DE68906594T2

DE68906594T2 - Staubabscheider fuer eine luftgekuehlte schaufel.

Info

Publication number: DE68906594T2
Application number: DE8989630081T
Authority: DE
Inventors: Thomas A Auxier; Wesley D Brown; Kenneth B Hall
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2009-04-21
Also published as: EP0340149B1; JPH0223202A; EP0340149A1; JP2877345B2; DE68906594D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf gekühlte Laufschaufeln eines Rotors eines Gasturbinentriebwerks und insbesondere auf das Kontrollieren von in der Kühlluft enthaltenem Fremdmaterial, um so das Verstopfen der Kühlluftlöcher oder -durchlässe in der Laufschaufel zu verhindern.
Es ist gut bekannt, daß Triebwerksteile, insbesondere die Laufschaufein der Turbine von Flugzeuggasturbinentriebwerken durch die Verwendung von Triebwerkskühlluft gekühlt werden. Zum Beispiel erfolgt das Kühlen der Turbinenlaufschaufeln durch Abzweigen von Kühlluft aus dem Triebwerksverdichter über einen Turbinenbordinjektor (TOBI), die dann durch interne Durchlässe, welche in der Laufschaufel gebildet sind, hindurchgeleitet wird. Die Luft wird schließlich über Öffnungen in den Turbinenlaufschaufeln abgegeben und kann in den Triebwerksgasweg zurückgeleitet werden. Eine innengekühlte Laufschaufel gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1, 3 und 5 ist aus der EP-A-0 232 782 bekannt.
Gleichermaßen gut bekannt ist die Tatsache, daß Fremdmaterial, welches entweder aus der Umgebung stammt oder innerhalb des Triebwerks selbst erzeugt worden ist, in den Kühlluftstrom eingesaugt wird und dazu neigt, diese Kühlluftdurchlässe und -öffnungen, die oben erwähnt worden sind, zu verstopfen. Offenbar wird das Problem bei einem Flugzeug, das in Gebieten betrieben wird, wo Staub hohe Werte erreicht, wie z.B. in sandigen Gebieten an gewissen geographischen Orten der Welt, noch größer.
Es sind viele Versuche gemacht worden, um diese Probleme zu beseitigen, und Beispiele für solche Versuche finden sich z.B. in den US-A-3 356 340, 4 309 147, 2 632 626 und 3 918 835.
In jedem dieser Fälle folgt die Kühlluft einem gewundenen Pfad, bevor sie die Turbinenkühldurchlässe erreicht, so daß die Fremdpartikeln in dem Kühlluftstrom aus dem umlenkenden Kühlluftstrom abgeschieden werden oder in der gekühlten Luft mitgeführter Schmutz in ein Fliehkraftfeld geleitet wird, wo die schweren Fremdpartikeln durch Fliehkraft gegen eine Oberfläche geleitet und dort gehalten werden, bis das Triebwerk zerlegt und gereinigt wird. Die US-A-3 918 835 beschreibt einen Fliehkraftschmutzabscheider und sieht eine geneigte Oberfläche vor, welche die gesammelten Schmutzpartikeln zu der Labyrinthdichtung leitet, wobei er zu der Dichtung wandert und durch Leckageluft durch sie hindurchtransportiert wird.
Bei anderen Typen von Schmutzabscheidern oder Abscheidungssystemen sind Vorrichtungen stromaufwärts der Turbine vorgesehen, um so zu verhindern, daß Schmutz die Turbinenlaufschaufeln erreicht. Historisch wurden solche Systeme eine Rampe umfassen, die vorderhalb des TOBI angebracht ist. Die Rampe dient zum Ablenken und hindert den Schmutz daran, die scharfe Kurve zu machen, die die Kühlluft machen muß, um in den TOBI zu gelangen. Das bringt einigen Erfolg, wenn die Schmutzpartikeln ausreichend groß sind, so daß die Trägheit des Partikels die Geschwindigkeit des Kühlluftstroms überwindet, der den Partikel veranlaßt, seinen Weg fortzusetzen, während die Luft eine Kurve macht. Partikeln geringerer Größe wurden jedoch durch die Kühlluftstromgeschwindigkeit beeinflußt und wurden die Kurve mit der Luft machen und daher in die Laufschaufelkühldurchlässe und -löcher mitgenonirnen werden. Das wurde zum Schmutzaufbau in den Durchlässen führen und die Löcher verstopfen, wodurch das Kühlvermögen des Kühlsystems nachteilig beeinflußt wurde. Offenbar kann diese Blockierung zur Gefährdung oder zum Ausfall des Schaufelblattes führen oder den Druck der Kühlluft reduzieren, welche der Leitschaufel stromaufwärts der Turbine zugeführt wird. Zum Überwinden des Druckverlustes wurde es notwendig sein, die Kühlmittelausgangsströmung zu verstärken, wodurch wiederum der Brennerdruckabfall erhöht und dadurch die Triebwerksleistung nachteilig beeinflußt wurde.
Ziel der Erfindung ist es, die oben aufgezählten Probleme zu beseitigen, indem die Laufschaufel selbst so ausgebildet wird, daß sie ihr eigenes Schmutzabscheidungssystem aufweist, also ein Verfahren zu schaffen, um die gekühlten Turbinenlaufschaufeln für Schutz oder Staub, mit dem die Kühlluft verunreinigt ist, tolerant zu machen.
Gemäß der Erfindung wird das durch die Merkmale erreicht, die in dem kennzeichnenden Teil der unabhängigen Ansprüche 1, 3 oder 5 angegeben sind.
Ein Merkmal von einer Ausführungsform der Erfindung ist es, die mehrere Durchlässe aufweisende Laufschaufel eines Flugzeuggasturbinentriebwerks mit inneren Leitwänden zu gießen, so daß die Leitwände den mitgeführten Schmutz in einen vorgewählten Durchlaß innerhalb der Laufschaufel leiten, wo die Geschwindigkeit der Kühlluft in diesem Durchlaß den mitgeführten Schmutz zu einem Schmutzentfernungsloch leitet, das in der Spitze der Laufschaufel gebildet ist.
In einer anderen Ausführungsform ist eine aus Blech ausgestanzte Ablenkeinrichtung oder Leitwand an dem Fuß der Laufschaufel so befestigt, daß sie die Schmutz mitführende Luft entwender in einen Hochgeschwindigkeitsdurchlaß in der Laufschaufel selbst oder in einen Hochgeschwindigkeitsdurchlaß in der Turbinenscheibe oder in der Nähe derselben leitet.
Die Leitwand kann aus Blech ausgestanzt und so bemessen werden, daß die Ablenkeinrichtung als ein Zusatzteil an der Unterseite von vorhandenen Laufschaufeln befestigt werden kann.
Die Turbinenlaufschaufel nach der Erfindung eliminiert die Notwendigkeit der stromaufwärtigen Luftreinigungssysteme, die bislang in der Gasturbinentriebwerkstechlologie vorgeherrscht haben.
Die vorgenannten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt und teilweise schematisch dargestellte Ansicht, die eine bekannte luftgekühlte Turbinenlaufschaufelkonstruktion veranschaulicht.
Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich der in Fig. 1 von einer luftgekühlten Turbinenlaufschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Teilansicht eines Turbinenrotors im Schnitt und teilweise in schematischer Darstellung, der eine Turbinenlaufschaufel gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
Fig. 4 ist eine Teilansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Unteransicht der Laufschaufel nach Fig. 3, welche Ablenkeinrichtungen zeigt, die aus Blech hergestellt sind.
Fig. 6 ist eine Teilansicht ähnlich der in Fig. 3, die eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 3 zeigt.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht des ausgestanzten Bleches, das die Ablenkeinrichtung nach Fig. 6 zeigt.
Für eine ausführliche Beschreibung einer gekühlten Turbinenlaufschaufel eines Flugzeuggasturbinentriebwerks wird auf die US -A-4 479 532 verwiesen.
Aus Gründen der Einfachheit und der Zweckmäßigkeit sind Einzelheiten der Laufschaufeln in den Zeichnungen weggelassen worden, und es werden nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile im einzelnen beschrieben. Es ist klar, daß bei dem inneren Aufbau der Laufschaufel irgendeines der Systeme zur Verbesserung der Wärmeübertragung, die in dieser Technologie bekannt sind, benutzt werden kann. Es ist daher vorgesehen, daß die Schaufel die erforderlichen Auslösestreifen, Sockel, Rippen und dgl. zum Erzielen der gewunschten Kühlung aufweisen wird.
Die bekannte Konstruktion ist in Fig. 1 dargestellt, die das Innere des Schaufelblattes im Schnitt durch die Längsachse oder in Richtung der Spannweite zeigt Das Schaufelblatt 10 der Laufschaufel ist durch mehrere Rippen in mehrere Unterdurchlässe unterteilt. Die Laufschaufel hat, wie dargestellt, eine Vorderkante 12, eine Hinterkante 14, eine Spitze 16 und ein Fußende 18. Rippen 20, 22 und 24 bilden vier Durchlässe 26, 28, 30 und 32, die sich in Richtung der Spannweite erstrecken, wobei die Rippe 20 gegabelt ist und zusätzliche Unterdurchlässe zum Bilden von gewundenen Durchlässen mit der Rippe 30 bildet. Auf bekannte Weise sind jeder Durchlaß und die Aufprallabschnitte so konstruiert, daß genau definierte Ziele erreicht werden, mit denen sich diese Patentanmeldung nicht befaßt. Die Konstruktion dieser hochtechnologischen gekühlten Turbinenlaufschaufeln erfordert eine beträchtliche Anzahl von Löchern, mit denen ebenfalls genau definierte Ziele verfolgt werden.
Aus obigen Darlegungen geht hervor, daß die Kühlluft, die in diese Durchlässe eingelassen wird, Fremdmaterial mit sich führt und daß dieses Fremdmaterial aller Wahrscheinlichkeit nach an den Wänden der Durchlässe haften und/oder die Löcher verstopfen wird.
Gemäß dieser Erfindung und insbesondere gemäß der Darstellung in Fig. 2, welche die hochtechnologischen Wärmeübertragungsverbesserungstechniken beinhaltet (nicht gezeigt), sind die Rippen derart modifiziert, daß sie Ablenkeinrichtungen für die schmutzhaltige Kühlluft bilden, so daß sämtliche oder eine beträchtliche Menge der schmutzhaltigen Luft zu dem Hinterkantendurchlaß 36 geleitet wird, wobei die Durchlässe so abgewandelt sind, daß das Entfernen des Schmutzes möglich ist.
In der Darstellung in Fig. 2 tragen gleiche Teile gleiche Bezugszahlen, wobei demjenigen Teil, das modifiziert worden ist, der Buchstabe "a" hinzugefügt worden ist. Die abgewinkelten Rippenteile 40, 42 und 44 sind in dem Fußteil der Laufschaufel in der Nähe des Einlasses der Durchlässe 26a, 28a und 30a angeordnet und, wie zu erkennen ist, von dem Fuß zur Spitze hin geneigt und erstrecken sich in der Sehnenrichtung und sind in der Laufschaufel gegossen. Diese Rippenteile 40, 42 und 44 dienen zum Ablenken der schmutzhaltigen Kühlluft in Richtung zu dem Hinterkantendurchlaß 36. Der Durchlaß 36 ist speziell als ein gerader Durchlaß ausgebildet und steht in direkter Verbindung mit der Einlaßluft, die im Fuß in den Durchlaß 46 eintritt. Ein Schmutzentfernungsloch 48 ist in dem Spitzenende des Durchlasses 36 gebildet, um den Schmutz, den die Luft mit sich führt, in den Triebwerksgasweg abzugeben. Der Grund dafür, daß der Durchlaß 36 mit so wenig, wenn überhaupt, Kurven versehen ist, ist, zu gewährleisten, daß die Geschwindigkeit des Kühlluftstroms ausreichend ist, um den Schmutz direkt durch das Schmutzentfernungsloch 48 ausströmen zu lassen.
Die anderen Kanäle 26a, 28a und 30a sind daher im wesentlichen frei von Schmutz. Zusätzlich zu dem Vorsehen eines Schmutzentfernungssystems direkt in der Laufschaufel ist es durch wahlweises Hindurchleiten des Schmutzes durch den Durchlaß mit dem Hochgeschwindigkeitskühlluftstrom nun möglich, die vielen Reinigungslöcher zu eliminieren, die bislang bei diesen Laufschaufeln vorgesehen worden sind. Das beseitigt das Problem, eine große Menge an Luft zu benutzen, die nicht allein zum Kühlen benutzt wird, und, wie die Erfahrung gezeigt hat, ist die Luftgeschwindigkeit in einigen dieser Durchlässe, die mit den Reinigungsluftlöchern versehen sind, relativ niedrig, was das Entfernen von Schmutz beeinträchtigt oder begrenzt.
Das Schaufelblatt 10 der Laufschaufel nach Fig. 3 ist durch mehrere Rippen 20, 22, 24 in mehrere Unterdurchlässe unterteilt. Die Laufschaufel hat, wie erwähnt, die Vorderkante 12, die Hinterkante 14, die Spitze 16 und das Fußende 18. Die Rippen 20, 22 und 24 bilden Mehrfachdurchlässe, welche Durchlässe 56 und 58 umfassen, die sich in Richtung der Spannweite erstrecken.
In den Fig. 3, 4 und 5 ist zu erkennen, daß Ablenkteile 50 an dem Fußende der Laufschaufel befestigt sind und dazu dienen, die schmutzhaltige Luft zu einem oder mehreren besonderen Durchlässen abzulenken.
Die Ablenkteile 50 werden aus einem Blechzuschnitt 52 ausgestanzt und dann an dem Fuß der Laufschaufel 10 durch irgendein bekanntes Verfahren wie Hartlöten, Schweißen usw. befestigt. Die Ablenkteile 50, die durch erhabene Platten gebildet sind, welche sich von der Vorderkante zu der Hinterkante erstrecken, werden so angeordnet, daß sie über den Durchlässen liegen, die geschützt werden sollen. Die Abmessungen dieser Platten werden durch die Größe der Öffnung, die geschützt wird, bestimmt. In diesem Fall lenken die Ablenkteile 50 die schmutzhaltige Kühlluft in den Hinterkantendurchlaß 56 und den Vorderkantendurchlaß 58 und lenken diese verunreinigte Luft von den gewundenen Durchlässen ab. Der Vorderkantendurchlaß 58 und der Hinterkantendurchlaß 56 sind so ausgebildet, daß sie so geringe Druckverluste wie möglich erzeugen und Luft mit ausreichender Geschwindigkeit empfangen, um den Schmutz zu den Schmutzentfernungslöchern 60 zu transportieren. Die schmutzfreie oder im wesentlichen schmutzfreie Luft kann noch über die Öffnungen unter den Platten 50 in die gewundenen Durchlässe gelangen.
Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung, bei der ein ähnlich hergestelltes Ablenkteil benutzt wird, wobei die schmutzhaltige Luft in den Hochgeschwindigkeitsdurchlaß 70 gelenkt und entfernt von den inneren Durchlässen der Laufschaufel über Öffnungen 72, die in der Laufschaufel oder in der Scheibe 74 des Turbinenrotors gebildet sind, abgegeben wird. Wiederum werden, wie es bei der Konstruktion nach den Fig. 3 bis 5 der Fall war, die Ablenkteile 76 aus einem Blech 78 ausgestanzt, das so bemessen ist, daß es über den Durchlässen im Fuß der Turbinenschaufel liegt. Außerdem, die Blechplatte 78 kann an der Laufschaufel auf irgendeine geeignete Weise befestigt werden, z.B. durch Hartlöten, Schweißen oder durch mechanische Befestigungsmittel.
Aus vorstehenden Darlegungen geht hervor, daß die Ausführungsformen nach den Fig. 3 bis 7 bei vorhandenen innengekühlten Laufschaufeln benutzt werden können. Eine solche Konstruktion kann daher eingesetzt werden, um ein vorhandenes Schaufelverstopfungsproblem zu lösen.

Claims

1. Innengekühlte Laufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die Laufschaufel einen Fußabschnitt und einen Spitzenabschnitt hat, eine Wandeinrichtung zwischen dem Fußabschnitt und dem Spitzenabschnitt, welche das Schaufelblatt der Laufschaufel bildet, und mehrere Rippen, die Durchlässe (26a, 28a, 30a) bilden, welche sich in Richtung der Spannweite in der Laufschaufel erstrecken, um Kühlluft durch die Laufschaufel hindurchzuleiten und in den Gasweg des Turbinentriebwerks über Öffnungen abzugeben, die in dem Schaufelblatt gebildet sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die Schmutz daran hindert, die Öffnungen zu verstopfen, wobei die Einrichtung wenigstens einen geraden Durchlaß (36) und ein in dem Spitzenabschnitt gebildetes Loch (48) aufweist, das für das größte Schmutzpartikel bemessen ist, welches erwartungsgemäß in der Kühlluft mitgeführt wird, und wenigstens eine Rippe (40) in dem Fußabschnitt, die einen leitwandartig geformten Teil hat, der relativ zu den Durchlässen (26a, 28a, 30a) abgewinkelt angeordnet ist, um die schmutzhaltige Luft in den geraden Durchlaß (36) zu leiten und zu verhindern, daß die schmutzhaltige Luft in die anderen Durchlässe (26a, 28a, 30a) gelangt.

2. Innengekühlte Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß der Laufschaufel zusätzliche Rippen (42, 44) aufweist, die relativ zu dem Eingang der Durchlässe (26a, 28a, 30a) abgewinkelt angeordnet und von diesen beabstandet sind, wobei wenigstens eine der Rippen (40, 42, 44) ein Teil der Wand ist, die wenigstens einen der Durchlässe (26a, 28a, 30a) begrenzt.

3. Innengekühlte Turbinenlaufschaufel, die zur Befestigung in einer Turbinenscheibe (74) vorgesehen ist, für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die Laufschaufel einen Fußabschnitt zum Befestigen der Laufschaufel in einer in der Scheibe (74) gebildeten Ausnehmung (70) und einen Spitzenabschnitt hat, eine Wandeinrichtung zwischen dem Fußabschnitt und dem Spitzenabschnitt, die ein Schaufelblatt (10) der Laufschaufel bildet, eine Einrichtung mit einem Einlaß innerhalb der Laufschaufel zum Leiten von Kühlluft durch den Einlaß in das Schaufelblatt (10) und zum Abgeben durch Öffnungen in der Wand in den Gasweg des Gasturbinentriebwerks, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die Schmutz daran hindert, die Öffnungen zu verstopfen, wobei die Einrichtung ein ßlechteil (78) aufweist, das insgesamt rechteckförmig ist und einen Teil hat, der so ausgestanzt ist, daß es einen nach unten vorstehenden Ablenkteil (76) hat, welcher sich abgewinkelt von ihm aus erstreckt, wobei das Blechteil (78) an dem Fußabschnitt der Laufschaufel so befestigt ist, daß der Ablenkteil (76) relativ zu dein Einlaß abgewinkelt angeordnet ist und ihm überlagert ist, wodurch der Ablenkteil (76) die schmutzhaltige Luft von dem Einlaß weg- und zu einer Auslaßöffnung (72) für schmutzhaltige Luft lenkt, während er gleichzeitig relativ schmutzfreier Luft gestattet, durch Herumgehen um den durch den Ablenkteil (76) gebildeten Winkel in den Einlaß zu gelangen.

4. Innengekühlte Turbinenlaufschaufel nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mehrere innere Durchlässe in der Turbinenlaufschaufel und mehrere Einlässe, die jedem inneren Durchlaß zugeordnet sind, einen komplementären Ablenkteil (76), der aus der Blechplatte (78) ausgestanzt und so ausgerichtet ist, daß er relativ zu jedem der mehreren Einlässe abgewinkelt angeordnet ist und den Einlässen überlagert ist, um den in dem Luftstrom mitgeführten Schmutz von dem Einlaß wegzulenken.

5. Innengekühlte Laufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die Laufschaufel einen Fußabschnitt (18), einen Spitzenabschnitt (16) und eine Wandeinrichtung zwischen dem Spitzenteil und dem Fußabschnitt (18) hat, die ein Schaufelblatt (10) bildet, mehrere in Richtung der Spannweite angeordnete Rippen (20, 22, 24) innerhalb der Laufschaufel, die gewundene Durchlässe zum Hindurchleiten von Kühlluft durch die Laufschaufel und zum Abgeben derselben über Öffnungen in der Wandeinrichtung bilden, gekennzeichnet durch eine Schmutzentfernungseinrichtung, die wenigstens einen geraden Durchlaß (56, 58) innerhalb der Laufschaufel zum Leiten von Kühlluft von dem Fußabschnitt (18) zu dem Spitzenabschnitt und zum Abgeben über eine in dem Spitzenabschnitt (16) gebildete Öffnung (60) aufweist, wobei die Öffnung (60) so bemessen ist, daß das größte Schmutzpartikel hindurchtreten kann, das erwartungsgemäß in der Kühlluft mitgeführt wird, ein Blechteil (52), in welchem Ablenkteile (50) durch Stanzen gebildet sind, die sich relativ zu der in dem Blechteil (52) verbliebenen Öffnung abgewinkelt erstrecken, eine Einrichtung zum Befestigen des Blechteils (52) an dem Fußabschnitt (18) der Laufschaufel und zum Ausrichten der Ablenkteile (50), so daß sie über dem Einlaß der gewundenen Durchlässe liegen, und zum Lenken der schmutzhaltigen Luft in den geraden Durchlaß (56, 58).

6. Innengekühlte Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel eine Turbinenlaufschaufel ist.