DE60208977T2

DE60208977T2 - Gasturbinenleitschaufel

Info

Publication number: DE60208977T2
Application number: DE60208977T
Authority: DE
Inventors: David William Duffield Barrett
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: GB0105814D0; US6616407B2; EP1239120B1; EP1239120A2; DE60208977D1; US20020127095A1; EP1239120A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leitschaufeln jener Bauart, wie sie in Gasturbinentriebwerken benutzt werden. Die Erfindung findet insbesondere zweckmäßige Anwendung in Gasturbinentriebwerken jener Bauart, die ein Flugzeug antreiben, aber die Erfindung ist nicht auf eine derartige Benutzung beschränkt. Stattdessen kann die Erfindung wirksam bei allen Gasturbinentriebwerken Anwendung finden, einschließlich jenen, die für Schiffsantriebe und industrielle Anlagen benutzt werden.
Allgemein bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine hohle, luftgekühlte Leitschaufel für Gasturbinentriebwerke, die Merkmale aufweist, durch die das Verhalten einer Leitschaufel in einer heißen Umgebung verbessert wird, wenn eine Kühlluftströmung hindurchgeleitet wird.
Bekannte Anordnungen, die eine Verbesserung der Merkmale bewirken, umfassen Protuberanzen auf den inneren Oberflächen des stromlinienförmigen Abschnitts der Schaufel, von denen einige oder alle den Raum überspannen, der durch jene inneren Wandoberflächen gebildet wird. Diese Protuberanzen erzeugen eine Turbulenz in der darüberströmenden Luft, so dass deren Geschwindigkeit verringert und dadurch bewirkt wird, dass sie länger auf den inneren Oberflächen der Leitschaufeln verweilt. Dadurch wird mehr Hitze vom Stromlinienprofil und den Protuberanzen abgezogen, bevor die Luft das Innere der Leitschaufel über langgestreckte Schlitze in der Hinterkante verlässt.
Die die Durchführung verbessernden Merkmale, die vorstehend beschrieben wurden, besitzen, obgleich sie die erwähnten Vorteile ergeben, auch Nachteile insofern, als eine Verlangsamung der Luftströmung einen Druckabfall darin verursacht. Dies führt dazu, dass eine relativ hohe Kühlluftströmung vom Kompressor des zugeordneten Triebwerks benötigt wird, und dies vermindert wiederum den Anteil der zur Verbrennung im Triebwerks-Verbrennungssystem verfügbaren Luft. Außerdem verlässt die Luft die Hinterkante der Leitschaufel mit einer Geschwindigkeit, die beträchtlich kleiner ist als die Geschwindigkeit des Gasstrahles, der über dem Äußeren der Leitschaufel abfließt, und wenn sich die beiden Ströme treffen, ergibt sich eine Störung.
Die GB-A-989 217 beschreibt eine gekühlte Laufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, bei der im Inneren Sockel angeordnet sind, die den Raum zwischen der konkaven und konvexen Oberfläche der Laufschaufel überspannen. Einige der Sockel sind so gestaltet, dass sie konvergente Kanäle definieren, die ihrerseits die Kühlluftströmung in Längsrichtung durch die Schaufel in eine Sehnenrichtung umlenken, so dass Vorderkante und Hinterkante der Laufschaufel durch die Kühlluft abgeschrubbt werden. Die Kühlluft tritt dann durch die Schaufelspitze aus. Die Konvergenz der von den Sockeln definierten Kanäle gewährleistet, dass die Geschwindigkeit der hindurchströmenden Luft vergrößert wird, um die Kühlung von Vorderkante und Hinterkante zu verbessern.
Die US-A-5 288 207 beschreibt eine hohle Turbinenlaufschaufel, in der mehrere in Sehnenrichtung verlaufende Wände zwischen der konkaven und der konvexen Oberfläche der Schaufel benachbart zu deren Hinterkante vorgesehen sind. Die Wände gewährleisten, dass die Kühlluft von dem Inneren der Schaufel in geeigneter Weise gerichtet wird, um durch einen Schlitz in der Hinterkante der Schaufel auszutreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, gekühlte Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt die Leitschaufel eines Gasturbinentriebwerks eine mit einem in Längsrichtung verlaufenden Schlitz ausgestattete Hinterkante, und sie weist ein hohles Flügelprofil auf, das eine Gruppe von Kühlluft-Strömungskanälen enthält, die in Sehnenrichtung des Flügelprofils ausgerichtet und zum Teil durch die inneren Wandoberflächen des Flügelprofils und zum Teil durch die Stege definiert sind, die den Raum zwischen den inneren Wandoberflächen überspannen, wobei die Stege so gestaltet sind, dass ihre gegenüberliegenden Oberflächen in Richtung nach der Hinterkante des Flügelprofils konvergieren.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leitschaufel;
2 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 2 gemäß 1;
3 ist eine Ansicht in Richtung der Schaufelsehnenlinie 3-3 gemäß 2; und
4 ist eine schematische Teilansicht von 3.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Ein Gasturbinentriebwerk 10 weist einen Kompressor 12, ein Verbrennungssystem 14, einen Turbinenteil 16 und einen Abgaskanal 18 auf.
Der Turbinenteil 16 weist eine Stufe von Leitschaufeln 20 auf, deren Funktion allgemein bekannt ist und deshalb nicht nochmals beschrieben werden soll. Jedoch umfasst die Leitschaufel 20 die vorliegende Erfindung, wie sie im Folgenden in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach 2 beschrieben wird. Jede Leitschaufel 20 hat eine stromlinienförmige Gestalt und besitzt Wände, die jeweils eine Druckfläche 22 und eine Saugfläche 24 bilden. Die Schaufel 20 ist hohl und enthält ein perforiertes Rohr 26, das sich über den größeren Teil der Schaufel erstreckt und deutlicher aus 3 ersichtlich ist. Jede Schaufel 20 enthält außerdem einen Stapel von Stegen 28, die den Innenraum überspannen, der durch die Seitenwände der Schaufel 20 definiert ist. Weitere Stege 30 überspannen einen Schlitz 32, der sich über die volle Länge der Hinterkante 34 der Schaufel 20 erstreckt, und die einzige Funktion der Stege 30 besteht darin, die dünne Hinterkante 34 gegen Deformation durch die Gasbelastungen abzustützen.
Im Folgenden wird auf 3 Bezug genommen. Das Rohr 26 ist in üblicher Weise perforiert, und im Betrieb der Leitschaufel 20 in einem zugeordneten Gasturbinentriebwerk 10 wird Kompressorluft in das Innere des Rohres 26 über sein oberes Ende 36 eingeleitet. Die Luft strömt dann durch die Perforationen 38 aus, von denen nur wenige dargestellt sind, und diese Luft gelangt in das Innere der Schaufel 20, um deren innere Oberflächen abzukühlen. Die Kühlluft strömt dann in Richtung stromab in Bezug auf die Richtung der Gasströmung durch das zugeordnete Triebwerk 10 und tritt in die Gruppe von Kanälen 40 ein, deren Querschnittsgestalt und Größe durch die inneren Oberflächen der Seitenwände der Schaufel 20 und die gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Stegpaare 28 definiert sind.
Die mittleren Zentrallinien der Stege 28 verlaufen parallel zueinander. Ihre Oberflächen divergieren jedoch von ihren jeweiligen Zentrallinien in Richtung stromab, so dass ihre stromabwärtigen Enden verdickt sind. Die Kanäle 40 sind demgemäß in der Ebene von 3 und in der Ebene von 2 konvergente Kanäle, wobei die konvergente Form dadurch definiert wird, dass die Schaufel 20 nach ihrer Hinterkante schmaler wird.
Gemäß 3 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Protuberanzen 42 spezieller Form in jedem Kanal 40 vorgesehen, d.h. die Protuberanzen 42 sind langgestreckt und im Querschnitt rechteckig. Die Protuberanzen 42 sind abwechselnd in Richtung der Luftströmung und quer hierzu angeordnet. Ihre Funktion besteht darin, eine Turbulenz in der Kühlluft zu erzeugen, wenn diese darüberströmt und nachdem sie das Rohr 26 verlassen hat, wodurch mehr Wärme aus den Seitenwänden der Leitschaufel 20 abgezogen wird. Die konvergierenden Kanäle 20, in denen die Turbulenz auftritt, dienen jedoch zur Erhöhung der Luftgeschwindigkeitsströmung vor Verlassen der Kanäle auf einen Wert, der größer ist, als dies bei bekannten Beispielen der Fall ist. Hierdurch wird wiederum die Wärmeabfuhr verbessert, und es werden die bei Mischung mit dem Hauptgasstrom bewirkten Druckverluste geringer als die Verluste, die bei bekannten Anordnungen auftraten.
Die vorliegende Erfindung ergibt daher die folgenden Vorteile gegenüber dem Stande der Technik:

a) Ein verminderter Druckverlust in der Kühlluftströmung bei höherer Wärmeabfuhr als beim Stande der Technik, so dass die Schaufel 20 entweder höheren Temperaturen ohne die Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt werden kann, oder es wird die Luftströmung vom Kompressor herabgesetzt und die Schaufel 20 auf die ursprüngliche Temperatur gebracht, und dies ergibt eine Erhöhung der für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Luft.
b) Der vergrößerte Oberflächenbereich der Stege 28 hält die Luft in Berührung damit während einer längeren Zeit, als dies in Verbindung mit Protuberanzen bekannter Bauart möglich war, und so wird eine höhere Wärmeabfuhr von den Wänden der Schaufel 20 möglich.
c) Die Kanäle 40 gewährleisten, dass die Luftströmung in den Gasstrom parallel hierzu eintritt, wodurch Störungen vermieden werden.
d) Die Kanäle 40 ergeben eine mechanische Versteifung und Verfestigung der Wände der Schaufel 20.

Der auf diesem Gebiet tätige Fachmann wird beim Lesen der Beschreibung erkennen, dass Versuche im Hinblick auf Form, Zahl und Lage der Protuberanzen innerhalb der Kanäle 40 und der Größe der Konvergenz eines jeden Kanals 40 einen wirksamen Kühlluftdruck bei minimalem Luftverbrauch und einer maximalen Wärmeabfuhr in einem Gasturbinentriebwerk gewährleistet, unabhängig davon, wie groß die Nennleistung des Triebwerks ist. Ein solcher Versuch (nicht dargestellt) sollte weitere Turbulatoren 42 stromauf und in Ausrichtung auf die Kanäle 40 aufweisen. Die die weiteren Turbulatoren verlassende Luft würde in die Kanäle 40 eintreten und wieder unter Druck gesetzt.

Claims

Leitschaufel (20) für ein Gasturbinentriebwerk, deren Hinterkante (34) mit einem in Längsrichtung verlaufenden Schlitz (32) versehen ist und die ein hohles Flügelprofil aufweist, das eine Gruppe von Kühlluft-Strömungskanälen (40) enthält, die in Sehnenrichtung des Flügelprofils ausgerichtet und zum Teil durch die inneren Wandoberflächen des Flügelprofils und zum Teil durch Stege (28) definiert sind, die den Raum zwischen den Wandoberflächen überspannen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (28) so gestaltet sind, dass ihre gegenüberliegenden Oberflächen in Richtung nach der Hinterkante (34) des Flügelprofils konvergieren.
Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanälen (40) Mittel (42) vorgesehen sind, die eine Turbulenz in der Luftströmung erzeugen.
Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Turbulenz erzeugenden Mittel (40) langgestreckte Protuberanzen aufweisen.
Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Protuberanzen (40) in den Kanälen (40) derart angeordnet sind, dass ihre Hauptabmessungen normal zur Sehnenebene der Leitschaufel (20) verlaufen.
Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Protuberanzen (40) in den Ebenen normal zu ihren Hauptabmessungen rechteckig sind.
Leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die darin angeordneten Mittel (42) zur Erzeugung der Luftströmungsturbulenz zum Teil stromauf außerhalb der Kanäle, aber auf diese ausgerichtet, angeordnet sind, während die übrigen in den Kanälen angeordnet sind.