DE112004000100B4

DE112004000100B4 - Gekühlte Schaufeln eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE112004000100B4
Application number: DE112004000100T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Kitamura; Kenichiro Takeishi; Masaaki Matsuura; Ryoma Nogami
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Aero Engines Ltd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: CN1717534A; CN1717534B; JP2005155364A; US20060210399A1; WO2005049970A1; DE112004000100T5; US7300251B2; JP4191578B2

Abstract

Gekühlte Schaufel (A1, A2, A3, A4) eines Gasturbinentriebwerks, umfassend:
einen Kühlkanal (12), der innerhalb der gekühlten Schaufel (1) ausgebildet ist und eine darin strömende Kühlluft aufweist;
Filmkühllöcher (13, 17), die von einer Innenwandfläche (111) des Kühlkanals (12) zu einer Außenwandfläche (112) der Kühlschaufel (1) durchdringen und einen Kühlfilm auf einer äußeren Fläche der Schaufel bilden; und
ein Prallkühlelement (2), welches eine Vielzahl von die Kühlluft ausstoßenden kleinen Löchern (21) aufweist;
wobei das Prallkühlelement (2) im Kühlkanal (12) angeordnet ist und dabei einen vorbestimmten Zwischenraum entfernt von der Innenwandfläche (111) zulässt;
wobei der zwischen der Innenwandfläche (111) und dem Prallkühlelement (2) befindliche Zwischenraum einen Dichtungsabschnitt (14) aufweist, der den Zwischenraum in einer Schaufelsehnenrichtung teilt;
wobei die Filmkühllöcher (13, 17) sich unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Schaufelwand (11) der gekühlten Schaufel (1) neigen;
wobei die Innenwandfläche (111) der Schaufelwand (11) ein Kühllufteinführelement (3,...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf gekühlte Schaufeln von Gasturbinentriebwerken des kleinen Typs, die für Flugzeuge und dergleichen verwendet werden sollen, und bezieht sich insbesondere auf gekühlte Schaufeln, die als Turbinenschaufeln verwendet werden.
Stand der Technik
Heutzutage werden Gasturbinen als Kraftquelle für verschiedene Arten von Maschinen und Einrichtungen verwendet. Z.B. werden sie für Kraftwerksanwendungen verwendet, in dem der Generator an deren Hauptwelle angeschlossen wird, oder sie werden als Triebwerke verwendet, die Gasturbinen als Kraftquelle für den Transport verwenden, wie z.B. Flugzeuge und dergleichen.
5 ist eine schematische Zeichnung eines Gasturbinentriebwerks. Ein in 5 gezeigtes Gasturbinentriebwerk GT weist einen an einer Lufteinlassöffnung installiertes Ansaugschaufelrad Kf auf; einen die angesaugte Luft komprimierenden Kompressor Cp; einen Treibstoffe unter Benutzung der durch den Kompressor Cp komprimierten Luft verbrennenden Brennraum Bs; eine von dem aus dem Brennraum Bs ausgestoßenen Verbrennungsgas angetriebene Turbine Tb; und eine das Verbrennungsgas zur Erzeugung von Schub ausstoßende Düse Nz. Das Ausgangschaufelrad Kf, der Kompressor Cp und die Turbine Tb sind miteinander durch eine gleiche rotierende Welle verbunden, treiben die Turbine Tb mit dem Verbrennungsgas an, und treiben durch Drehen der rotierenden Welle das Ausgangschaufelrad Kf und den Kompressor Tb an.
Die Turbine Tb weist stationäre und rotierende Schaufeln auf. Die stationären Schaufeln richten die Strömung des auf sie geblasenen Verbrennungsgases aus, während sich die rotierenden Schaufeln mit der rotierenden Welle in der Mitte drehen, indem das Verbrennungsgas auf sie geblasen wird. Das auf die stationären und die rotierenden Schaufeln aufgeblasene Verbrennungsgas ist ein Gas sehr hoher Temperatur, wodurch Fehler wie z.B. thermische Verformung und Schäden und dergleichen aufgrund von Hitze erzeugt werden. Um das Auftreten dieser Fehler zu vermeiden, werden die Schaufeln gekühlt.
Ein Verfahren zum Kühlen der Schaufeln ist offenbart, wobei ein Teil der komprimierten Luft, die von dem Kompressor Cp komprimiert und der Brennkammer Bs zugeführt wird, der Turbine Tb zugeführt wird, um als Kühlmittel zur Kühlung der Schaufeln verwendet zu werden. Bei dieser Methode werden die Schaufeln gekühlt, indem die Kühlungsluft innerhalb der Schaufeln strömt. Unter den Verfahren zur Kühlung von Schaufeln gibt es ein Filmkühlverfahren, ein Prallkühlverfahren, ein Transpirationskühlverfahren und dergleichen.
Um Turbinenschaufeln von Hochtemperaturgasturbinentriebwerken zu kühlen, wird nach Durchführung des Prallkühlverfahrens auch das Filmkühlverfahren verwendet. 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer gekühlten Schaufel eines Hochtemperaturgasturbinentriebwerks.
Eine in 6 gezeigte gekühlte Turbinenschaufel B weist einen Kühlkanal 91 auf, der in deren Inneren geformt ist, wo die Kühlluft strömt. Innerhalb des Kühlkanals 91 ist ein Einsatz 92 angebracht, der mit einer Vielzahl von kleinen Löchern zum Ausstoßen der Kühlluft ausgebildet ist, wobei ein Abstand von einer Innenwandfläche 901 einer Schaufelwand 90 gelassen wird. Die in den Kühlkanal 91 strömende Kühlluft wird ungefähr gleichmäßig durch kleine Löcher 921 im Einsatz 92 auf die innere Wandfläche 901 des Kühlkanals 91 geblasen und kühlt die innere Wandfläche 901 und eine Umgebung der inneren Wand, was ein sogenannten Prallkühlen darstellt.
Zusätzlich weist die gekühlte Schaufel B darin ausgebildete Filmkühllöcher 93 auf, die vom Kühlkanal 91 nach außen durchdringen. Als Ergebnis wird die Kühlluft, die das Prallkühlen vollendet hat, durch die Filmkühllöcher 93 auf eine externe Wandfläche 902 der gekühlten Turbinenschaufel B ausgestoßen, wobei sie eine Kühldichtung bildet und die gekühlte Turbinenschaufel B von außen kühlt.
Die oben genannten Kühlverfahren finden breiten Einsatz in Gasturbinen für industrielle Verwendung, wie z.B. bei Gasturbinen, die in Kraftwerksanwendungen und dergleichen verwendet werden.
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich verschiedener Arten von Parametern der gekühlten Schaufeln von Gasturbinentriebwerken des kleinen Typs, die für Flugzeuge und dergleichen verwendet werden, mit jenen der gekühlten Schaufeln von Gasturbinen für industrielle Anwendung, wie z.B. Stromerzeugung und dergleichen. Die in Tabelle 1 gezeigten Parameter beinhalten den Lochdiameter d der Filmkühllöcher, die Sehnenlänge C, die Schaufelwanddicke δ (siehe die später beschriebenen 7 und 9), das Verhältnis d/C des Filmlochdurchmessers zur Sehnenlänge und das Verhältnis d/δ des Filmkühllochdurchmessers zur Schaufelwanddicke. 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Schaufel und einen Graph, der eine Verteilung des statischen Drucks um die Schaufel herum zeigt. Die im Graph gezeigte Verteilung des statischen Drucks um eine Schaufel herum ist für eine dimensionslose Schaufel.
Tabelle 1
Wie in Tabelle 1 gezeigt, beträgt bei Gasturbinen für industrielle Verwendung das Verhältnis d/C des Filmkühllochdurchmessers mit der Sehnenlänge 0,004, während bei Gasturbinentriebwerken des kleinen Typs das Verhältnis 0,013 beträgt, was ein großer Wert ist. In dem in 7 gezeigten Graph haben die Schaufeln keine Dimension und das Verhältnis von Filmkühllöchern der kleinen Gasturbinentriebwerke und das Verhältnis jener der Gasturbinen für industrielle Verwendung sind als 81 und 82 im Graph bezeichnet. Aus dem Graph ist ersichtlich, dass das Verhältnis 81 der Filmkühllöcher der kleinen Gasturbinentriebwerke zu den Schaufeln größer ist als das Verhältnis 82 jener der Gasturbinen für industrielle Verwendung zu den Schaufeln, und es ist ebenso ersichtlich, dass Druckschwankungen am Auslass der Filmkühllöcher der kleinen Gasturbinentriebwerke höher werden. Als Ergebnis wird es einfacher, dass das Verbrennungsgas rückwärts durch die Filmkühllöcher strömt. Um einen Rückfluss zu verhindern, ist es daher notwendig eine Begrenzung für einen Rückfluss zu erhöhen. Es ist nämlich notwendig eine große Menge von Kühlluft fließen zu lassen.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Filmkühllochs. Ein Filmkühlloch 93 ist so ausgebildet, dass es sich zur Schaufelwand 90 um einen vorbestimmten Winkel neigt. In der Umgebung einer inneren Wandfläche 901 einer gebogenen Oberfläche 931 auf der Innenwandseite des Filmkühllochs 93 tritt abblätternde Kühlluft auf, wobei die Kühlluft von der gebogenen Oberfläche 931 auf der Innenwandseite des Filmkühllochs 93 wegströmt und daraufhin der Fluss der Kühlluft wieder an der gebogenen Oberfläche 931 auf der Innenwandseite des Filmkühllochs 93 in der Nähe der Außenwandfläche 902 des Filmkühllochs 93 anhaftet.
Wobei, wenn das Filmkühlloch 93 keine ausreichende Länge aufweist, die länger als eine vorbestimmte Länge ist, die Strömung der Kühlluft nicht wieder am Filmkühlloch 93 anhaftet und Arbeitsfluid hoher Temperatur rückwärts von außen zu einem Abschnitt strömt, an dem die Abblätterung des Kühlluftflusses auftritt. Dies vermindert die Kühlwirkung.
Gasturbinen für industrielle Verwendung weisen ein Verhältnis d/δ des Filmkühllochdurchmessers mit der Schaufelwanddicke von 0,16 auf, während kleine Gasturbinentriebwerke ein Verhältnis von 0,33 aufweisen, was ein großer Wert ist. Daher hat das Filmkühlloch 93 Schwierigkeiten, eine ausreichende Länge dafür zu haben, dass der Kühlluftfluss daran wieder anhaftet, und es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Rückflusses, wodurch ein nachteiliger Effekt auf die Kühlwirkung des Filmkühlens gegeben wird. Zusätzlich ist es schwierig geformte Kühllöcher anzuwenden.
Wie in 7 gezeigt, wird ebenso der statische Druck um die Schaufeln herum zur stromabwärts gelegenen Seite der Strömung um die Schaufel geringer. Als Ergebnis fließt das in das Innere der gekühlten Turbinenschaufel B fließende Arbeitsfluid durch einen Spalt zwischen dem Einsatz 92 und der Innenwand 901 des Kühlkanals 91 zur stromabwärts gelegenen Seite, wodurch die Kühlwirkung des Prallkühlens bedeutend verschlechtert wird.
Aus der DE 26 40 827 A1 ist eine gekühlte Schaufel einer Gasturbine bekannt, bei der Filmkühllöcher in einem Prallkühlelement vorgesehen und Vorsprünge in einem Zwischenraum zwischen dem Prallkühlelement und der Schaufelinnenwand auf der Schaufelinnenwand angeordnet sind. Es werden jedoch keine Strukturen zum Lenken und Einführen der Kühlluft in die Filmkühllöcher offenbart.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung gekühlte Turbinenschaufeln für kleine Gasturbinentriebwerke zu entwickeln, welche einen einfachen Aufbau aufweisen, jedoch die Kühlwirkung steigern können, ohne die Menge an Kühlluft zu vergrößern.
Um die oben genannte Aufgabe zu erzielen, ist entsprechend der vorliegenden Erfindung eine gekühlte Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk versehen mit: einem Kühlkanal, der innerhalb der gekühlten Schaufel ausgebildet ist und darin den Kühlluftfluss aufweist; Filmkühllöcher, die von einer inneren Wandfläche des Kühlkanals zu einer äußeren Wandfläche der gekühlten Schaufel durchdringen und einen Kühlfilm auf deren äußeren Fläche bilden; und ein Prallkühlelement, welches eine Vielzahl von kleinen Löchern aufweist, durch die die Kühlluft ausgestoßen wird; und gekennzeichnet ist durch:
wobei das Prallkühlelement innerhalb des Kühlkanals angeordnet ist und dabei einen vorbestimmten Zwischenraum entfernt von der Innenwandfläche lässt;
wobei der von der Innenwandfläche und dem Prallkühlelement gebildete Zwischenraum einen darin angebrachten Dichtungsabschnitt aufweist, der den entsprechenden Zwischenraum in einer Richtung der Schaufelsehne aufteilt; und
wobei der Dichtungsabschnitt zwischen Filmkühllöchern ausgebildet ist, welche in Schaufelsehnenrichtung nah beieinander liegen;
wobei die Filmkühllöcher so gebildet sind, dass sie sich unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Schaufelwand der gekühlten Schaufel neigen;
wobei die Innenwandfläche der Schaufelwand ein Kühllufteinführelement aufweist, das das sich unter dem selben Neigungswinkel neigt wie die Filmkühllöcher und in einer geraden Linie mit einem gekrümmten Abschnitt auf der Innenwandseite des Filmkühllochs angebracht ist;
wobei eine Mehrzahl an Vorsprüngen an der Innenwandfläche eines Zwischenraums vorgesehen ist, der durch den Dichtungsabschnitt geteilt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A bis 1D beschreiben eine gekühlte Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk des kleinen Typs entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A bis 2E sind vergrößerte Ansichten einer gekühlten Turbinenschaufel entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A bis 3C beschreiben eine gekühlte Turbinenschaufel entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A und 4b sind vergrößerte Schnittansichten einer gekühlten Turbinenschaufel entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Zeichnung eines herkömmlichen Gasturbinentriebwerks des kleinen Typs.
6 ist eine Schnittansicht, die eine gekühlte Turbinenschaufel eines herkömmlichen Hochtemperaturgasturbinentriebwerks zeigt.
7 beinhaltet eine Querschnittansicht einer Schaufel und einen Graph, der eine Verteilung des statischen Drucks um die Schaufel zeigt.
8 ist eine Querschnittsansicht eines Filmkühllochs.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Unter Bezug auf die Zeichnungen wird nun im Folgenden eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1A ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer gekühlten Schaufel eines Gasturbinentriebwerks des kleinen Typs entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ebenso ist 1B eine Querschnittsansicht, gesehen von (der Schnittlinie) X-X einer in 1A gezeigten gekühlten Schaufel eines Gasturbinentriebwerks des kleinen Typs. 1C ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts in einem Kreis in 1B. 1D ist eine Frontansicht einer Innenwandfläche der in 1A gezeigten gekühlten Turbinenschaufel, wenn die Schaufelwandfläche in ein Rechteck geschnitten wird.
Ein Gasturbinentriebwerk weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie ein in 5 gezeigtes herkömmliches Gasturbinentriebwerk auf. In anderen Worten umfasst ein Gasturbinentriebwerk GT ein Ausgangschaufelrad Kf, das an der Luftausgangöffnung installiert ist; einen die angesaugt Luft komprimierenden Kompressor Cp; eine Brennkammer Bs, die Kraftstoffe unter Verwendung von durch den Kompressor Cp komprimierter Luft verbrennt; eine Turbine Tb, die durch das angeblasene, aus der Brennkammer Bs ausgestoßene Verbrennungsgas angetrieben wird; und eine Düse Nz, die Verbrennungsgas zur Erzeugung von Schub ausstößt. Das Ansaugschaufelrad Kf, der Kompressor Cp und die Turbine Tb sind miteinander durch dieselbe rotierende Welle verbunden, treiben die Turbine Tb mit Verbrennungsgas an, treiben durch Drehen der rotierenden Welle das Ansaugschaufelrad Kf und den Kompressor Cp an.
Eine in 1A, 1B, 1C und 1D gezeigte, gekühlte Turbinenschaufel A1 ist versehen mit einer Schaufelwand 11, die einen Umfang einer gekühlten Schaufel 1 bildet; einem Kühlkanal 12, der ein von der Schaufelwand 11 umgebener Abschnitt ist, um die Kühlluft darin strömen zu lassen; und einem Einsatz 2, der ein Prallkühlelement zur Durchführung von Prallkühlung ist, das innerhalb der Kühlkanals 12 angeordnet ist und dabei einen vorbestimmten Zwischenraum t entfernt von einer Innenwandfläche 111 der Schaufelwand 11 lässt.
Die Schaufelwand 11 weist darin ausgebildete Filmkühllöcher 13 auf, die von einer Innenwandfläche 111 zu einer Außenwandfläche 112 durchdringen. Wie in 1B gezeigt, sind eine Vielzahl von Filmkühllöchern 13 auf einer Linie in einer die Schaufelsehnenrichtung schneidenden Richtung ausgebildet. Eine Vielzahl von Filmkühllöchern 13 sind ebenso auf einer Linie in der Schaufelsehnenrichtung ausgebildet, d.h. sie sind in einer sogenannten Matrixanordnung ausgebildet. Zusätzlich bildet aus den Filmkühllöchern 13 ausströmende Kühlluft einen Kühlfilm auf der Außenwandfläche 112 der Schaufelwand 11 um so die Schaufel von der äußeren Oberfläche her zu kühlen.
Wie in 1B und 1C gezeigt, weist der Einsatz 2 eine Vielzahl von darin ausgebildeten Löchern 21 mit einem kleinen Durchmesser auf (im Folgenden als „kleine Löcher 21" bezeichnet, und führt sogenanntes Prallkühlen durch, welches ein Kühlverfahren einer Schaufel ist, in dem die Kühlluft durch kleine Löcher 21 ausgestoßen wird und die Kühlluft gegen die Innenwandfläche 111 der Schaufelwand 11 geblasen wird.
Wie in 1C und 1D gezeigt, weist zusätzlich ein Zwischenraum t zwischen der Innenwandfläche 11 der Schaufelwand 11 einer gekühlten Schaufel A und dessen Einsatz 2 einen darin angebrachten Dichtungsabschnitt 14 auf, der den Zwischenraum t aufteilt. Der Dichtungsabschnitt 14 dichtet einen in Sehnenrichtung strömenden Fluidfluss ab und ist hier, ohne darauf beschränkt zu sein, ganzheitlich mit der Schaufelwand 11 ausgebildet. Der Dichtungsabschnitt 14 kann auf irgendeine andere Weise als hier oben besonders beschrieben ausgebildet sein; er kann ganzheitlich mit dem Einsatz 2 ausgebildet sein oder er kann als ein von der Schaufelwand 11 und dem Einsatz 2 separates Element ausgebildet sein.
1D zeigt eine Frontansicht einer Innenwandfläche einer gekühlten Schaufel, wenn die Schaufelwandfläche in ein Rechteck geschnitten wird. Auf der in 1D gezeigten Innenwandfläche strömt ein Hauptstrom von innerhalb einer Turbine strömendem Arbeitsfluid von rechts nach links in der Figur (in der Figur mit einem Pfeil ar1 bezeichnet). In anderen Worten strömt die Strömung um die Schaufel in Richtung des Pfeils ar1. Wie in 1C und 1D gezeigt, ist der Dichtungsabschnitt 14 in der Richtung angeordnet, die dem Fluss der Hauptströmung (Schaufelsehnenrichtung) zwischen den benachbarten Filmkühllöchern 13 schneidet.
Das Anordnen des Dichtungsabschnitts 14 auf die oben beschriebene Weise macht es möglich, im Zwischenraum t zwischen der Innenwandfläche 111 und dem Einsatz 2 das Auftreten der in Schaufelsehnenrichtung aufgrund der Verteilung des statischen Drucks um die Schaufel herum und ähnlichem strömenden Luftströmung zu verhindern. Wenn im Zwischenraum t eine Strömung auftritt, strömt Hochtemperaturarbeitsfluid innerhalb der Turbine Tb rückwärts aus den Filmkühllöchern 13, wodurch die Kühlwirkung der Schaufel verschlechtert wird. Durch Installieren des Dichtungsabschnitts 14 und das dementsprechende Verhindern der Erzeugung der Luftströmung tritt Rückströmung nur schwer auf, wodurch es möglich gemacht wird, die Verschlechterung der Kühlwirkung der Schaufel zu begrenzen. Zusätzlich sind Filmkühllöcher in einer Längsrichtung der Schaufeloberfläche (in der Fig. von oben/unten nach unten/oben) in einem von dem Dichtungsabschnitt 14 abgetrennten Bereich ausgebildet. In dieser Richtung ist die Druckschwankung gering und Rückströmung tritt wegen des oben genannten Grundes schwerlich auf.
Darüber hinaus behandelt die oben genannte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Beispiel, in dem Filmkühllöchern in der Längsrichtung (von oben/unten nach unten/oben in der Figur) der Schaufeloberfläche in einem durch den Dichtungsabschnitt 14 abgetrennten Bereich ausgebildet sind, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Ein Bereich der von einem in Schaufelsehnenrichtung im Dichtungsabschnitt 14 installierten Dichtungsabschnitt abgetrennt wird, kann ein darin ausgebildetes Filmkühlloch 13 aufweisen oder kann eine vorbestimmte Anzahl von darin ausgebildeten, benachbarten Filmkühllöchern 13 aufweisen.
2A zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer gekühlten Turbinenschaufel entsprechend der vorliegenden Erfindung. 2B ist eine Frontansicht einer Innenwandfläche der in 2A gezeigten gekühlten Schaufel wenn die Schaufelwandfläche in ein Rechteck geschnitten wird. 2C, 2D und 2E zeigen Frontansichten von Innenwandflächen einer Vielzahl von Arten von Vorsprüngen. Die in 2A und 2B gezeigte gekühlte Turbinenschaufel ist auf dieselbe Weise aufgebaut, wie die in jeder Illustration der 1A, 1B, 1C und 1D gezeigten gekühlten Turbinenschaufel A1, außer dass deren Innenwandfläche darauf ausgebildete Vorsprünge aufweist und im Wesentlichen dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Eine in 2A und 2B gezeigte gekühlte Turbinenschaufel A2 weist auf der Innenwandfläche ausgebildete rippenförmige Vorsprünge 15 auf. Die Vorsprünge 15 haben hier, ohne darauf beschränkt zu sein, Vorsprünge in einer Form einer sich in der senkrechten Richtung zu den Dichtungsabschnitten 14 erstreckenden Rippe.
Die rippenförmigen Vorsprünge 15 sind so angeordnet, dass sie nicht in Kontakt mit dem Einsatz 2 geraten, wodurch es möglich gemacht wird, die Oberfläche zu erweitern, gegen welche die aus den kleinen Löchern 21 zum Prallkühlen im Einsatz 2 ausgestoßene Kühlluft geblasen wird. Im Fall des Kühlens der Schaufel A2 mit der gleichen Menge von Kühlluft wird im Vergleich mit einer Schaufel ohne Vorsprünge die Kühlluft leicht zu einer turbulenten Strömung, sodass die Schaufel A2 eine hohe Kühlfähigkeit aufweisen wird. Die die rippenförmigen Vorsprünge 15 auf der Innenwandfläche 111 angebracht sind, gegen die die Kühlluft geblasen wird, wird zusätzlich die gegen die rippenförmigen Vorsprünge 15 geblasene Kühlluft leicht eine turbulente Strömung, und dadurch, dass die Kühlluft leicht eine turbulente Strömung bekommt, kann die die Leistungsfähigkeit der Kühlluft vergrößert werden.
Des Weiteren können als die in 2A und 2B gezeigten Vorsprünge 151 die rippenförmigen Vorsprünge 151a und 151b, in zwei geteilt, installiert werden. Dabei kann gezeigt werden, dass die rippenförmigen Vorsprünge 151a und 151b symmetrisch um die Filmkühllöcher 13 herum angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird die durch die kleinen Löcher 21 zum Prallkühlen im Einsatz 2 geblasene Kühlluft gegen die rippenförmigen Vorsprünge 151a und 151b geblasen, was eine turbulente Strömung, ergibt. Da die Zwischenräume zur Installierung der rippenförmigen Vorsprünge 151a und 151b um die Filmkühllöcher 13 herum vorhanden sind, wird danach die Kühlluft gleichmäßig durch die Filmkühllöcher 13 zur Außenseite der Schaufel ausgestoßen, wodurch ein Kühlfilm auf der Außenfläche der Schaufel ausgebildet wird. Die rippenförmigen Vorsprünge 151a und 151b sind zweigeteilte Stücke, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Anzahl von Unterteilungen der Vorsprünge 15 kann derartig gewählt werden, dass die Strömung der Kühlluft leicht eine turbulente Strömung wird und dass die Kühlluft gleichmäßig in die Filmkühllöcher 13 strömt.
Darüber hinaus können als die in 2C gezeigten Vorsprünge 152 die rippenförmigen Vorsprünge 152 angebracht werden, sodass sie sich zu dem Dichtungsabschnitt 14 unter einem vorbestimmten Winkel neigen. Damit ist es möglich, die durch die kleinen Löcher 21 zum Prallkühlen im Einsatz 2 ausgestoßene Kühlluft eine turbulente Strömung mit hoher Effizienz werden zu lassen, und es ist möglich dementsprechend die Kühlwirkung zu vergrößern. Darüber hinaus zeigen die in 2C gezeigten Vorsprünge beispielhaft, dass eine Vielzahl von rippenförmigen Vorsprüngen 152 zueinander parallel unter denselben Winkeln geneigt angebracht sind, aber nicht darauf beschränkt sind. Es kann möglich sein, den Winkel der rippenförmigen Vorsprünge auf geeignete Weise so zu verändern, dass die Kühlluft leicht eine turbulente Strömung wird.
Des Weiteren können als die in 2D gezeigten Vorsprünge 153 rippenförmige Vorsprünge 153a und 153b, in zwei geteilt, angebracht werden, sodass sie sich zu den Dichtungsabschnitten 14 unter einem vorbestimmten Winkel neigen. Damit wird die durch die kleinen Löcher 21 zum Prallkühlen im Einsatz 2 geblasene Kühlluft leicht eine turbulente Strömung nachdem sie gegen die rippenförmigen Vorsprünge 153a und 153b stößt, wodurch sie in der Lage ist, die Innenwandfläche 111 ausreichend zu kühlen sowie einen Kühlfilm zu bilden, indem sie gleichmäßig durch die Filmkühllöcher 13 zur Außenseite der Schaufel hin ausgestoßen wird. Zweigeteilte rippenförmige Vorsprünge 153a und 153b sind auf einer Linie angeordnet und benachbarte rippenförmige Vorsprünge 153 sind so platziert, dass sie sich unter demselben Neigungswinkel neigen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Benachbarte rippenförmige Vorsprünge können mit verschiedenen Neigungswinkeln angebracht werden, und können darüber hinaus in zwei Linien geordnet werden, die sich am untern Ende als die rippenförmigen, zweigeteilten Vorsprünge 153c und 153d ausbreiten.
Als die in 2E gezeigten Vorsprünge 154 können zylindrische Vorsprünge 154 auf eine fein verteilte Weise auf einem Abschnitt der inneren Schaufelwandfläche 111 angeordnet werden, wo keine Filmkühllöcher 13 liegen. In diesem Fall ist es möglich eine breite Fläche zu erzeugen, auf die die Kühlluft auftrifft, und da die Strömung in der Kühlluft leicht eine turbulente Strömung wird, kann eine gekühlte Turbinenschaufel dementsprechend eine höhere Kühlfähigkeit aufweisen.
Im Falle, dass eine der oben genannten Vorsprünge 15, 151, 152, 153 und 154 vorgesehen sind, und da es möglich ist, die Fläche auszuweiten, auf die die Kühlluft auftrifft, ist im Vergleich mit einer Schaufel ohne vorgesehene Vorsprünge effizientes Kühlen mit der gleichen Menge von Kühlluft möglich. Zusätzlich kann jeder der oben genannten Vorsprünge ganzheitlich mit der Innenwandfläche 111 ausgebildet sein, oder er kann separat ausgebildet sein und dann an der Innenwandfläche 111 angebracht werden. Da die Vorsprünge 15, 151, 152, 153 und 154 an der Schaufelwand 11 angebracht sind, können des Weiteren solche Effekte erwartet werden, wie z.B. die Erhöhung der Festigkeit der Schaufelwand 11 und eine Beschränkung der Resonanz.
3A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Innenseite einer Wandfläche einer gekühlten Turbinenschaufel entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3B beschreibt eine Anordnung der Innenwandfläche einer gekühlten Turbinenschaufel, wenn die gekühlte Schaufel in ein Rechteck geschnitten wird. Die in 3A und 3B gezeigte gekühlte Turbinenschaufel weist im Wesentlichen einen ähnlichen Aufbau auf, wie eine in jeder Illustration in 1A, 1B, 1C und 1D gezeigte gekühlte Turbinenschaufel, mit Ausnahme, dass darauf ein Kühlluft einführendes Element vorgesehen ist, und dieselben Abschnitte werden im Wesentliche mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in 3A und 3B gezeigte gekühlte Turbinenschaufel A3 ist mit einem Kühlkanal 12, indem die Kühlluft fließt, und einem Einlass 2 versehen, der im Kühlkanal 12 installiert ist, und dabei einen vorbestimmten Zwischenraum entfernt von der Innenwandfläche 111 der Schaufelwand 11 lässt. Durch die Schaufelwand 11 sind Filmkühllöcher 13 ausgebildet, die von der Innenwandfläche 111 zur Außenwandfläche 112 durchdringen, um die Kühlluft strömen zu lassen. Die Filmkühllöcher 13 sind so ausgebildet, dass sie sich zur Schaufelwand 11 unter einem vorbestimmten Winkel neigen.
Die Innenwandfläche 111 weist ein auf einer geraden Linie angebrachtes, Kühlluft einführendes Element 3 mit einem gebogenen Abschnitt 131 auf der Innenwandseite des Filmkühllochs 13 auf. Wenn die Kühlluft durch das Filmkühlloch 13 strömt und aus der Schaufel nach außen strömt, und dabei einen Kühlfilm bildet, tritt in der Umgebung 13a der Innenwandfläche 111 des gebogenen Abschnitts 131 auf der Innenwandseite des Filmkühllochs 13 eine sogenannte Abblätterungserscheinung auf, wobei die Kühlluft vom Filmkühlloch 13 wegströmt. Danach haftet die Kühlluft wieder am gebogenen Abschnitt 131 auf der Innenwandseite auf der Innenwandseite des Filmkühllochs 13 in der Nähe der Außenwandfläche 112 an und wird durch eine Öffnung auf der Seite der Außenwandfläche 112 ausgestoßen.
Da durch das Installieren des Kühlluft einführenden Elements 3 die Kühlluft strömt, das Kühllufteinführelement 3 als ein Teil des gebogenen Abschnitts 131 auf der Innenwandseite der Innenwandfläche des Filmkühllochs 13 nehmend, ist es möglich, dass die Kühlluft eine für deren Wideranhaften ausreichende Länge erzeugt, und dadurch die Abblätterung dort auftreten lässt, wo das Kühlluft einführende Element 3 angebracht ist, und die Kühlluft an einem Abschnitt in der Nähe der Innenwandfläche 111 des Filmkühllochs 13 wieder anhaften lässt. Daher wird die Kühlluft durch das Filmkühlloch 13 auf eine stabile Weise ausgestoßen, wodurch der Kühlfilm stabil ausgebildet wird.
Wie in 3B gezeigt, kann das Kühlluft einführende Element 3 ebenso ganzheitlich in der Längsrichtung der Schaufelfrontfläche (von oben/unten nach unten/oben in der Figur) ausgebildet werden, oder jedes Kühlluft einführende Element 3 kann für jedes Filmkühlloch 13 installiert werden.
Des Weiteren, wie in 3C gezeigt, kann ein Kühlluft einführendes Element 32 zum Einsatz 2 hin ausgedehnt werden und eine dem Dichtungsabschnitt 14 äquivalente Wirkung aufweisen. In diesem Fall muss der Dichtungsabschnitt 14 nicht separat angebracht werden, sodass es möglich ist einen einfachen Aufbau zu bilden.
Ebenso zeigt eine in jeder Illustration in 3A, 3B, 3C und 3D gezeigte gekühlte Turbinenschaufel, dass ein Kühlluft einführendes Element 3 an der Innenwandfläche 111 installiert ist, an der ein Einsatz 2 für Prallkühlung angebracht ist, jedoch nicht darauf beschränkt ist. Das Kühlluft einführende Element 3 kann an der Innenwandfläche 111 installiert werden, die keinen zum Prallkühlen angebrachten Einsatz 2 aufweist. Wenn keine Einsätze angebracht sind, wird ein Kühlluft einführendes Element auf der Innenwandfläche der Schaufel ohne darauf ausgebildete Dichtungsabschnitte angebracht und das Kühlluft einführende Element kann als ein Element wirken, welches es fördert, dass die Kühlluft eine turbulente Strömung wird.
4A zeigt eine schematische Draufsicht und eine vergrößerte Schnittansicht eines Filmkühllochabschnitts einer gekühlten Turbinenschaufel entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4B zeigt eine schematische Draufsicht und eine vergrößerte Querschnittsansicht einer gekühlten Turbinenschaufel, die mit einem anderen Beispiel eines Filmkühllochs versehen ist. Eine in 4A und 4B gezeigte gekühlte Turbinenschaufel A4 ist dieselbe wie die gekühlte Turbinenschaufel A, die in jeder Illustration der 1 Serie gezeigt ist, außer den Filmkühllöchern. Dieselben Abschnitte sind im Wesentlichen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein Filmkühlloch 16 der in 4A gezeigten gekühlten Turbinenschaufel A4 weist eine Anordnung auf, die einen geraden Lochabschnitt 161 und einen geformten Lochabschnitt 162 verbindet. Der gerade Lochabschnitt 161 ist auf der Seite der Innenwandfläche 111 der Schaufelwand 11 ausgebildet und hat eine ausreichende Länge L, um die oben genannte Kühlluft stabil strömen zu lassen, nachdem sie abblättert und wieder anhaftet. Danach ist daran ein geformtes Loch 162 angeschlossen, welches so aufgebaut ist, dass es sich auf beiden Seiten entlang der Schaufelwand 11 aufweitet. Der Aufweitwinkel des geformten Lochabschnitts 162 ist, ohne darauf beschränkt zu sein, z.B. 10 bis 15°.
Dadurch, dass das Filmkühlloch 16 mit dem geraden Lochabschnitt 161 auf der Seite der Innenwandfläche 111 ausgebildet ist und mit dem geformten Lochabschnitt 162 an dessen Ende auf der Seite der Außenwandfläche 112 ausgebildet ist, kann die Kühlluft durch das Filmkühlloch 16 stabil strömen und einen Kühlfilm mit einer hohen Kühlwirkung auf der Außenwandfläche 112 bilden.
Als ein in 4B gezeigten Filmkühlloch 17 kann ein geformter Lochabschnitt 162 auf der Seite der äußeren Wandfläche des geraden Lochabschnitts 171 verbunden werden und kann einen in dem geformten Lochabschnitt 172 ausgebildeten, zurückversetzten Abschnitt 173 aufweisen, der so aufgebaut ist, dass er in der die Schaufeloberfläche schneidenden Richtung eingegraben ist. Durch das Ausbilden des zurückversetzten Abschnitts 173 kann die Kühlluftströmung stabilisiert werden, sodass sie stabil einen Kühlfilm bilden kann, wodurch die Kühlwirkung vergrößert wird. Der Öffnungswinkel des zurückversetzten Abschnitts 173 ist, ohne darauf beschränkt zu sein, z.B. 10 bis 15°.
Die in 1, 2, 3 und 4 gezeigten gekühlten Schaufeln A1 bis A4 weisen einen für das Prallkühlen angebrachten Einsatz 2 auf, der allgemein auf stationäre Schaufeln angewendet wird, ohne darauf beschränkt zu sein, und auf rotierende Schaufeln angewendet werden kann.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, ist es mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, die Kühlwirkung einer gekühlten Turbinenschaufel zu steigern, ohne die Kühlluft (mengenmäßig) zu vergrößern, wodurch es möglich gemacht wird, die Betriebseffizienz eines Gasturbinentriebwerks dementsprechend zu erhöhen. Zusätzlich ist es trotz eines einfachen Aufbaus möglich, die Kühlwirkung einer gekühlten Turbinenschaufel zu steigern und die Betriebseffizienz eines Gasturbinentriebwerks zu erhöhen, und dabei die Herstellungskosten der Turbinenschaufel auf ein geringes Niveau zu beschränken.

Claims

Gekühlte Schaufel (A1, A2, A3, A4) eines Gasturbinentriebwerks, umfassend: einen Kühlkanal (12), der innerhalb der gekühlten Schaufel (1) ausgebildet ist und eine darin strömende Kühlluft aufweist; Filmkühllöcher (13, 17), die von einer Innenwandfläche (111) des Kühlkanals (12) zu einer Außenwandfläche (112) der Kühlschaufel (1) durchdringen und einen Kühlfilm auf einer äußeren Fläche der Schaufel bilden; und ein Prallkühlelement (2), welches eine Vielzahl von die Kühlluft ausstoßenden kleinen Löchern (21) aufweist; wobei das Prallkühlelement (2) im Kühlkanal (12) angeordnet ist und dabei einen vorbestimmten Zwischenraum entfernt von der Innenwandfläche (111) zulässt; wobei der zwischen der Innenwandfläche (111) und dem Prallkühlelement (2) befindliche Zwischenraum einen Dichtungsabschnitt (14) aufweist, der den Zwischenraum in einer Schaufelsehnenrichtung teilt; wobei die Filmkühllöcher (13, 17) sich unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Schaufelwand (11) der gekühlten Schaufel (1) neigen; wobei die Innenwandfläche (111) der Schaufelwand (11) ein Kühllufteinführelement (3, 32) aufweist, das sich unter dem selben Neigungswinkel neigt wie die Filmkühllöcher (13, 17) und in einer geraden Linie mit einem gekrümmten Abschnitt auf der Innenwandseite (131) des Filmkühllochs (13, 17) angebracht ist; wobei der Dichtungsabschnitt (14) zwischen in einer Schaufelsehnenrichtung benachbarten Filmkühllöchern (13, 17) angebracht ist; und wobei eine Mehrzahl an Vorsprüngen (151a, 151b, 153a, 153b, 153c, 153d, 154) an der Innenwandfläche (111) des Zwischenraums vorgesehen ist, der durch den Dichtungsabschnitt (14) geteilt ist.
Gekühlte Schaufel eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass je ein Kühllufteinführelement (31) für jedes Filmkühlloch (13, 17) installiert ist.
Gekühlte Schaufel eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (151a, 151b) zweigeteilt und rippenförmig sind, und dass die Vorsprünge (151a, 151b) symmetrisch um die Filmkühllöcher (13, 17) herum angeordnet sind.
Gekühlte Schaufel eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (153a, 153b) zweigeteilt und rippenförmig sind, und dass die Vorsprünge (153a, 153b) in einer Linie angeordnet sind und zwar so, dass sie unter einem vorbestimmten Winkel relativ zum Dichtungsabschnitt (14) geneigt sind.
Gekühlte Schaufel eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (153c, 153d) zweigeteilt und rippenförmig sind, und dass die Vorsprünge (153c, 153d) in zwei sich am Boden ausbreitende Linien angeordnet sind.
Gekühlte Schaufel eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet dass die Vorsprünge (154) zylindrisch sind und auf verteilte Weise auf einem Abschnitt der inneren Schaufelwandfläche angeordnet sind, wo sich keine Filmkühllöcher (13, 17) befinden.
Gekühlte Schaufel eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet dass die Filmkühllöcher (17) gerade zylindrische Löcher von der Innenwandfläche (111) in die Nähe der Außenwandfläche (112) sind, und in der Nähe der Außenwandfläche (112) einen geformten Lochabschnitt (171), der so geformt ist, dass er sich entlang der Außenwandfläche (112) ausbreitet, und einen zurückversetzten Abschnitt (172) aufweisen, der so geformt ist, dass er in der die Außenwandfläche (112) schneidenden Richtung versenkt ist.