DE60213328T2

DE60213328T2 - Gekühlte hohle Schaufelspitzenabdeckung einer Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE60213328T2
Application number: DE60213328T
Authority: DE
Inventors: J. Tyson III Taylors Balkcum; George Palm City Liang; Timothy J. Jupiter Remley; Christopher Charles Lake Worth Williams; Hans R. Monterey Przirembel
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2001-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: EP1267037A2; EP1267037B1; US20020150474A1; EP1267037A3; DE60213328D1; JP2002349205A; US6471480B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine leichtgewichtige mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel (Mantelturbinenlaufschaufel) zur Verwendung in Gasturbinen, die ein dünnwandiges, gekühltes, hohles Spitzendeckband hat.
Die Verwendung von mit Deckbändern versehenen Gasturbinenlaufschaufeln ist in der Technik bekannt. Bei diesen Laufschaufeln ist das Spitzendeckband jeder Laufschaufel aus einer soliden Konstruktion ausgebildet. Als Ergebnis sind die Laufschaufeln ziemlich schwer. Ferner ist ein Kühlen des Spitzendeckbandes sehr schwierig.
US 3 527 544 offenbart eine mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. US 5 350 277 offenbart eine Gasturbinenschaufel mit dampfgekühlten Passagen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform, eine hohle, leichtgewichtige, mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform, eine Turbinenlaufschaufel wie oben mit einem verbesserten System zum Kühlen des Spitzendeckbandes bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung sieht eine mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel vor, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist eine mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel einen Strömungsprofilabschnitt und ein hohles Laufschaufelspitzenkerndeckband, das mit dem Strömungsprofilabschnitt verbunden ist, auf. Das hohle Spitzendeckband ist vorzugsweise eine Gussstruktur. Das Deckband hat eine Mehrzahl von Rippen, die als lasttragende Strukturen wirken und eine Mehrzahl von Deckbandkernabschnitten definieren. Jeder der Deckbandkernabschnitte kommuniziert mit einer Versorgung von Kühlfluid und hat eine Mehrzahl von Öffnungen zum Zuführen von Kühlfluid zu äußeren Bereichen des Deckbands.
Andere Einzelheiten der mit einem Deckband versehenen Turbinenlaufschaufel der vorliegenden Erfindung sowie andere Vorteile, die damit zusammenhängen, werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und den begleitenden Zeichnungen ausgeführt, wobei gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht einer Turbinenlaufschaufel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit einem hohlen Spitzendeckband; und
2 ist eine Schnittansicht eines hohlen Spitzendeckbandes, die entlang der Linie 2-2 in 1 aufgenommen ist.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Bezugnehmend auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Turbinenlaufschaufel 10 hat einen Wurzelbereich 12, eine Plattform 14, einen Strömungsprofilabschnitt 16 und ein hohles Spitzendeckband 18 angrenzend an ein Ende des Strömungsprofilabschnitts 16. Der Strömungsprofilabschnitt 16 hat eine Mehrzahl von Kühllöchern 20, durch die ein Kühlfluid wie z. B. Luft über Oberflächen des Strömungsprofilabschnitts geführt wird, um diese zu kühlen. Das Deckband 18 ist vorzugsweise eine Gussstruktur.
Wie aus den 1 und 2 zu sehen, erstreckt sich eine Mehrzahl von Rippen 22 innerhalb des Strömungsprofilabschnitts 16 der Turbinenlaufschaufel 10 zu dem hohlen Spitzendeckband 18. Die Rippen 22 bilden eine Mehrzahl von hohlen Strömungsprofilkernabschnitten 24, 26, 28, 30 und 32. Jeder der hohlen Kernab schnitte 24, 26, 28, 30 und 32 kommuniziert mit einem Durchgang 34, durch den Kühlfluid von einer Quelle für Kühlfluid (nicht gezeigt) strömt. Jeder der Strömungsprofilkernabschnitte 24, 26, 28, 30 und 32 wirkt als ein Kühldurchgang und kommuniziert mit seinem eigenen Satz von Kühllöchern 20. Ein Teil des durch die Kernabschnitte 24, 26, 28, 30 und 32 strömenden Kühlfluids tritt über die Kühllöcher 20 aus, wohingegen der verbleibende Teil des Kühlfluids zu dem hohlen Spitzendeckband 18 übertragen wird.
Bezugnehmend nun auf 2 hat das hohle Spitzendeckband 18 eine in Kammern unterteilte Struktur, bei der eine Mehrzahl von Rippen 40 eine Mehrzahl von hohlen Deckbandkernabschnitten oder -kammern 42, 44, 46, 48, 50 und 52 bildet. Die Rippen 40 wirken als lasttragende Strukturen.
Jeder der Deckbandkernabschnitte 42, 44, 46, 48, 50 und 52 ist in Fluidverbindung mit einem der Strömungsprofilkernabschnitte 24, 26, 28, 30 und 32 über mindestens ein Dosierloch. Zum Beispiel kommunizieren die Deckbandkernabschnitte 42 und 44 über die Dosierlöcher 54 und 56 mit dem Strömungsprofilkernabschnitt 24. In ähnlicher Weise kommuniziert der Deckbandkernabschnitt 46 über das Dosierloch 58 mit dem Strömungsprofilkernabschnitt 26, der Deckbandkernabschnitt 48 kommuniziert über das Dosierloch 60 mit dem Strömungsprofilkernabschnitt 28, der Deckbandprofilkernabschnitt 50 kommuniziert über das Dosierloch 62 mit dem Strömungsprofilkernabschnitt 30 und der Deckbandkernabschnitt 52 kommuniziert über das Dosierloch 64 mit dem Strömungsprofilkernabschnitt 32.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform mit nur einem Dosierloch zwischen einem jeweiligen Deckbandkernabschnitt und einem Strömungsprofilkernabschnitt veranschaulicht ist, sollte erkannt werden, dass mehr als ein Dosierloch verwendet werden kann, um einen jeweiligen Deckbandkernabschnitt in Fluidverbindung zu einem jeweiligen Strömungsprofilkernabschnitt zu versetzen. Ferner kann die Menge an Kühlfluid, die von jedem jeweiligen Strömungsprofilkernabschnitt zu jedem jeweiligen Deckbandkernabschnitt geliefert wird, durch Kontrollieren der Größe und/oder der Dichte des (der) Dosierlochs (Dosierlöcher) reguliert werden.
Wie aus 2 zu sehen, ist jeder Deckbandkernabschnitt mit einer Mehrzahl von Öffnungen oder Kühllöchern 66 versehen. Die Größe, Form und Dichte der Öffnungen oder Kühllöcher 66 in jedem Deckbandkernabschnitt kann variiert werden, um eine oder mehrere erwünschte Außenoberflächen-Kühlwirkungen zu erzielen. Zum Beispiel können die Öffnungen oder Kühllöcher 66 dazu ausgelegt sein, ein Kühlen von Außenbereichen des Deckbands 18 durch Film-, Transpirations-, lokale Auftreff- und Konvektionstechniken auszuüben. Es kann angemerkt werden, dass die Deckbandkernabschnitte ein großes Maß an Kühldesignflexibilität ermöglichen.
Das offenbarte Turbinenlaufschaufeldesign bietet viele Vorteile. Zum Beispiel ist das hohle Spitzendeckband 18 sehr effizient und bietet dieselbe Festigkeit wie solide Spitzendeckbänder bei einem geringeren Gewichtsnachteil. Das reduzierte Gewicht des Deckbands 18 ermöglicht eine Strömungsprofilgröße des unteren Abschnitts, die zu geringeren Kosten und einer robusteren Laufschaufel führt. Die Rippengeometrie durch das hohle Deckband 18 wirkt als lasttragende Struktur, die an die Stelle der traditionellen, soliden Deckbandgeometrie tritt. Aufgrund der hohlen Deckbandstruktur kann ferner die Ausrundung 68 vom Strömungsprofil zum Deckband vergrößert werden, um eine Stresskonzentration zu reduzieren, ohne Steigerung beim Gewicht.
Die lokalisierten Kammern oder Deckbandkernabschnitte in dem Deckband sorgen für Kühldesignflexibilität. Lokale Strömungsprofil- und Deckbandmetalltemperaturen können an die thermische Umgebung der Maschine angepasst werden durch (1) eine Umverteilung von Kühlmittelströmung in jedem Deckbandkernabschnitt oder jeder Kammer, oder (2) eine Änderung bei der Dosierlochgröße und/oder -dichte. Außerdem minimiert die durch die Deckbandkernabschnitte geschaffene Kühlkammerunterteilung die Kühlmittelströmungsanforderung, die normalerweise durch den großen Gasseitendruckgradienten gefordert würde. Weiterhin ermöglicht die Unterteilung in Kammern in dem Deckband, dass unterschiedliche Kammern bei verschiedenen Drücken unter Druck gesetzt werden, und ermöglicht auch, dass Kühlfluid in die Kammern bei unterschiedlichen Raten hinein und aus den Kammern heraus strömt. Die die Kammern bildenden Rippen verhindern eine kontinuierliche Strömung von Fluid von der Vorderkante zu der Hinterkante des Deckbandes.
Andere durch die offenbarte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gelieferte Vorteile sind, dass die Kühlung der Deckbandkontaktfläche 70 durch die Kühllöcher 66 in den Kernabschnitten 46 und 48 für spezifische Hartmetallmaterialien angepasst und optimiert werden kann, was höchst wünschenswert ist, da die Temperatur die Abnutzungs- und Extrusionseigenschaften des Materials steuert. Bei der Verwendung sind Filmlochgrößen in einem oder mehreren der Deckbandkernabschnitte 40% kleiner im Durchmesser als Verstopfungslochgrößengrenzen. Dies ist möglich, weil Kühlfluid, das zu dem Strömungspfad austritt, aufgrund von Partikelzentrifugierung kontaminierungsfrei ist. Die kleineren Filmlöcher reduzieren die Gesamtkühlströmung, wobei Kühleffektivität beibehalten wird.
Transpirationskühlung kann mit der offenbarten hohlen Deckbandstruktur eingesetzt werden, um die höchst fluktuierende Geschwindigkeit und Druckgradienten, die an der heißen Strömungspfadseite des Spitzendeckbandes existieren, zu überwinden. Dieser Kühlansatz schafft eine sehr hohe Kühlkapazität und eliminiert den Bedarf an ausgeprägter Rückseitenkonvektion. Dies wiederum vereinfacht die Kühlkonfiguration und reduziert das Deckbandgewicht und folglich die Strömungsprofilbelastung. Die Deckbandstruktur arbeitet in einer mit Kühlfluid gespülten Tasche hinter einer Leitelementplattform und -befestigung.
Wie aus der vorangehenden Diskussion zu ersehen, wurde eine leichtgewichtige, mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel 10 bereitgestellt, die ausreichend gekühlt ist, um übermäßige Turbinentemperaturen zu überleben.
Es ist ersichtlich, dass ein dünnwandiges, gekühltes, hohles Spitzendeckband offenbart wurde, das die hierin zuvor ausgeführten Aufgaben, Mittel und Vorteile vollständig befriedigt. Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext von deren spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, werden andere Variationen, Alternativen und Modifikationen den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten, die die vorangehende Beschreibung gelesen haben, ersichtlich. Es wird demgemäß angestrebt, diese Variationen, Alternativen und Modifikationen, die in den weiten Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, zu umfassen.

Claims

Mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel (10), aufweisend: einen Strömungsprofilabschnitt (16) und ein hohles Laufschaufelspitzendeckband (18), das mit dem Strömungsprofilabschnitt verbunden ist; wobei das hohle Laufschaufelspitzendeckband (18) Deckbandkernabschnitte (42, 46, 50), die an einer ersten Seite des Strömungsprofilabschnitts positioniert sind, und Deckbandkernabschnitte (44, 48, 52), die an einer zweiten Seite des Strömungsprofilabschnitts (16) positioniert sind, hat; wobei jeder der Deckbandkernabschnitte (42, 44, 46, 48, 50, 52) mindestens eine Öffnung (66) hat, um einem Kühlfluid zu ermöglichen, über einen Außenbereich des Deckbands (18) zu strömen; wobei die Turbinenlaufschaufel (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass der Strömungsprofilabschnitt (16) eine Mehrzahl von hohlen Strömungsprofilkernabschnitten (24, 26, 28, 30, 32) hat, die durch eine Mehrzahl von Rippen (22) gebildet sind, durch die eine Strömung des Kühlfluids im Einsatz strömt; wobei eine Mehrzahl der Rippen (22) sich zu lasttragenden Strukturen (40) in dem Deckband (18) erstrecken und als solche wirken; und wobei jeder der Deckbandkernabschnitte (42, 44, 46, 48, 50, 52) in Fluidkommunikation mit einem jeweiligen der Strömungsprofilkernabschnitte (24, 26, 28, 30, 32) über mindestens ein Dosierloch (54, 56, 58, 60, 62, 64) ist.
Mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1, wobei das hohle Laufschaufelspitzendeckband (18) eine Gussstruktur ist.
Mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Deckbandkernabschnitte (42, 44, 46, 48, 50, 52) eine Mehrzahl von Öffnungen (66) hat.
Mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Kühlfluid Luft ist.
Mit einem Deckband versehene Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Ausrundungsübergang (68) vom Strömungsprofil zum Deckband zum Reduzieren von Stresskonzentration.