DE4003804C2 - Filmgekühlte Turbinenschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf innenseitig gekühlte Rotorschaufeln.

Wie bestens bekannt ist, hat die Flugzeug-Triebwerkindu­ strie erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Lei­ stungsfähigkeit der Gasturbinentriebwerke unter gleichzei­ tiger Verringerung deren Masse zu steigern. Es ist ersichtlich, das Endziel, das optimale Schub-zu-Masse- Verhältnis, das verfügbar ist, zu erreichen. Selbstverständlich ist eines der primären Gebiete der Konzentration die "heiße Sektion" des Triebwerks, da es bekannt ist, daß das Schub-zu-Masse-Verhältnis des Triebwerks erheblich verbessert wird, indem die Temperatur der Turbinengase gesteigert wird. Jedoch ist die Gastemperatur der Turbine durch die Beschränkungen in bezug auf die Metalltemperatur der Bauteile des Triebwerks begrenzt. Es wurden bis heute erhebliche Anstrengungen unternommen, um höhere Turbinenbetriebstemperaturen zu erreichen, indem bemerkenswerte technologische Fortschritte in der Innenkühlung der Turbinenschaufeln zur Anwendung gebracht wurden. Beispiele von einigen dieser vielen Ausführungen auf diesem Gebiet sind in der US-PS 3 533 711, der US-PS 4 073 599 und der US-PS 4 180 373 gegeben.

Die Offenbarung in der US-PS 4770608∼DE 36 42 789 A1 ist besonders bemerkenswert. Gemäß diesem Pa­ tent wird die Schaufel mit einem inneren Radialka­ nal ausgebildet, der Filmkühlöffnungen speist. Die den Ra­ dialkanal begrenzende Innenwand umfaßt eine Mehrzahl von radial beabstandeten Öffnungen, die mit der Kühlluft im In­ neren der Schaufel in Verbindung stehen. Der Radialkanal wird am Fuß oder Boden verschlossen, so daß die Kühlluft in dem Kanal eher statisch als dynamisch ist. Das bedeutet, daß in dem Kanal, der sich vom Fuß zur Spitze der Schaufel erstreckt, keine Strömung fließt, sondern eher die Strömung durch die Öffnung in der Innenwand, durch den seitlichen, durch den radialen Kanal gebildeten Raum und dann aus der benachbarten Filmkühlöffnung heraus verläuft.

Ferner ist noch aus der DE 36 42 789 A1 bekannt, daß auf ihrer Schaufelfläche Filmkühlöffnungen sind, um in Betrieb einen Luftfilm zur Kühlung der Schaufel aufzubauen. Diese Filmkühlöff­ nungen werden von sich in radialer Richtung serpentinenförmig durch das Schaufelblattinnere erstreckende Versorgungskanäle versorgt. Bedingt durch den zentrifugalen Pumpeffekt, der einen unterschiedlichen Kühlluftdruck in Abhängigkeit von der Drehzahl zur Verfügung zu stellen vermag, ist es jedoch schwierig die Kühlluftöffnungen so zu dimensionieren, daß stets eine angemes­ sene Kühlung der Schaufelfläche vorliegt.

Angesichts dieses Stands der Technik ist es Aufgabe der Erfin­ dung, eine Turbinenschaufelfläche zu schaffen, deren Kühlung zu verbessern ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufelfläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Insbesondere hat die er­ findungsgemäße Turbinenschaufel einen sich radial nach außen er­ streckenden Zuluftkanal, welcher mit einer Öffnung in der Spitze der Schaufel versehen ist. Wenn sich die Schaufel dreht, wird die Luft in dem Zuführkanal zur Spitze der Schaufel durch die zentrifugale Pumpwirkung gefördert und kann durch die erfin­ dungsgemäß im Spitzenbereich vorgesehene Ausstoßöffnung auf be­ herrschbare Weise abgegeben werden. Dies ermöglicht eine wieder­ holbare und berechenbare Druckverteilung in dem Zuführkanal für alle Drehzahlen der Turbinenschaufel bzw. des Rotors. Folglich kann bei der Auslegung der Turbinenschaufel unter Verwendung der nunmehr bekannten Druckverteilung eine Auslegung der Film­ kühlöffnungen vorgenommen werden, die einerseits eine maximale Kühlung gewährleistet, während sie andererseits die für die Küh­ lung zu verwendende Luftmenge minimiert. Nachdem die Kühlluft Zapfluft ist, die dem Kompressor des Triebwerks entnommen wird, kann durch die bessere Auslegung die Kühlluftmenge reduziert werden und gleichzeitig der Wirkungsgrad bzw. die Leistung des Triebwerks erhöht werden.

Bei der Schaufel gemäß der Vorliegenden Erfindung sind die radialen Kanäle im Fußbereich offen, um Druck zuzuführen, so daß eine konstante Strömung in diesem Kanal oder in die­ sen Kanälen vom Fuß zur Spitze der Schaufel vorhanden ist. Ein Teil der Kühlluft wird durch die Filmkühlöffnungen aus­ gestoßen, während ein anderer Teil durch eine oder mehrere Öffnungen, die an der Spitze ausgebildet sind, zum Austritt gelangt. Das ist ein dynamischer Strömungskanal. Wenn die Kühlluft radial zur Spitze hin strömt, so wird ein Teil durch die Filmkühlöffnungen ausgestoßen, und dieser Teil wird durch die Luft, die durch die Kühlluft-Ergänzungsöff­ nungen in der inneren, den Kanal begrenzenden Wand, zuge­ führt wird, ergänzt. Der gewünschte Rückstromfaktor bzw. die gewünschte Rückstrommarge und die radiale Strömung kön­ nen vorher festgesetzt werden, indem die Öffnung oder die Öffnungen an der Spitze der Schaufel in geeigneter Weise bemessen werden und Strömungshindernisse in dem Strömungs­ weg, wie Hemm- oder Sperrstege, zur Anwendung gelangen. Zu­ sätzlich zum Herbeiführen einer Kühlung bei verminderten Zufuhrdruckpegeln wird in den radialen Kanal einströmende Luft verwendet, um an der Rückfläche des Schaufelkörpers zu Kühlzwecken einzuwirken, und die Ausströmung an der Spitze des Kanals wird zum Kühlen des Spitzenbereichs der Schaufel verwendet.

Die die Erfindung verkörpernde Schaufel erlangt aus sich heraus die besondere Eigenschaft einer Schmutz- oder Verun­ reinigungsabscheidung, da die Luft um 90° umgewendet und die Luft in den Kanälen einer Zentrifugalwirkung durch die Drehbewegung der Schaufel ausgesetzt wird.

Ein Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung einer verbes­ serten Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk. Gemäß einem Merkmal dieser Erfindung werden radiale Kanäle in der Nachbarschaft des Schaufelkörpers einer Turbinenschaufel geschaffen, die belüftet wird, um am Fuß Druck zuzuführen, wobei die Kühlluft zu einer Öffnung in der Spitze der Schaufel strömt. Die Kühlluft in dem radialen Kanal speist die Filmkühlöffnungen und wird durch zusätzliche Kühlluft ergänzt, welche durch Kühlluft-Ergänzungsöffnungen strömt, die in der inneren Wand, welche den radialen Kanal be­ grenzt, mit radialem Abstand angeordnet sind. Die Kühlwir­ kung wird mit weniger Kühlluft und bei niedrigeren Druckpe­ geln erreicht.

Gemäß einem weiteren Merkmal dieser Erfindung wird der Ge­ gendruck in dem Radialkanal vorherbestimmt, indem die Öff­ nung an der Spitze des Radialkanals in geeigneter Weise be­ messen und Hemm- oder Sperrstege eingegliedert werden. Durch Aufrechterhalten eines passenden Rückstromfaktors über die gesamte radiale Erstreckung des Radialkanals wird eine verbesserte Filmkühlung erreicht, um die Strömung durch alle Filmkühlöffnungen, die mit dieser radialen Ver­ längerung in Verbindung stehen, zu minimieren.

Ein noch weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, eine verbesserte, innenseitig gekühlte Turbinenschaufel zu schaffen, die Fähigkeiten in bezug auf eine Toleranz gegen­ über Verunreinigungen aufweist.

Die vorgenannten sowie weitere Merkmale und die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnung Bezug nehmenden Beschreibung deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Schaufel einer Axialturbine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 den Schnitt nach der Linie 2-2 in der Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie 3-3 in der Fig. 1;

Fig. 4 eine Teilschnittdarstellung längs der Linie 4-4 in der Fig. 1, wonach Hemm- oder Sperrstege zur Anwen­ dung kommen, die eine Schräglage aufweisen.

Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform eine typische Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk der Art ist, die bei dem F100-Triebwerk zur Anwendung kommt, das von Pratt & Whitney Aircraft, eine Abteilung von United Technologies Corporation, gefertigt wird, so ist klar, daß diese Erfindung auf andere Arten von luftgekühlten Turbinenschaufeln Anwendung finden kann.

Der hier verwendete Ausdruck "Rückstromfaktor" ist das Druckverhältnis, das über irgendeiner der Kühlluft- Ausströmöffnungen an der Schaufelkörperfläche gemessen wird. Es sind hier aus Gründen der Einfachheit lediglich Teile der Schaufel gezeigt, jedoch ist klar, daß die höher entwickelten Techniken zur Begünstigung der Wärmeübertragung, wie Erhebungen, Sperrstreifen u. dgl., weggelassen wurden.

Die Schaufel 10 wird aus irgendeiner bekannten Hochtempera­ turlegierung gebildet und umfaßt eine Hülle oder einen Man­ tel, die bzw. der eine vorlaufende Kante (Vorderkante) 12, eine nachlaufende Kante (Hinterkante) 14, eine Spitze 16 und einen Fuß bestimmt. Die Schaufel weist eine derartige Kontur auf, daß die Schaufelkörperfläche eine Sogseite 20 (niedrigerer Druck) und eine Druckseite 22 bestimmt. In der Schaufelkörperfläche sind Öffnungen in einer Mehrzahl aus­ gebildet, um die gewünschte Kühlung zu erzielen. In idealer Weise wird die Kühlluft über einen beträchtlichen Teil der Schaufelkörpersektion von diesen Öffnungen aus zum Strömen gebracht, um einen Film zu bilden, der als eine Barriere zwischen der Schaufelkörperfläche und den heißen Gasen in dem Gasströmungsweg des Triebwerks wirkt.

Der Schnitt von Fig. 2 zeigt die Innenkanäle der Schaufel in einer Ebene, die durch die Mitte (mittiger Sehnenbe­ reich) geht, als Beispiel für eine allgemein angewendete Schaufelkühlungstechnologie, wobei mehrere Kühlkanäle vor­ handen sind, die durch die Rippen 26 abgegrenzt werden, welche dazu dienen, die Luftströmung in einer serpentinen- oder schlangenförmigen Weise zu führen, um die optimale Konvektionskühlung zu erzielen. Die Erfindung ist auf die Anwendung dieser Art der Kühltechnik ausgelegt, obwohl sie darauf nicht begrenzt ist.

Der Erfindungsgedanke ist der Fig. 1 und 3 zu entnehmen, die die Kühlluft-Zufuhrkanäle 30 zeigen, welche an ge­ wünschten Orten nahe den Schaufelflächen auf der Sog- und Druckseite ausgebildet sind. Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit wird jedoch nur ein einziger Kühlluftkanal be­ schrieben, und das ist der, durch den sich die Schnittlinie 3-3 zieht.

Gemäß der Erfindung ist der Kühlluft-Zufuhrkanal 30 ein allgemein zylindrisch ausgestalteter, radial sich erstrec­ kender Kanal, der benachbart zur Schaufelfläche ausgestal­ tet ist und eine Vielzahl von radial beabstandeten, in der Schaufelfläche ausgebildeten Filmkühlöffnungen 32 umfaßt. Die Kühlluft strömt von einer Einlaßöffnung 34 am Fuß der Schaufel radial zu der Ausstoßöffnung 36, die an der Spitze der Schaufel ausgebildet ist, wobei ein Teil der Kühlluft durch die Film- oder Schleierkühlöffnungen 32 strömt. Inso­ fern ist die Strömung im Zufuhrkanal 30 eher eine dynami­ sche als eine statische Strömung, und der Zufuhrkanal wird, wie im folgenden beschrieben werden wird, ständig mit Kühlluft ergänzt oder nachgefüllt.

Der Durchmesser der Ausstoßöffnung 36 ist so bemessen, daß ein gewünschter Rückstromfaktor und eine radiale Strömung erlangt werden. Das dient dazu, das gewünschte Druckver­ hältnis über jede der Filmkühlöffnungen 32 hinweg zu erlan­ gen, um auf diese Weise die Filmkühlwirkung von jeder der Öffnungen, die sich durch die radiale Verlängerung er­ streckt, zu optimieren. Ferner dient das dazu, eine ausrei­ chende, zufriedenstellende Strömung mit einem gewünschten Druck zu erzielen, um die Spitze der Schaufel zu kühlen. Wie dem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet klar sein wird, kann der Zufuhrkanal 30 andere Wärmeübertragungsein­ richtungen, wie Hemm- oder Sperrstege, enthalten, um die Kühlung der Schaufel zu steigern, die aber auch auf den Druckabfall in dem Kanal einwirken und den Rückstromfaktor sowie die radiale Strömung beeinflussen.

Wie bereits gesagt wurde, wird der Zufuhrkanal 30 mit Kühl­ luft durch die Ergänzungskühlöffnungen 38 erneut gespeist oder ergänzt, die mit der in den Serpentinenkanälen 40, welche durch die Rippen 26 begrenzt sind, strömenden Luft in Verbindung stehen. Insofern empfängt der Zufuhrkanal 30 Kühlluft sowohl von deren Quelle, die durch den Einlaß 34 am Fuß der Schaufel zugeführt wird und in typischer Weise Abluft von einem Kompressor ist, sowie auch ergänzende Kühlluft, die durch die Ergänzungsöffnungen 38, welche die radiale Erstreckung des Zufuhrkanals 30 durchsetzen, zuge­ führt wird. Da die Luft bei ihrem Fortschreiten zur Spitze hin im Zufuhrkanal 30 verbraucht wird, wird die abgeführte Luft durch die Luft ergänzt, die dem Kanal durch die Ergän­ zungsöffnungen 38 zugeführt wird. Dieses Konzept eignet sich für die Regelung des Druckverhältnisses über alle Filmkühlöffnungen längs der sich von dem Fuß bis zur Spitze erstreckenden Schaufelkörperfläche. Da folglich die Strö­ mung aufgrund des Rückstromfaktors, der in radialer Rich­ tung angepaßt ist, minimiert wird, wird der Erfassungsbe­ reich der Filmkühlöffnungen über die gesamte Länge konstant sein.

Wie bereits erwähnt wurde, kann der Druckabfall im Zufuhr­ kanal des weiteren durch Hinzufügen von Hemm- oder Sperr­ stegen modifiziert werden, die auch dazu geeignet sind, die Wärmeübergangsleistung zu steigern. Die Fig. 4 zeigt einen Teil des Zufuhrkanals, der insoweit abgewandelt ist, als er schräg liegende Hemmstege 70 umfaßt.

Bei bisher bekannten Konstruktionen war es notwendig, die Kühlluft am Einlaß mit einem erheblich höheren Druck zuzu­ führen, um zu gewährleisten, daß ein vollauf genügender Druck vorhanden ist, der sich zur Spitze der Schaufel ver­ breitet oder nähert. Jedoch wird wegen der Eigenart dieser Konstruktion, insbesondere weil die Kühlluft von der statischen Konstruktion zu den drehenden Schaufeln übertra­ gen wird, ein Leckströmungsproblem oder ein schwerwiegendes Abdichtproblem hervorgerufen. Deshalb wurde in typischer Weise ein Kompromiß zwischen einer tolerierbaren Leckströ­ mung und einem gewünschten Kühlluftdruck geschlossen.

Aufgrund der Erfindung und wegen der Ergänzung der Kühlluft zum Zufuhrkanal kann der Einlaßdruck auf einen erheblich verminderten Wert gebracht werden, so daß das Leckströ­ mungsproblem vermieden und die Triebwerkleistung gesteigert wird.

Wie aus dem Vorstehenden deutlich wird, richten die Ergän­ zungsöffnungen 38 die Kühlluft in die Serpentinenkanäle, um an der Rückfläche des Schaufelkörpers einzuwirken. Dadurch wird nicht nur eine Stoßkühlung erreicht, sondern es wird auch eine Abscheidung von Verunreinigungen erzielt, da die Luft in einem gewissen Ausmaß Umkehrungen ausführt, um durch die Filmkühlöffnungen zu treten. Die Schmutz- oder Verunreinigungspartikel werden durch den dynamischen Strom der Kühlluft im Zufuhrkanal aufgefangen, wobei sie dann zur Spitze der Schaufel hin geführt und in den Gasstrom durch die Ausstoßöffnung 36 ausgestoßen werden. Da die Schaufel eine Drehbewegung ausführt, wird die die Schmutzpartikel enthaltende Luft in dem Zufuhrkanal einer Zentrifugalwir­ kung in Richtung zur Ausstoßöffnung hin ausgesetzt. Es liegt im Bereich der Erfindung, daß die Ergänzungsöffnungen 38 einwärts zum Fuß der Schaufel hin gerichtet sein können, so daß ein Abscheidewinkel, der größer als 90° ist, ge­ schaffen und dadurch die Schmutzabscheidung begünstigt wird.

Erfindungsgemäß wird eine innengekühlte Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk an der Vorderkante und Hinter­ kante so ausgebildet, daß sie radiale, von einer Kühlluft dynamisch durchströmte Kanäle mit einem Einlaß am Fuß und einer Ausstoßöffnung an der Spitze der Schaufel umfaßt, wo­ bei diese Kühlluft eine Mehrzahl von in radialer Richtung beabstandeten Filmkühlöffnungen in der Schaufelkörperfläche speist. Ergänzungsöffnungen, die mit den Serpentinenkanälen in Verbindung stehen und in der Innenwand des radialen Ka­ nals mit radialen Abständen zueinander angeordnet sind, er­ gänzen die Kühlluft, die durch die Filmkühlöffnungen abge­ führt wird. Die Ausstoßöffnung ist so bemessen, daß sie dem Rückströmungsfaktor angepaßt ist, um über die gesamte ra­ diale Länge hinweg einen konstanten Filmöffnung-Erfassungs­ bereich zu erzielen. Um die Druckabfallverteilung zu ver­ größern, können Hemm- oder Sperrstege zur Anwendung kommen.

Wenngleich die Erfindung zeichnerisch und wörtlich unter Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen erläutert wurde, so ist klar, daß dem Fachmann bei Kenntnis der durch die Erfindung vermittelten Lehre verschiedene Abwandlungen an die Hand gegeben sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fassend anzusehen sind.

Claims (4)

1. Filmgekühlte Turbinenschaufel (10) für ein Gasturbinentriebwerk,
mit einem Fußbereich (18), einer Vorderkante (12), einer Hinterkante (14), einer Spitze (16) und einer Mehrzahl von radialen, inneren Kanälen (40) zwischen Vorderkante (12) und Hinterkante (14), die durch innere Wandglieder (26) begrenzt sind;
mit abgegrenzten Zufuhrkanälen (30), die sich vom Fuß (18) zur Spitze (16) erstrecken und denen Kühlluft vom Fuß (18) über Einlaßöffnungen (34) zugeführt wird, die an der Spitze (16) über Ausstoßöffnungen (36) die Schaufel (10) verläßt;
mit einer Mehrzahl von radial beabstandeten Filmkühlöffnungen (32) in der Schaufeloberfläche (20, 22) die mit den Zuführkanälen (30) in Verbindung stehen; und
mit einer Mehrzahl von mit radialen Abständen in den Wandgliedern (26) ausgebildeten Ergänzungskühlöffnungen (38), die zusätzliche Kühlluft von den radialen inneren Kanälen (40) den Zuführkanälen (30) zuführen.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergänzugskühlöffnungen (38) senkrecht oder in einer zu dem Fußbereich (18) gerichteten Richtung spitzwinklig in den zugeordneten Zufuhrkanal (30) einmünden, um durch Strömungsumlenkung Verunreinigungen aus der zusätzlichen Kühlluft abzuscheiden, wobei die abgeschiedenen Verunreinigungen durch die Strömung in dem Zufuhrkanal (30) mitgenommen und durch die Ausstoßöffnung (36) hindurch ausgetragen werden.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Hemmstege (70) im Zufuhrkanal (30).

4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmstege (70) schräg zur Längsrichtung der Zufuhrkanäle (30) angeordnet sind.