DE69414209T2

DE69414209T2 - Kühlung der Vorderkante einer Schaufel

Info

Publication number: DE69414209T2
Application number: DE69414209T
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Palm Beach Gardens Florida 33418 Auxier; Kenneth B. Jupiter Florida 33478 Hall
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1994-08-23
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2014-08-24
Also published as: JPH07305603A; JP3880639B2; DE69414209D1; EP0641917B1; US5486093A; EP0641917A1

Description

Die Erfindung betrifft das interne Kühlen von Strömungsprofilen von Laufschaufeln und Leitschaufeln, insbesondere aber nicht ausschließlich für Gasturbinenmaschinen und insbesondere eine Einrichtung zum Kühlen der Vorderkante der Strömungsprofile.
Wie auf dem Gebiet der Gasturbinenmaschinentechnik bekannt, wird die Vorderkante der Strömungsprofile der Turbinenlaufschaufeln durch eine Kombination aus Filmkühlung und eine kühlmittelseitige Wärmeübertragungsverstärkung gekühlt. Der Fachmann erkennt, daß sich die Technik des Kühlens der Strömungsprofile über die Jahre im Laufe der Entwicklung der Gasturbinenmaschine derart entwickelt hat, daß jedes Teil des Strömungsprofils seine eigenen speziellen Anforderungen hervorgerufen hat, die zum Erzielen der maximalen Kühlung verschiedene und einmalige Techniken manifestiert haben. Beispielsweise benötigen die Vorderkante, die Hinterkante, der Spitzenabschnitt und der Mittelabschnitt unterschiedliche Techniken, um eine maximale Kühleffizienz zu erhalten. Der Grund, warum der Kühlaspekt der Turbine so übermäßig wichtig ist und die fordernde Aufmerksamkeit der Triebwerkskonstrukteure und insbesondere das Schenken von individualisierter Aufmerksamkeit jedem Teil des Strömungsprofils erforderlich gemacht hat, ist, weil die Effizienz der Gasturbinenmaschine durch das Erhöhen der Turbinentemperaturen stark verbessert wird. Der begrenzende Faktor dieser Temperatur liegt jedoch bei der Wärmetoleranz, die die speziellen Materialien zeigen, die für diese Bauteile verwendet werden. Das Material der Bauteile, die den heißen Triebwerksgasen ausgesetzt sind, muß seine körperliche Festigkeit bei erhöhten Temperaturen beibehalten, und es ist wohlbekannt, daß die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen rapide abnimmt.
Auf dem Technikgebiet ist auch bekannt, daß der limitierende Faktor für die Lebensdauer des Strömungsprofils die Unzulänglichkeiten bei der Kühleffizienz der Vorderkante waren. Bisher liegen die Kühltechniken, die an der Vorderkante angewandt werden, bei den kühlmittelseitigen Wärmeübertragungsverstärkungen, welche die Auftreffströmung und die radiale Strömung mit Stolperstreifen und Filmkühlung beinhalten. Das Filmkühlen erreicht man durch das maschinelle Schaffen einer großen Anzahl von eng gepackten Kühlöffnungsgängen in dem Vorderkantenbereich.
Obwohl es deutliche Verbesserungen bei der durchschnittlichen Kühleffizienz des Strömungsprofils gegeben hat, bleibt die Vorderkante der die Lebensdauer begrenzende Ort. Das ist verständlich, weil die Außenfläche der Vorderkante, die den heißen Gasen ausgesetzt ist, größer ist als die Innenfläche der Vorderkante, die dem Kühlmittel ausgesetzt ist. Dieses Ungleichgewicht an der Vorderkante ist bei weitem größer, als was bei anderen Bereichen des Strömungsprofils ersichtlich ist. Außerdem ist die Wärmebelastung pro Flächeneinheit an der Vorderkante am größten, wo die Wärmeübertragungskoeffizienten einen Spitzenwert haben. Der kleine innere Radius der Vorderkante begrenzt die Anzahl von Öffnungsgängen, die angeordnet werden können, ohne sich gegenseitig zu schneiden, und in der Folge ist der relative große äußere Radius der Vorderkante spärlich mit Kühlöffnungsgängen besetzt.
Aktuelle Testergebnisse haben gezeigt, daß die Wärmeübertragung in der Vorderkante an dem Eintritt dieser Kühlöffnungsgänge deutlich verstärkt ist, aber die Leitungslänge zu der Innenseite der Vorderkante, wo die Kühlöffnungsgangkonzentration und die Wärmeübertragungsverstärkung am größten ist, ist groß. Folglich ist die Kühleffizienz, die durch die augenblicklich bekannten Verfahren des Vorderkantenkühlens erzielt werden kann, begrenzt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kühlung der Vorderkante einer Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbinenmaschine zu schaffen. Eine derartige Strömungsprofil-Laufschaufel, die eine Kühlmittelpassage, die sich in Längsrichtung entlang der Laufschaufel in dem Bereich von deren Vorderkante erstreckt, und eine Mehrzahl von Öffnungsgängen, die sich von der Passage erstrecken, um sich zu dem Äußeren des Strömungsprofils in dem Bereich von dessen Vorderkante zu öffnen, aufweist, ist in EP-A-0475658 beschrieben.
Wir haben herausgefunden, daß man die Vorderkantenkühleffizienz durch überlegtes Installieren von helixförmigen Öffnungsgängen auf eine diskrete Art in der Vorderkante verstärken kann. Durch das korrekte Ausrichten der helixförmigen Öffnungsgänge kann die Kühleffizienz in der folgenden Weise verstärkt werden:
1) der Kühlöffnungsoberflächenbereich ist enger an die Außenoberfläche der Vorderkante gebracht. Diese Verringerung der durchschnittlichen Leitungslänge verbessert die Übertragungseffizienz, und
2) höhere Wärmeübertragungskoeffizienten werden an dem Außendurchmesser der Helix geschaffen und verbessern die Kapazität der Wärmesenke.
Gemäß der Erfindung sind die Öffnungsgänge helixförmig gekrümmt.
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein Strömungsprofil mit einem Wurzelabschnitt, einem Spitzenabschnitt, einer Vorderkante, einer Druckseite, einer Sogseite und einer Hinterkante, einer Längspassage, die sich von dem Wurzelabschnitt zu dem Spitzenabschnitt zum Führen von Kühlluft innerhalb des Strömungsprofils erstreckt, wobei die Längspassage zwischen der Sogseite und der Druckseite angeordnet ist, einer anderen Längspassage, die sich der Vorderkante benachbart erstreckt und in Längsrichtung beabstandete Öffnungsgänge aufweist, welche die Längspassage und die andere Längspassage verbinden, und einer Einrichtung zum Zuführen von in den Wurzelabschnitt einzulassender Luft, und aufweisend mehrere helixförmige Öffnungsgänge, die sich von der anderen Längspassage zu dem der Vorderkante benachbarten Äußeren des Strömungsprofils zum Abgeben von Kühlluft aus dem Strömungsprofil erstrecken.
Außerdem haben wir herausgefunden, daß durch rechtwinkliges Ausbilden des Querschnitts der Helixpasssagen die Filmbedeckung maximiert ist und daß durch Ausnutzen des Abgebens des Kühlmittels mit geringen Winkeln eine Filmbedeckung verstärkt wird, und somit ist die Gesamtfilmkühleffizienz verbessert.
Demgemäß ist es ein Merkmal von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, eine Mehrzahl von parallel und in Längsrichtung beabstandeten helixförmigen Passagen, die sich quer entlang der Vorderkante der Turbinenlaufschaufel erstrecken und so orientiert sind, daß sie einen Film aus Kühlmittel auf der Außenoberfläche benachbart der Vorderkante legen, dicht zu packen.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal ist es, helixförmige Passagen für Turbinenlaufschaufeln in der Vorderkante zu schaffen, deren Form im Querschnitt entweder quadratisch oder rechteckig ist.
Ein weiteres Merkmal ist es, ein Kühlsystem mit helixförmigen Passagen für die Vorderkante von Turbinenlaufschaufeln einer Gasturbinenmaschine zu schaffen, welches einen Einlaß für jede der helixförmigen Passagen aufweist, der mit dem Kühlmittel in einer Längspassage in der Vorderkante kommuniziert, die sich von der Wurzel zu der Spitze der Laufschaufel erstreckt.
Das helixförmige Konzept, das in dieser Patentanmeldung beschrieben ist, unterscheidet sich von den Typen von helixförmigen Passagen, die in den US Patenten Nr. 4,684,322, das Clifford et al am 4. August 1987 erteilt wurde und den Titel "Cooled Turbine Blade" trägt, und 4,080,095, das Stahl am 21. März 1978 erteilt wurde und den Titel "Cooled Turbine Vane" trägt. Diese Patente zeigen beispielhaft Passagen, die länglich sind und zu einer Helix gedreht sind, um eine helixförmige Passage zu definieren, die sich radial oder quer erstreckt, um die Wärmeübertragung zum Übertragen der Wärme von der Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu erhöhen. Im Vergleich weist die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen eine Mehrzahl von Passagen auf, die in der Vorderkante dicht gepackt sind und orientert sind, bei denen die Abgabeöffnung das Kühlmittel in einem Film mit einem niedrigen Winkel ausströmen läßt, damit es über die gekrümmte Oberfläche der Vorderkante strömt.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Ansicht einer Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbinenmaschine, welche die vorliegende Erfindung verwendet;
Fig. 2 ist eine Stand-der-Technik-Darstellung einer Teilansicht der Vorderkante einer Turbinenlaufschaufel im Schnitt, welche die typische Kühlung zeigt;
Fig. 3 ist eine Teilansicht im Schnitt, welche durch die Linien 3-3 von Fig. 2 genommen ist;
Fig. 4 ist eine Vorderansicht der Stand-der-Technik-Vorderkante der in Fig. 2 gezeigten Laufschaufel;
Fig. 5 ist eine Teilansicht im Schnitt, die entlang der Linien 5-5 von Fig. 1 genommen ist;
Fig. 6 ist eine Teilansicht im Schnitt, die entlang der Linien 6-6 von Fig. 5 genommen ist; und
Fig. 7 ist eine Teilansicht der Vorderkante der in Fig. 5 gezeigten Laufschaufel.
Obwohl die Erfindung besonders effizient ist, wenn sie im Strömungsprofilen für Turbinenlaufschaufeln verwendet wird, die in Gasturbinenmaschinen zum Antreiben von Flugzeugen verwendet werden, ist, wie der Fachmann erkennen wird, diese Erfindung auf Laufschaufeln anwendbar, die eine Kühlung erfordern, sei es für Turbinenlaufschaufeln oder andere Laufschaufeln oder Leitschaufeln, beispielsweise Verdichterlaufschaufeln, Statorleitschaufeln etc., und unabhängig davon, ob sie für Turbinentriebwerke, die zum Antreiben von Flugzeugen verwendet werden, oder in Turbinenmaschinen verwendet wird, die für seefahrttechnische Anwendungen oder industrielle Anwendungen verwendet werden. Es reicht zu sagen, daß die Erfindung bei einer Anwendung besonders anwendbar ist, wo es wünschenswert ist, das Kühlen der Vorderkante des Strömungsprofils der Laufschaufel eines Rotors oder der Leitschaufel eines Stators zu optimieren.
Fig. 1 ist eine Ansicht einer typischen Axialströmungsturbinen- Laufschaufel, generell mit dem Bezugszeichen 10 gezeigt, einer Gasturbinenmaschine zum Antreiben eines Flugzeugs, welche ein Strömungsprofil 12, einen Wurzelabschnitt 14, eine Plattform 15, einen Spitzenabschnitt 16, eine Vorderkante 18 und eine Hinterkante 20 aufweist. In dieser Fig. 1 ist die Druckseite im Blick und die Sogseite ist diametral auf der Rückseite der Druckseite 22 entgegengesetzt. Kühlmittel, das typischerweise von einer Verdichterstufe des Verdichterabschnitts (nicht gezeigt) der Gasturbinenmaschine abgezapft wird, wird intern in die Innenpassagen des Strömungsprofils durch die an der Wurzel 14 der Laufschaufel angeordneten Einlaßpassagen 26 und 28 geführt. Der Fachmann wird erkennen, daß der Turbinenrotor eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Laufschaufeln 12 aufweist, die in einer passenden Scheibe auf bekannte Art abgestützt sind, der an der Triebwerkswelle befestigt ist. Das Strömungsprofil dient dazu, dem Arbeitsmedium der Maschine zum Antreiben des Turbinenrotors, der seinerseits den Verdichter antreibt, Energie zu entziehen. Überschüssige Energie in dem Gasweg wird zum Erzeugen von Schub in bekannter Art verwendet. Da der Betrieb der Gasturbinenmaschine nicht zu dieser Erfindung gehört, wird der verbleibende Bereich der Beschreibung den Kühlaspekten der Erfindung gewidmet sein.
Vielleicht der beste Weg zum Verstehen der Erfindung ist, sich die Kühlformen der Vorderkante anzusehen, die bisher verwendet wurden. Das erkennt man am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4. Die Fig. 2, die eine Schnittansicht der Vorderkante 18 ist, die durch eine Ebene quer zu der Längsachse der Laufschaufel genommen ist, zeigt die Filmkühlöffnungsgänge 30, die mit der Längspassage 32 kommunizieren, die mit der Passage 26 an der Wurzel der Laufschaufel über die Auftrefföffnungsgänge 34 in Verbindung ist.
Man erkennt, daß der kleine Radius, der sich über die mit dem Bezugsbuchstaben A identifizierte Krümmung erstreckt, die Anzahl der Öffnungsgänge begrenzt, die, ohne benachbarte Öffnungsgänge zu schneiden, angeordnet werden können. Das läßt offensichtlich einen relativ großen Radius an der äußeren Krümmung der Vorderkante, der mit dem Bezugszeichen B versehen ist. Daher ist es klar, daß die Außenfläche, die dem heißen Gaspfad ausgesetzt ist, größer ist als die Innenfläche, die dem Kühlmittel ausgesetzt ist, was zu einer relativ ineffizienten Kühleffizienz führt. Tests haben gezeigt, daß die Wärmeübertragung an dem Eingang der Kühlöffnungsgänge deutlich verstärkt ist, wo die Kühlöfffiungsgang-Konzentration und die Wärmeübertragungsverstärkung am größten ist. Die Leitungslänge der Öffnungsgänge 30 von dem Eingang zu dem Innenrand 36 der Vorderkante ist aber relativ groß. Folglich ist die Kühleffizienz, die durch die momentanen Stand-der-Technik-Kühlverfahren für das Vorderkantenkühlen erzielt werden kann, begrenzt.
Gemäß der Erfindung ersetzen helixförmige Kühlöffnungen 40, wie in den Fig. 5 - 7 gezeigt, die gerade durchgehenden Öffnungsgänge 30, um eine effizientere Kühlung ohne die Kosten zusätzlichen Kühlmittels zu erhalten. (In der Beschreibung gleiche Bezugszeichen bezeichnen identische Teile in all den Figuren.) Die Laufschaufel aus dem Stand der Technik ist in dieser Beschreibung modifiziert, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben.
Wie in der Fig. 5 gezeigt, sind die Öffnungen 40, die nach irgendeiner bekannten Art gegossen oder gebohrt sein können, sei es durch elektrochemisches Fräsen, Laserbohren etc., in einer Helixform gekrümmt, die sich von der Wand der Passage 32 zu dem Äußeren der Vorderkante erstreckt, und die Krümmung ist in einer Richtung, welche dem Kühlmittel eine Strömungsvorgabe mitgibt, so daß das Kühlmittel sich nach dem Abgeben an die Krümmung der Außenoberfläche der Vorderkante 16 anformt. Außerdem sind die Öffnungsgänge im Querschnitt zu Rechtecken oder Quadraten geformt, wie man in den Fig. 6 und 7 am besten erkennt. Das dient dem Maximieren der Filmbedeckung der Außenoberfläche der Vorderkante, und der niedrige Winkel der Kühlmittelabgabe verbessert die Filmeffizienz durch ein Verbessern der Filmbedeckung. Wie sich aus dem vorangehenden ergibt, sind die Helix-Öffnungsgänge 40 parallel und in Längsrichtung beabstandet und erstrecken sich von der Wurzel zu der Spitze entlang der Vorderkante.
Durch die Erfindung ist die Kühleffizienz verbessert, weil der Oberflächenbereich der Kühlöffnungsgänge enger an die Außenoberfläche der Vorderkante gebracht ist, mit einer konsequenten Verringerung der durchschnittlichen Leitungslänge, um so die Übertragungseffizienz zu verbessern. Außerdem werden höhere Wärmeübertragungskoeffizienten an dem Außendurchmesser des Helix- Öffnungsgangs 40 erzeugt, was die Kapazität der Wärmesenke verbessert. Und außerdem maximiert der rechteckige Querschnitt der Öffnungsgänge 40 und der niedrige Winkel der Kühlmittelabgabe durch die korrekte Orientierung der Helix-Öffnungsgänge 40 die Filmbedeckung über der Vorderkantenaußenoberfläche und fördert die Kühleffizienz.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich detaillierter Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, erkennt und versteht der Fachmann, daß verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Strömungsprofil aufweisend eine Kühlmittelpassage (32), die sich in Längsrichtung entlang des Strömungsprofils in dem Bereich von dessen Vorderkante erstreckt, und eine Mehrzahl von Öffnungsgängen (40), die von der Passage ausgehen, um sich zu dem Äußeren des Strömungsprofils in dem Bereich von dessen Vorderkante zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsgänge helixförmig gekrümmt sind.

2. Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei das Strömungsprofil einen Wurzelabschnitt (14) und einen Spitzenabschnitt (16), eine Vorderkante (18), eine Druckseite (22), eine Sogseite und eine Hinterkante (20), eine Längspassage (26), die sich von dem Wurzelabschnitt (14) zu dem Spitzenabschnitt (16) zum Führen von Kühlluft intern des Strömungsprofils erstreckt, wobei die Längspassage (26) zwischen der Sogseite und der Druckseite angeordnet ist, wobei die Kühlmittelpassage als eine andere Längspassage (32) ausgebildet ist, die der Vorderkante benachbart erstreckt und in Längsrichtung beabstandete Öffnungsgänge (34) aufweist, welche die Längspassage (26) und die andere Längspassage (32) verbinden, und eine Einrichtung zum Zuführen von in den Wurzelabschnitt einzulassender Luft hat, wobei die Mehrzahl von helixförmigen Öffnungsgängen (40) vorgesehen ist.

3. Luftgekühltes Strömungsprofil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Querschnitt der helixförmigen Öffnungsgänge (40) rechteckig ist.

4. Luftgekühltes Strömungsprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Teil der helixförmigen Öffnungsgänge in einer lateralen Ebene in dem Strömungsprofil angeordnet ist und ein weiterer Teil der helixförmigen Öffnungsgänge in Längsrichtung relativ zueinander beabstandet ist.

5. Luftgekühltes Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder der helixförmigen Öffnungsgänge (40) eine Abgabeöffnung aufweist, wobei die Abgabeöffnung bezogen auf die Oberfläche der Vorderkante orientiert ist, um die Kühlluft in einem Film abzugeben, der sich über einen Teil der Oberfläche erstreckt.

6. Luftgekühltes Strömungsprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Längsrichtung beabstandeten Gruppen von helixförmigen Öffnungsgängen (40) parallel zueinander angeordnet sind.

7. Luftgekühltes Strömungsprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungsgänge (40) im wesentlichen von der Wurzel (14) bis zu der Spitze (16) der Laufschaufel vorgesehen sind.