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Die
Erfindung betrifft generell hohle Strömungsprofile und insbesondere
Hinterkanten-Kühlöffnungskonfigurationen
insbesondere.
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Bei
modernen Axial-Gasturbinenmaschinen erfordern Rotorlaufschaufeln
und Statorleitschaufeln extensives Kühlen. Ein typisches Rotorlaufschaufel- oder
Statorleitschaufelströmungsprofil
weist eine gewundene Anordnung von Passagen auf, die mit einer Kühlluftquelle,
beispielsweise dem Verdichter, verbunden sind. Von dem Verdichter
abgezapfte Luft liefert ein günstiges
Kühlmedium,
weil ihr Druck höher und
ihre Temperatur niedriger ist als die des Kerngases, welches sich
durch die Turbine bewegt. Der höhere
Druck zwingt die Verdichterluft durch die Passagen in dem Bauteil,
und die niedrigere Temperatur überträgt Wärme weg
von dem Bauteil.
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Bei
konventionellen Strömungsprofilen
verlässt
die Kühlluft
das Strömungsprofil über Kühlluftöffnungen,
die beispielsweise entlang beider Seiten der Hinterkante angeordnet
sind oder die in der Druckseitenwand entlang der Hinterkante angeordnet
sind. Das Kühlen
ist insbesondere entlang der Hinterkante kritisch, wo das Strömungsprofil
beträchtlich
schmaler wird. Die meisten Strömungsprofilkonstruktionen
weisen eine Linie eng gepackter Kühlöffnungen in der Außenoberfläche der
Druckseitenwand verteilt entlang der gesamten Erstreckung des Strömungsprofils
auf. Ein relativ kleiner Druckabfall über jede der eng gepackten Öffnungen
befördert,
dass die Kühlluft
die Öffnungen
verlässt,
um eine Grenzlage aus Kühlluft
(Filmkühlung)
hinter den Öffnungen
zu bilden, die dazu beiträgt,
die aerodynamisch wünschenswert
schmale Hinterkante zu kühlen
und zu schützen.
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Konventionelle
Druckseiten-Hinterkantenkühlschemata
repräsentieren
eine Abwägung
zwischen der Kühlströmung und
der mechanischen Haltbarkeit. Der schmale Querschnitt des Strömungsprofils
macht es unpraktisch, die Hinterkante über einen der Hinterkante benachbarten
inneren Hohlraum zu kühlen.
Es ist bekannt, an der Stelle des Hohlraums aufgeweitete Kühlöffnungen
durch die Druckseite der Außenwand
strömungsaufwärts der
Hinterkante verlaufen zu lassen. Die Größe und die Anzahl konventioneller
Kühlöffnungen
reflektiert die für
das Kühlen der
Hinterkante erforderliche Kühlluftströmung. Die praktische
Größe und Anzahl
der Kühlöffnungen
ist jedoch durch die Dicke der Strömungsprofilwand begrenzt. Wenn
die aufgeweiteten Kühlöffnungen
zu nahe beieinander positioniert sind, wird die Strömungsprofilhinterkante
unerwünscht
dünn und
folglich anfällig
für mechanisches
Ermüden.
Um das Ermüden
zu vermeiden, sind die aufgeweiteten Kühlöffnungen nach vorne versetzt
und beabstandet. Die Filmkühleffizienz
steht jedoch in einer umgekehrten Relation zu der Strecke, die der
Film zurückgelegt hat.
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Bei
konventionellen Kühlschemata
mit aufgeweiteten Öffnungen
sind die Öffnungen
in Richtung der Druckseite des Strömungsprofils hin angeordnet.
Weil die den aufgeweiteten Kühlöffnungen benachbarte
Sogseitenwand eine konstante Dicke bei einem konventionellen Schema
hat, gehen die Kühlöffnungen
ein Stück
weg von der Hinterkante durch die Druckseite. Die aufgeweitete Geometrie
einer jeden konventionellen Öffnung
erstreckt sich nach hinten und befördert so, dass die Kühlöffnung verlassende
Kühlluft
eine Grenzschicht aus Kühlluft entlang
des Druckseitenwandbereichs bildet. Die Strecke zwischen den Kühlöffnungen
und der Hinterkante ist typischerweise groß genug, so dass der Hinterkantenbereich
nicht merklich durch die konvektive Kühlung beeinflusst wird, die
sich dadurch ergibt, dass sich Kühlluft
durch die Kühlöffnungen
bewegt. Stattdessen ist die Hinterkante abhängig von der Effizienz der
Grenzlagenkühlung.
Ein zweites mit der vorangehend beschriebenen konventionellen Hinterkanten-Kühlkonfiguration
verbundenes Problem ist, dass die Dicke der Sogseitenwand benachbart
zu den Kühlöffnungen
die Effizienz des konvektiven Kühlens
in dem Sogseitenwandbereich minimiert. Das trifft insbesondere für den Bereich
hinter den Kühlöffnungen
zu.
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Ein
Strömungsprofil
mit einer Hinterkantenkühlung,
wie vorangehend beschrieben, ist in US-A-5 720 431 beschrieben,
welche die Basis für
den Oberbegriff des Anspruchs 1 liefert. Andere Strömungsprofile
mit gekühlten
Hinterkanten sind in US-A-5 342 172 und US-A-5 368 491 beschrieben.
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Benötigt wird
ein Strömungsprofil
mit einer Hinterkanten-Kühlvorrichtung
mit verbesserter Kühlung
und eines mit verbesserter Beständigkeit
gegen mechanische Ermüdung.
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Gemäß der Erfindung
wird ein kühlbares Strömungsprofil
gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Kühlung entlang
der Hinterkante verbessert ist. Bei der vorliegenden Erfindung sind
die ersten Öffnungen
schräg
in Richtung der Sogseitenwand. Die konsequente Position der ersten Öffnungen schafft
einen Sogseitenwandbereich, der typischerweise dünner ist als der eines konventionellen
Strömungsprofils
und eine Austrittsposition in dem Druckseitenwandbereich, die näher an der
Hinterkante ist als die eines konventionellen Strömungsprofils.
In der Folge liefern die ersten Öffnungen
eine bessere konvektive Kühlung
in dem Sogseitenwandbereich und eine bessere Hinterkantenkühlung. Außerdem lässt die
Verschiebung der ersten Öffnungen
in Richtung des Sogseitenwandbereichs mehr Wandmaterial in der Druckseitenwand.
Dieses zusätzliche
Material macht es möglich,
eine Reihe von zweiten Öffnungen
in dem Druckseitenwandbereich strömungsaufwärts von den ersten Öffnungen
und in enger Nähe
zu diesen zu positionieren. Die Reihe zweiter Öffnungen liefert eine Grenzschichtkühlung zwischen
den Reihen erster und zweiter Kühlöffnungen. Die
sich von der Reihe von zweiten Kühlöffnungen nach
hinten bewegende Kühlluft
verstärkt
auch das Kühlen
entlang der Hinterkante.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie Spannungspitzenbereiche
vermeidet, die mit konventionellen Hinterkanten-Kühlschemata
einhergehen und so die Gelegenheit für mechanisches Ermüden minimiert.
Bei konventionellen Hinterkanten-Kühlschemata sind die Kühlöffnungen
typischerweise mit Diffusoren gekoppelt, die nach hinten in Richtung
der Hinterkante verlaufen. Die Diffusoren verringern die Menge an
Wandmaterial in der schmalen Hinterkante und erhöhen folglich die Gelegenheit für mechanische
Ermüdung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, für
die gilt:
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1 ist
eine schematische Zeichnung einer Rotorlaufschaufel.
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2 ist
eine schematische Schnittansicht eines Strömungsprofils.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Hinterkanten-Kühlkonfiguration
der vorliegenden Erfindung.
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Obwohl
spezielle Formen der vorliegenden Erfindung zur Darstellung in den
Zeichnungen ausgewählt
wurden und die folgende Beschreibung auf spezielle Begriffe zum
Zwecke der Beschreibung dieser Formen der Erfindung gerichtet ist,
soll die Beschreibung den Umfang der Erfindung, die in den angefügten Ansprüchen definiert
ist, nicht limitieren.
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Es
wird auf die 1 und 2 Bezug genommen.
Ein kühlbares
Strömungsprofil 10 für eine Gasturbinenmaschine
weist eine Außenwand 12 auf, die
einen Druckseitenbereich 14 und einen Sogseitenbereich 16,
einen zwischen dem Druckseiten- und dem Sogseitenwandbereich 14, 16 angeordneten
inneren Hohlraum 18, eine Mehrzahl von ersten Kühlöffnungen 20 und
eine Mehrzahl von zweiten Kühlöffnungen 22 aufweist.
Die inneren Hohlräume 18 sind mit
einer Quelle für
Kühlluft
verbunden. Der Druckseiten- und der Sogseitenwandbereich 14, 16 verlaufen zwischen
einer Vorderkante 26 und einer Hinterkante 28 in
Breitenrichtung 24 und zwischen einer inneren radialen
Plattform 32 und einer äußeren radialen Oberfläche 34 in
Erstreckungsrichtung 30. Das in der 1 gezeigte
beispielhafte Strömungsprofil 10 ist ein
Teil einer Rotorlaufschaufel mit einer Wurzel 36 mit Kühllufteinlässen 38.
Ein als eine Statorleitschaufel arbeitendes Strömungsprofil 10 kann
ebenfalls die vorliegende Erfindung verwirklichen. 2 zeigt
einen Schnitt eines Strömungsprofils 10 (Statorleitschaufel
oder Rotorlaufschaufel), welches die vorliegende Erfindung verwirklicht,
und eine Mehrzahl von internen Hohlräumen 18, die miteinander
in einer gewundenen Weise verbunden sind, hat.
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Es
wird auf 2 Bezug genommen. Das Strömungsprofil 10 kann
in den Begrifflichkeiten einer Profilsehnenlinie 40 und
einer mittleren Wölbungslinie 42 beschrieben
werden. Die Profilsehnenlinie 40 verläuft zwischen der Vorderkante 26 und
der Hinterkante 28. Die mittlere Wölbungslinie 42 verläuft zwischen
der Vorderkante 26 und der Hinterkante 28 entlang
eines Wegs, der mit gleichem Abstand zwischen der äußeren Oberfläche 44 des
Druckseitenwandbereichs 14 und der äußeren Oberfläche 46 des Sogseitenwandbereichs 16 ist.
Wenn das Strömungsprofil 10 zur
Profilsehnenlinie 40 symmetrisch ist, fallen die Profilsehnenlinie 40 und
die mittlere Wölbungslinie 42 zusammen.
Wenn das Strömungsprofil 10 zur
Profilsehnenlinie 40 unsymmetrisch ist (wie man in 2 erkennen
kann), schneidet die mittlere Wölbungslinie 42 die
Profilsehnenlinie 40 an der Vorderkante 26 und
der Hinterkante 28 und weicht dazwischen davon ab.
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Es
wird auf die 3 Bezug genommen. Die Mehrzahl
von ersten Öffnungen 20 ist
in der Außenwand 12 der
Hinterkante 28 benachbart angeordnet. In den speziellen
Begrifflichkeiten ist die Mittellinie 48 einer jeden ersten Öffnung 20 für einen
Teil der Länge
der ersten Öffnung 20 an
der Sogseite der mittleren Wölbungslinie 42 angeordnet
und vorzugsweise für
mehr als die Hälfte
ihrer Länge.
Die Öffnung 20 verläuft generell
parallel zur Oberfläche
der Sogseite des Strömungsprofils.
Der hintere Bereich 50 einer jeden ersten Öffnung 20 geht über die
mittlere Wölbungslinie 42 und
in den Druckseitenwandbereich 14 und tritt anschließend durch
den Druckseitenwandbereich 14 aus. Die Mehrzahl zweiter Öffnungen 22 verläuft durch
den Druckseitenwandbereich 14 und verlässt den Druckseitenwandbereich 14 strömungsaufwärts von
den ersten Öffnungen 20 und
in enger Nähe
zu diesen. Bei manchen Ausführungsformen verlaufen
die ersten und zweiten Öffnungen 20, 22 hinter
dem inneren Hohlraum 18 einander benachbart.
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Beim
Beitrieb des Strömungsprofils 10 gelangt
Kühlluft
in den inneren Hohlraum 18 bei einem höheren Druck und einer niedrigeren
Temperatur als die der Kerngasströmung, die an dem Äußeren des Strömungsprofils 10 vorbei
strömt,
sowohl in die ersten als auch in die zweiten Kühlöffnungen 20, 22.
In die ersten Kühlöffnungen 20 gelangende
Kühlluft kühlt konvektiv
den der Hinterkante 28 benachbarten Sogseitenwandbereich 16.
Das konvektive Kühlen des
Sogseitenwandbereichs 16 ist relativ zu konventionellen
Hinterkanten-Kühlschemata
verbessert, weil die ersten Öffnungen 20 zum
Sogseitenwandbereich 16 hin angeordnet sind (und so die
Wanddicke verringern), während
die Kühlöffnungen
bei konventionellen Hinterkanten-Kühlschemata (nicht gezeigt)
in Richtung auf den Druckseitenwandbereich 14 hin angeordnet
sind.
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Das
Anordnen der ersten Kühlöffnungen 20 in
Richtung auf den Sogseitenwandbereich 16 erhöht das Material
des Druckseitenwandbereichs 14 relativ zur Menge an Wandmaterial,
welches bei einem konventionellen Hinterkanten-Kühlschema
in dem Druckseitenwandbereich 14 wäre. In der Folge ist es möglich, eine
Reihe zweiter Öffnungen 22 strömungsaufwärts von
der Reihe erster Öffnungen 20 und
in enger Nähe
zu diesen anzuordnen, welche den Druckseitenwandbereich 14 verlassen.
Die durch die zweiten Öffnungen 22 strömende Kühlluft kühlt konvektiv
den Druckseitenwandbereich 14, der die zweiten Öffnungen 22 umgibt.
Die die zweiten Öffnungen 22 verlassende
Kühlluft
etabliert eine Filmkühlung
hinter den zweiten Öffnungen 22 in
dem Bereich 52 zwischen den Reihen erster und zweiter Öffnungen 20, 22.
Die Kombination aus ersten und zweiten Öffnungen 20, 22 erhöht die Kühlung in
dem Druckseiten- und dem Sogseitenwandbereich 14, 16 benachbart
der Hinterkante 28 und deshalb die Fähigkeit der Hinterkante 28,
einer rauen thermischen Umgebung zu widerstehen. Außerdem vermeidet
die Kombination der ersten und der zweiten Öffnungen, 20, 22 das
Effektivitätsproblem
der Filmkühlung
und die daraus folgende thermische Notlage der Hinterkante 28.
Das Positionieren der ersten Öffnungen 20 in
enger Nähe
zu der Hinterkante 28 und die strömungsaufwärtige Kühlverstärkung, die über die zweiten Öffnungen 22 geschaffen
ist, schafft eine verbesserte Kühlung
relativ zu konventionellen Kühlschemata.
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Verschiedene
Modifikationen und Anpassungen der vorangehend beschriebenen Struktur
sind leicht ersichtlich, wie Fachleute erkennen werden, ohne von
dem Umfang der Erfindung, die in den angefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.