühlung dieses Abschnitts beschleunigt.
4 zeigt ein noch anderes Beispiel des Turbulators von 1(c), das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei die schräggestellten Turbulatoren 22, 23 gemäß 1(c) erweitert bzw. verlängert sind, so daß Abschlussenden der schräggestellten Turbulatoren 22', 23' zwischen jedem der orthogonalen Turbulatoren 21 um eine Länge t nach innen zu liegen kommen, womit die schräggestellten Turbulatoren 22', 23' derart ausgebildet sind, daß der Kühlluftdurchgang im Vergleich mit denjenigen der 1(c) noch komplizierter gestaltet wird, wodurch die Luftströmung turbulent gestaltet wird, um aktiviert zu werden, und ein Wärmeübertragungseffekt derselben verbessert wird.
Es ist anzumerken, daß die Anordnungen der Turbulatoren in dem Vorderkantenabschnitt nach obiger Beschreibung bezüglich 1 bis 4 nicht nur für Laufschaufeln einer Gasturbine gelten, sondern natürlich auch auf Leitschaufeln anwendbar sind.
In dem Beispiel S und den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die orthogonalen Turbulatoren 21 oder 24, 25 an dem abgerundeten Abschnitt des Vorderkantenabschnitts 3 der gekühlten Gasturbinenschaufel vorgesehen, und die schräggestellten Turbulatoren 22, 23 oder 22', 23' sind an dem Abschnitt in dessen hinterem Teil vorgesehen, wodurch die Kühlleistung derselben um etwa 10% im Vergleich mit der vorbekannten Anordnung, bei der die schräggestellten Turbulatoren nur im Vorderkantenabschnitt vorgesehen sind, verbessert wird.

Claims

Gekühlte Gasturbinenschaufel mit Turbulenzelementen, die in einem Vorderkantenabschnitts-Kühlungsdurchgang (3) vorgesehen sind, wobei orthogonale Turbulenzelemente (21;24,25) an einem abgerundeten Innenwandabschnitt eines transversalen Querschnitts-Spitzenabschnitts des Vorderkantenabschnitts-Kühlungsdurchgang (3) vorgesehen sind und schräggestellte Turbulenzelemente (22',23') an einem sanft gekrümmten Innenwandabschnitt an deren Rückseite vorgesehen sind, und wobei die orthogonalen Turbulenzelemente (21;24,25) so angeordnet sind, dass sie von den schräggestellten Turbulenzelementen (22',23') derart beabstandet sind, dass sie nicht miteinander in Kontakt kommen, dadurch gekennzeichnet, dass die schräggestellten Turbulenzelemente (22',23') derart verlängert sind, dass Abschlussenden der schräggestellten Turbulenzelemente (22',23') in die orthogonalen Turbulenzelemente (21;24.25) hineinreichen.
Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die orthogonalen Turbulenzelemente (24,25), die an dem abgerundeten Innenwandabschnitt des transversalen Querschnitts-Spitzenabschnitts des Vorderkantenabschnitts-Kühlungsdurchgangs (3) vorgesehen sind, an ihrem Mittelabschnitt so unterteilt sind, dass sie einen Spalt bzw. Zwischenraum (d) in den orthogonalen Turbulenzelementen (24,25) bereitstellen.