DE3642789A1 - Filmgekuehlte turbinenlauf- oder -leitschaufel fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere die Kühlung der Turbine und der Leit­ schaufeln.

Bekanntlich arbeiten die Turbine und ihre zugeordneten Leit­ schaufeln in einer extrem aggressiven Umgebung des Gastur­ binentriebwerks. Weiter steht bekanntlich die Temperatur, bei der die Turbine arbeitet, in direkter Beziehung zu dem Wirkungsgrad des Triebwerks, je höher die Temperatur, um so höher der Wirkungsgrad. In der Gasturbinentechnik wird stän­ dig angestrebt, die Turbine bei höherer Temperatur zu be­ treiben, entweder aufgrund der verwendeten Materialien oder aufgrund der besonderen Kühlung.

Beispielsweise können die Schaufelblätter in den Turbinen solcher Triebwerke Temperaturen in den Arbeitsgasen von bis zu 1371°C (2500°F) ausgesetzt sein. Die Lauf- und die Leit­ schaufeln dieser Triebwerke werden üblicherweise gekühlt, um den Festigkeitsverband und die Lebensdauer des Schaufel­ blatts durch Reduzieren der Größe der Wärmespannungen in dem Schaufelblatt zu bewahren.

Eine ältere Methode der Schaufelblattkühlung ist aus der US-PS 31 71 631 bekannt. Gemäß dieser US-Patentschrift wird Kühlluft in den Hohlraum zwischen der saugseitigen Wand und der druckseitigen Wand des Schaufelblattes ge­ leitet und durch die Verwendung von Umlenksockeln oder Leitblechen zu verschiedenen Stellen in dem Hohlraum um­ geleitet. Die Sockel dienen außerdem als Tragteile zur Verstärkung der Laufschaufel.

Im Laufe der Zeit sind ausgeklügeltere Methoden entwickelt worden, gemäß welchen gewundene Kanäle benutzt werden, wie es beispielsweise aus der US-PS 35 33 712 bekannt ist. Die­ se US-Patentschrift beschreibt die Verwendung von schlan­ genlinienförmigen Kanälen, die sich durch den Hohlraum in der Laufschaufel erstrecken, um eine maßgeschneiderte Küh­ lung für verschiedene Teile des Schaufelblattes zu schaf­ fen. Das Schaufelblattmaterial, das die Kanäle begrenzt, sorgt für die notwendige bauliche Abstützung des Schaufel­ blattes.

Spätere Druckschriften, wie beispielswiese die US-PS 40 73 599, beschreiben die Verwendung von komplizierten Kühlkanälen in Verbindung mit anderen Techniken zum Küh­ len des Schaufelblattes. Beispielsweise wird gemäß dieser US-Patentschrift der Vorderkantenbereich durch Aufprall­ kühlung gekühlt, woran sich das Abgeben der Kühlluft über einen sich in Richtung der Spannweite in dem Vorderkanten­ bereich der Laufschaufel erstreckenden Kanal anschließt. Die in dem Kanal strömende Luft dient außerdem zur Kon­ vektionskühlung des Vorderkantenbereiches, was auch bei dem Kanal gemäß der oben erwähnten US-PS 31 71 631 der Fall ist.

Das Kühlen von Turbinenschaufelblättern unter Verwendung von verwickelten Kühlkanälen, die mehrere Wege oder Züge und Filmkühllöcher allein oder in Verbindung mit Auslöse­ streifen zum Fördern der Kühlung des Vorderkantenbereiches haben, bilden den Gegenstand der neuesten Patentschriften, beispielsweise der US-PS 41 77 010, 41 80 373, 42 24 011 und 42 78 400. Die darin beschriebenen Laufschaufeln wei­ sen typisch große Kühlluftkanäle in Beziehung zur Dicke der Wände in dem Vorderkantenbereich der Laufschaufel auf.

Der innere Hauptwärmeübertragungsmechanismus in den Kanälen von Mehrwege-Laufschaufeln ist die Konvektionskühlung der angrenzenden Wände. Zonen niedriger Geschwindigkeit in der Kühlluft, die den Wänden benachbart ist, welche den Kanal be­ grenzen, reduzieren die Wärmeübertragungskoeffizienten in dem Kanal und können zu einer Überhitzung dieser Teile des Schaufelblatts führen. Die US-PS 41 80 373 beschreibt die Verwendung eines Auslösestreifens in einem Eckbereich ei­ nes Umlenkkanals, der von einer Wand aus in den Kanal vor­ steht, um Stagnation an der Ecke, die durch die Wechsel­ wirkung von benachbarten Wänden gebildet wird, zu verhin­ dern.

Offenbar besteht eine der Überlegungen bei dem Entwurf des Kühlschemas eines modernen filmgekühlten Mehrwege-Schaufel­ blatts darin, sicherzustellen, daß heiße Gase aus dem Gas­ weg innerhalb des Schaufelblatts nicht an einer kritischen Stelle strömen werden, die durch den niedrigsten akzeptablen Wert des Innen/Außen-Druckverhältnisses bestimmt wird.

Beispielsweise wurden bei einer vorhandenen Turbine der ersten Stufe bei den inneren und äußeren Drücken an den Filmkühl­ injektionsstellen große Variationen der Innen/Außen-Druckver­ hältnisse gemessen. Offenbar ist der niedrigste Wert des Innen/Außen-Druckverhältnisses an der Druckfläche in dem fünften Weg (in der besonderen getesteten Konstruktion) vor­ handen, und sämtliche anderen inneren Drücke werden durch die Wahl dieses niedrigsten Wertes festgelegt. Die äußeren Drücke werden durch die Kombination der gewählten Aerodyna­ mik des Strömungsweges und des Schaufelblattes festgelegt. Es kann wenig getan werden, um die Werte des äußeren Druckes zu ändern, ohne den aerodynamischen Wirkungsgrad der Turbine zu beeinträchtigen, insbesondere im Sinne von Stelle-zu- Stelle um die äußere Oberfläche des Schaufelblatts. Dassel­ be gilt für die Werte des inneren Druckes bei der bekannten kanalartigen Schaltungsanordnung.

Aufgabe der Erfindung ist es, die lokale Innendruckregulie­ rung an den Filmkühlinjektionsstellen der Laufschaufeln ei­ nes Gasturbinentriebwerks so einzustellen, daß ein Druckab­ fall an der regulierenden inneren Öffnung (innerhalb der Laufschaufeln) erzeugt wird, um ein gewünschtes Druckver­ hältnis zum Erzielen der bestmöglichen Filmkühlung an der äußeren Oberfläche der Beschaufelung zu schaffen.

Ein Merkmal der Erfindung ist das Vorsehen eines inneren, geschlossenen Längskanals an der inneren Oberfläche der Be­ schaufelung derart, daß der Kanal mit Kühlluft versorgt wird, die den gewünschten Druck hat, indem die Kühlluft zu­ erst durch eine feste Öffnung vorbestimmter Größe und dann durch eine zweite vorbestimmte Öffnung zum Bilden eines Films der Kühl­ luft hindurchgeleitet wird. Das Druckverhältnis kann so ge­ steuert werden, daß die Anzahl der Austrittsöffnungen ver­ größert und die Filmkühlwirksamkeit verbessert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt eine be­ kannte innengekühlte Fünf-Wege- Turbinenlaufschaufel, die so modi­ fiziert worden ist, daß sie die Er­ findung mit einem einzelnen Kanal aufweist,

Fig. 2 eine Querschnittansicht einer Tur­ binenlaufschaufel nach der Erfin­ dung mit mehreren Kanälen, und

Fig. 3 eine Teilansicht, die den Teil der Oberfläche der Druckseite einer Turbinenlaufschaufel im Schnitt und in Vorderansicht zeigt und die An­ ordnung der Filmkühllöcher veran­ schaulicht, welche in einem Muster angeordnet sind, das die Anzahl der Löcher gegenüber dem Stand der Technik vergrößert.

Die Erfindung wird anhand ihrer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Turbinenlaufschaufel eines Gastur­ binentriebwerks beschrieben, es gibt aber selbstverständlich andere Verwendungszwecke, beispielsweise bei Leitschaufeln.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist die insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnete Turbinenlaufschaufel einen Fuß 12, eine Plattform 14 und ein Schaufelblatt 16 auf. Der Betrieb der Turbinenlaufschaufel und die verschiedenen Kühltechniken sind im Stand der Technik beschrieben, weshalb der Einfach­ heit und der Zweckmäßigkeit halber nur derjenige Teil der Laufschaufel und deren Kühltechniken beschrieben werden, die für die Erfindung von Bedeutung sind. Bezüglich weite­ rer Einzelheiten hinsichtlich der Kühltechnik wird auf die oben erwähnten US-Patentschriften, insbesondere auf die o.g. US-PS 44 74 532, und außerdem auf die US-PS 35 27 543 verwiesen. Von der Druckseite her betrachtet ist in dem in­ neren Teil der Laufschaufel ein Kanal 17 durch eine zylin­ drische Wand 18, die sich in der Längsrichtung der Lauf­ schaufel 10 erstreckt, gebildet, beispielsweise durch Gie­ ßen, der gänzlich geschlossen ist. Ein Teil der Wand 18 wird die äußere Oberfläche des Schaufelblatts 16 bilden (was deutlicher in Fig. 2 zu erkennen ist). Gemäß der Dar­ stellung in Fig. 1 steht der Kanal 17 mit einem Weg 19 über mehrere Löcher 20 vorbestimmter Größe in Verbindung. Der Weg 19 ist einer und vorzugsweise der letzte von mehreren Wegen, wie es bei gekühlten Turbinenlaufschaufeln typisch ist, die im oben aufgeführten Stand der Technik erläutert sind.

Der Schnitt durch die Laufschaufel in Sehnenrichtung, der in Fig. 2 dargestellt ist, zeigt besser die Beziehung zwi­ schen den Filmkühllöchern und dem in den Kanälen eingestell­ ten Druck. Es sei beachtet, daß Fig. 2 eine andere Konfigu­ ration als die in Fig. 1 gezeigte darstellt, wobei aber die Prinzipien der Erfindung in beiden Fällen dieselben sind.

Die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration ist eine innengekühlte fünfzügige oder Fünf-Wege-Anordnung, die aus Wegen 24, 26, 28, 30 und 32 besteht. Der Einfachheit und der Zweckmäßig­ keit halber wird hier nur der Weg 32 beschrieben, die Er­ findung gilt aber gleichermaßen für sämtliche anderen Wege. Wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben sind die Kanäle im In­ neren der Laufschaufel durch Gießen hergestellt, und die Kanäle 36 und 38 veranschaulichen zwei der Kanäle. Die Wän­ de 40 und 42 sind an der druckseitigen Oberfläche 44 und der saugseitigen Oberfläche 46 der Laufschaufel 48 gebil­ det, um mit diesen die Kanäle zu begrenzen. Löcher 50 und 52 sind so bemessen, daß sich eine feste Drosselung und so­ mit ein vorbestimmter Druckabfall P ₃-P ₂ ergibt. Die Größe von Filmkühllöchern 54 und 56, die als Diffusor ausgebildet sein können, ist ebenfalls vorbestimmt.

Durch Vorwählen der Größe der Löcher 50 und 54 sowie 52 und 56 kann der lokale Druck oder können die lokalen Drücke in den Kanälen 36 bzw. 38 so eingestellt werden, daß die wirksame Filmkühlung erfolgt.

Aufgrund der Erfindung ist es durch Plazieren der Löcher 50 in Reihe mit den Löchern 54, was den eingestellten Druck in der Kammer 36 erzeugt, möglich, die Anzahl der Filmkühl­ löcher zu verdoppeln, die erforderlich wäre, um dieselbe Menge an Kühlluftströmung zu liefern, wenn das Innen/Außen- Druckverhältnis P ₁/P ₃ statt P ₂/P ₃ wäre.

Fig. 3 macht deutlich, wie die Druckseite der Laufschaufel das Doppelte der Zahl an Filmkühllöchern aufnehmen kann, die ohne Anwendung der Erfindung erzielbar wäre. Wie ange­ geben sind die Reihen von Diffusor-Löchern 54 gestaffelt, im Gegensatz zu dem bekannten Entwurf, bei dem nur eine einzelne Reihe dieselbe Menge an Kühlluftströmung aufneh­ men würde.

Wegen der effektiveren Kühlung bei derselben Kühlluftströ­ mung ergibt die Erfindung darüber hinaus verbesserte Ferti­ gungstechniken. Bei Laufschaufeln, bei denen beträchtliche Mengen an Kühlluft zur Laufschaufelfilmkühlung benutzt wer­ den, wie in dem Falle der moderneren Turbinenkraftanlagen, um die Kühlluftströme auf konkurrenzfähigen Werten zu halten, erfordern diese Entwürfe zahlreiche kleine Löcher. Die heu­ tige Gießtechnik gestattet das Gießen von Löchern mit einem Durchmesser in dem Bereich von 0,5 bis 0,64 mm (0,02 bis 0,025 Zoll). Die modernen Laufschaufelentwürfe erfordern jedoch kleinere Löcher in dem Durchmesserbereich von 0,36 mm (0,014 Zoll). Da diese kleinen Löcher nicht gegossen werden können, müssen sie mit 40% bis 50% zusätzlichen Kosten zu dem Preis der Laufschaufel gebohrt werden. Der Druckregler nach der Erfindung gestattet größere Filmkühllöcher in dem Gießbereich von 0,5 bis 0,76 mm (0,02 bis 0,03 Zoll) ohne Beeinträchtigung der Kühlluftströmungserfordernisse oder der Lebensdauer im Vergleich zu Laufschaufeln gemäß herkömmli­ cher Technologie. Das heißt, die Beschränkung auf Löcher mit einem Durchmesser von 0,36 mm (0,014 Zoll) wird durch eine Beschränkung auf zwei gießbare Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 mm (0,02 Zoll) ersetzt. Durch das erfindungsgemäße Gießen der Filmkühllöcher werden die Kosten einer Turbinen­ laufschaufel um 40% bis 50% reduziert, und zwar ohne einen Verlust an Kühl- oder Systemleistung.

Aufgrund der Erfindung ergeben die Werte des eingestellten lokalen inneren Druckes zusätzlich zu den oben erläuterten Vorteilen und ohne Beschränkungen 1) eine verbesserte Lei­ stung durch Reduzieren der Kühlluftströmung für einen be­ sonderen Laufschaufelentwurf, und 2) eine Verlängerung der Lebensdauer der Laufschaufel, und zwar wegen der reduzier­ ten Metalltemperatur, oder ermöglichen statt dessen der Tur­ bine, auf einer höheren Temperatur zu arbeiten, was den ge­ samten Triebwerkswirkungsgrad erhöht.

Der Film der Kühlluft an der äußeren Oberfläche 40, 46 des Schaufelblatts einer Laufschaufel eines Gasturbinentrieb­ werks, die aus dem Inneren der Laufschaufel austritt, nach­ dem sie diese gekühlt hat, wird also gesteuert, indem das Ver­ hältnis des Innendrucks zum Außendruck eingestellt wird, und zwar durch Bilden einer inneren Kammer 36, 38, die sich in Längsrichtung der Laufschaufel erstreckt und feste Öff­ nungen 50, 52 zum Einlassen von Kühlluft hat, welche in ei­ ner vorbestimmten Beziehung zu Austrittsöffnungen 54, 56 stehen, die den Kühlluftfilm bilden. Durch Einstellen die­ des Druckverhältnisses kann der Durchmesser der Austritts­ löcher 54, 56 länger sein als bei bekannten Entwürfen für einen bestimmten Verwendungszweck, so daß sie vorgegossen werden können, statt sie zu bohren, und so angeordnet wer­ den können, daß sich Kühlluftfilme größerer Überdeckung an der äußeren Oberfläche 40, 46 des Schaufelblatts ergeben.

Claims (3)

1. Turbinenlauf- oder -leitschaufel für ein Gasturbinen­ triebwerk, mit einem Schaufelblatt, das Einrichtungen zur Innenkühlung mit Luft enthält, wobei ein geschlossener Ka­ nal (36, 38) in Längsrichtung innerhalb des Schaufelblatts (16) gebildet ist, das eine erste Wand (40) hat, die die druckseitige Oberfläche (44) bildet, und eine zweite Wand (46), die die saugseitige Oberfläche (42) bildet, da­ durch gekennzeichnet, daß der geschlos­ sene Kanal (36, 38) einen Längsteil hat, der sich einen ge­ meinsamen Teil entweder mit der ersten Wand (40) oder mit der zweiten Wand (46) teilt, daß mehrere Löcher (54, 56) in dem gemeinsamen Teil vorgesehen sind zum Abgeben von Luft entweder an die druckseitige Oberfläche (44) oder an die saugseitige Oberfläche (46) zur Bildung eines Kühlluft­ films an der druckseitigen Oberfläche oder an der saugsei­ tigen Oberfläche, und daß wenigstens eine feste Öffnung (50, 52) in dem geschlossenen Kanal (36, 38) vorgesehen ist zum Einlassen von Kühlluft in diesen und so bemessen ist, daß sich ein vorbestimmtes Druckverhältnis zwischen dem Druck innerhalb des Kanals und außerhalb des Schaufel­ blatts (16) ergibt.

2. Schaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere feste Öffnungen (50, 52) in gegenseitigem Abstand längs des geschlossenen Kanals (36, 38).

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kanal (36, 38) durch eine zylinderför­ mige Wand gebildet ist.