DE69836156T2

DE69836156T2 - Gekühlte Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE69836156T2
Application number: DE69836156T
Authority: DE
Inventors: David A. Bristol Krause; Dominic J. Jr. Southington Mongillo; Friedrich O. Soechting; Mark F. Zelesky
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: DE69838015T2; EP0896127A3; EP0896127A2; JPH11107702A; EP1420143A1; DE69836156D1; DE69838015D1; JP4128662B2; EP1420142B1; DE69832116D1; EP0896127B1; EP1420143B1; US5931638A; EP1420142A1; DE69832116T2

Description

Die Erfindung betrifft kühlbare Turbomaschinenbauteile und insbesondere ein kühlbares Strömungsprofil für eine Gasturbinenmaschine.
Die in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine verwendeten Laufschaufeln und Leitschaufeln haben jeweils einen Strömungsprofilabschnitt, der radial über einen Maschinenströmungsweg ragt. Während des Maschinenbetriebs sind die Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln erhöhten Temperaturen ausgesetzt, die zu mechanischem Versagen und Korrosion führen können. Deshalb ist es übliche Praxis, die Laufschaufeln und die Leitschaufeln aus einer temperaturbeständigen Legierung herzustellen und korrosionsbeständige und thermisch isolierende Beschichtungen auf dem Strömungsprofil und anderen dem Strömungsweg ausgesetzten Oberflächen aufzubringen. Es ist auch weit verbreitete Praxis, die Strömungsprofile zu kühlen, indem man ein Kühlmittel durch das Innere der Strömungsprofile strömen lässt.
Ein bekannter Typ von interner Kühlanordnung für Strömungsprofile verwendet drei Kühlkreise. Ein Vorderkantenkühlkreis weist einen radial verlaufenden Auprallhohlraum auf, der mit einem Zuführkanal über eine Reihe von radial verteilten Aufprallöffnungen verbunden ist. Eine Anordnung von "Duschkopf"-Löchern ragt von dem Aufprallhohlraum zu der Strömungsprofiloberfläche in der Nähe der Vorderkante des Strömungsprofils. Kühlmittel strömt radial durch den Zuführkanal nach außen, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und ein Teil des Kühlmittels strömt durch die Aufprallöffnungen und prallt gegen die vorderste Oberfläche des Aufprallhohlraums. Das Kühlmittel strömt dann durch die Duschkopföffnungen und wird über die Vorderkante des Strömungsprofils abgegeben, um einen Wärmeschutzfilm zu bilden. Ein Profilsehnenmitten-Kühlkreis weist typischerweise eine Serpentinen-Passage mit zwei oder mehr in Profilsehnenrichtung benachbarten Schenkeln auf, die durch einen Bogen an den radial innersten oder radial äußersten Extrembereichen der Schenkel verbunden sind. Eine Reihe von geschickt orientierten Kühlöffnungen ist entlang der Länge der Serpentine verteilt, wobei jede Öffnung von der Serpentine zu der Außenoberfläche des Strömungsprofils geht. Kühlmittel strömt durch die Serpentine, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und wird durch die Kühlöffnungen abgegeben, um eine Transpirationskühlung zu schaffen. Wegen der Orientierung der Öffnungen bildet das abgegebene Kühlmittel auch ein Wärmeschutzfilm über der Strömungsprofiloberfläche aus. Kühlmittel kann auch von der Serpentine durch eine Öffnung an der Laufschaufelspitze und durch eine in Profilsehnenrichtung verlaufende Spitzenpassage abgegeben werden, die das Kühlmittel aus der Strömungsprofilhinterkante nach außen führt. Ein Hinterkantenkühlkreis weist eine radial verlaufende Zuführpassage, ein Paar von radial verlaufenden Rippen und eine Reihe von radial verteilten Sockeln auf. Kühlmittel strömt radial in die Zuführpassage und dann in Profilsehnenrichtung durch Öffnungen in den Rippen und durch Schlitze zwischen den Sockeln, um den Hinterkantenbereich des Strömungsprofils konvektiv zu kühlen.
Jede der vorangehend beschriebenen internen Passagen (der Vorderkantenzuführkanal, die Profilsehnenmitten-Serpentinenpassage, die Spitzenpassage und die Hinterkantenzuführpassage) weist normalerweise eine Reihe Turbulenzgeneratoren auf, die als Stolperstreifen bezeichnet werden. Die Stolperstreifen ragen lateral in jede Passage, sind entlang der Länge der Passage verteilt und haben typischerweise eine Höhe von nicht mehr als etwa 10% der Lateralabmessung der Passage. Durch die Stolperstreifen induzierte Turbulenz verstärkt konvektiven Wärmeübertrag in das Kühlmittel.
Die vorangehend beschriebene Kühlanordnung und Ausbildungen davon wurden erfolgreich verwendet, um Turbinenströmungsprofile vor temperaturbezogener Ermüdung zu schützen. Mit der Forderung von Triebwerkskonstrukteuren nach der Fähigkeit, bei zunehmend höheren Temperaturen zu arbeiten, um die Maschinenleistung zu maximieren, stellen sich jedoch traditionelle Kühlanordnungen als inadäquat heraus.
Ein Nachteil eines konventionell gekühlten Strömungsprofils ist dessen mögliche Ungeeignetheit für Anwendungen, bei denen die Betriebstemperaturen über lediglich einem Bereich der Oberfläche des Strömungsprofils übermäßig sind, obwohl sie im Durchschnitt tolerabel sind. Lokal übermäßige Temperaturen können die mechanischen Eigenschaften des Strömungsprofils verschlechtern und des sen Anfälligkeit für Oxidation und Korrosion erhöhen. Außerdem können extreme Temperaturgradienten um den Umfang eines Strömungsprofils zur Rissbildung und anschließendem mechanischen Versagen führen.
Ein weiterer Nachteil steht mit der Serpentinenpassage in Beziehung. Eine Serpentinenpassage macht mehrere Durchgänge durch das Innere des Strömungsprofils. Folglich benötigt das Kühlmittel mehr Zeit, um sich durch eine Serpentine zu bewegen als sich lediglich durch eine einfache Radialpassage zu bewegen. Diese erhöhte Kühlmittelverweilzeit betrachtet man normalerweise als vorteilhaft, da sie eine längere Gelegenheit für den Wärmeübertrag von dem Strömungsprofil auf das Kühlmittel schafft. Jedoch erhöhen die erhöhte Verweilzeit und der begleitende Wärmeübertrag auch signifikant die Kühlmitteltemperatur mit dem Fortschreiten des Kühlmittels durch die Serpentine und Verringern fortschreitend die Effizienz des Kühlmittels als eine Wärmesenke. Wenn die Betriebstemperatur der Maschinen hoch genug ist, kann die verschlechterte Kühlmitteleffizienz die Vorteile der langen Kühlmittelverweilzeit zunichte machen.
Ein dritter Nachteil steht mit dem Wunsch, eine hohe Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit und somit eine hohe Reynolds'sche Zahl in internen Kühlpassagen, die durch eine Reihe von Kühlmittelabgabelöchern perforiert sind, beizubehalten, in Beziehung. Die angesammelte Abgabe von Kühlmittel durch die Löcher wird begleitet durch eine Verringerung der Geschwindigkeit und der Reynolds'schen Zahl des Kühlmittelstroms und einer korrespondierenden Verringerung des konvektiven Wärmeübertrags in den Strom. Die Verringerung der Reynolds'schen Zahl und der Effizienz des Wärmeübertrags kann abgeschwächt werden, wenn die Querschnittsströmungsfläche der Passage in der Richtung der Kühlmittelströmung zunehmend kleiner gemacht wird. Jedoch erhöht eine Verringerung des Passagenströmungsquerschnitts auch den Abstand zwischen dem Umfang der Passage und der Strömungsprofiloberfläche und behindert so einen Wärmeübertrag und neutralisiert möglicherweise jeglichen Vorteil, der der Querschnittsverringerung zuweisbar ist.
Ein vierter Nachteil betrifft die Strömungsprofile von Laufschaufeln jedoch nicht die von Leitschaufeln. Laufschaufeln ragen von einer drehbaren Turbinennabe radial nach außen und rotieren anders als Leitschaufeln um die Längsmittellinie des Triebwerks während des Maschinenbetriebs. Die Drehbewegung der Laufschaufel zwingt das Kühlmittel, welches durch irgendeine der radial verlaufenden Passagen strömt, sich an einer der Oberflächen (der vorangehenden Oberfläche) welche die Passage begrenzt, anzusammeln. Das führt zu einer dünnen Grenzschicht, welche einen guten Wärmeübertrag fördert. Jedoch bewirkt dieser Rotationseffekt auch, dass das Kühlmittel von der lateral entgegengesetzten Passagenoberfläche (der nachlaufenden Oberfläche) teilweise dissoziiert wird, was zu einer korrespondierenden dicken Grenzschicht führt, welche einen effektiven Wärmeübertrag beeinträchtigt. Leider kann die nachlaufende Passagenoberfläche in der Nähe eines Teils des Strömungsprofils sein, der den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist und deshalb den stärksten Wärmeübertrag benötigt.
Es kann möglich sein, bei einem konventionellen Strömungsprofil die Effizienz des Wärmeübertrags zu verbessern, indem man eine größere Menge an Kühlmittel bereitstellt oder indem man ein Kühlmittel mit einer niedrigeren Temperatur verwendet. In einer Gasturbinenmaschine ist das einzige sinnvoll verfügbare Kühlmittel verdichtete Luft, die von den Verdichtern der Maschine abgezogen wird. Da das Ableiten der verdichteten Luft von den Verdichtern die Maschineneffizienz und den Brennstoffverbrauch verschlechtert, ist das Entziehen zusätzlicher verdichteter Luft zum Kompensieren eines uneffektiven Strömungsprofil-Wärmeübertrags unerwünscht. Die Verwendung von Luft niedriger Temperatur ist normalerweise nicht machbar, da der Druck der Luft niedrigerer Temperatur nicht ausreicht, um eine gerichtete Kühlmittelströmung durch die Turbinenströmungsprofilpassagen sicherzustellen.
Ein verbesserter Wärmeübertrag kann auch durch das Verwenden von Stolperstreifen realisiert werden, deren Höhe größer als 10% der Lateralabmessung der Passage ist. Jedoch ist dieser Ansatz für rotierende Laufschaufeln unattraktiv, da die Stolperstreifen zahlreich sind und das angesammtelte Gewicht, welches sich aus der Verwendung von größeren Stolperstreifen ergibt, unakzeptabel die Rotationsbelastungen verstärkt, die auf die Turbinennabe aufgebracht werden.
Es wäre wünschenswert, ein kühlbares Strömungsprofil mit einem Hilfskühlsystem bereitzustellen, welches ein primäres Kühlsystem durch Absorbieren von übermäßiger Wärme ergänzt.
US-A-5405242 beschreibt eine luftgekühlte Statorleitschaufel oder ähnliches für eine Gasturbine mit einer Mehrzahl von axial und radial beabstandeten Taschen, die an den Außenoberflächen des Strömungsprofils gebildet sind. Luft wird in die Tasche geleitet, um durch die Tasche zu strömen und in den Gasweg abgegeben zu werden als eine Strömung von Kühlluft, die durch Schlitze an den Enden der Taschen zusammenströmt.
US-A-5720431 und CA-A-2007632 beschreiben intern gekühlte Turbinenlaufschaufeln, bei denen Radialpassagen an der Druckseite und der Sogseite Kühlluft Filmkühllöchern in der Strömungsprofiloberfläche zuführen und eine radiale Passage in der Profilsehnenmittensektion die Kühlluft nachliefert.
Gemäß einem ersten Aspekt liefert die Erfindung ein kühlbares Strömungsprofil, aufweisend:
eine Umfangswand mit einer Außenoberfläche, die eine Sogfläche und eine Druckfläche lateral beabstandet von der Sogfläche aufweist, wobei die Oberflächen in Profilsehnenrichtung von einer Vorderkante zu einer Hinterkante und radial von einer Strömungsprofilwurzel zu einer Strömungsprofilspitze verlaufen;
ein primäres Kühlsystem, aufweisend in Profilsehnenrichtung benachbarte radial verlaufende Innenpassagen;
ein Hilfskühlsystem, aufweisend mindestens eine Kühlleitung, die im Wesentlichen parallel zu der Innenpassage ist und sich radial im Wesentlichen gemeinsam mit dieser erstreckt, wobei die Leitung in der Wand zwischen der Innenpassage und der Außenoberfläche angeordnet ist, wobei sich die Leitung in Profilsehnenrichtung gemeinsam mit mindestens einer der verbundenen Innenpassagen erstreckt, so dass Kühlmittel, welches durch die Leitung strömt, Wärme von der Umfangswand absorbiert und so Kühlung, welche durch die mindestens eine Innenpassage strömt, thermisch zu isolieren;
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Innenpassagen an deren radial inneren oder äußeren Extrembereichen verbunden sind, um eine Kühlserpentine zu bilden; und
wobei das Hilfskühlsystem von dem primären Kühlsystem getrennt ist.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Kühlleitungen in Profilsehnenrichtung in einer Zone hoher Wärmebelastung angeordnet.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung weist das primäre Kühlsystem eine Anordnung von Innenpassagen auf, von denen mindestens zwei miteinander verbunden sind, um eine Serpentinenpassage zu bilden, und wobei sich die Hilfsleitungen in Profilsehnenrichtung gemeinsam mit mindestens einer der Innenpassagen erstrecken, um durch die Innenpassage strömendes Kühlmittel thermisch zu isolieren.
Gemäß einem noch weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung beträgt die Profilsehnen-Abmessung der Hilfsleitungen nicht mehr als ein vorbestimmtes Vielfaches des Abstands von den Leitungen zu der Außenoberfläche des Strömungsprofils, so dass Wärmespannungen, die sich aus der Anwesenheit der Leitungen ergeben, minimiert sind.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das Hilfskühlsystem mindestens zwei Hilfsleitungen auf, wobei eine radial verlaufende, unterbrochene Rippe in Profilsehnenrichtung benachbarte Leitungen separiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ragt eine Anordnung von Stolperstreifen lateral von einem Teil der Umfangsoberfläche der Leitungen bis zu einer Höhe, die etwa 20% der Lateralabmessung der Leitung überschreitet und vorzugsweise etwa 50% der Lateralabmessung beträgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines kühlbaren Strömungsprofils mit einem primären Kühlsystem und einem sekundären Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
1A ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des in 1 gezeigten Strömungsprofils;
2 ist eine Ansicht, die im Wesentlichen in der Richtung 2-2 von 1 genommen ist und eine Reihe von Innenkühlpassagen zeigt, die das primäre Kühlsystem aufweist;
3 ist eine Ansicht, die im Wesentlichen in der Richtung 3-3 von 1 genommen ist und eine Reihe von Kühlleitungen entlang der konvexen Seite des Strömungsprofils zeigt, die das sekundäre Kühlsystem aufweist;
4 ist eine Ansicht, die im Wesentlichen in der Richtung 4-4 von 1 genommen ist und eine Reihe von Kühlleitungen entlang der konkaven Seite des Strömungsprofils zeigt, welche das sekundäre Kühlsystem aufweist; und
4A ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 4.
Es wird auf die 1 bis 4 Bezug genommen. Eine kühlbare Turbinenlaufschaufel 10 für eine Gasturbinenmaschine hat eine Strömungsprofilabschnitt 12, der radial über einen Maschinenströmungsweg 14 ragt. Eine Umfangswand 60 verläuft radial von der Wurzel 18 zu der Spitze 22 des Strömungsprofils 12 und in Profilsehnenrichtung von einer Vorderkante 24 zu einer Hinterkante 26. Die Umfangswand 16 hat eine Außenoberfläche 28, welche eine konkave Oberfläche oder Druckoberfläche 32 und eine konvexe Oberfläche oder Sogoberfläche 34 lateral beabstandet von der Druckoberfläche aufweist. Eine mittlere Wölbungslinie MCL (mean chamber line) verläuft in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante in der Mitte zwischen der Druck- und der Sogfläche.
Die gezeigte Laufschaufel ist eine von zahlreichen Laufschaufeln, die von einer drehbaren Turbinennabe (nicht gezeigt) radial nach außen ragen. Während des Maschinenbetriebs strömen heiße Verbrennungsgase 36, die von der (ebenfalls nicht gezeigten) Brennkammer der Maschine kommen, durch den Strömungsweg und lassen die Laufschaufeln und die Nabe in der Richtung R um eine Maschinenlängsachse 38 rotieren. Die Temperatur dieser Gase ist räumlich ungleichförmig; deshalb ist das Strömungsprofil 12 einer ungleichförmigen Temperaturverteilung über seiner Außenoberfläche 28 ausgesetzt. Außerdem variiert die Tiefe der aerodynamischen Grenzschicht, welche die Außenoberfläche einhüllt, in der Profilsehnenrichtung. Da sowohl die Temperaturverteilung als auch die Grenzschichtdicke die Wärmeübertragsrate von den heißen Gasen in die Laufschaufel beeinflussen, ist die Umfangswand einer in Profilsehnenrichtung variierenden Wärmebelastung sowohl entlang der Druckfläche als auch der Sogfläche ausgesetzt. Insbesondere ist eine Zone hoher Wärmebelastung von etwa 0% bis 20% des Abstands in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Sogfläche und von etwa 10% bis 75% des Abstands in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Druckfläche präsent. Obwohl die durchschnittliche Temperatur der Verbrennungsgase deutlich innerhalb der Betriebsfähigkeit des Strömungsprofils ist, kann der Wärmeübertrag in die Laufschaufel in der Zone hoher Wärmebelastung lokalisierte mechanische Ermüdung und beschleunigte Oxidation und Korrosion verursachen.
Die Laufschaufel hat ein primäres Kühlsystem 42, welches eine oder mehrere radial verlaufende Innenpassage(n) 44, 46a, 46b, 46c und 48 aufweist, die zumindestens zum Teil von der Umfangswand 16 begrenzt sind. In der Nähe der Vorderkante des Strömungsprofils ist eine Zuführpassage 44 in Verbindung mit einem Aufprallhohlraum 52 durch eine Reihe von radial verteilten Aufpralllöchern 44. Eine Anordnung von "Duschkopf"-Löchern 56 geht von dem Aufprallhohlraum zu der Strömungsprofiloberfläche 28 in der Nähe der Vorderkante des Strömungsprofils. Kühlmittel C_LE strömt radial durch die Zuführpassage und durch den Aufprallhohlraum nach außen, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und ein Teil des Kühlmittels strömt durch die Aufpralllöcher 54 und prallt gegen die vorderste Oberfläche 58 des Aufprallhohlraums, um der Oberfläche 58 eine Aufprallkühlung zu verschaffen. Das Kühlmittel strömt dann durch die Duschkopflöcher und wird als ein Wärmeschutzfilm über die Vorderkante des Strömungsprofils abgegeben. Die Querschnittsfläche A der Zuführpassage nimmt mit zunehmendem Radius (d. h. von der Wurzel zu der Spitze) ab, so dass die Reynolds'sche Zahl des Kühlmittelstroms hoch genug bleibt, um einen guten Wärmeübertrag trotz der Abgabe von Kühlmittel durch die Duschkopflöcher zu fördern.
Profilsehnenmitten-Innenpassagen 46a, 46b und 46c kühlen den Profilsehnenmittenbereich des Strömungsprofils. Die Passage 46a, die durch eine Radial verlaufende Rippe 62 geteilt ist, und die in Profilsehnenrichtung benachbarte Passage 46b sind durch einen Bogen 64 an deren radial äußersten Extrembereichen ver bunden. Die in Profilsehnenrichtung benachbarten Passagen 46b und 46c sind ähnlich an deren innersten Extrembereichen durch einen Bogen 66 verbunden. Somit ist jede der Innenpassagen 46a, 46b und 46c ein Schenkel einer Serpentinenpassage 68. Geschickt orientierte Kühllöcher 72 sind entlang der Länge der Serpentine verteilt, wobei jedes Loch von der Serpentine zu der Außenoberfläche des Strömungsprofils geht. Kühlmittel C_MC strömt durch die Serpentine, um konvektiv das Strömungsprofil zu kühlen und wird durch die Kühllöcher abgegeben, um dem Strömungsprofil eine Transpirationskühlung zu verschaffen. Das abgegebene Kühlmittel bildet auch einen Wärmeschutzfilm über der Druckfläche und der Sogfläche 32, 34 aus. Ein Teil des Kühlmittels, welches den äußersten Extrembereich der Passage 46a erreicht, wird durch eine in Profilsehnenrichtung verlaufende Spitzenpassage 74 abgegeben, welche das Kühlmittel aus der Hinterkante des Strömungsprofils führt.
Die Hinterkantenzuführpassage 48 ist in Profilsehnenrichtung durch Hinterkantenkühlmerkmale begrenzt, welche Rippen 76, 78, die jeweils durch eine Reihe von Öffnungen 82 perforiert sind, eine Matrix von Pfeilern 83, die durch Räume 84 getrennt sind, und eine Anordnung aus Sockeln 85, die eine Reihe von Schlitzen 86 definieren, umfassen. Kühlmittel C_TE strömt radial in die Zuführpassage und in Profilsehnenrichtung durch die Öffnungen, Räume und Schlitze, um den Hinterkantenbereich konvektiv zu kühlen.
Ein Hilfskühlsystem 92 weist eine oder mehrere radial kontinuierliche Leitungen 94a bis 94h (gemeinsam mit 94 bezeichnet) im Wesentlichen parallel zu den Innenpassage und sich radial gemeinsam mit diesen erstreckend auf. Jede Leitung weist eine Reihe von radial beabstandeten Filmkühllöchern 96 und eine Reihe von Ausströmablässen 98 auf. Die Leitungen sind in der Umfangswand 16 lateral zwischen den Innenpassagen und der Außenoberfläche 28 des Strömungsprofils angeordnet und sind in Profilsehnenrichtung in der Zone höchster Wärmebelastung, d. h. in den Teilzonen 104, 106, die sich jeweils von etwa 0% bis 20% der Strecke in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Sogfläche 34 und von etwa 10% bis 75% der Strecke in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Druckfläche 32 erstreckend, angeordnet. Kühlmittel C_PS, C_SS strömt durch die Leitungen und fördert so mehr Wärmeübertragung von der Umfangswand, als das mit den Innenpassagen allei ne möglich wäre. Ein Teil des Kühlmittels wird in den Strömungsweg durch die Filmkühllöcher 96 abgegeben, um dem Strömungsprofil eine Transpirationskühlung zu verschaffen und einen Wärmeschutzfilm entlang der Außenoberfläche 28 zu etablieren. Kühlmittel, welches das Ende einer Leitung erreicht, wird in den Strömungsweg durch Ausströmablässe 98 abgelassen.
Die Leitungen 94 erstrecken sich in Profilsehnenrichtung mit mindestens einer der Innenpassagen gemeinsam, so dass Kühlmittel C_PS und C_SS Wärme von der Umfangswand 16 absorbiert und so thermisch das Kühlmittel in den sich in Profilsehnenrichtung gemeinsam erstreckenden Innenpassagen abschirmt oder isoliert. In der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich Leitungen 94d bis 94h entlang der Druckfläche 32 gemeinsam sowohl mit der Hinterkantenzuführpassagen 48 als auch mit den Schenkeln 46a und 46b der Serpentinenpassage 68. Das in Profilsehnenrichtung gemeinsame Erstrecken zwischen den Leitungen und der Hinterkantenzuführpassage trägt dazu bei, den Wärmeübertrag in das Kühlmittel C_TE in der Zuführpassage 48 zu verringern. Das wiederum bewahrt die Wärmeabsorptionskapazität des Kühlmittels C_TE und verbessert so seine Fähigkeit, den Hinterkantenbereich konvektiv zu kühlen, wenn es durch die Öffnungen 82, Räume 84 und Schlitze 86 strömt. Ähnlich trägt das in Profilsehnenrichtung gemeinsame Erstrecken zwischen den Leitungen und den Schenkeln 46a, 4Gb der Serpentinenpassage 68 zum Minimieren des Temperaturanstiegs des Kühlmittels C_MC während der langen Verweilzeit des Kühlmittels in der Serpentinenpassage bei. Im Ergebnis behält das Kühlmittel C_MC seine Effizienz als ein Wärmeübertragsmedium und ist besser in der Lage, das Strömungsprofil zu kühlen, wenn es durch den Serpentinenschenkel 46c und die Spitzenpassage 74 strömt. Folglich sind die Vorteiler der langen Kühlmittelverweilzeit nicht durch die einen übermäßigen Kühlmitteltemperaturanstieg während des Voranschreitens des Kühlmittels durch die Serpentine zunichte gemacht.
Die Hilfskühlleitungen sind in Profilsehnenrichtung im Wesentlichen über die gesamte Länge L_S + L_P der Zone hoher Wärmelast verteilt, mit der Ausnahme des kleinen Bereichs der Teilzone 104, die durch den Aufprallhohlraum 52 und die Duschkopflöcher 56 besetzt ist, und einem kleinen Teil der Teilzone 106 in der Nähe des Serpentinenschenkels 46c. Jedoch können die Leitungen über weniger als die gesamte Länge der Zone hoher Wärmebelastung verteilt sein. Beispiels weise können Hilfsleitungen über im Wesentlichen die gesamte Länge L_S der Teilzone 104 der Sogoberfläche verteilt sein, jedoch in der Teilzone 106 der Druckfläche fehlen. Umgekehrt können Leitungen über im Wesentlichen die gesamte Länge L_P der Teilzone 106 der Druckfläche verteilt sein, können jedoch in der Teilzone 104 der Sogfläche fehlen. Außerdem können Leitungen lediglich über einen Teil von einer oder von beiden der Teilzonen verteilt sein. Das Ausmaß, in dem die Leitungen des Hilfskühlsystems vorhanden sind oder fehlen, wird durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, einschließlich der lokalen Intensität der Wärmebelastung und des Wunschs nach Abschwächen des Anstiegs der Kühlmitteltemperatur in einer oder in mehreren der Innenpassagen. Außerdem ist es empfehlenswert, den Wunsch nach den Leitungen gegen jeglichen zusätzlichen Herstellungsaufwand abzuwägen, der sich aus deren Anwesenheit ergibt.
Es wird hauptsächlich auf die 1A Bezug genommen. Jede Hilfsleitung 94 hat eine Lateralabmessung H und eine Profilsehnen-Richtungsabmessung des C und wird durch eine Umfangsoberfläche 108 begrenzt, von der ein Teil 112 in der Nähe der Außenoberfläche 28 ist. Die Profilsehnenabmessung überschreitet die Lateralabmessung, so dass sich die Kühlvorteile einer jeden einzelnen Leitung in Profilsehnenrichtung so weit wie möglich erstrecken. Die Profilsehnenabmessung ist jedoch eingeschränkt, weil jede Leitung die Umfangswand in einen relativ kühlen inneren Bereich 16a und einen relativ heißen, äußeren Bereich 16b teilt. Wenn eine Profilsehnenabmessung einer Leitung zu lang ist, kann der Temperaturunterschied zwischen den zwei Wandbereichen 16a, 16b thermisch induzierte Rissbildung des Strömungsprofils verursachen. Deshalb ist die Profilsehnenabmessung einer jeden Leitung auf nicht mehr als etwa zweieinhalb bis dreimal dem Lateralabstand D von der naheliegenden Umfangsoberfläche 112 zu der Außenoberfläche 28 begrenzt. Benachbarte Leitungen, so wie die in der gezeigten Ausführungsform sind durch Radial verlaufende Rippen 114 separiert, so dass der Abstand I zwischen den Leitungen mindestens in etwa gleich dem Lateralabstand D ist. Die Zwischenleitungsrippen stellen einen ausreichenden Wärmeübertrag von dem Wandbereich 16a zu dem Wandbereich 16b sicher, um die Temperaturdifferenz abzuschwächen und das Potenzial für Rissbildung zu minimieren.
Jede Zwischenleitungsrippe 114 ist entlang ihrer radialen Länge unterbrochen, so dass Kühlmittel durch Lücken 124 strömen kann, um jegliches Hindernis oder Einschränkung umströmen zu können, das in einer Leitung vorhanden sein mag. Hindernisse und Einschränkungen können sich aus Ungenaugikeiten bei der Herstellung ergeben oder können in der Form von Teilchen sein, die von dem Kühlmittel mitgeführt werden und sich in einer Leitung einnisten.
Eine Anordnung von Stolperstreifen 116 (von denen in den 3 und 4 lediglich einige gezeigt sind, um die Klarheit der Darstellungen zu erhalten) ragen von der naheliegenden Oberfläche 112 einer jeden Leitung lateral weg. Weil die Lateralabmessung H der Leitung relativ zu der Lateralabmessung der Innenpassagen klein ist, können die Leitungsstolperstreifen proportional größer sein als die Stolperstreifen 116', die in den Innenpassagen verwendet werden, ohne übermäßig zu dem Gewicht des Strömungsprofils beizutragen. Die Lateralabmessung oder Höhe H_TS der Leitungsstolperstreifen überschreitet 20% der Lateralabmessung H der Leitung und ist vorzugsweise etwa 50% der Lateralabmessung der Leitung. Die Stolperstreifen sind so verteilt, dass der radiale Abstand s_ts (4) zwischen benachbarten Stolperstreifen zwischen fünf und zehn mal der Lateralabmessung (z. B. H_TS) der Stolperstreifen und vorzugsweise zwischen fünf und sieben mal der Lateralabmessung ist. Diese Stolperstreifendichte maximiert die Wärmeübertragseffizienz der Stolperstreifenanordnung ohne einen übermäßigen Druckverlust auf den Kühlmittelstrom aufzubringen.
Das Strömungsprofil kann auch einen Satz von radial verteilten Kühlmittelnachlieferpassagen 122 aufweisen, von denen sich jede von einer Innenpassage (z. B. Passage 44, 46a und 48) zu dem Hilfskühlsystem erstreckt. Kühlmittel von der Innenpassage strömt durch die Passagen 122, um Kühlmittel nachzuliefern, welches von den Leitungen durch die Filmkühllöcher 96 abgegeben wurde. Die Nachlieferpassagen sind bei zwischen etwa 15% und 40% der Strömungsprofilerstreckung S (i. e. der radialen Strecke von der Wurzel zu der Spitze) angeordnet, können jedoch entlang im Wesentlichen der gesamten Erstreckung verteilt sein, falls erforderlich. Die Anzahl und Verteilung der Nachlieferpassagen hängt zum Teil von der Stärke des Druckverlusts ab, die durch das Kühlmittel erfahren wird, welches radial durch die Leitung oder durch die Leitungen strömt, die ihnen nachgeliefert wird. Wenn die Leitung einen hohen Druckverlust auferlegt, wird ein unverhältnismäßig großer Bruchteil des Kühlmittels durch Filmkühllöcher abgegeben, statt sich radial durch die Leitung nach außen zu bewegen. In der Folge wird eine große Anzahl von Passagen erforderlich sein, um das abgegebene Kühlmittel nachzuliefern. Es ist jedoch nicht wünschenswert, zu viele Passagen zu haben, da in eine Leitung mittels Nachlieferpassagen eingebrachtes Kühlmittel Kühlmittel ablenkt, welches bereits durch die Leitung strömt und eine Abgabe dieses Kühlmittels durch Filmkühllöcher strömungsaufwärts, (d. h. radial innerhalb) der Passage befördert. Wenn das abgeleitete Kühlmittel noch eine signifikante Menge an ungenutzter Wärmeabsorptionsfähigkeit hat, wird das Kühlmittel ineffizient verwendet und die Maschineneffizienz wird unnötig verschlechtert.
Die Nachlieferpassagen 122 sind mit den Lücken 124 ausgerichtet, die entlang der Zwischenleitungsrippen 114 verteilt sind und nicht mit den Leitungen selbst. Diese Ausrichtung ist vorteilhaft, da das Nachlieferkühlmittel aus den Passagen als ein Fluidstrahl hoher Geschwindigkeit ausgeworfen wird. Der Fluidstrahl könnte, wenn er direkt in einer Leitung ausgeworfen werden würde, die radiale Strömung des Kühlmittels durch die Leitung behindern und so in effektiven Wärmeübertrag in das Kühlmittel stören.
Während des Maschinenbetriebs strömt Kühlmittel in und durch die Innenpassagen und die Hilfsleitungen, wie vorangehend beschrieben, um die Umfangswand 16 der Laufschaufel zu kühlen. Weil die Leitungen ausschließlich in der Zone hoher Wärmebelastung angeordnet sind, und nicht ohne Unterschied um den gesamten Umfang des Strömungsprofils angeordnet sind, kann der Vorteil der Leitungen dorthin konzentriert werden, wo auch immer das Bedürfnis nach aggressivem Wärmeübertrag am größten ist. Eine unterschiedliche Verteilung der Leitungen erleichtert auch ein selektives Abschirmen von Kühlmittel in den Innenpassagen und bewahrt so die Kapazität des Kühlmittels zur Wärmeabsorption zur Verwendung in anderen Teilen des Kühlkreises. Ein derartiges Sparen der Verwendung der Leitungen trägt auch dazu bei, Herstellungskosten zu minimieren, da ein Strömungsprofil mit den kleinen Hilfsleitungen kostspieliger herzustellen ist, als ein Strömungsprofil welches lediglich die viel größeren Innenpassagen hat. Die kleine Größe der Leitungen erlaubt auch die Verwendung von Stolper streifen, deren Höhe im Verhältnis zu der Lateralabmessung der Leitung ausreichend ist, um einen exzellenten Wärmeübertrag zu fördern.
Die Kühlleitungen schwächen auch das Problem der verringerten Reynods'schen Zahl des Kühlstroms infolge der Abgabe von Kühlmittel entlang der Länge einer Innenpassage ab. Beispielsweise erlaubt die Anwesenheit von Sogflächenleitungen 94a, 94b, 94c eine Dicke T (1) der Umfangswand zwischen der Vorderkantenzuführpassage 44 und der Strömungsprofilsogfläche 34, die größer ist, als die korrespondierende Dicke bei einem Strömungsprofil des Stands der Technik. In der Folge ist die radiale Verringerung des Strömungsquerschnitts A der Vorderkantenzuführpassage 44 in dem vorliegenden Strömungsprofil proportional größer als bei einem ähnlichen Vorderkantenzuführkanal bei einem Strömungsprofil des Stands der Technik. Folglich können eine hohe Reynolds'sche Zahl des Kühlmittelstroms und korrespondierend hohe Wärmeübertragsraten entlang der gesamten Länge der Passage 44 realisiert werden, trotz der Abgabe von Kühlmittel durch Duschkopflöcher 56 und Filmkühllöcher 96. Außerdem kompensieren die Sogflächenleitungen 94a, 94b, 94c jeglichen Verlust von Wärmeübertrag von der Umfangswand, der der erhöhten Dicke t zuweisbar ist.
Das Vorsehen von Hilfskühlpassagen trägt auch dazu bei, dem beieinträchtigten Wärmeübertrag entgegenzuwirken, der sich durch Rotationseffekten bei Turbinenlaufschaufeln ergibt. Während des Maschinentriebs rotiert eine Laufschaufel mit einem Strömungsprofil, wie in der 1 gezeigt, in der Richtung R um die Maschinenmittellinie 38. Kühlmittel, welches radial nach außen strömt, beispielsweise durch die Vorderkantenzuführpassage 44 wird deshalb tendenziell gegen eine voranlaufende Oberfläche 26 gedrückt, während es auch von einer nachfolgenden Oberfläche 128 teilweise wegbewegt wird. Der wegbewegende Einfluss fördert die Entwicklung einer dicken aerodynamischen Grenzschicht und gleichzeitig schlechten Wärmeübertrag entlang der nachlaufenden Oberfläche. Die Anwesenheit von Leitungen 94a, 94b, 94c kompensiert diesen nachteiligen Rotationseffekt. Einen ähnlichen Kompensationseffekt könnte man, falls erwünscht, in der Nähe der Profilsehnenmittelpassage und der Hinterkantenpassage 46a, 46b, 46c und 48 erhalten. Jedoch ist das Kühlmittel in diesen Passagen einer niedrigeren Wärmebelastung ausgesetzt als das Kühlmittel in der Passage 44 und ist ad äquat durch den Kühlfilm geschützt, der durch die Filmkühllöcher 72 ausgebreitet wird.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen können, ohne von der Erfindung, wie sie in den begleitenden Ansprüchen dargelegt ist, vorgenommen werden. Beispielsweise umfasst die Erfindung auch ein Strömungsprofil mit unabhängigen oder im Wesentlichen unabhängigen Profilsehnenmitten-Innenpassagen, obwohl die Profilsehnenmitten-Innenpassagen als miteinander verbunden gezeigt sind, um eine Serpentine zu bilden. Außerdem wurden dem den Passagen und Leitungen zugeführten Kühlmittel individuelle Bezeichnungen gegeben, da jede Passage und jede Leitung von ihrer eigenen zugewiesenen Kühlmittelquelle versorgt werden kann. In der Praxis kann jedoch eine gemeinsame Kühlmittelquelle verwendet werden, um mehr als eine oder sogar sämtliche der Passagen und Leitungen zu versorgen. Eine gemeinsame Kühlmittelquelle für all die Passagen und Leitungen ist in der Tat als die bevorzugte Ausführungsform ins Auge gefasst.
Mindestens die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind dahingehend vorteilhaft, dass sie andauerndem Betrieb bei erhöhten Temperaturen aushalten können, ohne thermisch induzierte Beschädigung zu erleiden oder unpassende Mengen an Kühlmittel zu verbrauchen. Insbesondere sind die bevorzugten Ausführungsformen des Strömungsprofils geeignet zur Verwendung in einer Umgebung, wo die Temperaturverteilung über die Außenoberfläche des Strömungsprofils räumlich ungleichförmig ist. Weitere spezifische Vorteile der bevorzugten Ausführungsformen beinhalten die verringerte Anfälligkeit des Strömungsprofils gegen Verlust an Kühlmitteleffizienz, die sich üblicherweise aus Faktoren, die der langen Kühlmittelverweilzeit, der zunehmend abnehmenden Reynolds'schen Zahl des Kühlstroms und nachteiliger Rotationseffekte ergibt.
Somit erkennt man, dass zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen die Erfindung ein kühlbares Strömungsprofil für eine Turbinenlaufschaufel oder -leitschaufel, welches ein Minimum an Kühlmittel benötigt, dennoch in der Lage ist, für einen langdauernden Betrieb bei hoher Temperatur, ein kühlbares Strömungsprofil, dessen Wärmeübertragsmerkmale auf die Temperaturverteilung über der Strömungsprofiloberfläche maßgeschneidert sind, ein kühlbares Strömungsprofil, welches die Wärmeabsorptionsvorteile einer Serpentinenkühlpassage genießt, ohne übermäßigen Temperaturanstieg zu erfahren, ein kühlbares Strömungsprofil, dessen Kühlmittelpassagen in der Querschnittsfläche abnehmen, um eine hohe Reynolds'sche Zahl in dem Kühlmittelstrom beizubehalten, ohne einen Wärmeübertrag infolge erhöhter Abstände zwischen dem Umfang der Passage unter Strömungsprofiloberfläche zu behindern; und ein kühlbares Strömungsprofil mit Merkmalen, welche lokal beeinträchtigten Wärmeübertrag kompensieren, der sich aus Rotationseffekten ergibt, bereitstellt.

Claims

Kühlbares Strömungsprofil (12), aufweisend: eine Umfangswand (16) mit einer Außenoberfläche (28), die eine Sogfläche (34) und eine Druckfläche (32) lateral beabstandet von der Sogfläche (34) aufweist, wobei die Oberflächen in Profilsehnenrichtung von einer Vorderkante (24) zu einer Hinterkante (26) und radial von einer Strömungsprofilwurzel (18) zu einer Strömungsprofilspitze (22) verlaufen; ein primäres Kühlsystem (42), aufweisend in Profilsehnenrichtung benachbart radial verlaufende Innenpassagen (42, 46a, 46b, 46c, 48); ein Hilfskühlsystem (92), aufweisend mindestens eine Kühlleitung (94), die im Wesentlichen parallel zu der Innenpassage ist und sich radial im Wesentlichen gemeinsam mit dieser erstreckt, wobei die Leitung in der Wand zwischen der Innenpassage und der Außenoberfläche angeordnet ist, wobei die Leitung (94) sich in Profilsehnenrichtung gemeinsam mit mindestens einer der miteinander verbundenen Innenpassagen (46a, 46b, 46c) erstreckt, so dass Kühlmittel, welches durch die Leitung (94) strömt, Wärme von der Umfangswand (16) absorbiert und so Kühlung, welche durch die mindestens eine Innenpassage (46a, 46b, 46c) strömt, thermisch isoliert; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Innenpassagen (46a, 46b, 46c) an deren radial inneren oder äußeren Extrembereichen verbunden sind, um eine Kühlserpentine (68) zu bilden; und wobei das Hilfskühlsystem von dem primären Kühlsystem separat ist.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei die Leitung eine Profilsehnenabmessung (C) und eine Lateralabmessung (H) hat wobei die Profilsehnenabmessung (C) nicht mehr als dreimal der Abstand von der Leitung (94) zu der Außenoberfläche (28) ist.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei in Profilsehnenrichtung benachbarte Kühlleitungen (94) durch eine radial verlaufen de Rippe (114), die durch einen oder mehrere Lücken (124) unterbrochen ist, getrennt sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 3, aufweisend eine oder mehrere radial verteilte Nachlieferpassagen (122), die von einer Innenpassage zu dem Hilfskühlsystem (92) verlaufen, wobei die Passagen (122) mit den Lücken (124) ausgerichtet sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Leitung eine Lateralabmessung (H) und eine Profilsehnenabmessung (C) hat, welche größer ist als die Lateralabmessung (H).
Kühlbares Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitungen jeweils eine Lateralabmessung (H) und eine Profilsehnenabmessung (C) haben und von einer Umfangsoberfläche (108) begrenzt sind, wobei ein Teil der Umfangsoberfläche (112) in der Nähe der Außenoberfläche (28) ist, wobei der Bereich in der Nähe (112) eine Anordnung von Stolperstreifen (116) hat, die davon lateral wegragen, wobei die Stolperstreifen (116) eine Höhe (H_TS) haben, welche größer als etwa 20% der Lateralabmessung (H) der Leitung ist und vorzugsweise etwa 50% der Lateralabmessung (H) der Leitung ist.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 6, wobei die Stolperstreifen (116) um einen radialen Abstand (s_ts) beabstandet sind und das Verhältnis des radialen Abstands (s_ts) zu der Stolperstreifenhöhe (H_TS) zwischen etwa fünf und zehn und vorzugsweise zwischen etwa fünf und sieben ist.