DE69404168T2 - Gekühlte turbinenschaufel - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen und insbesondere das Kühlen von Turbinen-Strömungsprofilen dafür.
• Der Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine ist extrem hohen Temperaturen ausgesetzt. Die Temperatur der von dem Brenner in die Turbine gelangenden heißen Gasen ist generell deutlich über den Schmelzpunkttemperaturen der Legierungen, aus denen die Turbinen- Rotorlaufschaufeln und -Statorleitschaufeln hergestellt sind. Da sowohl die Leitschaufeln als auch die Laufschaufeln derart hohen Temperaturen ausgesetzt sind, müssen sie gekühlt werden, um ihre strukturelle Integrität beizubehalten.
• Die Turbinen-Leitschaufeln und -Laufschaufeln werden durch Luft gekühlt, die von dem Verdichter der Maschine abgezapft wird und den Brenner umgeht. Man erkennt, daß sämtliche Zapfluft vom Verdichter für derartiges Kühlen für die Unterstützung der Verbrennung in dem Brenner nicht zur Verfügung steht. Deshalb muß jedes System zum Kühlen von Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln die Verwendung der vom Verdichter abgezapften Kühlluft optimieren, um jegliche Einbuße bei der Maschinenleistung infolge von inadäquater Luftströmung zur Unterstützung der Verbrennung zu minimieren.
• Generell wird das Kühlen der Turbinen-Leitschaufeln und -Laufschaufeln durch ein externes Filmkühlen und internes Luft-Auftreffkühlen und - Konvektionskühlen oder durch eine Kombination aus beidem erzielt. Beim Auftreffenlassen von Luft wird Verdichterzapfluft in Kanälen an die Innenseite eines Strömungsprofils geführt und auf die Innenwände des Strömungsprofils gelenkt. Die Luft verläßt dann das Strömungsprofil durch einen Satz aus Filmöffnungen, die in den Wänden des Strömungsprofils vorgesehen sind. Das Auftreffenlassen von Luft ist ein effektives Verfahren zum Kühlen der Laufschaufeln.
• Beim Konvektionskühlen strömt Verdichterzapfluft durch typischerweise geschlängelte Passagen in den Laufschaufeln und Leitschaufeln und führt kontinuierlich Wärme davon ab. Verdichterzapfluft gelangt in die Passagen durch einen Einlaß, der generell in einem vorderen Bereich des Strömungsprofils angeordnet ist und die Zapfluft in die geschlängelte Passage abgibt. Die Passage weist auch Rippen oder Grate (auch als "trip strips" oder "Stolperstreifen" bekannt) in einer Wand davon auf, die ein verbessertes Konvektionskühlen der Strömungsprofilwände erleichtern. Die präzisen Abmessungen und Anordnungen dieser Stolperstreifen können die Menge von Luftströmung durch die Passage kontrollieren und auch - zumindestens zum Teil - die Kühleffizienz der gesamten geschlängelten Struktur bestimmen.
• Richtungsändernde Leitelemente können verwendet werden, um die Luftströmung um die Biegungen der geschlängelten Passagen zu kanalisieren, die in einer Reihe von Filmöffnungen enden, die in der Nähe der Hinterkante der Laufschaufel oder Leitschaufel angeordnet sind und durch die einiges der Kühlluft abgegeben wird.
• Man erkennt, daß die Kühlluft beim Strömen durch die geschlängelte Passage Druck verliert. Wenn der Druck zu gering ist, wenn die Luftströmung die Hinterkante erreicht, können heiße Verbrennungsgase von außerhalb der Laufschaufel oder der Leitschaufel durch die Filmöffnungen der Laufschaufel oder Leitschaufel dort hinein gelangen. Das würde natürlich das Kühlen des Strömungsprofils behindern und es könnte ein Verbrennen der Strömungsprofilwände zur Folge haben. Deshalb besteht ein akutes Erfordernis, ein höheres Druckniveau in den Kühlpassagen des Strömungsprofils aufrechtzuerhalten als an der Außenseite des Strömungsprofils.
• Das konventionelle Herstellungsverfahren der Laufschaufel- oder Leitschaufel-Flügel mit geschlängelten Kühlpassagen ist es, das Teil zu gießen und dann dem Teil durch extensives Bearbeiten seine präzise Gestalt zu geben. Bei dem Gießschritt werden zuerst eine Form und ein Kern hergestellt, wobei der Kern die Gestalt der Kühlluftpassagen in dem Inneren des Strömungsprofils definiert. Der Kern wird von einer Kernabstätzstange an seinem Platz gehalten, die an dem Kern angebracht ist und durch die Strömungsprofilwand hindurchragt.
• Nach dem Abschluß des Gießprozesses wird der Kern durch die Anwendung einer chemischen Lösung aufgelöst, wobei die Leerstellen in dem Strömungsprofil, die beim Auflösen des Kerns zurückbleiben, die geschlängelten Kühlpassagen in dem Strömungsprofil bilden. Die Öffnung in dem Strömungsprofilsgußstück, die durch das Entfernen der Kernabstutzstange gebildet wurde, wird dann verschlossen, und das gegossene Teil wird zu seiner fertigen Gestalt bearbeitet.
• Obwohl der Gießprozeß ein qualitativ hochwertiges Produkt ergibt, ist das Verfahren selbst kostspielig und zeitaufwendig. Die Herstellung der Form und des Kerns sind infolge der verwundenen Formen der Kühlpassagen besonders komplex. Deshalb kann ein Umrüsten zum Korrigieren von Überhitzungsproblemen des Strömungsprofils, die während des Testens entdeckt werden, teuer und unpraktisch sein, falls es sich nicht aus ökonomischen Gründen verbietet.
• Momentan ist es nicht einfach möglich, die Menge an Luftströmung durch die Strömungsprofilkühlpassagen einzustellen, ohne die extremen Kosten und Zeitaufwendungen, die beim Umrüsten zum Neugießen der Kühlpassage mit Änderungen an deren Geometrien erforderlich sind.
• Beispielsweise beschreibt das U.S.-Patent Nr. 4,278,400 von Yamarik et al eine Laufschaufel mit zwei Zuführungen für Kühlluft, die in dem Wurzelbereich der Laufschaufel gebildet sind. Beide Kühllufteinlässe sind gegossen und können nicht geändert werden, um die Luftströmungsmenge dort hindurch ohne eine vollständige Neuherstellung der Gußform und des Kerns zu variieren.
• Ein anderes Problem, das bei geschlängelten Kühlpassagen auftritt, ist, daß sobald die Verdichterzapfluft in die geschlängelte Passage gelangt, sie in der Passage zunehmend heißer wird, während sie Wärme von dem Strömungsprofils abführt, und es kann sein, daß sie keine adäquate Kühlkapazität besitzt, um die Hinterkante des Strömungsprofils effektiv zu kühlen.
• Man erkennt, daß jegliche Lösungen für die Probleme des Kühlens gegenwärtiger Turbinen-Laufschaufeln und -Leitschaufeln, wie sie vorangehend dargelegt wurden, nicht auf Kosten zusätzlichen Gewichts gehen sollten, was selbst bei geringen Mengen davon pro Strömungsprofil die Maschinenleistung signifikant verringern kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenmaschinen-Strömungsprofils bereitgestellt, das mit einer geschlängelten, internen Kühlluftpassage mit einem strömungsaufwärtigen Bereich, einem strömungsabwärtigen Bereich und einem Mittelbereich dazwischen und einem Hauptkühllufteinlaß, der mit der geschlängelten Passage an dem strömungsaufwärtigen Bereich kommuniziert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
• Gießen des Strömungsprofils um einen Kern, der von einer Kernabstutzstange abgestützt ist und die Gestalt der internen Passage mit dem Hauptkühllufteinlaß besitzt, und um die Kernabstutzstange, die durch das Strömungsprofil hindurchragt;
• Entfernen des Kerns und der Kernabstützstange aus dem Inneren des Strömungsprofils,
• das gekennzeichnet ist durch
• Beibehalten einer Öffnung, die als Ergebnis des Entfernens der Kernabstützstange aus ihrem durch das Strömungsprofil hindurchragenden Zustand gebildet wurde, um ein Gelangen von Kühlluft in die Passage an dem Mittelbereich der Passage zu ermöglichen.
• Das Einstellen der Menge an Luftströmung durch die geschlängelte Passage ohne ein Neuherstellen der Gußform und des Kerns wird möglich durch das Ändern der Größe des sekundären Einlasses. Die Einlaßgröße kann durch Bohren vergrößert werden oder durch teilweises Füllen zum Teil verschlossen werden. Ein derartiges Verfahren des Änderns der Einlaßgröße ist wesentlich weniger zeitaufwendig als das Neuherstellen der Gußform und des Kerns. Durch ausgewähltes Anordnen des sekundären Einlasses kann die Strömung dadurch das Richtungsändern der Luftströmung in der geschlängelten Passage erleichtern und so das Erfordernis nach Richtungsänderungs- Leitschaufeln und das zusätzliche mit diesen verbundene Gewicht eliminieren. Außerdem verstärkt die Luftströmung durch den sekundären Einlaß den Druck in der geschlängelten Passage und reduziert so das Risiko eines Zurückströmens von heißen Verbrennungsgasen vom Außeren des Strömungsprofils in die Kühlpassage. Außerdem kann die Wärmeübergangsrate von den Strömungsprofilwänden in speziellen Bereichen der geschlängelten Passage durch das Einführen von Kühlmittel durch den Sekundäreinlaß maßgeschneidert werden.
• Der zusätzliche Druck, der durch das Vergrößern des sekundären Einlasses erhalten wurde, hält tendenziell den Druck in den strömungsaufwärtigen Bereichen des geschlängelten Durchgangs zurück und verringert so die Geschwindigkeit des Kühlmittels und den Wärmeübertrag auf das Kühlmittel in diesen Bereichen, was für eine geringere Kühlmitteltemperatur, da es sich mit der Luft des Sekundäreinlasses mischt, und für eine größere Kapazität zum Kühlen der Hinterkante sorgt.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
• Figur 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht einer Gasturbinenmaschine des Typs, der das Turbinenströmungsprofil verwendet, das durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
• Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße, in Fig. 1 gezeigte Turbinen- Leitschaufel;
• Figur 3 ist eine Schnittansicht der in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Leitschaufel von vorne; und
• Figur 4 ist eine Schnittansicht der in Fig. 2 gezeigten Leitschaufel von oben.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Turbobläser- Gasturbinentriebwerks 10, das zum Antrieb von Luftfahrzeugen verwendet wird. Das Triebwerk 10 weist einen Bläser 12, einen Verdichter 14, einen Verbrennungsabschnitt 16 und eine Turbine 18 auf. Wie es in dem Technikgebiet bekannt ist, wird in dem Verdichter 14 komprimierte Luft mit Kraftstoff gemischt, in einem Verbrennerabschnitt 16 verbrannt und in der Turbine 18 expandiert, deren Rotor in Reaktion auf das Expandieren rotiert und den Verdichter und den Bläser antreibt. Der Turbinenabschnitt 18 weist alternierende Reihen von Drehströmungsprofilen oder Drehlaufschaufeln 30 und statische Strömungsprofile oder Leitschaufeln 32 auf, wie in Fig. 2 gezeigt. Ein Sammelhohlraum 34, wie in Fig. 3 gezeigt, hält eine Quelle von konstanten Luftdruck aufrecht, der größer ist als der der Luft, die von dem Verdichterabschnitt 14 abgezapft wird, und den Brennerabschnitt 16 umgeht.
• Die Leitschaufel 32 weist einen Strömungsprofilbereich 36 auf, der bei seinem radialen inneren und bei seinem radial äußeren Ende durch Endstrukturen 38 und 40 festgemacht ist, wobei die Endstruktur 38 zumindest zum Teil den Sammelhohlraum 34 definiert. Der Strömungsprofilbereich 36 besitzt eine Vorderkante 42 und eine Hinterkante 44. Die geschängelt geformte Kühlpassage 50 ist in dem Strömungsprofilsbereich 36 gebildet, durch äußere Strömungsprofilwände 52 begrenzt und weist einen Haupteinlaß 54 und einen Sekundäreinlaß 56 auf, die beide in dem ersten Endbereich 38 des Strömungsprofils 32 gebildet sind und sich in den Sammelraum 34 öffnen. Wie gezeigt, ist der Haupteinlaß 54 an einem strömungsaufwärtigen Ende der Passage 50 angeordnet, und der Sekundäreinlaß 56 ist an einem Mittelbereich davon angeordnet. Die geschlängelte Passage 50 schlängelt sich durch den Strömungsprofilbereich 36 und weist Parallelabschnitte 60 bis 64, die in Richtung der Spannweite verlaufen, Abschnitte 60 und 61, die zum Teil durch passagenwände 65 definiert sind, und Richtungsänderungs-Leitelemente 68 bis 70 auf, die die Bewegung der Luftströmung durch die Passage 50 erleichtern. Die geschlängelte Passage 50 weist ferner erhöhte Rippen oder Grate (Stolperstreifen) 72 auf, die an der inneren Oberfläche der Strömungsprofilwand 52 angeordnet sind. Drei Arten von Rippen sind in der Hinterkante 44 des Strömungsprofils angeordnet: Tropfenrippen 74, Auftreffrippen 76 und axiale Rippen 78, die vorgesehen sind, um die Strömung durch das Strömungsprofil dessen optimaler Kühlung maßzuschneidern. Mehrere Filmöffnungen 80 sind in den Strömungsprofilwänden 52 bei der Vorderkante 42 und der Hinterkante 44 davon angeordnet.
• Der Kühlprozeß wird durch die vom Verdichter abgegebene Luft, die den Brenner 16 umgeht, bewirkt, die in den Sammelraum 34 durch geeignete (nicht gezeigte) Passagen durch das Triebwerk kanalisiert wird und in die geschlängelte Passage 50 durch den Haupteinlaß 54 strömt. Die Kühlluftströmung folgt der Passage 50 durch die Abschnitte 60 bis 64, wird durch die Passagenwände 65 und die Richtungsänderungs- Leitschaufeln 68 bis 70 geführt. Die Kühlluft strömt über die Stolperstreifen 72 und reduziert die Temperatur der Strömungsprofilwände 52. Die Kühlluft gelangt auch durch den Sekundäreinlaß 56 in die geschlängelte Passage 50 infolge des Druckunterschieds zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Strömungsprofilbereichs der Leitschaufel, wobei der Druck der Luft in dem Sammelraum 34 größer ist als der Luftdruck in dem Passageabschnitt 62 infolge des Druckabfalls, den der Kühlluftstrom beim Strömen durch die Passagenabschnitte 60 und 61 erfährt. Sobald die Kühlluft durch den Sekundäreinlaß 56 in den Passagenabschnitt 62 gelangt, kommt sie zu der Strömung von Kühlluft in dem Strömungsprofil dazu, verstärkt die Gesamtströmung in Richtung auf die Hinterkante 44 des Strömungsprofils und deshalb das Kühlen der Hinterkante. Das selektive mit einem Winkel Anordnen des Sekundäreinlaßes 56 kann auch das Leitelement 70 überflüssig machen und so das nötige Gewicht des Strömungsprofils 32 und deshalb des Triebwerks selbst verringern.
• Zusätzlicher Kühlluftdruck, der durch die zusätzliche Strömung durch den Sekundäreinlaß 56 geliefert wird, stellt sicher, daß der Druck des Luftstroms an der Hinterkante 44 über dem Umgebungsdruck außerhalb des Strömungsprofils liegt. Wenn der Innendruck den Außendruck nicht überschreiten würde, würden heiße Gase von außen durch die Filmöffnungen 80 in das Strömungsprofil gelangen und so dessen Innenseite verbrennen. Deshalb erhöht die Luftströmung durch den Sekundäreinlaß 56 den Innendruck an der Hinterkante 44 und stellt ein Ausströmen aus dem Strömungsprofil in einer Richtung sicher.
• Die Größe des Sekundäreinlasses 56 kann abhängig von den Kühlanforderungen des Strömungsprofils 32 variiert werden. Wenn es zu einem Verbrennen in der Hinterkante 44 kommt, kann die Öffnung 56 durch Aufbohren vergrößert werden, um eine größere Strömung aufzunehmen. Wenn die Passageabschnitte 60 und 61 der geschlängelten Passage 50 zum Überhitzen tendieren, wird durch Verschließen oder teilweises Verschließen 56 die Geschwindigkeit in den Bereichen 60 und 61 vergrößert und so das Kühlen verstärkt, das darin erfolgt. Der Sekundäreinlaß 56 ist als Folge des Gießens um eine Kernabstützstange, die durch die Strömungsprofilwände 52 beim Gießen des Strömungsprofils hindurchragt, einfach gebildet. Die Größe der Öffnung 56 kann anfänglich durch die Größe der Stange bestimmt werden.
• Die Leitschaufel 32 wird auch durch das Auftreffkühlen gekühlt, wobei eine Vorderkannten-Passage 90 einen Kühllufteinlaß 92, der in der Endstruktur 38 gebildet ist und mit dem Sammelraum 34 kommuniziert, und einen Auslaß 94 aufweist, der in der Endstruktur 40 gebildet ist. Die Vorderkannten-Passage 90 weist gegossene Querverbindungsöffnungen 96 auf, die in einer Vorderkannten- Passagewand 98 gebildet sind. Beim Gelangen von Kühlluft in die Vorderkanten-Passage 90 durch den Einlaß 92 infolge des Druckunterschieds zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Strömungsprofils wird sie auf das Innere des Vorderkantenbereichs der Wand 52 durch die gegossenen Querverbindungsöffnungen 96 gelenkt, und kühlt so diesen Teil der Wand, und wird dann in die Vorderkannten-Ausströmpassage 100 gelenkt. Die Luft verläßt die Ausströmpassage 100 durch die Filmöffnungen 80 in der Vorderkante. Die Kühlluft verläßt auch die Vorderkannten-Passage 90 durch den Auslaß 94 und liefert dabei dem entgegengesetzten Ende der Leitschaufel 32 eine Kühlluftzufuhr.
• Man erkennt so, daß zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenströmungsprofils mit gesteigerter Kühlung liefert, bei dem die Luftströmung und der Druck durch eine Kühlpassage in einem Strömungsprofil abhängig von den speziellen Kühlerfordernissen dieses Strömungsprofils eingestellt werden können, nachdem das Teil gegossen wurde und ohne bedeutsames Umrüsten.
• Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Turbinenströmungsprofilen ist die Kühlung der Turbinströmungsprofile ohne irgendeinen korrespondierenden Anstieg des Gewichts davon verbessert, und die Kühlluft Drücke in der geschlängelten Kühlpassage in den Turbinenströmungsprofilen werden höher gehalten als die Brenner-Gasdrücke außerhalb des Strömungsprofils.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenmaschinen- Strömungsprofils (32) mit einer geschlängelten, internen Kühlluftpassage mit einem strömungsaufwärtigen Bereich, einem strömungsabwärtigen Bereich und einem Mittelbereich dazwischen und einem Hauptkühllufteinlaß (54), der mit der geschlängelten Passage (50) an dem strömungsaufwärtigen Bereich kommuniziert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Gießen des Strömungsprofils (32) um einen Kern, der von einer Kernabstützstange abgestützt ist und die Gestalt der internen Passage (50) mit dem Hauptkühllufteinlaß (54) besitzt, und um die Kernabstötzstange, die durch das Strömungsprofil (32) hindurchragt;

Entfernen des Kerns und der Kernabstützstange aus dem Inneren des Strömungsprofils (32); gekennzeichnet durch

Beibehalten einer Öffnung (56), die als Ergebnis des Entfernens der Kernabstützstange aus ihrem durch das Strömungsprofil (32) hindurchragenden Zustand gebildet wurde, um ein Gelangen von Kühlluft in die Passage an dem Mittelbereich der Passage zu ermöglichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend den folgenden Schritt:

Optimieren der Kühlluftzirkulation in dem Strömungsprofil (32) durch Variieren der Größe der Öffnung (56) nach dem Gießen des Strömungsprofils (32).

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend den folgenden Schritt:

Aufbohren der Öffnung (56), um die Menge an durch die Öffnung (56) hindurchtretender Kühlluft zu erhöhen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend den folgenden Schritt:

Teilweises Auffüllen der Öffnung (56), um die Menge an durch die Öffnung (56) hindurchtretender Kühlluft zu verringern.