DE10236676A1

DE10236676A1 - Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit zumindest einer Kühlungsausnehmung

Info

Publication number: DE10236676A1
Application number: DE10236676A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr.-Ing. Haselbach; Erik Dr.-Ing. Janke; Heinz-Peter Dr.-Ing. Schiffer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit zumindest einer Kühlungsausnehmung 1, welche einen Innenraum 2 der Turbinenschaufel mit deren Außenfläche 3 verbindet, wobei im Eintrittsbereich der Kühlungsausnehmung 1 deren Mittelachse im Wesentlichen orthogonal zur umgebenden Innenwandung 4 der Turbinenschaufel angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit zumindest einer Kühlungsausnehmung, welche einen Innenraum der Turbinenschaufel mit deren Oberfläche verbindet.

Turbinenschaufeln der beschriebenen Art sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungsformen bekannt. So zeigen beispielsweise die US-Patente 6,004,100, 6,129,515, 6,243,948, 6,254,333 oder 5,685,971 unterschiedlichste Ausgestaltungsformen von Turbinenschaufeln. Diese können sowohl als Statorschaufeln als auch als Rotorschaufeln ausgebildet sein. Allen diesen Turbinenschaufeln ist gemeinsam, dass sie einen Innenraum aufweisen, in dem Kühlluft eingeführt wird. Die Kühlluft strömt durch zumindest eine Kühlungsausnehmung an die Oberfläche der Turbinenschaufel und bildet einen Kühlfilm, um die Turbinenschaufel zu kühlen und vor Beschädigungen durch heiße Prozessgase zu schützen.

Eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Prozesses von Gasturbinen (Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen) ist nur noch über eine Erhöhung des Druckverhältnisses oder der Turbineneintrittstemperatur möglich. Da die Turbineneintrittstemperatur (Spitzenprozesstemperatur) heute schon über der Schmelztemperatur der für die Turbinenschaufeln verwendeten Materialien liegen kann, sind zumindest für die erste Stufe einer Hochdruckturbine (Statorschaufeln oder Rotorschaufeln) effiziente Kühlungsmethoden zwingend erforder- 1ich. Hierzu zählt die oben beschriebene Filmkühlung, sh. hier beispielsweise die genannten US-Patentschriften.

Die Kühlluft tritt, wie bereits erwähnt, durch Schlitze oder Bohrungen an der Profil-Oberfläche der Turbinenschaufel aus und erzeugt somit einen Kühlfilm, der sich schützend über das Schaufelprofil legt.

Um eine effektive Kühlung zu bewirken, zeigt der Stand der Technik unterschiedlichste Ausgestaltungsformen derartiger Ausnehmungs- oder Bohrungsgeometrien für die Kühlungsausnehmungen. Es sind Schlitze, einfache zylindrische Bohrungen, sogenannte fan-shaped-Ausnehmungen, sogenannte laid-back oder fan-shaped-laid-back-Bohrungen vorbekannt. Alle diese geometrischen Ausgestaltungen zielen darauf hin, eine möglichst effektive Kühlung (hohe Filmkühleffektivität) bei möglichst geringen aerodynamischen Verlusten zu erzielen.

Als nachteilig erweist es sich beim Stand der Technik, dass ein effizient wirkender Kühlfilm vielfach erst nach einem gewissen Abstand stromab der Mündungsöffnung der Kühlungsausnehmung wieder anliegt bzw. zu einem kontinuierlichen Film wächst. Dieser Abstand kann zwei bis drei Durchmesser der Mündungsöffnung betragen. Auf Grund der Einbringung der Kühlströmung kann auch eine ungewünschte Durchmischung mit der Außenströmung auftreten, wodurch sich die Gastemperatur in dem wandnahen Bereich erhöht. Hierdurch ergibt sich eine schlechtere Kühleffektivität. Weiterhin ist es nachteilig, dass die notwendigen Austrittswinkel der Kühlungsausnehmungen (üblicherweise zwischen 30° und 50° zur Oberfläche zur Turbinenschaufel) unter bestimmten Voraussetzungen zu einem Abheben des Kühlluftfilms führen. Hierdurch wiederum ergeben sich starke aerodynamische Verluste sowie eine schlechte Kühlungseffektivität. Dieser Effekt ist insbesondere bei herkömmlichen parallelen Bohrungen über Ausblaseverhältnisse von 1 ausgeprägt, wobei der eingeblasene Film zunächst von der Oberfläche der Turbinenschaufel abhebt und erst ein bis zwei Mündungsöffnungs-Durchmesser stromab sich wieder anlegt. Zur Überwindung dieser Nachteile wurde vorgeschlagen, sogenannte fan-shaped-Filmkühlungsbohrungen zu verwenden, die bei größeren Ausblaseraten (Größe 1) noch Filmkühleffektivitäten von über 0,3 aufweisen. Derartige fan-shaped-Filmkühlungsbohrungen sind jedoch technisch sehr aufwendig zu erzeugen.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Filmkühlungsbohrungen (Kühlungsausnehmungen) sogenannte Nierenwirbel ausbilden, deren Wirbelstrukturen am Mündungsaustritt (Mündungsöffnung) zu einer ungewollten raschen Vermischung der Kühlluft mit der heißen Außenströmung führen bzw. diese Hochtemperaturströmung an die Oberfläche der Turbinenschaufel transportieren.

Eine effektive Filmkühlung wird nur dann erreicht, wenn die Kühlungsausnehmung (Bohrung) ungestört durchströmt wird. Dabei ist es insbesondere wünschenswert, dass ein ablösungsfreies Durchströmen erfolgt. Dies ist aber insbesondere bei kleinen Winkeln zwischen der Mittelachse der Kühlungsausnehmung (Bohrungsachse) und der Innenwandung der Turbinenschaufel nicht möglich, da die Strömung schon im Eintrittsbereich auf der Schaufelinnenseite aufgrund der großen Umlenkung ablöst. Dies führt dazu, dass nur ein eingeschnürter Kühlluftstrahl mit größerem Winkel und größerem Impuls, als konstruktiv vorgesehen, in die heiße Außenströmung (Hauptströmung) eingebracht wird. Hierdurch ist eine Senkung bzw. Kühlung der wandnahen Gastemperatur auf der Außenfläche der Turbinenschaufel nur bedingt möglich. Dies wiederum führt zu einer schlechteren Filmkühleffektivität an der Außenfläche der Turbinenschaufel.

Die Ablösung der Strömung in der Kühlungsausnehmung selbst führt auch zu einem ungewollten Einströmen von heißer Luft aus der Außenströmung oder Hauptströmung. Dies wiederum führt zu unzulässigen Temperaturerhöhungen der Wandung der Turbinenschaufel im Bereich der Kühlungsausnehmung. Aus diesem Grunde sind Kühlungsausnehmungen, deren Mittelachsen sich in einem spitzen Winkel zur Wandung der Turbinenschaufel befinden, kaum realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine effektive und wirksame Kühlung der Oberfläche der Turbinenschaufel erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.

Da erfindungsgemäß im Eintrittsbereich der Kühlungsausnehmung deren Mittelachse im Wesentlichen orthogonal zur umgebenden Innenwandung der Turbinenschaufel angeordnet ist, wird eine scharfe, starke Umlenkung der Kühlluftströmung vermieden. Erfindungsgemäß wird diese somit um max. 90° umgelenkt. Hierdurch ergeben sich gute Strömungsverhältnisse in der Kühlungsausnehmung. Es wird insbesondere keine oder nur eine geringe Ablösung der Strömung von der Innenwandung der Kühlungsausnehmung erfolgen. Dies wiederum führt zu dem Resultat, dass die Kühlluftströmung im Wesentlichen ungestört durch die Kühlungsausnehmung (Bohrung) durchgeleitet wird und an der Außenfläche der Turbinenschaufel austreten kann.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene konstruktive Änderung des Eintrittsbereichs der Kühlungsausnehmung (Bohrungseintritt) ist es somit möglich, Kühlungsausnehmungen (Filmkühlungsbohrungen) zu realisieren, die eine weitaus geringere Neigung zu innenliegenden Ablösezonen (bohrungsinterne Ablösezonen) bei gleichzeitiger Erweiterung des bisherigen konstruktiven Raums haben. Hierdurch wird eine verringerte Vermischung der Kühlluft mit der heißen Außenströmung erzielt.

Insgesamt ergibt sich somit eine verbesserte Filmkühleffektivität am Austritt der Kühlungsausnehmung an der Außenfläche der Turbinenschaufel.

Erfindungsgemäß wird somit eine bessere, d.h. verlustarme und "kühlfilmfördernde" Umlenkung der Kühlluft im Eintrittsbereich der Kühlungsausnehmung (Bohrung) realisiert. Hierdurch werden die auftretenden aerodynamischen Verluste reduziert. Die Folge hiervon sind ein geringerer Kühlluftverbrauch (Prozessgewinn) aufgrund höherer Filmkühleffektivität, ein besserer Turbinenwirkungsgrad aufgrund geringerer Mischungsverluste sowie eine Erweiterung des möglichen Konstruktionsraums im Hinblick auf Winkel zwischen der Mittelachse der Kühlungsausnehmung und der Wandung der Turbinenschaufel.

Insgesamt ergeben sich eine Erhöhung der Lebensdauer der Bauteile und geringere Materialanforderungen bei gleichbleibenden Kühlluftmassen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:
1 bis 3 jeweils Teil-Schnittansichten durch eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel.
Die 1 bis 3 unterscheiden sich hinsichtlich des Maßstabs und der Dimensionierungen.
In den Figuren ist eine im Wesentlichen rechtwinkelige Schnitt-Ansicht zur Längsachse einer Turbinenschaufel dargestellt. Diese wird, wie durch die Pfeile A dargestellt, von einer heißen Hauptströmung angeströmt. Die heiße Hauptströmung folgt, wie durch den Pfeil B dargestellt, einer Außenfläche 3 einer Wandung 6 der Turbinenschaufel. Die Turbinenschaufel selbst ist zumindest in Teilbereichen hohl ausgebildet und weist somit einen Innenraum 2 auf, der durch Kühlluft durchströmt wird.
Die Wandung 6 der Turbinenschaufel ist mit mehreren Kühlungsausnehmungen (Bohrungen) 1 durchsetzt, durch welche Kühlluft, wie beispielsweise durch die Pfeile C dargestellt, strömen kann, um an der Außenfläche 3 eine Filmkühlungsschicht (Pfeil D) auszubilden.
Erfindungsgemäß weist die Wandung 6 der Turbinenschaufel an ihrer Innenwandung 4 eine Rippe 5 oder einen Wulst auf. Dieser führt, bezogen auf die aus Gründen der deutlicheren Wiedergabe nicht gezeichnete Mittelachse der Kühlungsausnehmung 1 zu einem orthogonalen oder rechtwinkeligen Eintrittsbereich. Hierdurch muss die eintretende Kühlluftströmung (Pfeile C) max. um 90° umgelenkt werden. Dies führt zu den oben beschriebenen Effekten. Wie in 3 dargestellt, kann der Eintrittsbereich der Kühlungsausnehmung 1 auch durch eine Rippe 7 oder Nut so verändert werden, dass sich ein orthogonaler Einströmbereich ergibt.
Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung vielfältige konstruktive Abwandlungen und Modifikationen möglich sind.

1: Kühlungsausnehmung
2: Innenraum
3: Außenfläche
4: Innenwandung
5: Rippe/Wulst
6: Wandung
7: Rille

Claims

Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit zumindest einer Kühlungsausnehmung (1), welche einen Innenraum (2) der Turbinenschaufel mit deren Außenfläche (3) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich der Kühlungsausnehmung (1) deren Mittelachse im Wesentlichen orthogonal zur umgebenden Innenwandung (4) der Turbinenschaufel angeordnet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandungsbereiche der Kühlungsausnehmung (1) sich im Wesentlichen orthogonal an die umgebende Innenwandung (4) der Turbinenschaufel anschließen.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Kühlungsausnehmung (1) einströmende Kühlluftströmung im Eintrittsbereich um max. 90° umgelenkt wird.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich der Kühlungsausnehmung (1) eine Verdickung der Wandung (6) der Turbinenschaufel ausgebildet ist.
Turbinenschaufel nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung der Wandung (6) in Form einer Rippe oder eines Wulstes (5) ausgebildet ist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich der Kühlungsausnehmung (1) oder an diese angrenzend eine Rille (7) ausgebildet ist.