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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kühlluft-Kreisläufe von
Turbinen-Rotorschaufeln und Statorschaufeln in Gasturbinen-Triebwerken
und spezieller auf Serpentinen-Kühlkreisläufe, die
Kühlluft
zu Seitenwand-Aufprallkühlkammern befördern.
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Zu
einem Gasturbinen-Triebwerk gehört
ein Kompressor, der Luft komprimiert, die einem Brenner zugeführt wird,
wo sie mit Brennstoff vermischt und zum Erzeugen von Verbrennungsgasen
gezündet wird.
Die Verbrennungsgase strömen
stromabwärts durch
eine oder mehrere Stufen von Turbinen, die ihnen Energie entziehen,
um den Kompressor anzutreiben, und zusätzliche Energie zum Antreiben
eines Gebläses
zur Energieversorgung eines Flugzeuges während des Fluges erzeugen.
Zu einer Turbinenstufe gehören
eine Reihe von Turbinen-Rotorschaufeln, die an dem äußeren Umfang
einer Rotorscheibe befestigt sind, wobei eine stationäre Turbinendüse mit einer
Vielzahl von Statorschaufeln stromaufwärts zu ihnen angeordnet ist.
Die Verbrennungsgase strömen
zwischen die Statorschaufeln und zwischen die Turbinenschaufeln
zur Energieentnahme, um die Rotorscheibe zu drehen. Die Temperaturen
innerhalb der Gasturbinen können
2500°F übersteigen
und das Kühlen
der Turbinenschaufeln ist für
die Langlebigkeit der Schaufeln sehr wichtig. Ohne Kühlung würden die
Turbinenschaufeln sich rasch verschleißen. Eine verbesserte Kühlung für Turbinenschaufeln
ist sehr erwünscht
und es wurden von den Fachleuten der Schaufelkühlung große Anstrengungen unternommen,
um verbesserte Geometrien für
die inneren Hohlräume
innerhalb von Turbinenschaufeln zu entwickeln, um die Kühlung zu
fördern.
Da die Verbrennungsgase heiß sind,
werden die Turbinenschaufeln und -laufschaufeln typischerweise mit
einem Teil der Kompressorluft gekühlt, der für diesen Zweck dem Kompressor
entnommen wird. Das Abzweigen eines Anteils der Kompressorluft aus
dem Kompressor vermindert notwendigerweise die Gesamtwirksamkeit des
Triebwerkes. Es ist daher erwünscht,
die Schaufeln und Laufschaufeln mit so wenig Kompressorluft zu kühlen wie
möglich.
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Typische
Turbinenschaufeln und -laufschaufeln schließen eine Schaufel ein, über die
die Verbrennungsgase strömen.
Die Schaufel schließt
typischerweise ein oder mehrere Serpentinen-Kühldurchgänge ein, durch die die Kompressorluft
zum Kühlen
der Schaufel geführt
wird. Die Schaufel kann verschiedene turbulenzenerzeugende Einrichtungen einschließen, die
die Kühlwirksamkeit
fördern,
und die Kühlluft
wird durch verschiedene Filmkühllöcher, die
um die äußere Oberfläche der
Schaufel herum angeordnet sind, aus den Durchgängen abgegeben.
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Typischerweise
tritt Kühlluft
aus der Mitte des Kreislaufes nach der Aufnahme der Wärme im Serpentinen-Durchgang
durch Filmkühllöcher aus.
Ein oder mehrere Reihen von Filmkühllöchern sind auf der Druck- und
Saugseite angeordnet. Neue aerodynamisch sehr wirksame Schaufeln
in Turbinenformen mit geringer Durchströmung weisen eine externe Gasströmung entlang
der Druckseite auf, die geringe Geschwindigkeit hat. Dies kann zu
einem sehr hohen Blasverhältnis
(Massenfluss-Verhältnis der
Filmkühlungsluft
zur Gasströmung)
durch die Filmkühllöcher und
einer sehr dürftigen
Filmkühlwirksamkeit
(Filmwegblasen) auf der Druckseite der Schaufel führen. Geometrische
Beschränkungen
mindestens einiger der Hohlräume,
die die Filmkühlluft
liefern, verhindern oder erschweren die Benutzung von Filmlöchern sowohl
auf der Druck- als auch der Saugseite, die relativ flache Winkel
von den Oberflächen
der Seiten aufweisen. Die Benutzung größerer Winkel würde in signifikanten
aerodynamischen Mischungsverlusten und dürftiger Filmkühlwirksamkeit
resultieren, weil ein großer
Teil der Filmkühlluft
aus der Grenzschicht herausströmen
würde.
Es ist daher erwünscht,
ein Kreislaufdesign zu haben, das die Benutzung des Filmkühlens in
solchen Bereichen der Schaufel vermeiden und eine wirksame Film-
und Konvektions-Kühlung
der gesamten Schaufel bewirken kann.
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Die
US-PS 5,660,524 mit dem
Titel "Airfoil Blade
Having A Serpentine Cooling Circuit And Impingement Cooling" offenbart eine Schaufel,
wie eine Strahltriebwerks-Turbinenrotorschaufel mit einem internen
Serpentinen-Kühlmittelkreislauf,
der einen letzten stromabwärts
gelegenen Durchgang aufweist, der durch vier monolithische Innenwandungen gebunden
ist, die mit mindestens einem Teil der Außenwandungen monolithisch sind.
Zwei der inneren Wandungen sind von den äußeren Wandungen beabstandet
und enthalten Luftaufprall-Öffnungen,
die zwei Aufprallkammern erzeugen. Ein Teil des Kühlmittels
in dem Serpentinen-Kreislauf tritt aus der Schaufel durch einen
Kühlmittelauslass
in der Schaufelspitze aus. Das übrige
Kühlmittel
im Kreislauf strömt
durch die Aufprallöffnungen
und tritt aus der Schaufel durch Filmkühllöcher in den äußeren Wandungen
aus.
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Die
US-PS 5,813,836 mit dem
Titel "Turbine Blade" offenbart einen
Schaufelabschnitt mit einer Doppelwand-Konstruktion für die Seitenwand-Aufprallkühlung auf
der Druckseite und einen vorwärts strömenden Multidurchgangs-Serpentinen-Kühlluftkreislauf entlang der
Saugseite der Schaufel, der Kühlluft
mit Bezug auf die nach hinten strömenden heißen Gase nach vorn durch die
Turbine leitet. Der Schaufelabschnitt schließt auch einen Vorderkantenhohlraum
mit einer Vielzahl radialer Filmkühllöcher ein, die durch den Dreidurchgangs-Serpentinen-Kühlkreislauf
beliefert werden. Während
Kühlluft entlang
den Durchgängen
strömt,
kühlt sie
konvektionsmäßig die
Abschnitte der Turbinenschaufel benachbart dieser Durchgänge. Der
Schaufelabschnitt schließt
weiter einen Hinterkantenhohlraum zum Kühlen der Hinterkanten-Strömungsregion
des Schaufelabschnittes ein. Eine Vielzahl von Aufprallhohlräumen ist
auf der Druckseitenwand angeordnet und Aufpralllöcher liefern Kühlluft von
den Serpentinen-Durchgängen
des inneren Hohlraums und den Aufprallhohlräumen. Mehrreihige Verbundwinkel-Filmlöcher erstrecken
sich von den Aufprallhohlräumen
derart, dass die Kühlluft
aus den Aufprallhohlräumen
aus dem Flügelabschnitt
abgegeben werden kann. Diese PS lehrt auch, dass der Hinterkanten-Hohlraum
hauptsächlich
durch den Serpentinen-Durchgang beliefert und durch eine kühlere Luftströmung von
einem Auffrischer-Durchgang zur Bildung eines modifizierten Warmbrücken-Kühlkreislaufes
zum Kühlen
der Vorderkante beliefert werden kann.
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Bekannte
Turbinen-Schaufelkühltechniken, wie
sie in der
US-PS 5,660,524 gezeigt
sind, schließen
die Verwendung innerer Hohlräume
ein, die einen Serpentinen-Kühlkreislauf
bilden. Insbesondere werden Serpentinen-Durchgänge, Vorderkanten-Aufprallbrücken, Filmlöcher, Stiftflossen
und Hinterkantenlöcher
oder Druckseiten-Schlitze zur Schaufelkühlung benutzt werden.
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Die
US-A-5,660,524 beschreibt eine Gasturbinen-Triebwerksschaufel, umfassend
eine Schaufel-Außenwand
mit der Breite nach beabstandeten Druck- und Saug-Seitenwandungen,
die an sehnenmäßig/cordal
beabstandeten Vorder- und Hinterkanten der Schaufel miteinander
verbunden sind und sich längs
von einer Schaufelwurzel zu einer Schaufelspitze erstrecken, mindestens
einen internen Serpentinen-Kühlkreislauf
mit einer Vielzahl sich längs erstreckender
interner Rippen, die sich breitenmäßig zwischen den Druck- und
Saug-Seitenwandungen erstrecken; wobei der eine interne Serpentinen-Kühlkreislauf
mehrere sich längs
erstreckende Serpentinen-Kanäle
zwischen den sich längs
erstreckenden internen Rippen aufweist und mindestens eine sich längs erstreckende
Seitenwand-Aufprallkammer
in stromabwärts
gelegener Strömungsmittel-Verbindung mit dem
Serpentinen-Kühlkreislauf
vorhanden ist, wobei die Seitenwand-Aufprallkammer zwischen der
Druckseitenwand und der ersten inneren Wand angeordnet ist, die
den Serpentinen-Kreislauf begrenzt.
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Es
wäre erwünscht, eine
verbesserte Schaufelkühlung
zu schaffen. Bei der Schaffung einer besseren Schaufelkühlung wäre es auch
erwünscht,
signifikant erhöhte
Fabrikationskosten für
die Schaufel zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung
schließt
der Serpentinen-Kühlkreislauf
einen Eingang und ein Abschlussende ein, wobei das Abschlussende
nach dem Eingang derart angeordnet ist, dass eine Strömungsrichtung
in Sehnenrichtung von der Vorderkante zur Hinterkante innerhalb
des Serpentinen-Kreislaufes vorhanden ist.
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Die
erste Innenwand hat vorzugsweise Aufprall-Kühlöffnungen zwischen einem der
Serpentinen-Kanäle
und der Seitenwand-Aufprallkammer. Eine erste Vielzahl von Seitenwand-Filmkühllöchern kann
sich von der ersten Seitenwand-Aufprallkammer durch die Druckseitenwand
erstrecken. Die Schaufel schließt
vorzugsweise eine sich längs
erstreckende zweite Seitenwand-Aufprallkammer in stromabwärts gelegener
Strömungsmittel-Verbindung
mit dem Serpentinen-Kühlkreislauf
ein und diese ist zwischen einer der Seitenwandungen und einer zweiten
inneren Wand angeordnet, die den Serpentinen-Kühlkreislauf begrenzt. Die erste
und zweite Innenwand kann integral und benachbart sein. Vorzugsweise
liegen die ersten Aufprall-Kühlöffnungen zwischen
einem der Serpentinen-Kanäle
und der ersten Seitenwand-Aufprallkammer und die zweiten Aufprall-Kühlöffnungen
liegen in der zweiten Innenwand zwischen einem zweiten der Serpentinen-Kanäle und der
zweiten Seitenwand-Aufprallkammer. Die Schaufel schließt vorzugsweise
eine erste Anzahl von Seitenwand-Filmkühllöchern ein, die von mindestens
einer der ersten und zweiten Seitenwand-Aufprallkammern durch die
Druckseitenwand führen.
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In
einer besonderen Ausführungsform
sind Vorderkanten- und
Hinterkanten-Kühlräume entlang der
Vorder- und Hinterkante der Schaufel angeordnet und sie haben Kühlluft-Auslassöffnungen
in der Außenwand
entlang der Vorderkante bzw. der Hinterkante. Der Vorderkanten-Kühlraum hat
Vorderkanten-Zufuhröffnungen
durch eine Vorderkanten-Spannrippe eines vorderen Zuführungskanales, der
vor dem internen Serpentinen-Kühlkreislauf
angeordnet ist, und eine Vielzahl von Vorderkanten-Kühlöffnungen
erstreckt sich aus dem Vorderkanten-Kühlraum
durch die Außenwand
um die Vorderkante herum. Der Hinterkanten-Kühlraum hat Hinterkanten-Zuführungsöffnungen
durch eine Hinterkanten-Spannrippe eines Kanales, der hinter dem
internen Serpentinen-Kühlkreislauf
liegt, und eine Vielzahl von Hinterkanten-Kühlöffnungen erstreckt sich aus
dem Hinterkanten-Kühlraum
durch die Außenwand
an der Hinterkante. Die Vorderkanten-Kühlöffnungen sind vorzugsweise
Schauerkopf-Filmkühllöcher und
die Hinterkanten-Kühlöffnungen
sind vorzugsweise Hinterkanten-Kühlschlitze.
Mindestens ein Spitzenkühlloch,
das sich aus mindestens einer der Aufprallkammern erstreckt, kann
durch eine längs
verlaufende äußere Spitzenwand
der Spitze der Schaufel geführt
sein.
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Die
vorliegende Erfindung erstrebt Vorteile, die eine signifikante Verbesserung
der Kühlung
eines mittleren Abschnittes der Druckseitenwandungen der Außenwand
einer hohlen Gasturbinen-Schaufel unter Benutzung von weniger Kühlluft einschließen, als sie
sonst erforderlich wäre,
während
eine genügende Kühlung der
Schaufelspitze und akzeptable Metalltemperaturen an der Schaufelspitze
erreicht werden. Die Kühlluft
in der Mitte des Kreislaufes ist von der Druckseitenwand wärmeisoliert,
was kühlere
Temperaturen an der Spitze des letzten Durchganges und eine bessere
Spitzenkühlung
gestattet. Das stromabwärts
gerichtete Serpentinen-Kreislaufdesign der vorliegenden Erfindung
ergibt die kälteste
Kühlluft
in den heißesten
Bereichen der Schaufel. Die Kühlluft-Temperaturen sind
geringer als die Kühlluft-Temperaturen
in den gleichen Kanälen
und Kammern in konventionellen stromaufwärts gerichteten Serpentinen-Kreislaufdesigns.
Der stromabwärts
gerichtete Serpentinenkreislauf hat eine kältere mittlere Spannrippenwand-Temperatur
als das des stromaufwärts gerichteten
Serpentinenkreislaufes und daher eine bessere Ge samt-Kühlluft-Temperaturverteilung
in der Sehnenrichtung und eine bessere Massen-Temperatur in der
Schaufel zur besseren Kühlung
der gesamten Schaufel.
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Die
Aufprallkammern bieten zusätzliche Kühlmöglichkeiten,
die wirksamer sind, und daher wird weniger Gesamt-Kühlluft benötigt und weniger Filmkühlung ist
erforderlich. Das stromabwärts
gerichtete Serpentinen-Kreislaufdesign ergibt auch einen internen
Kühlluft-Druck,
der mehr mit dem externen Gasdruck übereinstimmt und an diesen
angepasst ist, da sich das externe Gas in der Sehnen- oder Stromabwärts-Richtung durch die
Turbine ausdehnt. Dies trägt
auch durch die Aufprallkammern, von denen aus sich die Filmkühllöcher erstrecken. Dies
resultiert in einer besseren Rückflussgrenze
für die
Schaufel und einem optimaleren Gebrauch des internen Kühlpotenzials
durch Nutzen von mehr Druckverbrauch für eine bessere Wärmeübertragung.
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Äußere Wandabschnitte,
die dichter zur Vorderkante liegen, werden durch kältere frischere
Kühlluft
gekühlt
als bei dem Stand der Technik, was das in diesem Bereich erforderliche
Ausmaß der
Filmkühlung
verringert oder beseitigt. Dies führt zu einer besseren Turbinen-Leistungsfähigkeit
und geringeren Herstellungskosten. Zusätzlich können die Filmkühllöcher, die
näher an
der Hinterkante liegen, flachere Strömungswinkel von der Oberfläche aufweisen
als solche, die näher
zur Vorderkante liegen, was zu einer besseren Filmkühl-Wirksamkeit führt. Die äußere Gaströmungs-Geschwindigkeit
näher zur
Hinterkante beschleunigt zu einer höheren Geschwindigkeit als an
Abschnitten entlang den Schaufel-Seitenwandungen
näher zur
Vorderkante. Die Schaufelkühlung kann
daher besser für
leitende und Konvektions-Kühlung
von Abschnitten der Seiten der Außenwand eingestellt werden,
die näher
der Vorderkante liegen und es können
Filmkühllöcher für Abschnitte
der Seiten näher
der Hinterkante benutzt werden, wo sie kleinere und daher bessere
Blasverhältnisse
aufweisen und zu einer besseren Filmkühl-Wirksamkeit und Gesamt-Kühlwirksamkeit führen.
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Andere
Vorteile schließen
einen erhöhten seitlichen
Kühlmittel-Wärmeübertragungs-Koeffizienten
und eine verbesserte Abmessbarkeit für externe Filmströmung ein.
Das verbesserte Kühlen
sorgt auch für
kältere
Luft, die durch die Spitzen-Kühllöcher abgegeben
wird, was für
eine verbesserte Kühlung
der Anstreifspitze sorgt.
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Allgemein
werden Designanforderungen für Schaufeln
an den unteren Spannen durch Bedenken hinsichtlich des Bruches bei
hohen Spannungsniveaus bei verringerter Metalltemperatur und an
den oberen Regionen durch Bedenken hinsichtlich erhöhter Oberflächen-Temperatur
zur Vermeidung von Oxidation und Ermüdungsbruch-Einleitung angetrieben. Die
stromabwärts
strömende
Serpentine mit Seitenwand-Aufprallkammern der vorliegenden Erfindung adressiert
diese Erfordernisse zusammen mit der Fähigkeit zur besseren Optimierung
der internen Schaufel-Kühlströmung und
Schaufel-Lebensdauer.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Schaufel des Turbinenrotors eines
Gasturbinen-Triebwerkes, das die Schaufel nach der Erfindung einschließt,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung des Schaufelspitzen-Querschnittes
durch Linie 2-2 der Schaufel in 1,
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3 eine
schematische Schnittansicht des Mittelquerschnittes der Schaufel
durch Linie 3-3 der Schaufel nach 1,
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4 eine
schematische Schnittansicht des Nabenquerschnittes der Schaufel
durch Linie 4-4 der Schaufel in 1,
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5 eine
vergrößerte Ansicht
der schematischen Schnittdarstellung der Schaufel in 4,
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6 eine
Schnittansicht einer beispielhaften Gasturbinentriebwerks-Schaufel
flach entlang einer Mittellinie durch einen stromabwärts fließenden Serpentinen-Kühlkreislauf darin,
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7 eine
Schnittansicht durch Linie 7-7 in 5 der Schaufel
flach entlang einer Mittellinie durch Aufprall-Kühlkammern,
die durch den stromabwärts
fließenden
Serpentinen-Kühlkreislauf
versorgt werden, und
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8 eine
schematische Querschnittsansicht durch Linie 8-8 in 5 eines
Spitzenabschnittes der Schaufel.
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In 1 ist
eine beispielhafte Turbinenschaufel 10 für ein Gasturbinen-Triebwerk
dargestellt, das in einem Heißgasstrom
betrieben werden soll, der axial stromabwärts in Richtung F strömt. Die Schaufel 10 schließt einen
hohlen Flügel 12 und
eine konventionelle Wurzel 14 ein, die zur Befestigung
der Schaufel 10 an einer (nicht dargestellten) Rotorscheibe
des Triebwerkes benutzt wird, die um eine Triebwerks-Mittellinie 11 herum
verläuft.
Wie weiter in Querschnitten des Flügels 12 in den 2–5 dargestellt,
schließt
der Flügel 12 eine
Außenwand 15 mit
einer Druck-Seitenwand 16 und einer Saug-Seitenwand 18 ein,
die entlang einer stromaufwärts
gelegenen Vorderkante 20 und einer stromabwärts gelegenen
Hinterkante 22, die sehnenmäßig/cordal von der Vorderkante
beabstandet ist, verbunden sind. Der Flügel 12 erstreckt sich
längs in
einer radialen Richtung 24 weg von der Triebwerks-Mittellinie 11 in
einer spannenartigen Richtung des Flügels 12 von einer
radial inneren Basis 26 bis zu einer radial äu ßeren Flügelspitze 28 entlang
einer Spanne S des Flügels.
Die Flügelspitze 28 ist
als eine Anstreifspitze mit einer äußeren Erstreckung von der Außenwand 15 oder
einer Anstreifwand 29 dargestellt, die sich von einer äußeren Spitzenwand 31 längs nach
außen
und umfangsmäßig um diese
herum erstreckt und darin einen Anstreifspitzen-Hohlraum 33 bildet.
Spitzen-Kühllöcher 59,
die sich von innerhalb des hohlen Flügels 12 durch die äußere Spitzenwand 31 zum
Anstreifspitzen-Hohlraum 33 erstrecken, werden zum Kühlen des
Spitzen-Hohlraumes benutzt. Die innere Basis 26 ist an
einer konventionellen Plattform 30 gebildet, die die innere Strömungsgrenze
der Schaufel 10 bildet und unterhalb der sich die Wurzel 14 erstreckt.
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Der
Flügel 12 kann
um eine Abstecklinie SL einen hohen Grad der Verdrehung aufweisen,
wie durch die Variation des Winkels der ersten, zweiten und dritten
Sehnenlinien, CL1, CL2 bzw. CL3, mit Bezug auf die Triebwerks-Mittellinie 11 gezeigt. 2–4 zeigen
erste, zweite und dritte Flügelquerschnitte,
A1, A2 und A3, an der Spitze, in der Mitte und an der Plattform,
entsprechend den Linien 2-2, 3-3 und 4-4 in 1. Der Flügel 12 kann
auch eine Drehung aufweisen, wodurch ein Sehnenwinkel von einem
ersten Sehnenwinkel B1 an der Spitze 28 durch einen dritten
Sehnenwinkel B3 an der Plattform 30 variiert. Der erste,
zweite und dritte Sehenenwinkel, B1–B3, sind als der entsprechende
Winkel zwischen der ersten, zweiten oder dritten Sehnenlinie CL1–CL3 definiert,
die sich mit Bezug auf die Triebwerks-Mittellinie 11 von
der Vorderkante 20 zur Hinterkante 22 erstrecken.
Die verschiedenen Flügelabschnitte
eines verdrehten Flügels
haben typischerweise einen Winkel um eine Abstecklinie SL. Die Abstecklinie
SL kann umfangsmäßig ebenso
wie axial gekrümmt
sein, wie dies für
die Vorder- und Hinterkante 20 bzw. 22 der Fall
ist. Moderne Turbinenschaufeln haben typischerweise auch einen hohen Grad
der Wölbung,
wie durch Wölbungslinien
LC dargestellt.
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Während des
Betriebes der Schaufel 10 werden Verbrennungsgase 32 durch
einen (nicht gezeigten) Brenner erzeugt und strömen stromabwärts sowohl über die
Druck- als auch Saug-Seitenwänd 16 bzw. 18 der
Außenwand 15 der
Schaufel. Das radiale oder Längs-Temperaturprofil
der Verbrennungsgase 32 hat typischerweise eine Zentrumsspitze
nahe einem Mittelspannbereich oberhalb einer Mittelspannsehne, wie
der zweiten Sehnenlinie CL2 der Schaufel von etwa 50% bis etwa 80%
davon. Sekundäre
Strömungsfelder
zwischen benachbarten Flügeln 12 können verursachen,
dass sich das Temperaturprofil radial über die Schaufel-Druckseitenwand 16 nach
außen über einen
Bereich von etwa 70% bis etwa 85% der radialen Höhe oder des Spannes S des Flügels 12 verschiebt.
Die Druck-Seitenwand 16 hat daher ihre größte Wärmebelastung
oberhalb des Mittelspann-Bereiches in der Spannhöhe von 70% bis 85%.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das bevorzugte sehnenmäßige und radiale oder spannartige
Kühlen
des Flügels 12 bewirkt,
um besser an die Verteilung der Wärmebelastung durch die Verbrennungsgase 32 anzupassen.
Obwohl eine beispielhafte Gasturbinen-Rotorschaufel 10 in
den Figuren gezeigt ist, ist die Erfindung gleichermaßen auf
Turbinen-Statorschaufeln
anzuwenden, die ähnliche
Flügel
aufweisen und die in ähnlicher
Weise gemäß der vorliegenden
Erfindung gekühlt
werden können.
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Spezifischer
sind die Druck- und Saug-Seitenwandungen 16 bzw. 18 umfangsmäßig oder
seitlich im Abstand voneinander zwischen der Vorder- und Hinterkante 20, 22 beabstandet
und integral durch eine Vielzahl interner Querrippen verbunden, die
allgemein mit 34 bezeichnet sind und die sich zwischen
der Druck- und Saug-Seitenwand 16 bzw. 18 erstrecken.
Zumindest einige der Querrippen 34 bilden mindestens einen
Serpentinen-Kühlkreislauf 36, wie
in den 5 und 6 gezeigt. Der Flügel-Querschnitt
der 5 ist eine vergrößerte Ansicht des gleichen
Schnittes in 4, und 6 veranschaulicht
den Flügel 12 flach
entlang einer Kühlkreislauf- Linie 38,
die durch den stromabwärts
oder nach hinten strömenden
Serpentinen-Kühlkreislauf 36 verläuft. Der
Serpentinen-Kühlkreislauf 36 ist
konstruiert, um eine serpentinenförmige Kühlströmung 35 innerhalb
des Kühlkreislaufes 36 zu
verursachen, der in einer cordalen Strömungsrichtung 43 von
der Vorderkante 20 zur Hinterkante 22 nach hinten
innerhalb des Kühlkreislaufes 36 strömt. Der
Kühlkreislauf 36 schließt einen
Eingang 36A ein, der vor einem Ende 36B angeordnet
ist, um zu verursachen, dass die serpentinenförmige Kühlströmung 35 in der cordalen Strömungsrichtung 43 von
der Vorderkante 20 zur Hinterkante 22 nach rückwärts strömt, um besser
an die ausgeübten
Wärmebelastungen
durch die Verbrennungsgase 32 anzupassen und die serpentinenförmigen Kühlströme 35 besser
an die Wärmebelastung
anzupassen und den Flügel 12 wirksamer
zu kühlen.
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Der
Serpentinen-Kühlkreislauf 36 schließt sich
längs erstreckende
Serpentinen-Kanäle 40 ein, die
durch sehnenmäßig beabstandete
interne Rippen 34 getrennt sind, wie in 6 gezeigt. 6 zeigt
einen Serpentinen-Kühlkreislauf 36 mit
drei sich längs erstreckenden
Serpentinen-Kanälen 40,
die durch vier sehnenmäßig beabstandete
interne Rippen 34 gebunden sind, doch können mehr Serpentinen-Kanäle oder
-Durchgänge
benutzt werden.
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In
der in 6 gezeigten beispielhaften Ausführungsform
ist der Serpentinen-Kühlkreislauf 36 nahe
dem Mittelsehen-Bereich M (allgemein auch in 1 gezeigt)
des Flügels 12 zwischen
der Vorderkante 20 und der Hinterkante 22 angeordnet,
da die Erfahrung gezeigt hat, dass die stärkste Wärmezufuhr im Flügel 12 im
Mittelsehnenbereich nahe der Flügelspitze 28 und
auf der Druck-Seitenwand 16, z.B., stattfindet. Wie oben
im Hintergrundabschnitt ausgeführt,
bewirkt das Temperaturprofil für
die Verbrennungsgase 32 mit einer Spitze im Zentrum zusammen
mit einer radialen Wanderung eine maximale Temperatur auf der Druck-Seitenwand 16 der Schaufel 12 im
Bereich von etwa 70% bis etwa 80% der Spannhöhe.
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Der
Serpentinen-Kühlkreislauf 36 schließt weiter
einen der Serpentinen-Kanäle 40 ein,
der als ein Einlasskanal 40A dient und sich radial nach
oben bis zu einem radial äußeren ersten
Wendekanal 37A erstreckt. Der nächste Kanal ist ein Zwischenkanal 40B,
der Kühlluft
radial nach innen bis zu einem radial inneren zweiten Wendekanal 37B richtet,
der seinerseits zu einem dritten Serpentinen-Kanal liefert, der
als ein Endauslass-Kanal 40C dient, der sich radial nach
oben bis zu einer Quer-Seitenrippe 45 radial innerhalb
der äußeren Spitzenwand 31 erstreckt und
dort endet, die dazwischen einen Querdurchgang 47 bildet.
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Die
hohle Schaufel 12 hat sich längs erstreckende erste und
zweite Seitenwand-Aufprallkammern 60 und 62, die
zwischen der Druck-Seitenwand 16 und ersten und zweiten
Innenwänden 52 und 54 angeordnet
sind, die den Zwischenkanal 40B bzw. den Auslasskanal 40C des
Serpentinen-Kühlkreislaufes 36 verbinden.
Die erste und zweite Innenwand 52 bzw. 54 erstreckt
sich allgemein zwischen benachbarten Querrippen 34. Kühlluft 42 wird
von der Serpentinen-Kühlströmung 35 im
Serpentinen-Kühlkreislauf 36 durch
Aufprall-Kühlöffnungen 50 in
die erste und zweite Seitenwand-Aufprallkammer 60 bzw. 62 eingeführt. Die
Aufprall-Kühlöffnungen 50 messen
unabhängig
eine geeignete Menge der Kühlluft 42 zur
Anpassung an die höhere
Wärmebelastung
entlang der weiter vorn liegenden ersten Seitenwand-Aufprallkammer 60 und
der relativ geringeren Wärmebelastung
entlang der weiter hinten liegenden zweiten Seitenwand-Aufprallkammer 62 ab
und ergeben ein verbessertes Aufprallkühlen der Druck-Seitenwand 16 entlang
der ersten und zweiten Seitenwand-Aufprallkammern. 7 veranschaulicht
den Flügel 12 flach
entlang einer Spaltlinie 49 der Aufprallkammer, die durch
die erste und zweite Seitenwand-Aufprallkammer 60 bzw. 62 hindurchgeht.
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Die
erste und zweite Seitenwand-Aufprallkammer 60 und 62 erstrecken
sich radial nach innen bis gerade unterhalb einer radial äußeren Plattformoberfläche 30S der
Plattform 30. Die erste Seitenwand-Aufprallkammer 60 erstreckt
sich radial nach außen
und endet an der äußeren Spitzenwand 31. Mindestens
eines der Spitzenkühllöcher 59 in
der äußeren Spitzenwand 31 erstreckt
sich von der ersten Seitenwand-Aufprallkammer 60 durch
die äußere Spitzenwand 31.
Der Gebrauch der Spitzenkühllöcher in
der äußeren Spitzenwand
und insbesondere von Anstreifspitzen von Schaufeln ist bekannt.
Die zweite Seitenwand-Aufprallkammer 62 erstreckt sich radial
nach außen
und endet an der äußeren Spitzenwand 31 und
hat auch ein Spitzenkühlloch 59 in
der äußeren Spitzenwand 31.
Anders als die erste Seitenwand-Aufprallkammer 60 schließt die zweite
Seitenwand-Aufprallkammer 62 eine Quererstreckung ein,
die der Querdurchgang 47 ist, der weiter in 8 veranschaulicht
ist. Diese Quererstreckung ist radial außerhalb des Endkanals 40C an
der Querseitenrippe 45 angeordnet und zentriert sein entsprechendes Spitzenkühlloch 59 in
der äüßeren Spitzenwand 31. Einige
der Aufprall-Kühlöffnungen 50 sind
derart angeordnet, dass sie Kühlluft
vom Endkanal 40C zum Querdurchgang 47 richten.
Die Anordnung der Spitzenkühllöcher 59 in
den radial äußeren Enden
der ersten und zweiten Seitenwand-Aufprallkammer 60 und 62 gestattet
eine bessere Kontrolle und Abmessung der Kühlluft zu der Anstreif-Schaufelspitze 28.
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Die
Schaufel-Anstreifspitze wird durch das Spitzenkühlloch 59 in der äußeren Spitzenwand 31 an
Stellen gekühlt,
die aus der ersten bzw. zweiten Seitenwand-Aufprallkammer 60 bzw. 62 und
von dem vorderen und rückwärtigen Zuführungskanal 41A bzw. 41B zum
Anstreifspitzen-Hohlraum 33 herausführen. Die äußere Spitzenwand 31 deckt
auch die äußersten
Abschnitte des Serpentinen-Kühlkreislaufes,
seiner Kanäle,
der Aufprallkammern und der Kühlräume ab.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite Innenwand 52 bzw. 54,
die vorderste und hinterste Spannrippe 71 bzw. 75,
die Querrippen 34 monolithisch mit der Außenwand 15 gegossen,
obwohl die Erfindung eine solche Konstruktion nicht erfordert. Ein
an deres Merkmal der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist es, dass alle Innenwandungen und Rippen mit einem
konstanten Winkel mit Bezug auf die Mittellinie 11 entlang
ihren Gesamtspannenlängen
konstruiert sind. Dieses Merkmal ist in den 2, 3 und 4 gezeigt,
worin die erste und zweite Innenwand 52 und 54 in
konstanten Winkeln R7 und R8 der siebten und achten Rippe mit Bezug auf
die Mittellinie 11 gehalten sind, die vorderste und hinterste
Spannrippe 71 und 75 sind in konstanten Winkeln
R1 bzw. R6 der ersten und sechsten Rippe mit Bezug auf die Mittellinie 11 gehalten
und die vier Querrippen 34 sind in konstanten zweiten,
dritten, vierten und fünften
Rippenwinkeln R2, R3, R4 und R5 in stromabwärts gelegener Folge mit Bezug
auf die Mittellinie 11 gehalten. Das monolithische Gießen der inneren
Wandungen und Rippen der Schaufel 12 erfolgt, um die Kosten
und Komplexizität
des Gießens der
Schaufel 12 zu verringern. Diese Merkmale gestatten auch
die Herstellung eines einzelnen Kernes aus einer Formbaueinheit.
Dieses Merkmal der konstanten Rippenwinkel gilt für gerade
und verdrehte Schaufeln und für
Schaufeln, die in der axialen und/oder Umfangsrichtung gekrümmt sind,
derart das die Stapellinie SL in der axialen und/oder Umfangsrichtung
gekrümmt
ist.
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Als
eine Folge des Konstanthaltens der Rippenwinkel und einer verdrehten
Schaufel 12 erstreckt sich die erste innere Wand 52 zwischen
der Druck- und Saug-Seitenwand 16 bzw. 18 in einem
Teil der Schaufel 12 um die Schaufelspitze 28,
wie insbesondere in 2 gezeigt. Dies sorgt auch für genug
Fläche
an dem äußeren ersten
Wendekanal 37A, um eine Beeinträchtigung oder Behinderung der
Kühlströmung 35 zu
verhindern. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform des hohlen Flügels 12 eine
Dreidurchgangs-Version des Serpentinen-Kühlkreislaufes 36 und
zwei Aufprallkammern offenbart, können andere Variationen benutzt
werden, insbesondere Serpentinen-Kühlkreisläufe 36 mit mehr als
drei Durchgängen
und folglich mehr als drei Serpentinen-Kanälen 40 sowie einer
oder mehreren Aufprallkammern.
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Ein
Vorderkanten-Kühlraum 70 wird
zwischen einer vordersten Spannrippe 71 (auch als Vorderkanten-Brücke bezeichnet)
und der Vorderkante 20 der Außenwand 15 gebildet.
Ein Hinterkanten-Kühlraum 72 wird
zwischen einer hintersten Spannrippe 75 und der Hinterkante 22 der
Außenwand 15 gebildet.
Kühlluft-Auslassöffnungen 74 in der
vordersten Spannrippe 71 liefern Kühlluft von einem vorderen Zuführungskanal 41A zum
Vorderkanten-Kühlraum 70,
von wo sie durch konventionelle Vorderkanten-Schauerkopf-Kühllöcher 44 strömt. Kühlluft-Auslassöffnungen 74 in
der hintersten Spannrippe 75, die vorzugsweise derart entworfen sind,
dass sie eine Aufprallkühlung
der Hinterkante 22 ergeben, liefern Kühlluft von einem hinteren Zuführungskanal 41B zum
Hinterkanten-Kühlraum 72, von
wo aus sie durch konventionelle Hinterkanten-Kühlöffnungen,
vorzugsweise in Form von Kühlschlitzen 46,
wie hier gezeigt, strömt.
Dies wird zum Kühlen
der Vorder- bzw-Hinterkante 20 bzw. 22 benutzt.
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Die
Schaufel kann Filmkühllöcher 48 entlang sowohl
der Druck- als auch der Saug-Seitenwandung 16 bzw. 18 der
Außenwand 15 einschließen. Die Filmkühllöcher 48 sind
durch die Außenwand 15 entlang
einem Mittelsehnen-Abschnitt der Schaufel zwischen der Vorder- und
Hinterkante 20 und 22 angeordnet. Die Filmkühllöcher 48 haben
vorzugsweise einen Verbundwinkel stromabwärts und radial nach außen mit
Bezug auf die Triebwerks-Mittellinie 11 und sie führen aus
der ersten und zweiten Seitenwand-Aufprallkammer 60 bzw. 62 durch
die Außenwand 15.
In einer anderen spezifischen Ausführungsform, die hier nicht
spezifisch dargestellt ist, kann die Schaufel mit Filmkühllöchern nur
in der Druck-Seitenwand 16 und ohne Filmkühllöcher in
der Saug-Seitenwand 18 konstruiert werden.
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Die
Erfindung sorgt für
die Benutzung der Kühlluft
zum Aufprallkühlen
der besonders heißen Abschnitte
der Außenwand 15,
die an die Aufprallkammern angrenzen, und zum Filmkühlen. Das
Aufprallkühlen
ist sehr wirksam und durch Richten der Serpentinen-Kühlströmung 35 nach
hinten oder stromabwärts kann
relativ sehr kühle
Kühlluft
in dem Serpentinen-Kühlkreislauf 36 entlang
den mehr stromaufwärts
gelegenen und heißeren
Abschnitten der Druck-Seitenwand 16 benutzt werden, was
die Kühlwirksamkeit
der Schaufel maximiert. Dies wiederum gestattet die Verringerung
der für
die Serpentinen-Kühlströmung 35 im
Serpentinen-Kühlkreislauf 36 benutzten
Menge der Kühlluft 42,
die für
die Wärmebelastungen
in dieser Region erforderlich ist. Die von der Serpentinen-Kühlströmung 35 in
dem Serpentinen-Kühlkreislauf 36 in
die erste und zweite Seitenwand-Aufprallkammer 60 bzw. 62 eingeführte Kühlluft kann
unabhängig
zur Bereitstellung einer geeigneten Menge der Kühlluft 42 zum Anpassen
an die höhere
Wärmebelastung
entlang der vorderen ersten Seitenwand-Aufprallkammer 60 und
der relativ geringeren Wärmebelastung
entlang der weiter hinten gelegenen zweiten Seitenwand-Aufprallkammer 62 abgemessen
werden. Auf diese Weise kann die Schaufel vorzugsweise in der axialen
oder cordalen Richtung der Schaufel unter Benutzung von weniger
Kühlluft 42 insgesamt
gekühlt
werden, ohne diese Regionen zu stark zu kühlen, wie dies im Stande der
Technik erfolgen würde.
Die Kühlluft 42 wird
daher wirksamer benutzt und zur Erhöhung der Gesamtwirksamkeit
des Betriebes des Gasturbinen-Triebwerkes weniger Kühlluft vom
Kompressor benutzt.
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Die
Schaufel 12 kann irgendwelche anderen Merkmale zur Förderung
von deren Kühlung
aufweisen, wie (nicht gezeigte) Einrichtungen zum Erzeugen einer
Turbulenz oder Stifte, die im Stande der Technik bekannt sind. Thermische
Sperrüberzüge TBC,
die in der Technologie bekannt sind, können auch benutzt werden, um
die thermischen Charakteristika der Schaufel 12 zu verbessern.
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Obwohl
die Erfindung hinsichtlich der beispielhaften Turbinenschaufel 12 beschrieben
wurde, die in den Figuren dargestellt ist, kann sie auch für Turbinendüsen-Schaufeln
benutzt werden, die ähnliche
Flügel
aufweisen und die von einer bevorzugten spannartigen Kühlung zum
besseren Anpassen an die radial angewendete Temperatur-Verteilung
durch die Verbrennungsgase 32 Nutzen haben. Der nach rückwärts strömende Serpentinen-Kühlkreislauf 36 und
die erste und zweite Seitenwand-Aufprallkammer 60 bzw. 62 können unter
Anwendung konventioneller Gießtechniken,
wie sie für
konventionelle Mehrdurchgangs-Serpentinendurchgänge benutzt werden, leicht
hergestellt werden.