DE60033089T2

DE60033089T2 - Kühlöffnungen und Kühlschlitze für die Abströmkante von Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE60033089T2
Application number: DE60033089T
Authority: DE
Inventors: Ching-Pang Cincinnati Lee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: EP1065344B1; JP2001027102A; DE60033089D1; US6174135B1; EP1065344A2; EP1065344A3

Description

Diese Erfindung betrifft im Wesentlichen Turbinentriebwerke und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Kühlen einer Turbinenlaufschaufelhinterkante.
Ein Turbinentriebwerk enthält typischerweise ein Kerntriebwerk, das in serieller Strömungsbeziehung einen Hochdruckverdichter, welcher einen in das Kerntriebwerk eintretenden Luftstrom komprimiert, eine Brennkammer, in welcher ein Gemisch aus Brennstoff und komprimierter Luft verbrannt wird, um heiße Antriebsgase zu erzeugen, und eine Hochdruckturbine aufweist, welche von den heißen Antriebsgasen gedreht wird. Die Hochdruckturbine ist mit dem Hochdruckverdichter durch eine Welle so verbunden, dass die Hochdruck-Turbinenlaufschaufeln den Hochdruckverdichter antreiben. Zusätzliche Verdichter und Turbinenlaufschaufeln (zum Beispiel ein Niederdruckverdichter und eine Niederdruckturbine) können in serieller Strömungsbeziehung zu dem Kerntriebwerk angeordnet sein. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Turbinenlaufschaufeln" auf die Hochdruck-Turbinenlaufschaufeln und Niederdruck-Turbinenlaufschaufeln.
Eine Turbinenlaufschaufel enthält typischerweise ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft und einen Schwalbenschwanz. Die Plattform ist mit einem Fuß des Schaufelblattes und dem Schaft verbunden. Der Schaft ist mit dem Schwalbenschwanz verbunden, durch welchen die Kühlluft geleitet wird. Das Schaufelblatt enthält eine Vorderkante und ein Hinterkante, wobei die Hinterkante im Vergleich zu der Vorderkante ist relativ dünn. Das Schaufelblatt enthält ferner einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt und eine Spit ze. Die Spitze und der Fuß sind mit der Vorderkante und der Hinterkante an dem oberen Abschnitt bzw. dem unteren Abschnitt des Schaufelblattes verbunden.
Ein größerer Betriebswirkungsgrad und größere Leistungsabgabe des Turbinentriebwerkes wird über höhere Betriebstemperaturen erreicht. Die Betriebstemperaturen sind jedoch durch eine von den rotierenden Turbinenlauf schaufeln tolerierbare maximale Temperatur, neben anderen Problemen in Verbindung mit durch die erhöhte Rotation der Turbinenlaufschaufeln verursachter Zugspannung und Beanspruchung eingeschränkt. Typischerweise wird Kühlluft aus einem Auslass des Verdichters entzogen und beispielsweise zum Kühlen der Turbinenlaufschaufeln verwendet.
Eine Optimierung des aerodynamischen Wirkungsgrads erzeugt Probleme mit Betriebsbedingungen des Schaufelblattes, und eine Optimierung der Betriebsbedingungen erzeugt Probleme mit dem aerodynamischen Wirkungsgrad. Im Betrieb treten aerodynamische Verluste vor allem an dem oberen Abschnitt von Laufschaufeln mit einer dicken Hinterkante aufgrund einer radialen Verteilung der heißen Antriebsgase auf. Eine dünne Hinterkante vergrößert jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass der untere Abschnitt des Schaufelblattes wenigstens zum Teil aufgrund hoher Zentrifugalzugspannungen während des Betriebs in Kombination mit den hohen Betriebstemperaturen ausfällt.
Beispiele bekannter Turbinenlaufschaufel- und Schaufelblattkonstruktionen sind in EP 1,013,881 , EP 1,013,878 , WO 00/71855, US 5,342,172 , US 5,733,102 und US 4,883,304 offenbart.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schaufelblatt bereitgestellt, das aufweist:
eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand, wobei die Druckseitenwand mit der Saugseitenwand an der Vorderkante und der Hinterkante verbunden ist;
dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist:
mehrere sich aus der Hinterkante entlang der Druckseitenwand erstreckende Hinterkantenschlitze; und
mehrere sich durch die Hinterkante hindurch erstreckende Hinterkantenöffnungen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Turbinenlaufschaufel mit einem Schaufelblatt gemäß vorstehender Beschreibung bereit.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Kühlen der Hinterkante eines Turbinenlaufschaufelblattes bereit, wobei das Schaufelblatt eine mit einer Saugseitenwand an einer Vorderkante und einer Hinterkante verbundene Druckseitenwand enthält, die Hinterkante einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt enthält, das Schaufelblatt ferner wenigstens einen Kühlungshohlraum enthält, sich mehrere Hinterkantenschlitze entlang der Hinterkante erstrecken, und mehrere Hinterkantenöffnungen sich durch die Hinterkante hindurch erstrecken; wobei der Kühlungshohlraum in einer Strömungsbeziehung mit dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt der Hinterkante besteht, und das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
Liefern von Kühlluft an den Kühlungshohlraum so, dass ein Anteil der Kühlluft durch die Hinterkantenschlitze und die Hinterkantenöffnungen geführt wird;
Kühlen des oberen Abschnittes der Hinterkante unter Anwendung einer Filmkühlung; und
Kühlen des unteren Abschnittes der Hinterkante unter Anwendung einer Konvektionskühlung.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung enthält ein Turbinenlaufschaufelblatt mehrere Schlitze in einem oberen Abschnitt des Schaufelblattes und mehrere Hinterkantenöffnungen durch einen unteren Abschnitt des Schaufelblattes. Die Turbinenlaufschaufel enthält auch einen Schaft, eine Plattform und einen Schwalbenschwanz. Das Schaufelblatt ist mit der Plattform an einem Fuß verbunden und enthält ferner wenigstens einen Kühlungshohlraum, der zwischen einer Druckseitenwand und einer Saugseitenwand angeordnet ist, welche sich von einer Vorderkante des Schaufelblattes zu einer Hinterkante des Schaufelblattes erstreckt.
Insbesondere enthält der obere Abschnitt des Schaufelblattes eine dünne Hinterkante. Die Schlitze erstrecken sich aus der Druckseite des Schaufelblattes zu der Hinterkante. Der untere Abschnitt des Schaufelblattes enthält eine dickere Hinterkante als die Hinterkante des oberen Abschnittes. Die Hinterkantenöffnungen erstrecken sich durch die Hinterkante und erzeugen eine Konvektionskühlung für den unteren Abschnitt der Hinterkante. Die Schlitze kühlen den oberen Abschnitt des Schaufelblattes unter Verwendung einer Kombinati on einer Konvektionskühlung für das Schaufelblatt und einer Filmkühlung für die Hinterkante.
Eine Verwendung des vorstehend beschriebenen Schaufelblattes mit der Kombination von Schlitzen und Hinterkantenöffnungen verbessert die Leistung und die Beständigkeit der Turbinenlaufschaufel. Die Leistung der Turbinenlaufschaufel wird verbessert, indem eine dünne Hinterkante an dem oberen Abschnitt der Laufschaufel verwendet wird, welche effektiv durch die Schlitze gekühlt wird. Die Haltbarkeit der Turbinenlaufschaufel wird verbessert, indem eine Hinterkante an dem unteren Abschnitt der Laufschaufel eingefügt wird, welche eine größere Dicke als die Hinterkante des oberen Abschnittes aufweist, und welcher durch die sich durch die Hinterkante des unteren Abschnittes erstreckenden Hinterkantenöffnungen gekühlt wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Querschnittsansicht eines Turbinentriebwerks ist, das eine Hochdruckturbine enthält;
2 eine perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Hochdruck-Turbinenlaufschaufel ist;
3 eine Querschnittsansicht eines oberen Abschnittes eines Schaufelblattes ist, das in der in 2 dargestellten Hochdruck-Turbinenlaufschaufel verwendet wird; und
4 eine Querschnittsansicht eines unteren Abschnittes der in 2 dargestellten Laufschaufel ist.
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines um eine Mittenachse 20 symmetrischen Turbinentriebwerks 10. Das Triebwerk 10 enthält in serieller Strömungsverbindung einen Frontbläser 30, einen mehrstufigen Niederdruckverdichter, einen Booster 40, einen mehrstufigen Hochdruckverdichter 50, ein Brennkammer 60, eine Hochdruckturbine 70 und eine mehrstufige Niederdruckturbine 130. Die Hochdruckturbine 70 ist mit dem Hochdruckverdichter 50 über eine Hochdruckwelle 140 verbunden. Die Niederdruckturbine 130 ist mit dem Frontbläser 30 und dem Booster 40 über eine Niederdruckwelle 150 verbunden.
Während des Betriebs des Triebwerks 10 strömt Luft durch den Bläser 30 stromabwärts und in den mehrstufigen Niederverdichter 40. Die Luft wird komprimiert und strömt weiter durch den Hochdruckverdichter 50 hindurch stromabwärts, wo die Luft hoch verdichtet wird. Ein Anteil der hoch verdichteten komprimierten Luft wird der Brennkammer 60 zugeführt, mit Brennstoff vermischt und entzündet, um heiße unter hohem Druck stehende Antriebsgase zu erzeugen, welche weiter stromabwärts strömen und von der Hochdruckturbine 70 genutzt werden, um den Hochdruckverdichter 50 anzutreiben. Die heißen unter hohem Druck stehenden Antriebsgase dehnen sich aus und verlieren einen Teil ihrer Energie und strömen weiter stromabwärts. Die Gase werden von der mehrstufigen Niederdruckturbine 130 verwendet, um den Frontbläser 30 und Booster 40 anzutreiben.
2 veranschaulicht eine Hochdruck-Turbinenlaufschaufel 80 einer (in 1 dargestellten) Hochdruckturbine 70. Gemäß Darstellung in 2 enthält die Hochdruck-Turbinenlaufschaufel 80 ein mit einem Schaft 84 verbundenes Schaufelblatt 82. Das Schaufelblatt 82 enthält eine Vorderkante 86, eine Hinterkante 88, eine Druckseitenwand 90 und eine Saugseitenwand 92. Die Druckseitenwand 90 ist mit der Saugseitenwand 92 an der Vorderkante 86 und Hinterkante 88 verbunden. Das Schaufelblatt 82 enthält ferner eine Spitze 94 und einen Fuß 96, die durch die Druckseitenwand 90, die Saugseitenwand 92, die Vorderkante 86 und die Hinterkante 88 miteinander verbunden sind. Der Schaft 84 enthält eine Plattform 98 und einen Schwalbenschwanz 100. Das Schaufelblatt 92 ist am Fuß 96 mit der Plattform 98 verbunden. Das Schaufelblatt 82 enthält einen oberen Hinterkantenabschnitt 102, welcher sich von der Spitze 94 aus erstreckt, und einen unteren Hinterkantenabschnitt 104, welcher sich von dem Fuß 96 aus erstreckt. Der obere Abschnitt 102 und der untere Abschnitt 104 treffen in einem Mittenabschnitt 106 der Hinterkante aufeinander.
Die Turbinenlaufschaufel 80 enthält wenigstens einen (in 2 nicht dargestellten) Kühlungshohlraum zwischen der Druckseitenwand 90 und der Saugseitenwand 92. Der Kühlungshohlraum steht mit mehreren Hinterkantenschlitzen 108, welche sich entlang der Hinterkante 88 erstrecken und mehreren Hinterkantenöffnungen 110, welche sich durch die Hinterkante 88 erstrecken, in einer Strömungsbeziehung. Die Hinterkantenschlitze 108 sind im Wesentlichen rechteckig und erstrecken sich entlang der Druckseitenwand 90 zu der Hinterkante 88 an dem oberen Abschnitt 102 des Schaufelblattes. Die Hinterkantenöffnungen 110 sind im Wesentlichen rund und erstrecken sich bei dem unteren Abschnitt 104 des Schaufelblattes durch die Hinterkante 88 hindurch.
Jeder Hinterkantenschlitz 108 enthält eine versenkte Wand 112, die von der Druckseitenwand 90 durch eine erste Seitenwand 114 und eine zweite Seitenwand 116 getrennt ist. Eine Kühlungshohlraum-Austrittsöffnung 118 erstreckt sich aus dem Kühlungshohlraum zu jedem Hinterkantenschlitz 108 angrenzend an die versenkte Wand 112. Jede versenkte Wand 112 erstreckt sich von der Hinterkante 88 zu der Kühlungshohlraum-Austrittsöffnung 118. Mehrere Stege 120 trennen jeden Hinterkantenschlitz 108 von einem benachbarten Hinterkantenschlitz 108. Die Seitenwände 114 und 116 erstrecken sich von den Stegen 120 aus. In einer alternativen Ausführungsform sind die Hinterkantenöffnungen 110 im Wesentlichen rechteckig.
3 und 4 sind Querschnittsansichten des oberen Abschnittes 102 und unteren Abschnittes 104 des in 2 dargestellten Schaufelblattes 82. Gemäß Darstellung in den 3 und 4 enthält das Schaufelblatt 82 darin einen Kühlungshohlraum 122. In einer Ausführungsform ist der Kühlungshohlraum 122 im Aufbau serpentinenförmig, wie es im Fachgebiet allgemein bekannt ist.
Gemäß Darstellung in 3 erstreckt sich jede Kühlungshohlraum-Austrittsöffnung 118 des Hinterkantenschlitzes 108 aus dem Kühlungshohlraum 122 zu der Druckseitenwand 90, während sich gemäß Darstellung in 4 jede Hinterkantenöffnung 110 aus dem Kühlungshohlraum 122 durch die Hinterkante 88 am unteren Abschnitt 104 erstreckt.
Während des Betriebs des (in 1 dargestellten) Turbinentriebwerks 10 verlassen heiße Antriebsgase die (in 1 dargestellte) Brennkammer 60, werden durch die (in 1 dargestellte) Hochdruckturbine geführt und kommen mit jeder Turbinenlaufschaufel 80 in Kontakt. Kühlluft wird aus dem Hochdruckverdichter 50 entnommen und durch den Schwalbenschwanz 100 der Turbinenlaufschaufel 80 hindurch zugeführt. Die Kühlluft tritt in dem Fuß 96 durch den Schaft 84 und den Schwalbenschwanz 100 hindurch ein, und wird an den Kühlungs hohlraum im Schaufelblatt 82 geliefert. Die Kühlluft kühlt den oberen Abschnitt 102 und den unteren Abschnitt 104 der Hinterkante 88.
Der obere Abschnitt 103 wird gekühlt, indem die Kühlluft in den Kühlungshohlraum 122 und durch die Hinterkantenschlitze 108 hindurch geführt wird. Die Kühlluft kühlt die Druckseitenwand 90 und die Saugseitenwand 92 unter Anwendung einer Konvektionskühlung. Aufgrund der Lage jedes Hinterkantenschlitzes 108 auf der Druckseitenwand 90 verlässt die Kühlluft jeden Hinterkantenschlitz 108 durch die Kühlungshohlraum-Austrittsöffnungen 118 entlang jeder versenkten Wand 112 und kühlt den oberen Abschnitt 102 der Hinterkante 88 unter Anwendung einer Filmkühlung. Der untere Abschnitt 104 wird gekühlt, indem die Kühlluft in den Kühlungshohlraum 122 und durch die Hinterkantenöffnungen 110 geführt wird. Die Kühlluft tritt durch jede Hinterkantenöffnung 110 an dem unteren Abschnitt 104 aus und kühlt die Hinterkante 88 unter Anwendung einer Konvektionskühlung.
Der obere Abschnitt 102 der Hinterkante 88 ist im Vergleich zu dem unteren Abschnitt 144 der Hinterkante 88 dünn und verringert die aerodynamischen Verluste, welche mit dicken Hinterkanten auftreten würden. Der untere Abschnitt 104 enthält eine dicke Unterkante 88 im Vergleich zu dem oberen Abschnitt 102, was die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass der untere Abschnitt 104 an dem Fuß 96 entlang der Hinterkante 88 aufgrund von Zentrifugalbeanspruchungen bricht. Die Kombination von Hinterkantenschlitzen 108 und. Hinterkantenöffnungen 110 kühlt effektiv und bewahrt den aerodynamischen Wirkungsgrad des Schaufelblattes 82.

Claims

Schaufelblatt (82), aufweisend: eine Vorderkante (86), eine Hinterkante (88), eine Druckseitenwand (90) und eine Saugseitenwand (92), wobei die Druckseitenwand mit der Saugseitenwand an der Vorderkante und der Hinterkante verbunden ist; und mehrere sich durch die Hinterkante hindurch erstreckende Hinterkantenöffnungen (110); dadurch gekennzeichnet, dass es ferner aufweist: mehrere sich aus der Hinterkante entlang der Druckseitenwand erstreckende Hinterkantenschlitze (108).
Schaufelblatt (82) nach Anspruch 1, das einen mit einem unteren Abschnitt (104) verbundenen oberen Abschnitt (102) aufweist, wobei die Hinterkantenschlitze (108) auf dem oberen Abschnitt (102) des Schaufelblattes ausgebildet sind, und die Hinterkantenöffnungen (118) sich durch den unteren Abschnitt (104) des Schaufelblattes hindurch erstrecken.
Schaufelblatt (82) nach Anspruch 2, wobei jeder einzelne Hinterkantenschlitz (108) eine versenkte Wand (112) aufweist, die von der Druckseitenwand (90) über einen vorbestimmten Abstand getrennt ist.
Schaufelblatt (82) nach Anspruch 3, welches ferner wenigstens einen Steg (120) aufweist, wobei jeder einzelne Hinterkantenschlitz (108) von einem benachbarten Hinterkantenschlitz durch wenigstens einen Steg getrennt ist, und wobei sich jeder Steg (120) aus der Hinterkante (88) zu einer Kühlungshohlraum-Austrittsöffnung (118) jedes einzelnen Hinterkantenschlitzes (108) erstreckt.
Turbinenlaufschaufel (80), aufweisend: eine Plattform (98); einen Schwalbenschwanz (100); einen mit der Plattform und dem Schwalbenschwanz verbundenen Schaft (84); ein Schaufelblatt (82) gemäß Definition in jedem der vorstehenden Ansprüche; wenigstens einen Kühlungshohlraum (122) zwischen der Druckseitenwand und der Saugseitenwand des Schaufelblattes; wobei die Hinterkantenschlitze des Schaufelblattes mit dem Kühlungshohlraum in Strömungsverbindung stehen; und die Hinterkantenöffnungen des Schaufelblattes mit dem Kühlungshohlraum in Strömungsverbindung stehen.
Turbinenschaufelblatt (80) gemäß Anspruch 5, wobei die Hinterkante (88) einen oberen Abschnitt (102) und einen unteren Abschnitt (104) aufweist, wobei sich die mehreren Hinterkantenschlitze (108) entlang des oberen Abschnitts (102) der Hinterkante (88) erstrecken, und die mehreren Hinterkantenöffnungen (118) sich durch den unteren Abschnitt (104) der Hinterkante (88) hindurch erstrecken.
Turbinenschaufelblatt (80) gemäß Anspruch 5, wobei jeder Hinterkantenschlitz (108) aus einer versenkten Wand (112) und einer Kühlungshohlraum-Austrittsöffnung (118) besteht, wobei sich die versenkte Wand von der Hinterkante (88) bis zu der Kühlungshohlraum-Austrittsöffnung erstreckt.
Verfahren zum Kühlen einer Hinterkante (88) eines Turbinenlaufschaufelblattes (82), mit den Schritten, Bereitstellen eines Turbinenlaufschaufelblattes mit wenigstens einem Kühlungshohlraum (122), mehreren sich aus der Hinterkante entlang der Druckseitenwand erstreckenden Hinterkantenschlitzen und mehreren sich durch die Hinterkante hindurch erstreckenden Hinterkantenöffnungen; wobei der Kühlungshohlraum (122) mit dem oberen Abschnitt und unteren Abschnitt der Hinterkante in Strömungsverbindung steht und das Verfahren die Schritte aufweist: Liefern von Kühlluft an den Kühlungshohlraum so, dass ein Anteil der Kühlluft durch die Hinterkantenschlitze und die Hinterkantenöffnungen geführt wird; Kühlen des oberen Abschnittes der Hinterkante unter Anwendung einer Filmkühlung; und Kühlen des unteren Abschnittes der Hinterkante unter Anwendung einer Konvektionskühlung.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Hinterkante (88) ferner mehrere auf dem oberen Abschnitt (102) ausgebildete Hinterkantenschlitze (108) und mehrere durch die Hinterkante hindurch an dem unteren Abschnitt (104) ausgebildete Hinterkantenöffnungen (110) enthält, wobei der Schritt der Kühlung des oberen Abschnittes den Schritt der Führung von Kühlluft durch die mehreren Hinterkantenschlitze und der Schritt der Kühlung des unteren Abschnittes den Schritt der Führung von Kühlluft durch die mehreren Hinterkantenöffnungen aufweist.