DE3248163A1

DE3248163A1 - Kuehlbare schaufel

Info

Publication number: DE3248163A1
Application number: DE19823248163
Authority: DE
Inventors: James Landis 06110 West Hartford Conn. Levengood
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1983-07-07
Also published as: JPH0370084B2; JPS58126402A; US4515526A; GB2112868A; FR2519068B1; DE3248163C2; GB2112868B; FR2519068A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf kühlbare Schaufeln, die in auf hoher Temperatur arbeitenden umlaufenden Maschinen benutzt werden, und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Kühlen von solchen Schaufeln. Die beschriebenen Konzepte gelten sowohl für Turbinenleitschaufein als auch für Turbinenlaufschaufeln.

In einer umlaufenden Maschine oder Strömungsmaschine wird Brennstoff in Brennkammern verbrannt, um der Maschine Energie in Form von heißen Arbeitsmediumgasen zu liefern. Die heißen Arbeitsmediumgase strömen zu dem Turbinenabschnitt der Maschine. In dem Turbinenabschnitt bilden die Schaufeln feststehende Kränze von Leitschaufeln und umlaufende Kränze von Laufschaufeln. Diese Schaufeln werden benutzt, um die strömenden Gase zu lenken und den Gasen Energie zu entziehen. Infolgedessen sind die Schaufeln im Betrieb des Triebwerks von heißen Arbeitsmediumgasen umströmt, wodurch Wär-

ORIGfNAL INSPECTED

-x-^L

mespannungen in den Schaufeln verursacht werden, die den Festigkeitsverband und die Dauerfestigkeit der Schaufel nachteilig beeinflussen. Diese Wärmespannungen bilden ein ständiges Problem seit dem Aufkommen von auf hoher Temperatur arbeitenden umlaufenden Maschinen, wie beispielsweise Gasturbinentriebwerken,, weil es erforderlich ist, das Triebwerk bei hohen Temperaturen zu betreiben„ um den Triebwerkswirkungsgrad zu maximieren» Beispielsweise können die Schaufeln in den Turbinen von solchen Triebwerken Temperaturen in den Arbeitsgasen von bis zu 1371 ⁰C ausgesetzt sein. Die Laufschaufeln und die Leitschaufeln dieser Triebwerke werden typisch gekühlt,, um den Festigkeitsverband und die Dauerfestigkeit der Schaufel durch Verringern der Größe der Wärmespannungen in der Schaufel zu bewahren.

Eine ältere Lösung für die Schaufelkühlung ist in der US-PS 3 171 631 beschrieben. Gemäß dieser US-Patentschrift wird die Kühlluft in den Hohlraum zwischen der saugseitigen Wand und der druckseitigen Wand der Schaufel geleitet und durch die Verwendung von Umlenksockeln oder Leitschaufel]* zu verschiedenen Stellen in dem Hohlraum gelenkt. Die Sockel dienen außerdem als tragende Teile zum Verstärken der Laufschaufel.

Mit der Zeit sind ausgeklügeltere Lösungen entwickelt worden, bei denen gewundene Durchlässe benutzt werden, wie es beispielsweise in der US-PS 3 533 712 beschrieben ist. Diese US-Patentschrift beschreibt die Verwendung von schlangenförmigen Durchlässen, die sich durch den gesamten Hohlraum in der Laufschaufel erstrecken, um eine maßgeschneiderte Kühlung der verschiedenen Teile der Schaufel KU erreichen. Das Schaufelmaterial, das die Durchlässe begrenzt, sorgt für die notwendige bauliche Festigkeit der Schaufel.

Spätere Patentschriften, wie die US-PS 4 073 599, beschreiben die Verwendung von verwickelten Kühldurchlässen in Verbindung mit anderen Techniken zum Kühlen der Schaufel. Beispielsweise wird das Vorderkantengebiet gemäß dieser US-Patentschrift durch Aufprallkühlung gekühlt, woran sich das Abgeben der Kühlluft über einen sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Durchlaß in dem Vorderkantengebiet der Laufschaufel anschließt. Die in dem Durchlaß strömende Luft bewirkt außerdem eine Konvektionskühlung des Vorderkantengebietes, wie es bei dem Durchlaß gemäß der US-PS 3 171 631 der Fall ist.

Das Kühlen von Turbinenschaufel·! unter Verwendung von verwickelten Kühldurchlässen und Filmkühllöchern allein oder in Verbindung mit Auslöserippen (trip strips) zum Fördern der Kühlung des Vorderkantengebietes bildet den Gegenstand von vielen jüngeren Patentschriften, wie den US-PSen 4 177 010, 4 180 373, 4 224 011 und 4 278 400. Die aus diesen US-Patentschriften bekannten Laufschaufeln sind durch große Kühlluf tdurchlässe im Verhältnis zur Dicke der Wände in dem Vorderkantengebiet der Laufschaufel gekennzeichnet.

Jüngere aerodynamische Untersuchungen zeigen, daß eine elliptische Vorderkante Vorteile hinsichtlich der Leistung im Betrieb des Gasturbinentriebwerks hat. Die elliptische Vorderkante wird in Verbindung mit einer Schaufel benutzt, die eine dünnere Querschnittsform (Dicke zu Profilsehnenlänge) im Vergleich zu früheren Schaufeln hat. Trotz des dünnen Profils ist eine. Mindestdicke der Wände erforderlich, damit die Schaufel eine ausreichende bauliche Festigkeit erhält und ein gewisses Ausmaß an statistisch zu erwartender Beschädigung durch Fremdobjekte aushalten

kann. Das Ergebnis ist das Aufkommen einer neuen Schaufel gewesen, die für aerodynamische Zwecke eine elliptische Vorderkante hat und dickere Wände relativ zu der Größe der Kühlluftdurchlässe im Vergleich zu dem Verhältnis zwischen den Wänden und der Größe der Durchlässe in früheren Schaufeln hat. Darüber hinaus ist es mit Rücksicht auf die Ausnutzung des Brennstoffes unerwünscht, in gewissen Stufen der Turbine die Filmkühlung für das Vorderkantengebiet der Schaufel anzuwenden»

Demgemäß suchen Wissenschaftler und Ingenieure, kühlbare Schaufeln zur Verwendung in Hochtemperaturturbinen zu entwickeln, bei denen die Kühlluft wirksam ausgenutzt wird und das Vorderkantengebiet der Schaufeln mit schmalen Durchlässen im Vergleich zur Dicke der Schaufelwände ausreichend gekühlt und trotzdem die Abgabe der Kühlluft durch Filmkühlung aus dem Vorderkantengebiet der Schaufel vermieden wird.

Gemäß der Erfindung weist eine kühlbare Schaufel, die einen Durchlaß für Kühlmittel an einer Wand in dem Vorderkantengebiet hat, wenigstens eine Auslöserippe auf, die sich durch den Durchlaß erstreckt und zu der sich nähernden Strömung und der Wand abgewinkelt ist und einen Wirbelerzeuger hat, der von einem Teil der Auslöserippe ausgeht.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist eine Schaufel mit einem Kühldurchlaß in dem Schaufelvorderkantengebiet. Eine Wand in dem Vorderkantengebiet begrenzt den Durchlaß. Mehrere Auslöserippen erstrecken sich durch den Durchlaß und in das Vorderkantengebiet der Schaufel. Die Auslöserippen sind gegen die Wand abgewinkelt und zu der sich nähernden Strömung hin schräg angeordnet. Wenigstens eine Auslöserippe hat

einen Wirbelerzeuger, der von einem Teil der Auslöserippe ausgeht. Der Wirbelerzeuger ist in Richtung der Profilsehne mit Abstand von der Wand in dem Vorderkantengebiet angeordnet. In einer Ausführungsform erstrecken sich die Auslöserippen von der druckseitigen Wand zu der saugseitigen Wand durch das Vorderkantengebiet der Schaufel. In einer Ausführungsform hat eine zweite Auslöserippe einen Wirbelerzeuger. Die kombinierte Höhe der zweiten Auslöserippe und des Wirbelerzeugers ist größer als die kombinierte Höhe der ersten Auslöserippe und des Wirbelerzeugers.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Lebensdauer der Schaufel, die aus der Dicke der Wände in dem Vorderkantengebiet resultiert, welche die Schaufel vor einer Beschädigung durch Fremdobjekte schützt, und aus der Kühlung der verdickten Wände, die übermäßige Wärmespannungen in den Wänden verhindert. Ein weiterer Vorteil ist die Vergrößerung des Wirkungsgrades der umlaufenden Maschine, die daraus resultiert, daß ein Teil der Kühlströmung kanalisiert wird und daß in der Kühlströmung Turbulenz hervorgerufen wird, um die Kühlwirkung der Strömung zu vergrößern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Laufschaufel,

die teilweise im Schnitt und teilweise weggebrochen dargestellt ist, um die saugseitige Wand der Laufschaufel sichtbar zu machen,

Fig. 2 eine Querschnittansicht nach der

Linie 2-2 in Fig. 1 und

Fig« 3 in. perspektivischer Darstellung

teilweise "im Schnitt und teilweise weggebrochen das Vorderkantengebiet, . das in Fig. 2 gezeigt ist, zur Veranschaulichung eines Teils der Strömung in dem Vorderkantengebiet der Laufschaufel»

-y-

Fig. 1 zeigt eine Laufschaufel 10 für eine umlaufende Maschine oder Strömungsmaschine. Die Laufschaufel hat einen Wurzelabschnitt 12, einen Plattformabschnitt 14 und einen Flügelprofilabschnitt 16. Der Wurzelabschnitt faßt in den Rotor der Maschine ein. Der Plattformabschnitt bildet einen Teil der Innenwand des Strömungsweges für Arbeitsmediumgase in der Maschine. Der Flügelprofilabschnitt erstreckt sich durch den Strömungsweg der Arbeitsmediumgase nach außen und hat eine Spitze 18 an seinem äußersten Ende. Die Laufschaufel 10 hat Bezugsrichtungen, wie die Spannweitenrichtung S und die Profilsehnenrichtung C.

Der Wurzelabschnitt 12 hat eine sich in Richtung der Profilsehne erstreckende Wurzelwand 20. Ein erster Kanal 22 steht über die Wurzelwand mit einer Kühlluftquelle, wie beispielsweise einem Verdichter (nicht dargestellt^ in Strömungsverbindung. Ein zweiter Kanal 24 erstreckt sich durch die Wurzelwand. Eine Platte 25 erstreckt sich über den zweiten Kanal 24 und blockiert eine Strömungsverbindung mit einer Kühlluftquelle (nicht dargestellt). In einer anderen Ausführungsform steht der zweite Kanal in Strömungsverbindung mit der Kühlluftquelle.

Der Flügelprofilabschnitt 16 hat eine Vorderkante 26 und eine Hinterkante 28. Eine saugseitige Wand 30 und eine druckseitige Wand 32 (in Fig. 1 der Übersichtlichkeit hai-

'/Μ

ber weggebrochen und in Fig. 2 gezeigt) sind an der Vorderkante und an der Hinterkante miteinander verbunden. Die druckseitige Wand 32 ist mit Abstand von der saugseitigen Wand 30 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Hohlraum 34 vorhanden ist. Eine Spitzenwand 36 und die Wurzelwand 20 begrenzen den Hohlraum in der Richtung der Spannweite» Eine erste Leitwand 38 erstreckt sich in Richtung der Spannweite von der Spitzenwand 36 aus und unterteilt den Hohlraum 34 in einen hinteren Teil 40 und einen vorderen Teil 42. Die erste Leitwand 38 hat Abstand von der Wurzelwand 20, so daß ein erster Umlenkdurchlaß 44 zwischen ihnen verbleibt, über den der hintere Teil 4 0 der Laufschaufel mit dem vorderen Teil 42 und mit dem sich durch den Wurzelabschnitt der Laufschaufel erstreckenden zweiten Kanal 24 in Strömungsverbindung ist. Der hintere Teil 4 0 der Laufschaufel enthält ein Hinterkantengebiet 46. Das Hinterkantengebiet 46 steht mit dem ArbeitsmediumströniungswBg über die Zwischenräume von in gegenseitigem Abstand angeordneten Sockeln 48 in Strömungsverbindung. Jeder Sockel 48 erstreckt sich zwischen der saugseitigen Wand und der druckseitigen.Wand 32, um die Strömungs örtlich zu blockieren, und begrenzt mit der ersten Leitwand 38 einen sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Durchlaß 50 für Kühlluft. Mehrere Auslöserippen 52 sind rechtwinkelig zu der sich nähernden Strömung angeordnet und stören die Bildung einer laminaren Grenzschicht, indem sie in der Grenzschicht eine turbulente Strömung auslösen, wenn die Strömung über die Auslöserippen hinweggeht.

Eine zweite Leitwand 53 erstreckt sich in Richtung der Spannweite von der Wurzelwand 20 aus und unterteilt den vorderen Teil 4 2 der Laufschaufel in einen ersten Durchlaß 54 und einen zweiten Durchlaß 56. Der erste Durchlaß 54 ist einer dritten Wand 58 in dem Vorderkantengebiet der Laufschaufel benachbart. Der erste Durchlaß 54 hat ein stromaufwärtiges Ende 60 in Strömungsverbindung mit dem

ersten Kanal 22 und ein stromabwärtiges Ende 62, das über einen Umlenkdurchlaß 64 mit dem zweiten Durchlaß 56 in Strömungsverbindung ist.

Mehrere erste Auslöserippen 66 erstrecken sich von der saugseitigen Wand 30 aus über die dritte Wand in dem Vorderkantengebiet zu der druckseitigen Wand 32. Diese Auslöserippen haben eine konstante Höhe h. Die Auslöserippen sind schräg gegen die sich nähernde Strömung angeordnet und unter einem spitzen Winkel zu der dritten Wand angeordnet. Mehrere zweite Auslöserippen 68 sind schräg zu der sich nähernden Strömung angeordnet und unter einem spitzen Winkel von ungefähr 30° zu der dritten Wand angeordnet. Es wird angenommen, daß spitze Winkel³ in einem Bereich zwischen 25° und 50° zum Ausrichten der¹Auslöserippen zufriedenstellende Ergebnisse erbringen, wobei ein Bereich von 30° bis 45° die zufriedenstellendsten Ergebnisse erbringen dürfte. Die zweiten Auslöserippen 68 haben jeweils ein Ende, das zu der sich nähernden Strömung hin gekrümmt ist.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht eines Tails der in Fig. 1 gezeigten Laufschaufel nach der Linie 2-2 in Fig. 1. Die Auslöserippe 66 hat die Höhe h und erstreckt sich längs der saugseitigen Wand 30, längs der druckseitigen Wand 32 und über die dritte Wand 58 in dem Vorderkantengebiet 26. Ein Wirbelerzeuger 70a ist einstückig mit der ersten Auslöse rippe 68a gebildet. Der Wirbelerzeuger vergrößert die Höhe der Auslöserippe. Die kombinierte Höhe der Auslöserippe 68a und des Wirbelerzeugers 70a ist eine Höhe h , die größer als

die Größe h ist. Die zweite Auslöserippe 68b hat einen Wirbelerzeuger 70b, der einstückig mit der zweiten Aus-

löserippe gebildet ist und die Höhe der Auslöserippe auf eine Höhe h_fo vergrößert,'die größer als die Höhe h ist.

Die Wirbelerzeuger 70a, 70b sind jeweils in Profilsehnen-.

richtung mit Abstand von der dritten Wand 58 in dem Vor·» derkantengebiet angeordnete Der Wirbelerzeuger- 70b hat eine Länge in Richtung der Profilsehne? die größer-ist als die Länge des Wirbelerzeugers 70a in Richtung der Profilsehne. Durch Vergrößern der Höhe und der Länge des Wirbel- erzeugers wird dessen Wärmeabfuhrvermögen vergrößert..Demgemäß werden die längeren, höheren Wirbelerseuger in Gebieten der Laufschaufel benutzt, in denen der größte WärmefluS auftritt.

Im Betrieb der Maschine strömen heiße Arbeitsmediumgase über die Außenseite der Schaufel hinweg. Energie in Form von Wärme wird von den heißen Arbeitsmediumgasen auf das Vorderkantengebiet 26, die saügseitige Wand 30 und die druckseitige Wand 32 übertragen. Kühlluft aus dem Kanal 22 strömt längs des Vorderkantengebietes über den Durchlaß 54 zu dem Umlenkdurchlaß 64. Wenn die Strömung den ersten Durchlaß verläßt und sich durch die Umlenkschaufeln bewegt, wird die Strömung durch die Umlenkschaufeln teilweise von Teilen der Schaufel ferngehalten. Wegen des dünnen Spitzengebietes ist das Fernhalten der Strömung nicht von starken Wärmespannungen begleitet, wie es bei der Blockierung die~ ser Strömung in dem in der Mitte der Spannweite gelegenen Gebiet des Flügelprofilteils der Laufschaufel der Fall Wäre. Die Kühlluft strömt durch den Umlenlcdurchlaß 64, durch den zweiten Durchlaß 56 und durch den ersten Umlenkdurchlaß 44 zn dem Durchlaß 50 in dem hinteren Teil der Laufschaufel. Die Strömung wird über die Zwischenräume zwischen den Sockeln 48 in dem Hinterkantengebiet abgegeben.

Fig. 3 veranschaulicht die Wechselwirkung zwischen zwei Stromlinien S₁ und S₂ der Kühlluft, wenn die Kühlluft durch den Durchlaß 54 und über die Auslöserippe 68b und den

Wirbelerzeuger 70b in dem in der Mitte der Spannweite gelegenen Gebiet der Laufschaufel strömt. Die Stromlinien S- und S₂ sind an der saugseitigen Oberfläche des Flügelprofilabschnitts, und ihre Bewegung längs des Durchlasses wird nicht blockiert. Wenn die Stromlinie S₁ der Strömung über die Auslöserippe 68b hinweggeht, wird ein kleiner Teil der Strömung zu dem Vorderkantengebiet hin abgelenkt, wie es durch die Linie S₁' gezeigt ist. Darüber hinaus werden kleine Wirbel auf der stromauf wärtigen Seite der Auslöserippe gebildet, wenn die Stromlinie S₁ über die Auslöserippe hinweggeht. Die Wirbel lösen sich mit einer Geschwindigkeitskomponente ab, die sich in der Richtung der Profilsehne erstreckt, und zwar aufgrund der Abwinkelung der Auslöserippen bezüglich der Strömung und der Wand 58. Die Geschwindigkeitskomponente in der Richtung der Profilsehne bewirkt, daß sich die kleinen Wirbel zu dem Vorderkantengebiet und in das Vorderkantengebiet bewegen, wie es durch die Wirbel V₁' gezeigt ist. Diese Wirbel verursachen Turbulenz in der Grenzschicht an der saugseitigen Fläche des Flügelprofilabschnitts. Die Stromlinie S~ ist ebenfalls der saugseitigen Fläche des Flügelprofilabschnitts benachbart. Wenn die Stromlinie S₂ über den Wirbelerzeuger hinweggeht, wird ein größerer Teil der Strömung längs der Stromlinie zu dem Vorderkantengebiet hin abgelenkt, wie es durch die Linie S«¹ gezeigt ist. Darüber hinaus werden, wenn die Stromlinie S₂ über den Wirbelerzeuger hinweggeht, Wirbel, die viel größer sind als die kleinen Wirbel, die an der Auslöserippe gebildet werden, auf der stromaufwärtigen Seite des Wirbelerzeugers gebildet. Aufgrund der Abwinkelung des Wirbelerzeugers lösen sich diese großen Wirbel mit einer Geschwindigkeitskomponente ab, die sich in der Richtung der Profilsehne und in der Richtung der Spannweite erstreckt. Die Geschwindigkeitskomponente in der Richtung der Profilsehne bewirkt, daß sich diese großen Wirbel in das Vorderkantengebiet bewegen und längs des Vorder-

kantengebietes die Fläche 72 der Wand 58 in dem Vorderkantengebiet des Flügelprofilabschnitts tiberstreichen. Die größeren Wirbel drücken kältere Luft aus dem Hauptteil der Strömung in die Grenzschicht in dem Vorderkantengebiet. Somit wird die Wirkung der kleinen Wirbel durch die Wirkung der großen Wirbel, die eine längere Lebensdauer als die kleinen Wirbel haben und mit den kleinen Wirbeln zusammenwirken, stark intensiviert, wodurch die Luft in der Grenzschicht gekühlt, die turbulenten Geschwindigkeiten in der Grenzschicht vergrößert werden und die Wärmeübertragung zwischen den Wänden des Flügelprofilabschnitts und der Kühlluft in dem Vorderkantengebiet vergrößert wird.

Claims

Patentansprüche?

1/ Kühlbare Schaufel für eine umlaufende Maschine, mit einem Kühlluftdurchlaß (54) und einer Wand (58) in dem Vorderkantengebiet (26), die den Kühlluftdurchlaß begrenzt, gekennzeichnet durch wenigstens eine Auslöserippe (68a), die sich von der Wand (58) aus durch den Durchlaß (54) in dem Vorderkantengebiet (26) erstreckt, einen spitzen Winkel mit der Wand (58) bildet und mit einem angeformten Wirbelerzeuger (70a) versehen ist, der die Höhe der Auslöserippe vergrößert und in Richtung der Profilsehne mit Abstand von der Wand (58) in dem Vorderkantengebiet angeordnet ist.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Streifen (68a) und der Wirbelerzeuger (70a) eine Höhe h hat, daß weiter eine zweite Auslöserippe (68b) vorgesehen ist, die sich von der Wand (58) aus in dem Vorderkantengebiet durch den Durchlaß (54) erstreckt, schräg gegen die sich nähernde Strömung angeordnet ist, einen spitzen Winkel mit der Wand (58) bildet und mit einem an-

geformten Wirbelerzeuger (70b) versehen ist, der die Höhe der zweiten Auslöserippe vergrößert und in Richtung der Profilsehne mit Abstand von der Wand (58) in dem Vorderkantengebiet angeordnet ist, wobei die Höhe der zweiten Auslöserippe und des Wirbelerzeugers H, beträgt und größer als die Höhe h der ersten Rippe und des Wirbelerzeugers ist ^a
3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Auslöserippe (68a) h ist und daß die Höhe h der ersten Auslöserippe (68a) und des Wirbelerzeugers

(70a) größer oder gleich dem Zweifachen der Höhe der Auslöserippe ist (h_ ^ 2h) .
4. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelerzeuger (70a) der ersten Auslöserippe (68a) eine erste Länge in Richtung der Profilsehne hat und daß der Wirbelerzeuger (70b) der zweiten Auslöserippe (68b) eine zweite Länge in Richtung der Profilsehne hat, die größer als die erste Länge in Richtung der Profilsehne ist.
5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöserippen und die an ihnen angeformten Wirbelerzeuger ein Ende haben, das zu der sich nähernden Strömung hin gekrümmt ist.
6. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel zwischen der Auslöserippe und der Wand (58) in dem Vorderkantengebiet (26) 30° beträgt.
7. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel zwischen der Auslöse-

rippe und der Wand (58) in dem Vorderkantengebiet in einem Bereich zwischen 25° und 50° liegt.
8. Schaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens eine der Auslöserippen (68b) von der saugseitigen Wand (30) und der druckseitigen Wand (32) des Durchlasses (54J aus erstreckt und daß sich die Wirbelerzeuger von dem Teil der Äuslöserippe
an der saugseitigen Wand des Durchlasses aus erstrecken.