DE69821443T2

DE69821443T2 - Kühlung der Austrittskante bei Gasturbinenschaufeln

Info

Publication number: DE69821443T2
Application number: DE69821443T
Authority: DE
Inventors: Hans R. Jupiter Przirembel; Friedrich O. Tequesta Soechting
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: EP0916809A3; EP0916809A2; KR19990045246A; US6004100A; DE69821443D1; JPH11229809A; EP0916809B1; KR100553296B1

Description

Die Erfindung betrifft generell hohle Strömungsprofile und Geometrien von Hinterkanten-Kühlöffnungen in hohlen Strömungsprofilen insbesondere.
In modernen Axialgasturbinenmaschinen erfordern die Turbinenrotorlaufschaufeln und- statorleitschaufeln eine umfassende Kühlung. Ein typisches Rotoriaufschaufel- oder Statorleitschaufelströmungsprofil weist eine Serpentinen-Anordnung von Passagen auf, die mit einer Kühlluftquelle, beispielsweise den Verdichter verbunden sind. Von einer Verdichterstufe abgezapfte Luft liefert ein bevorzugtes Kühlmedium, weil deren Druck höher ist und deren Temperatur niedriger ist als bei dem durch die Turbinen strömenden Kerngas; der höhere Druck zwingt die Verdichterluft durch die Passagen in dem Bauteil und die niedrigere Temperatur überträgt Wärme weg von dem Bauteil. Die Kühlluft verlässt schließlich das Strömungsprofil durch Kühlöffnungen in den Strömungsprofilwänden oder Kühlauslässen, die entlang der Hinterkante verteilt sind. Kühlen ist insbesondere kritisch entlang der Hinterkante, wo sich das Strömungsprofil beträchtlich verjüngt. Die meisten Strömungsprofilkonstruktionen weisen eine Linie von enggepackten Kühlauslässen in der Außenoberfläche der Druckseitenwand auf, die entlang der gesamten Erstreckung des Strömungsprofils verteilt sind. Ein relativ geringer Druckabfall über jeden der enggepackten Auslässe fördert die Ausbildung einer Grenzschicht der Kühlluft (Filmkühlung) hinter den Auslässen, die dazu beiträgt, die aerodynamisch wünschenswerte schmale Hinterkante zu kühlen und zu schützen.
Zusätzlich zu dem Kühlen müssen die Turbinenrotorlaufschaufel- und Statorleitschaufelströmungsprofile auch eine hohe zyklische Ermüdung (HCF-High Cycle Fatigue) aufnehmen, die sich aus den Schwingungsbelastungen ergibt. Das trifft insbesondere entlang der schmalen Hinterkante zu, wo jeder der enggepackten Kühlauslässe einen signifikanten Spannungskonzentrationspunkt repräsentiert. Unbeobachtet kann HCF Spannungsbrüche erzeugen, die schließlich die mechanische Integrität des Strömungsprofils beeinträchtigen können.
1 zeigt eine Schnittansicht einer konventionellen Hinterkante mit einem Kühlauslass an der Druckseitenwand, der mit einem inneren Hohlraum durch eine Passage verbunden ist. Die Dicke der Druckseitenwand verjüngt sich der Kühlauslass benachbart beträchtlich und macht diesen Teil der Druckseitenwand für HCF besonders anfällig. Bewegt man den Auslass nach vorne, um die Wanddicke zu erhöhen, so minimiert man die Anfälligkeit für HCF, beeinträchtigt aber auch negativ die Filmkühlung hinter dem Auslass (die Filmkühlungseffizienz verschlechtert sich generell mit dem Abstand).
Somit wird ein Strömungsprofil mit einer Hinterkantenkühlvorrichtung benötigt, die HCF behindert, einer die eine strömungsabwärtige Filmkühlung fördert und einer die leicht hergestellt werden kann.
Verschiedene Hinterkantenkühlanordnungen sind in US-A-5 368 441, US-A-5 503 529, US-A-4 601 638 (was die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet) und US-A-5 405 242 beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein hohles Strömungsprofil bereitgestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass HCF minimiert ist. Bei einem konventionellen Strömungsprofil verursacht die Verjüngung der Druckseitenwand und der Sogseitenwand aufeinander zu, dass die Druckseitenwand unerwünscht dünn und somit anfällig für HCF wird, insbesondere benachbart den vorderen und den seitlichen Rändern der Kühlauslässe. Im Gegensatz dazu schaffen die Passagen der vorliegenden Erfindung ausreichend Wandmaterial um den Kühlauslass, um HCF in diesem Bereich substantiell zu minimieren.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Geometrie der Passagen und der Kühlauslässe in ein Strömungsprofil gegossen werden kann und so das Strömungsprofil der vorliegenden Erfindung leicht herstellbar macht.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1A bis 1C zeigen schematische Teilschnittansichten eines Strömungsprofils einer Gasturbinenmaschine des Stands der Technik mit einem der Hinterkante des Strömungsprofils benachbarten Kühlauslass.
2 ist ein Beispiel eines Gasturbinenströmungsprofils mit Kühlauslässen, die der Hinterkante benachbart in Erstreckungsrichtung verteilt sind.
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Gasturbinenströmungsprofils mit einer Mehrzahl von internen Hohlräumen, die zwischen der Druck- und der Sogseitenwand verteilt sind.
4A ist eine schematische Ansicht eines Gasturbinenströmungsprofils mit einem der Hinterkante des Strömungsprofils benachbarten Kühlauslass.
4B bis 4E und 5 sind Schnitte des Gasturbinenströmungsprofils, welches in 4A gezeigt ist.
6 ist ein Schnitt des in 4A gezeigten Gasturbinenströmungsprofils, der an dem Schnitt von 4B genommen ist und einen alternativen Passagenquerschnitt zeigt.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 weist ein hohles Strömungsprofil 10 für eine Gasturbinenmaschine eine Druckseitenwand 12, eine Sogseitenwand 14, eine Mehrzahl von internen Hohlräumen 16, die zwischen der Druckseitenwand 12 und der Sogseitenwand 14 angeordnet sind und eine Mehrzahl von Kühlauslässen 18 auf. Die inneren Hohlräume 16 sind mit einer Kühlluftquelle 19 verbunden. Die Druckseitenwand 12 und die Sogseitenwand 14 erstrecken sich in Breitenrichtung zwischen einer Vorderkante 22 und einer Hinterkante 24 und in Erstreckungsrichtung 26 zwischen der inneren radialen Plattform 28 und einer äußeren radialen Oberfläche 30. Die Dicke des Strömungsprofils 10 ist als der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche 34 der Druckseitenwand und der äußeren Oberfläche 36 der Sogseitenwand definiert. Die Dicke einer Strömungsprofilwand 12, 14 kann in eine ähnliche Richtung zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche der Wand gemessen werden. Das in 2 gezeigte beispielhafte Strömungsprofil 10 ist eine Rotorlaufschaufel mit einer Wurzel 38 mit Kühllufteinlässen 40. Ein Strömungsprofil 10, welches als eine Statorleitschaufel wirkt, kann die vorliegende Erfindung realisieren. 3 zeigt einen Querschnitt eines Strömungsprofils (Statorleitschaufel oder Rotorlaufschaufel), welches die vorliegende Erfindung realisiert und eine Mehrzahl von inneren Hohlräumen 16 hat, die miteinander in einer gewundenen Weise verbunden sind. Eine Anzahl von "N" Passagen 42 verbindet den hintersten Hohlraum 16 mit einer Anzahl von "N" Kühlöffnungen 18, wobei "N" eine gerade ganze Zahl ist.
Es wird auf die 2, 3 und 4A Bezug genommen. Die Kühlauslässe 18 sind in der Druckseitenwand 12 angeordnet und der Hinterkante 24 benachbart in Erstreckungsrichtung verteilt. Jeder Kühlauslass 18 weist einen hinteren Rand 44, einen vorderen Rand 46, ein Paar von Seitenrändern 48 und ein Paar von Ausrundungen (50) (s. 4A) auf. Die Seitenränder 48 schneiden den hinteren Rand 44 und erstrecken sich im wesentlichen in Richtung zu dem vorderen Rand 46. Jede Ausrundung 50 erstreckt sich zwischen einem der Seitenränder 48 und dem vorderen Rand 46. Die Länge 52 einer jeden Ausrundung 50 ist definiert als die breitenmäßige Strecke zwischen ihrem Schnittpunkt mit dem Seitenrand 48 und ihrem Schnittpunkt mit dem Vorderrand 46.
Es wird auf die 4B bis 4E, 5 und 6 Bezug genommen. Jede Passage 42, die einen Kühlauslass 18 mit dem hintersten Hohlraum 16 (s. 5) verbindet, hat eine Querschnittsgeometrie, die eine erste Wand 54, eine zweite Wand 56 und ein Paar von Seitenrändern 58 aufweist (s. 4B bis 4E und 6). Die erste Wand 54 ist der Sogseitenwand 14 und die zweite Wand 56 ist der Druckseitenwand 12 benachbart. Die Seitenwände 58 erstrecken sich von der ersten Wand 54 im wesentlichen in Richtung zur Druckseitenwand 12 nach außen. Die Querschnittsgeometrie der Passage 42 weist ferner eine erste Ausrundung 60 auf, die sich zwischen einer der Seitenwände 58 und der zweiten Wand 56 er streckt und eine zweite Ausrundung 52, die sich zwischen der anderen der Seitenwände 58 und der zweiten Wand 56 erstreckt. Die Geometrie der ersten und der zweiten Ausrundung 60, 62 und/oder der zweiten Wand 56 kann variiert werden, um zu der vorliegenden Anwendung zu passen. 6 zeigt beispielsweise die erste und die zweite Ausrundung 60, 62 und die zweite Wand 58 als bogenförmig. 4 andererseits zeigt einen Querschnitt einer Passage 42, wo die Ausrundungen 60, 62 sich einander an der Mitte der zweiten Wand 56 annähern treffen. 4B zeigt auch die Druckseitenwand 12 an dem vorderen Rand 46 des Kühlauslasses 18 mit einer Dicke gleich "x". Die Dicke der ersten und der zweiten Ausrundung 60, 62 ist gleich oder größer als "x" (4C und 4D zeigen die Ausrundungen 60, 62 gleich der Dicke "x").
Es wird auf die 5 Bezug genommen. Strömungsabwärts von dem vorderen Rand 46 des Kühlauslasses ist jede Passage 42 um einen Betrag (durch den Winkel 4 gezeigt) schräggestellt und erstreckt sich danach im wesentlichen parallel zu der Druckseitenwand-Außenoberfläche 34 zumindest über die Länge 52 der Kühlauslass-Ausrundung 50. Im Ergebnis bleibt die Dicke 63 der Druckseitenwand 12 über die Länge 52 der Kühlauslassausrundungen 50 im wesentlichen konstant. Hinter den Kühlauslassausrundungen 50 ist die Passage vorzugsweise wieder schräggestellt, dieses Mal erstreckt sie sich im wesentlichen parallel zur Außenoberfläche 36 der Sogseitenwand 14. Die unterbrochene Linie in der 5 repräsentiert einen konventionellen Hinterkantenkühlauslass und eine konventionelle Hinterkantenpassagengeometrie.
Zum besseren Verständnis der Erfindung vergleiche man die konventionelle Hinterkantenkühlvorrichtung, die in 1 gezeigt ist, mit den Hinterkantenkühlungs-Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in der 5 gezeigt sind. Bei dem konventionellen Hinterkanten-Querschnitt (1) verbindet eine Passage 64 jeden Kühlauslass 66 mit dem inneren Hohlraum 68, und jeder Kühlauslass 66 weist ein Paar von Ausrundungen 70 auf. Die Breite der Druckseitenwand 78 verjüngt sich in den Ausrundungen 70 beträchtlich und macht diesen Teil der Druckseitenwand 76 besonders anfällig für HCF.
Die vorliegende Erfindung vermeidet im Gegensatz dazu die schmale Charakteristik der Wand der konventionellen Konstruktion durch: Schrägstellen der Passage 42 hinter dem vorderen Rand 46 des Kühlauslasses, so dass sich die Passage 42 im wesentlichen parallel zur Außenoberfläche 34 der Druckseitenwand 12 erstreckt (s. 5), und vorzugsweise Bereitstellen einer mit Ausrundungen 60, 62 versehenen Passagengeometrie (s. 4B bis 4E und 6).
Aus dem Vorangegangenen erkennt man, dass ein Strömungsprofil mit einer Hinterkantenkühlvorrichtung bereitgestellt wird, welche HCF verhindert, ein Strömungsprofil mit einer Hinterkantenkühlvorrichtung, die eine strömungsabwärtige Filmkühlung fördert; und ein Strömungsprofil mit einer Hinterkantenkühlvorrichtung, die leicht herstellt werden kann.

Claims

Hohles Strömungsprofil (10), aufweisend: eine Druckseitenwand (12) mit einer ersten äußeren Oberfläche (34); eine Sogseitenwand (14) mit einer zweiten äußeren Oberfläche (36); wobei die Druckseitenwand und die Sogseitenwand (12, 14) sich in Breitenrichtung zwischen einer Vorderkante (22) und einer Hinterkante (24) erstrecken; einen Kühllufthohlraum (16), der zwischen der Druckseitenwand und der Sogseitenwand (12, 14) gebildet ist; eine Mehrzahl von Kühlauslässen (18), die in der Druckseitenwand (12) angeordnet sind und in Erstreckungsrichtung der Hinterkante (24) benachbart verteilt sind; und eine Mehrzahl von Passagen (42), wobei sich jede Passage zwischen dem Hohlraum (16) und einem der Kühlauslässe (18) erstreckt, und wobei jede eine erste Wand (54) der Sogseitenwand (36) benachbart, ein Paar von Passagenseitenwänden (58), die sich im wesentlichen in Richtung zu der Druckseitenwand (12) erstrecken, und eine zweite der Druckseitenwand (12) benachbarte Wand (56) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Passagen (42) dem angeschlossenen Kühlauslass (18) benachbart schräggestellt ist, so dass sich die Passage im wesentlichen parallel zu der ersten äußeren Oberfläche (34) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei jeder der Kühlauslässe aufweist: einen hinteren Rand (44); ein Paar von Seitenrändern (48), die den hinteren Rand (44) schneiden; einen vorderen Rand (46); eine erste Ausrundung (50), die sich zwischen einem der Seitenränder (48) und dem vorderen Rand (46) erstreckt; und eine zweite Ausrundung (50), die sich zwischen dem anderen der Seitenränder (48) und dem vorderen Rand (46) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 2, wobei strömungsabwärts von dem vorderen Rand (46) jede Passage schräggestellt ist und sich im wesentlichen parallel zu der ersten äußeren Oberfläche (34) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 2 oder 3, wobei strömungsabwärts von der ersten und der zweiten Ausrundung jede Passage (42) schräggestellt ist und sich im wesentlichen parallel zu der zweiten äußeren Oberfläche (36) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine erste Ausrundung (60), die sich zwischen einer der Passagenseitenwänden (58) und der zweiten Wand (56) erstreckt, und eine zweite Ausrundung (62), die sich zwischen der anderen der Passagenseitenwände (58) und der zweiten Wand (56) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 5, wobei jeder Kühlauslass (18) aufweist: einen hinteren Rand (44); ein Paar von Seitenrändern (48), die den hinteren Rand (44) schneiden; einen vorderen Rand (46); eine dritte Ausrundung (50), die sich zwischen einem der Seitenränder (48) und dem vorderen Rand (46) erstreckt; und eine vierte Ausrundung (50), die sich zwischen dem Anderen der Seitenränder (48) und dem vorderen Rand (46) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 6, wobei die Druckseitenwand (12) eine dem vorderen Rand (46) eines jeden Kühlauslasses (18) benachbarte erste Dicke hat, und wobei die erste und die zweite Ausrundung (60, 62) eine zweite Dicke haben, die mindestens gleich der ersten Dicke ist.
Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 6 oder 7, wobei sich strömungsabwärts von dem vorderen Rand (46) jede Passage (42) im wesentlichen parallel zu der ersten äußeren Oberfläche (34) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei sich strömungsabwärts von der dritten und vierten Ausrundung (50) jede Passage (42) im wesentlichen parallel zu der zweiten äußeren Oberfläche (36) erstreckt.
Hohles Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Passagenseitenwände (58) und zweite Wand (56) gekrümmt sind.