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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind allgemein Gasturbinentriebwerke
und speziell die Turbinenschaufelkühlung.
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In
Gasturbinentriebwerken wird Luft von einem Kompressor komprimiert
und mit Brennstoff gemischt sowie in einer Brennkammer zur Erzeugung heißer Brenngase
gezündet.
Stromabwärts
strömen die
Gase durch Turbinenstufen, die ihnen Leistung entziehen, um den
Kompressor anzutreiben und Nutzarbeit zu leisten, wie beispielsweise
zum Antrieb eines Bläsers
für den
Vortrieb eines Luftfahrzeugs während
des Flugs.
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Zu
den Turbinenstatorleitschaufeln und den Rotorschaufeln gehören hohle
Schaufeln, durch die als Kühlmittel
Kompressorluft geleitet wird. Die Schaufeln können ein oder mehrere Kühlkanäle haben,
die sich radial oder in Längsrichtung
erstrecken, um das Kühlmittel
zu leiten. Zur Erhöhung
des Wärmeübergangs
und effizienteren Kühlung
der Schaufeln können
verschiedene Maßnahmen
getroffen werden.
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Jede
Schaufel weist eine im Wesentlichen konkave druckseitige Seitenwand
und eine gegenüber
liegende, im Wesentlichen konvexe saugseitige Seitenwand auf, die
an einander axial gegenüber
liegenden vorn und hinten liegenden Kanten miteinander verbunden
sind. Die Brenngase strömen über die beiden
Seitenwände
in stromabwärtigen
Richtung und belasten diese mit unterschiedlichem Wärmeeintrag
oder -last. Entsprechend sind die inneren Kühlkanäle spe ziell eingerichtet, um
dem unterschiedlichen Kühlbedarf
der Schaufel Rechnung zu tragen und die Betriebseffizienz zu verbessern.
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Das
Kühlmittel
wird von der Schaufel durch verschiedene Öffnungen, wie beispielsweise
Filmkühllöcher, abgegeben,
die in längs
gerichteten Reihen oder Spalten entlang der druckseitigen oder saugseitigen
Seitenwand angeordnet sind sowie durch eine Reihe von Öffnungen
oder Schlitzen an der nacheilenden Kante. Diese verschiedenen Öffnungen
weisen eine geringe Größe auf und
sind dazu eingerichtet, die Schaufel in ihrer Nachbarschaft lokal zu
kühlen.
Beispiele von Turbinenschaufeln dieser Bauart sind in der US-A-3045965
und US-A-5503529 beschrieben.
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Das
Kühlmittel
wird von den Öffnungen
mit einer minimalen Rückflussrate
abgegeben, um die Einsaugung von Verbrennungsgasen zu vermeiden und
es wird an jeder Öffnung
das entsprechende Blasverhältnis
limitiert, um die unerwünschte
Abgabe von Luftstrahlen aus diesen zu vermeiden.
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Die
Abgabe von Kühlmittel
durch die Öffnungen
beeinträchtigt
die Kühlfähigkeit
sowie die Gesamteffizienz des Triebwerks, weil sich das Kühlmittel
mit den über
die Schaufel strömenden
Gasen mischt, die nachfolgend den Motor verlassen. Unterschiedliche
Richtungen und Geschwindigkeiten des abgegebenen Kühlmittels
und der Verbrennungsgase verursachen unerwünschte Mischverluste, die minimiert
werden sollten.
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Außerdem kann
das von dem Kompressor abgegebene Kühlmittel feine Staubpartikel
enthalten, die mit dem Kühlmittel
durch die Schaufel laufen und mit diesem durch die Öffnungen
abgegeben werden. Weil die Öffnungen
klein sind ist es nicht gewünscht, dass
sich in diesen Staub ansammelt, der ihre Größe weiter reduzieren oder den
Kühlmittelfluss
durch sie unterbrechen würde,
was die gewünschte
Kühlung nachteilig
beeinflusst.
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Entsprechend
ist es gewünscht,
eine Turbinenschaufel zu schaffen, deren Kühlung unempfindlich gegen Staubansammlung
in den Kühlöffnungen ist.
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Erfindungsgemäß ist eine
Turbinenschaufel geschaffen, die erste und zweite an einer voreilenden und
einer nacheilenden Kante miteinander verbundene Seitenwände aufweist,
die sich von dem Fuß zu der
Spitze in Längsrichtung
erstrecken. Zwischen den Seitenwänden
ist ein innerer Kühlkanal
gebildet, um darin ein Kühlmittel
zu leiten. Entlang der nacheilenden Kante erstreckt sich durch die
erste Seitenwand eine Reihe in Längsrichtung
voneinander beabstandeter Ejektionsschlitze, die mit dem Kühlkanal in
Fluidverbindung stehen, um das Kühlmittel
auf die nacheilende Kante zu ausströmen zu lassen. Einige der Schlitze
sind zwischen einer Steigungslinie und der Spitze angeordnet und
in unterschiedlichen positiven und spitzen Ejektionswinkeln in Bezug
auf die Steigungs- oder Anstelllinie geneigt. Außerdem sind einige der Schlitze
zwischen der Anstelllinie und dem Fuß angeordnet und in Bezug auf
die Anstelllinie in einem Winkel von 0° oder einem positiven Winkel
geneigt.
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Die
Erfindung ist gemeinsam mit bevorzugten und exemplarischen Ausführungsformen
sowie in Verbindung mit weiteren Aufgaben und Vorzügen detaillierter,
in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beschrieben, die
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen zu verstehen ist, in denen:
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1 eine
ausschnittsweise Schnittdarstellung einer exemplarischen Gasturbinenrotorschaufel veranschaulicht,
die Schaufelejektionsschlitze gemäß einer exemplarischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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2 ist
eine Radialschnittansicht durch die in 1 veranschaulichte
Schaufel, geschnitten entlang der Linie 2-2.
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3 ist
eine vergrößerte ausschnittsweise Schnittdarstellung
eines exemplarischen Ejektionsschlitzes, wie in 1 veranschaulicht.
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In 1 ist
eine Turbinenrotorschaufel 10 für eine Gasturbine exemplarisch
veranschaulicht. Zu der Schaufel gehört ein Schaufelblatt 12,
das mit einer Plattform 14 und einem Schwalbenschwanz 16 in herkömmlicher
Weise in Form eines Gussteils verbunden sind. Der Schwalbenschwanz 16 hält die Schaufel
in einem komplementären
Schwalbenschwanzschlitz, der an dem Umfang einer Rotorscheibe ausgebildet
ist.
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Während des
Betriebs wird Luft 18 in einem (nicht veranschaulichten)
Kompressor anfangs verdichtet und mit Brennstoff gemischt sowie
in einer (nicht veranschaulichten) Brennkammer gezündet, um
heiße
Brenngase 20 zu erzeugen, die stromabwärts in Turbinenstufen fließen, zu
denen eine Reihe der Schaufeln 10 gehört. Die Schaufel ist hohl und nimmt
einen Teil der verdichteten Luft 18 als Kühlmittel
zur Kühlung
der Schaufel während
des Betriebs auf. Das Kühlmittel 18 wird
auf geeignete Weise an die Unterseite des Schwalbenschwanzes geleitet und
fließt
dann radial durch diesen nach außen.
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Wie
in den 1 und 2 veranschaulicht, gehört zu der
Schaufel 12 eine erste oder druckseitige Seitenwand 22,
die im Wesentlichen konkav ausgebildet ist und eine in Seiten- bzw.
Umfangsrichtung gegenüber
liegende zweite oder saugseitige Seitenwand 24, die im
Wesentlichen konvex ausgebildet ist, wobei sie miteinander an in
Axialrichtung oder Sehnenrichtung einander gegenüber liegenden vorderen und
hinteren Kanten 26, 28 verbunden sind.
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Die
Schaufel weist eine Längs-
oder Radialachse 30 auf, wobei sich die Schaufel entlang
dieser von einem Fuß 32 zu
einer Spitze 34 erstreckt. Die Plattform 14 definiert
einen Teil eines radial inneren Strömungswegs für die Verbrennungsgase 20, die
während
des Betriebs über
die Schaufel strömen, wobei
die Schaufelspitze 34 einem stationären Turbinenanstreifring (nicht
dargestellt) benachbart angeordnet ist, der die aus den Schaufeln
gebildete Reihe umgibt.
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Die
in 1 veranschaulichte Schaufel enthält eine
Steigungslinie 36, die als der zwischen Fuß und Spitze
mittlere Radialschnitt der Schaufel definiert ist, der rechtwinklig
oder normal zu der Längsachse 30 gerichtet
ist. Exemplarische Stromlinien des Verbrennungsgases 20 sind
in 1 über
der druckseitigen Seitenwand 22 als, wenn sie außerhalb der
Steigungslinie liegen, radial oder in Längsrichtung nach außen gerichtet
und innerhalb der Steigungslinie als zu dem Fuß hin gerichtet dargestellt, wenn
sie im Wesentlichen in stromabwärtigen
Richtung fließen.
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Wie
in der Draufsicht in 1 und dem Schnitt in 2 veranschaulicht,
sind die beiden Seitenwände 22, 24 zwischen
der vorderen und der hinteren Kante seitlich voneinander beabstandet,
wobei entsprechende Rippen oder Brücken zwischen ihnen ausgebildet
sind, um einen inneren Kühlkanal
oder Kreislauf 38 auszubilden, um die Kompressorzapfluft 18 als
Kühlmittel
zur Kühlung
der Schaufel während des
Betriebs zu kanalisieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung erstrecken sich eine Anzahl in Längsrichtung voneinander beabstandeter
Ejektionsöffnungen
oder -schlitze 40 in Sehnenrichtung durch die druckseitige
Seitenwand 22 und einer bevorzugten Ausführungsform
entlang der stromabwärtigen
Kante. Die Ejektionsschlitze können
jede geeignete Form haben, wie die flächengleichen ovalen und in
größerer Einzelheit
in 3 veranschaulichten Schlitze. Die Ejektionsschlitze
stehen in Fluidverbindung mit dem internen Kühlkanal 38 zur Ausgabe
von Kühlmittel
auf die stromabwärtige
Kante hin.
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Jeder
der in den 1 und 3 veranschaulichten
Ejektionsschlitze 40 ist in Bezug auf die Steigungslinie 36 oder
die Normale zu der Längsachse 30 mit
einem Ejektionswinkel E geneigt, der die Richtung der Kühlmittelabgabe
aus dem Ejektionsschlitz festlegt.
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Wie
in 1 dargestellt, wandern die stellvertretend dargestellten
Verbrennungsgasstromlinien in Bezug auf die Steigungslinie 36 radial
nach außen
und nach innen. Entsprechend sind einige der Ejektionsschlitze 40 zwischen
der Steigungslinie 36 und der Schaufelblattspitze 34 in
dem außen
liegenden Teil der Schaufel angeordnet und in positivem Sinne in
entsprechenden unterschiedlichen Ejektionswinkeln bezogen auf die
Längsrichtung
außerhalb
der Steigungslinie 36 angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind die Ejektionswinkel für die
außen
liegenden Schlitze 40 spitz und im Wesentlichen an die
Auswanderwin kel oder Neigungswinkel der Verbrennungsgasstromlinien
entlang der druckseitigen Seitenwand angepasst, um Mischverluste
zu vermeiden, wenn das abgegebene Kühlmittel 18 auf die
an der Außenseite
der Schaufel entlang fließenden
Verbrennungsgase trifft.
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Jedoch
wandern die Verbrennungsgasstromlinien zwischen der Teilungslinie 30 und
dem Schaufelfuß 32 in
dem innenliegenden Bereich der Schaufel radial nach innen. Obwohl
die innenliegenden Ejektionsschlitze 40 zur Anpassung an
solche Stromlinien und zur Reduktion der Mischverluste geneigt sein
könnten,
ist dies im Hinblick auf Staub 42 unerwünscht, der mit der durch die
Kühlkanäle geleiteten
Kühlluft
mitgeführt
werden könnte.
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Spezieller
sind die in größerer Einzelheit
in 3 veranschaulichten Ejektionsschlitze 40 relativ kleine
Löcher,
durch die das Kühlmittel 18 entlang
der stromabwärtigen
Kante abgegeben wird. Wenn die inneren Ejektionsschlitze 40 bezogen
auf die Längsrichtung
nach innen mit entsprechend negativem Ejektionswinkel E geneigt
wären,
könnte
der mitgeführte
Staub 42 sich in den Schlitzen 40 ansammeln und
deren Wirksamkeit reduzieren.
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Entsprechend
haben die in 1 veranschaulichten, außerhalb
liegenden Ejektionsschlitze positive Ejektionswinkel, während die
innenliegenden, zwischen der Steigungslinie und dem Fuß angeordneten
innenliegenden Ejektionsschlitze vorzugsweise wenigstens parallel,
d.h. mit 0° zu
der Steigungslinie und ohne bezüglich
der Längsrichtung nach
innen gerichteten Neigung oder negativen Ejektionswinkel gerichtet
sind. Beispielsweise sind die innenliegenden Ejektionsschlitzwinkel
vorzugsweise nicht größer als
10°, um
deren Neigung radial nach innen zu verhindern.
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Auf
diese Weise kann jeder mit dem Kühlmittel
mitgeführte
Staub dem vorherrschenden Pfad durch den Kühlkanal und die Ejektionsschlitze
folgen und er wird mit der Zentrifugalkraft, die durch die Drehung
des Blatts erzeugt wird, durch die Ejektionsschlitze getrieben,
wobei sich nichts oder wenig ablagert.
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Wie
in 1 veranschaulicht, vermindern sich die Größen der
Ejektionswinkel der Ejektionsschlitze 40 von der Spitze 34 zu
der Steigungslinie 36, um sich im Wesentlichen an die entsprechend verminderte
Neigung der Bewegungsrichtung der Verbrennungsgasstromlinien anzupassen.
Entsprechend haben die Ejektionswinkel der Schlitze zwischen der
Steigungslinie und dem Fuß vorzugsweise kleinere
Maße als
die Ejektionswinkel außerhalb
der Steigungslinie. Auf diese Weise können die Mischverluste der
innenliegenden Ejektionsschlitze reduziert werden, wobei die staubunempfindliche
Kühlfähigkeit
mit reduzierter Staubablagerung beibehalten wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
vermindert sich die Größe des Ejektionswinkels
der Ejektionsschlitze 40 umgekehrt von der Spitze 34 zu der
Steigungslinie 36 und dann zu dem Fuß 32. Die Ejektionswinkelverminderung
ist von Schlitz zu Schlitz vorzugsweise einheitlich, um die Mischverluste
zu reduzieren während
eine Widerstandsfähigkeit gegen
Staubablagerung erhalten wird und um die Möglichkeit der Gussherstellung
der anderweitigen Herstellung der Ejektionsschlitze an der stromabwärtigen Kante
der Schaufel zu verbessern.
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Außerdem hat
bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Fußejektionsschlitz 40,
der dem Fuß 32 unmittelbar
benachbart ist, einen minimalen Ejektionswinkel, wobei der Spitzenejektionsschlitz,
der der Spitze 34 benachbart ist, einen maximalen Ejektionswinkel
aufweist. Der minimale Ejektionswinkel ist vorzugsweise spitz und
positiv, um den an innerster Stelle liegenden Ejektionsschlitz 40 von
dem Fuß weg
in Längsrichtung
nach außen
zu richten, um die Staubunempfindlichkeit ohne signifikante Mischverluste
sicher zu stellen.
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In
der in 1 veranschaulichten speziellen Ausführungsform
beträgt
der maximale Ejektionswinkel an dem äußersten Ejektionsschlitz an
der Schaufelspitze ungefähr
10° und
der minimale Ejektionswinkel an dem innersten Ejektionsschlitz beträgt ungefähr 2°. Außerdem vermindern
sich die. Ejektionswinkel von Schlitz zu Schlitz zwischen Spitze
und Fuß um
ungefähr
1°, wobei
insgesamt neun entsprechende Ejektionsschlitze vorhanden sind.
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Außerdem ist
der Kühlkanal 38 bei
der in 1 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform
serpentinenartig ausgebildet und enthält wenigstens einen Durchgang
oder Zweig, der sich in Längsrichtung
der stromabwärtigen
Kante 28 benachbart nach außen erstreckt, um das Kühlmittel 18 direkt
und parallel an die Reihe der Ejektionsschlitze 40 zu liefern.
Der Serpentinenkanal 38 enthält zusätzliche erste und zweite Durchgänge oder
Zweige, die vor dem letzten oder dritten Zweig angeordnet sind.
Der erste Zweig ist vorzugsweise direkt hinter der stromaufwärtigen Kante 26 der
Schaufel angeordnet, wobei eine Wendestelle an der Spitze der Schaufel
ausgebildet ist, um die Strömung
durch den zweiten Zweig radial nach innen zu leiten, der sich entlang
der Mittellinie radial nach innen erstreckt. Eine Umkehrstelle an
der Plattform lenkt dann das Kühlmittel
radial nach außen
in den dritten und letzten Serpentinenzweig um.
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Weil
der Staub 42 eine Masse aufweist, unterliegt er nicht nur
an den Umkehrstellen zwischen den verschiedenen Zweigen der Serpentine
sondern auch in Folge der Drehung der Schaufel während des Betriebs einer Zentrifugalkraft.
Das Kühlmittel 18, das
somit den dritten Serpentinenzweig nahe der stromabwärtigen Kante
an dem Plattfuß erreicht
und radial nach außen
fließt,
wird mit jedem darin enthaltenen Staub 42 zentrifugiert.
Durch die Neigung der Ejektionsschlitze bezogen auf die Längsrichtung nach
außen
kann die Zentrifugalkraft dazu genutzt werden, den Vortrieb des
mitgenommenen Staubs durch die Ejektionsschlitze ohne Stau in diesen
zu fördern,
um die Staubansammlung während
des Betriebs zu vermindern. Durch Vermeidung negativer Ejektionswinkel
an den innenliegenden Ejektionsschlitzen 40 wird das Kühlmittel
und jeder mitgenommene Staub an einer Umkehr der vorherrschenden Richtung
gehindert, wenn er durch die Ejektionsschlitze strömt, wodurch
die Staubansammlung darin gemindert wird.
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Wie
in 1 allgemein und spezieller in 3 veranschaulicht
ist, wirkt jeder Ejektionsschlitz 40 mit einem entsprechenden
Trog 44 zusammen, wobei diese unmittelbar der stromabwärtigen Kante benachbart
in einer Reihe oder Säule
angeordnet sind. Die Säule
der Tröge
ist in der druckseitigen Seitenwand 22 entlang der stromabwärtigen Kante
angeordnet. Jeder Trog weist eine Vorderwand maximaler Tiefe auf,
durch die sich das auslassseitige Ende des entsprechenden Ejektionsschlitzes
erstreckt, wobei sich der Einlass des Ejektionsschlitzes durch das
Schaufelblatt nach innen zu dem Kühlkanal 38 erstreckt.
Jeder Trog 44 weist Seitenwände mit abnehmender Tiefe auf,
um die Tröge
stromabwärtig in
die stromabwärtige
Kante 38 übergehen
zu lassen. Die Seitenwände
jedes Trogs divergieren bezogen auf die Radialrichtung von einander,
um das von den ein zelnen Ejektionsschlitzen 40 abgegebene
Kühlmittel
zu verteilen.
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Die
Tröge 44 können jede
konventionelle Form aufweisen, die mit den entsprechenden Ejektionsschlitzen 40 zusammenwirkt.
Die Ejektionsschlitze und Tröge
sind vorzugsweise in der druckseitigen Seitenwand 22 der
Schaufel angeordnet, weil die Wärmebelastung
der Verbrennungsgase typischerweise an der druckseitigen Seitenwand
größer ist
als an der saugseitigen Seitenwand.
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Die
oben geoffenbarten Ejektionsschlitze können dazu genutzt werden, den
Ejektionswinkel des Kühlmittels,
das von ihnen abgegeben wird, besser an die lokale Neigung der Verbrennungsgasstromlinien
anzupassen, um Mischverluste zu vermindern. Die Ejektionswinkel
variieren vorzugsweise nicht nur, um an die Winkel der Stromlinien
angepasst zu werden sondern auch, um die Staubansammlung in den
Ejektionsschlitzen zu vermindern. Im Hinblick auf die oben geoffenbarte
spezielle Geometrie sind negative Ejektionswinkel im Hinblick auf Staubansammlung
unerwünscht.
Die oben beschriebene Einführung
individuell unterschiedlicher Ejektionswinkel von der Spitze zu
dem Fuß reduziert Mischverluste
bei Verbesserung der Staubunempfindlichkeit.
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Die
individuell geneigten Ejektionswinkel können bei anderen Typen von
Turbinenschaufeln mit unterschiedlich konfigurierten inneren Kühlkanälen angewendet
werden. Außerdem
können
die Ejektionsschlitze bei stationären Turbinenleitschaufeln vorteilhaft
verwendet werden, obwohl solche Schaufeln keinen Fliehkräften in
Folge von Rotation unterworfen sind.