DE69826367T2

DE69826367T2 - Schaufelkühlung

Info

Publication number: DE69826367T2
Application number: DE69826367T
Authority: DE
Inventors: Takao East Hartford Fukuda; Francis R. Glastonbury Price; Conan P. Tolland Cook; Richard W. Glastonbury Hoff; Irwin D. West Hartford Singer
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: JPH1122409A; US5827043A; DE69826367D1; EP0887514B1; EP0887514A2; EP0887514A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Gasturbinenmaschinen und insbesondere ein kühlbares Strömungsprofil für den Turbinenabschnitt einer derartigen Maschine, welches Kühlfluid mit Teilchen benutzt und für das Abtrennen der Teilchen von dem Kühlfluid sorgt.
Eine Axialströmungsrotationsmaschine, beispielsweise eine Gasturbinenmaschine für ein Flugzeug, weist einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt auf. Ein Strömungsweg für heiße Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch die Maschine. Der Strömungsweg für heiße Gase ist generell von ringförmiger Gestalt.
Wenn Arbeitsmediumgase entlang des Strömungswegs strömen, werden die Gase in dem Verdichterabschnitt verdichtet, was die Temperatur und den Druck der Gase ansteigen lässt. Die heißen, druckbeaufschlagten Gase werden mit Brennstoff in dem Verbrennungsabschnitt verbrannt, um den Gasen Energie zuzuführen. Diese Gase lässt man durch den Turbinenabschnitt expandieren, um Nutzarbeit und Schub zu erzeugen.
Sowohl der Verdichterabschnitt als auch der Turbinenabschnitt weisen alternierende Reihen oder Stufen von rotierenden und stationären Strömungsprofilen auf. Jedes Strömungsprofil weist einen Strömungsprofilbereich mit einer Vorderkante und einer Hinterkante auf. Die rotierenden und stationären Strömungsprofile, die auch als Laufschaufeln bzw. Leitschaufeln bezeichnet werden, ragen axial nach außen, um Energie von den heißen Arbeitsmediumgasen aufzunehmen. Somit arbeiten die Bauteile der Turbine in einer besonders feindlichen Umgebung, die durch extrem hohe Temperaturen gekennzeichnet ist.
Die Temperatur der heißen Verbrennungsgase, welche in die Turbine gelangen, überschreiten generell die Schmelzpunkttemperaturen der Legierungen, aus denen die Turbinenströmungsprofile hergestellt sind. Da die Strömungsprofile in den heißen Arbeitsmediumgasen während des Betriebs baden, kommt es zu Wärmebelastungen in den Strömungsprofilen. Diese Wärmebelastungen beeinflussen die strukturelle Integrität und die Nutzungsdauer der Strömungsprofile.
Somit müssen die Turbinenströmungsprofile gekühlt werden, um korrekt in den harschen Umgebungen in dem Turbinenabschnitt Leistung zu bringen. Die ersten Stufen der Turbinenströmungsprofile bedürfen deutlich mehr Kühlung als die nachfolgenden Stufen, weil die Temperatur und der Druck der gasförmigen Verbrennungsprodukte an dem Turbineneintritt am höchsten sind und fortschreitend davon abnehmen. Außerdem benötigt jedes Strömungsprofil mehr Kühlung an der Vorderkante als an der Hinterkante, weil die Temperatur und der Druck der Verbrennungsprodukte an der Vorderkante des Strömungsprofils höher sind als an der Hinterkante.
Somit werden Strömungsprofile typischerweise gekühlt, um Wärmebelastungen zu verringern und so die Strömungsprofile mit zufriedenstellender struktureller Integrität und Nutzungsdauer zu versorgen. Ein Beispiel eines derartigen Strömungsprofils ist in dem US-Patent Nr. 5,498,126 gezeigt, welches den Titel "Airfoil with dual source cooling" trägt, Pighetti et al. erteilt wurde und der vorliegenden Anmelderin übertragen wurde. In Pighetti et al. werden die Strömungsprofile durch Kanalisieren von Verdichterzapfluft bei einem höheren Druck durch die Vorderkantenpassage des Strömungsprofils und Kanalisieren von Verdichterzapfluft bei einem niedrigeren Druck durch die Hinterkantenpassage des Strömungsprofils gekühlt. Der höhere Druck in der Vorderkantenpassage eines jeden Strömungsprofils unterbindet die Strömung von Verbrennungsprodukten von dem Arbeitsmediumströmungsweg in die internen Passagen des Strömungsprofils. Die Vorderkante wird durch Aufprallkühlung durch Abzapfen der Verdichterluft von den Hochdruckverdichterstufen gekühlt. Die Verwendung von Hochdruckverdichterluft statt einer Mischung von Hochdruck- und Niederdruckluft ist unerwünscht, weil sie direkt Luft von dem Verbrennungsprozess abzweigt und so die Gesamtleistung der Maschine verringert. Deshalb wird Hochdruckverdichterluft lediglich zum Kühlen des Vorderkantenbereichs des Strömungsprofils verwendet, während der Hinterkanten bereich durch Luft gekühlt wird, die von den Niederdruckstufen des Verdichters geliefert wird.
Jedoch hat die Hochdruckverdichterluft mehr Teilchen in sich eingefangen verglichen mit der Niederdruckverdichterluft, die zum Kühlen des Hinterkantenbereichs des Strömungsprofils verwendet wird. Die Hochdruckverdichterluft kann Teilchen aufweisen, beispielsweise Schmutzteilchen, Silikateilchen und Keramikbeschichtungsteilchen, die in dieser Quelle von Kühlluft gefangen sind. Diese Teilchen stammen primär von der äußeren Dichtung des Verdichters und vom Verschleiß des Verdichters. Im Gegensatz wird die Niederdruckverdichterluft zu dem Hinterkantenbereich der Turbinenströmungsprofile vor der Brennereinrichtung umgeleitet. In der Folge ist die Niederdruckverdichterluft relativ sauber und somit relativ frei von Teilchen.
Die Anwesenheit von Schmutz oder anderen Teilchen in der Kühlluft kann eine korrekte Kühlung unterbinden und schließlich eine vorzeitige Zerstörung der Turbinenströmungsprofile zur Folge haben. Kühlpassagen und Kühlöffnungen in den Turbinenströmungsprofilen haben extrem kleine Durchmesser. Teilchen lagern sich tendenziell in den Passagen oder in den Kühlöffnungen in den Strömungsprofilen ab und blockieren sie. Selbst Teilchen von Mikrometergröße können ziemlich schnell die Luftströmung verringern und den erforderlichen Wärmeübertrag für das Kühlen behindern. In der Folge ist die Menge an durch die Passagen strömender Kühlluft verringert und in manchen Fällen ist die Kühlluftströmung vollständig eingeschränkt, wenn die Passagen vollständig versperrt sind. Eine verringerte oder keine Kühlung hat einen zerstörerischen Effekt auf die Lebensdauer der Turbinenströmungsprofile während des Triebwerksbetriebs und ist somit eine direkte Ursache für hohe Wartungs- und Austauschkosten.
Obwohl normalerweise Mittel verwendet werden, um größere Schmutzteilchen zu entfernen, bevor die Luft in den Verdichter gelangt, verbleiben nichts desto trotz kleinere Teilchen in der Kühlluft, selbst nachdem sie eine beträchtliche Strecke von dem Verdichter zu der Turbine zurückgelegt hat. Es besteht auch die Möglichkeit, dass Teilchen, die von der Maschine selbst stammen, in die Kühlluft eingefangen werden.
Ein früher Ansatz zum Entfernen von Teilchen aus einem Kühlluftstrom zugehörend zu dem Kühlsystem für Turbinenlaufschaufeln einer Gasturbinenmaschine ist im US-Patent Nr. 4,309,147 gezeigt, welches Koster et al. erteilt wurde und den Titel "Foreign Particle Separator" trägt. In Koster et al. ist ein Drehkammer in dem Strömungsweg angeordnet und daran angepasst, um die Mittellinie der Maschine zu rotieren. Kühlluft, die mit Fremdteilchenpartikeln, beispielsweise Sand verschmutzt ist, wird der Drehkammer zugeführt, wo der in der Kühlluft eingebundene Sand radial nach außen zentrifugiert wird. Saubere Kühlluft verlässt die Kammer an einem radialen Abstand, der geringer ist als der radiale Abstand der Einlässe in die Kammer von der Maschinenmittellinie. Diese saubere Kühlluft strömt dann, um die Turbinenlaufschaufeln zu kühlen.
Ein weiterer Ansatz zum Entfernen von Teilchen in einem kühlbaren Strömungsprofil ist in dem US-Patent Nr. 4,775,296 gezeigt, welches Schwarzmann et al. erteilt wurde und auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde. Bei Schwarzmann et al. befindet sich die Kühlpassage in dem Vorderkantenbereich in Strömungsverbindung mit dem Hinterkantenbereich durch eine Drehpassage und eine Öffnung, welche die Drehpassage mit dem Hinterkantenbereich zum Abgeben von Teilchenmaterie von der Kühlpassage verbindet. Somit ist die Nutzungslebensdauer des Strömungsprofils durch Entfernen von Teilchenmaterie von dem Spitzenbereich des Strömungsprofils durch eine Leitung, welche Kühlluft durch Niedrigströmungsbereiche des Strömungsprofils führt, verbessert.
US-A-4,820,122 beschreibt eine Schmutzentfernungseinrichtung für gekühlte Laufschaufeln.
US-A-4,527,387 beschreibt einen Einlass-Teilchenseparator für eine Gasturbinenmaschine.
Moderne Maschinen mit hohem Schub erfordern Kühlschemata, die reinere, unverschmutzte Kühlluft verwenden, als sie zuvor in Turbinenströmungsprofilen verwendet wurde, insbesondere für die Turbinenleitschaufeln der zweiten Stufe. Moderne Verdichter beinhalten zusätzliche Strömungsprofilstufen, was zu höheren Temperaturen und Drücken der Verbrennungsprodukte führt, die in die Turbine gelangen. Die Turbinenströmungsprofile benötigen mehr Kühlung als Strömungsprofile des Standes der Technik, um zerstörerisches Verbrennen der Strömungsprofilwände zu vermeiden. Insbesondere benötigt die Vorderkante der Strömungsprofile mehr Kühlung als die Hinterkante, weil die äußeren Drücke und Temperaturen an der Vorderkante höher sind. In der Folge benötigen modernen Maschinen höheren Schubs Verdichterkühlluft mit höherem Druck, um die Vorderkante zu kühlen, haben gewundene Passagen mit kleinen Öffnungen und benötigen reinere Luft als in der Vergangenheit.
Obwohl Kühlen mit Verdichterluft höheren Drucks für das Strömungsprofil erforderlich ist, um ein Verbrennen der Vorderkante zu vermeiden, verbleibt der Hauptnachteil der Verwendung von Luft höheren Drucks bei den eingefangenen Teilchen in der Kühlluft, welche die Kühlpassagen und -öffnungen in den Strömungsprofilen blockieren, wie vorangehend ausgeführt. Somit besteht ein Bedürfnis, für das Entfernen von Teilchen in kühlbaren Strömungsprofilen zu sorgen.
Folglich sind Wissenschaftler und Ingenieure, die unter der Anleitung der vorliegenden Anmelderin arbeiten, auf der Suche nach der Entwicklung von kühlbaren Strömungsprofile für moderne Maschinen höheren Drucks, die Mittel zum Entfernen von Teilchen von der solchen Strömungsprofilen zugeführten Kühlluft haben.
Gemäß einem breiten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 1.
Somit weist gemäß der vorliegenden Erfindung ein kühlbares Strömungsprofil mit einer sich in Erstreckungsrichtung erstreckenden vorderen Passage und einer sich in Erstreckungsrichtung erstreckenden hinteren Passage zum Abgeben von in der Kühlluft gefangenen Teilchen einen sich in Profilsehnenrichtung erstreckenden Kanal auf, der sich an der vorderen Passage vorbei zu der hinteren Passage erstreckt, so dass Impulseffekte die Strömung eines Teils der Kühlluft zu dem Eingang der vorderen Passage vorzugsweise zum Kühlen einer Kante des Strömungsprofils lenken und den Rest der Kühlluft und Teilchen in die hintere Passage lenken.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist der Kanal eine sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Einlasspassage und eine sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Expansionskammer auf, die sich axial hinter der Einlasspassage befindet. Teilchen enthaltende Kühlluft strömt in die Expansionskammer und dann entweder in die vordere oder in die hintere sich in Erstrekkungsrichtung erstreckende Passage, die sich in Strömungsverbindung mit der Expansionskammer befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Einlasspassage in Erstreckungsrichtung mit einem Winkel weg von der sich in Erstreckungsrichtung erstreckenden vorderen und hinteren Passage angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die dem Profilsehnenmittenbereich des Strömungsprofils benachbarte Expansionskammer dem Hinterkantenbereich benachbart durch eine Wand begrenzt, die bezogen auf die ankommende Kühlluftströmung und in Richtung zu dem Eingang der hinteren Passage mit einem Winkel angeordnet ist, so dass ein Teil der Kühlluftströmung und Teilchen durch die mit Winkel angeordnete Wand in Richtung zu dem Eingang der hinteren Passage gedrängt werden.
Somit ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ein kühlbares Strömungsprofil mit einem sich in Profilsehnenrichtung erstreckenden Kanal. Ein weiteres Merkmal ist eine sich in Erstreckungsrichtung erstreckende vordere Versorgungspassage. Ein weiteres Merkmal ist eine sich in Erstreckungsrichtung erstreckende hintere Passage. Vorzugsweise ist die vordere Versorgungspassage in Strömungsverbindung mit einem gewundenen Passagenweg vorzugsweise in dem Vorderkantenbereich. Der gewundene Passagenweg hat Kühlluftöffnungen. Ein weiteres bevorzugtes Merkmal ist, dass die hintere Passage in Strömungsverbindung mit dem Äußeren des Strömungsprofils über eine Spülöffnung und Kühlluftöffnungen ist. Die Spülöffnung hat vorzugsweise einen größeren Querschnittsströmungsquerschnitt als die Kühlluftöffnungen in der Spülpassage und in dem gewundenen Passagenweg. In einer detaillierten Ausführungsform hat der Kanal eine sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Einlasspassage und eine sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Expansionskammer axial hinter der Einlasspassage. Die Expansionskammer ist dem Profilsehnenmittenbereich des Strömungsprofils benachbart. Die Expansionskammer hat zwei Auslässe. In einer detaillierten Ausführungsform ist die sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Einlasspassage in Erstreckungsrichtung weg von der sich in Erstreckungsrichtung erstreckenden vorderen und hinteren Passage mit einem Winkel angeordnet. In einer detaillierten Ausführungsform ist die Expansionskammer dem Hinterkantenbereich durch eine Wand begrenzt, die in Richtung zu dem Eingang der hinteren Passage mit einem Winkel angeordnet ist.
Vorzugsweise erstreckt sich die Einlasspassage zu etwa fünfundsechzig Prozent der Profilsehnenlänge (gemessen bei Erstreckungsmitte) des Strömungsprofils.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen ist das Niveau der Haltbarkeit und der Nutzungslebensdauer, die sich aus dem Kühlen des Strömungsprofils mit sauberer Kühlluft ergeben, wenn die Teilchen von dem Eingang in den Vorderkantenbereich weg abgelenkt werden. Diese Teilchen könnten die inneren Kühlpassagen und Kühlöffnungen blockieren. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit der Wartung und der Reparierbarkeit der Strömungsprofile, welche sich daraus ergeben, dass eine Passage mit einer relativ großen Spülöffnung vorgesehen ist, um Reinigungsfluide während Wartungsaktivitäten zu spülen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 eine schematische Seitenansicht einer Gasturbinenmaschine, wobei Bereiche zur Klarheit weggebrochen sind;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils einer Turbine der Gasturbinenmaschine von 1, die ein Strömungsprofil gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine vergrößerte Seitenansicht, zur Klarheit zum Teil weggebrochen, des in 2 gezeigten Strömungsprofils;
4 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 4–4 des in 3 gezeigten Strömungsprofils genommen ist; und
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 3 gezeigten Strömungsprofils.
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 weist einen Verdichterabschnitt 12, einen Verbrennungsabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16 auf. Arbeitsmediumgase 18 strömen axial durch die Abschnitte 12, 14 und 16 der Maschine 10. Der Verdichter 12 weist eine Mehrzahl von alternierenden Reihen oder Stufen von rotierenden bzw. stationären Strömungsprofilen 20, 22 auf. Die Turbine 16 weist auch alternierende Stufen von stationären bzw. rotierenden Strömungsprofilen 24, 26 auf.
Es wird auf die 2 Bezug genommen. Ein erstes Plenum 30 wird mit einer Quelle von relativ konstanter Hochdruckluft druckbeaufschlagt, die von einer Hochdruckstufe des Verdichterabschnitts 12 abgezapft wird und den Brenner 14 umströmt. Ein zweites Plenum 32 erhält eine Quelle von relativ konstanter Luft niedrigeren Drucks, die von einer Niederdruckstufe des Verdichterabschnitts 12 strömungsaufwärts von der höheren Stufe zu dem ersten Plenum 30 gezapfter Verdichterluft gezapft wird.
Die erste Stufe von Strömungsprofilen an dem Turbineneingang weist eine Mehrzahl von Leitschaufeln 38 der ersten Stufe gefolgt von rotationsfähigen Laufschaufeln 40 der ersten Stufe, gefolgt von Leitschaufeln 42 der zweiten Stufe und Laufschaufeln 44 der zweiten Stufe auf. Die Leitschaufel 38 der ersten Stufe weist einen Strömungsprofilbereich 46 auf. Die Leitschaufel der ersten Stufe hat eine innere Plattform 48 und eine äußere Plattform 50. Die äußere Plattform 50 ist von dem Gehäuse radial nach innen beabstandet, um das erste Plenum 30 dazwischen zu lassen. Die Leitschaufel 42 der zweiten Stufe weist einen Strömungsprofilbereich 52 auf. Die Leitschaufel der zweiten Stufe hat eine innere Plattform 54 und eine äußere Plattform 56. Die äußere Plattform 56 ist von dem Gehäuse radial nach innen beabstandet, um das zweite Plenum 32 dazwischen zu lassen.
Es wird auf die 3 Bezug genommen. Der Strömungsprofilbereich 52 der Leitschaufel 42 der zweiten Stufe weist eine Vorderkante 60 und eine Hinterkante 62 auf. Das Strömungsprofil weist auch ein erstes Ende 64 und ein zweites Ende 66 auf. Eine Sogseitenwand 67 und eine Druckseitenwand 68 sind an der Vorderkante und der Hinterkante verbunden. Die Druckseitenwand 68 ist von der Sogseitenwand 67 beabstandet, um einen Hohlraum dazwischen zu bilden. Ein Vorderkantenbereich 69 erstreckt sich in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante 60 nach hinten. Der Vorderkantenbereich 69 hat eine erste Rippe 70, die in Erstreckungsrichtung ragt und nach hinten von der Vorderkante 60 beabstandet ist, um eine erste Kammer 71 dazwischen zu bilden. Die erste Rippe 70 ist in Erstreckungsrichtung von dem zweiten Ende 66 beabstandet, um einen Einlass 72 in den Vorderkantenbereich 69 zu lassen. Eine zweite Rippe 74 erstreckt sich in Erstreckungsrichtung in dem Vorderkantenbereich 69. Die zweite Rippe 74 ist in Profilsehnenrichtung von der ersten Rippe 70 nach vorne beabstandet und lässt eine erste Passage 76 dazwischen. Die zweite Rippe 74 ist in Erstreckungsrichtung von dem ersten Ende 64 beabstandet, um eine Drehpassage 78 dazwischen zu lassen. Diese Drehpassage 78 befindet sich in Strömungsverbindung mit der ersten Passage 76. Der Vorderkantenbereich 69 hat ferner eine dritte Rippe 80, die in Erstreckungsrichtung ragt und in Profilsehnenrichtung von der zweiten Rippe 74 nach vorne beabstandet ist und eine zweite Passage 82 dazwischen lässt. Die Rippe 80 ist in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante 60 nach hinten beabstandet und definiert eine dritte Pas sage 84 dazwischen. Die dritte Rippe 80 hat eine Mehrzahl von Aufprallöffnungen 86.
Das Strömungsprofil hat einen Profilsehnenmittenbereich 87 benachbart zu dem Vorderkantenbereich 69. Eine vierte Rippe 88 erstreckt sich in Erstrekkungsrichtung in den Profilsehnenmittenbereich 87. Die vierte Rippe 88 ist von der ersten Rippe 70 nach hinten beabstandet und bildet eine zweite Kammer 89 dazwischen. Eine fünfte Rippe 90 ist in der zweiten Kammer 89 angeordnet und erstreckt sich in Erstreckungsrichtung, um die zweite Kammer 89 in zwei Passagen 92, 94 zu teilen. Die erste Versorgungspassage 92 befindet sich in Strömungsverbindung mit dem Einlass 72 in den Vorderkantenbereich. Eine zweite Spülpassage 94 hat eine Spülöffnung 96 an dem zweiten Ende 66, was es erlaubt, dass das Strömungsprofil 52 in Strömungsverbindung mit dem Äußeren des Strömungsprofils ist.
Das Strömungsprofil hat einen Hinterkantenbereich 97, der dem Profilsehnenmittenbereich nach hinten benachbart ist. Dieser Bereich hat eine Einlasspassage 98 zum Liefern von Kühlluft zu dem Hinterkantenbereich 97. Die Einlasspassage 98 in dem Hinterkantenbereich befindet sich in Strömungsverbindung mit den internen Kühlkammern in dem Hinterkantenbereich 97.
Das Strömungsprofil 52 hat auch einen Kanal 100, der sich in der Profilsehnenrichtung in dem ersten Ende 64 erstreckt. Der Kanal 100 erstreckt sich vorzugsweise über etwa 65% der Profilsehnenlänge bei Erstreckungsmitte des Strömungsprofils. Der Kanal 100 hat eine Einlasspassage 102, welche sich in Profilsehnenrichtung in dem Vorderkantenbereich 69 erstreckt. Diese Einlasspassage 102 macht das Strömungsprofil 52 daran angepasst, Kühlluft von einer Quelle von Kühlluft zu erhalten. Der Kanal hat auch eine Expansionskammer 108, welche sich in Profilsehnenrichtung erstreckt und dem Profilsehnenmittenbereich 87 benachbart ist.
4 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linien 4–4 des Strömungsprofils, welches in der 2 gezeigt ist, genommen ist. Die Ansicht zeigt die erste Passage 76, die zweite Passage 82 und die dritte Passage 84 in dem Vorderkan tenbereich 69. Die dritte Passage 84 ist in Strömungsverbindung mit dem Äußeren des Strömungsprofils durch die Kühlfilmöffnungen 114.
Außerdem zeigt die Ansicht die erste Versorgungspassage 92 und die zweite Spülpassage 94 in dem Profilsehnenmittenbereich 87 des Strömungsprofils 52. Die zweite Spülpassage befindet sich in Strömungsverbindung mit dem Äußeren des Strömungsprofils über die Spülöffnung 96. Die zweite Spülpassage 94 hat auch eine Mehrzahl von Kühlfilmöffnungen 116 entlang der Druckseitenwand 68. Der Querschnittsströmungsquerschnitt der Spülöffnung 96 ist größer als der Querschnittsströmungsquerschnitt einer Kühlluftöffnung 116.
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Strömungsprofils, insbesondere des Kanals 100, welcher in 3 gezeigt ist. Die Einlasspassage 102 in den Kanal 100 ist durch eine erste Wand 104 in dem ersten Ende 64 und eine zweite Wand 106, die in Erstreckungsrichtung weg von der ersten Wand 104 beabstandet ist, begrenzt. Die erste und die zweite Wand 104, 106 sind in Erstrekkungsrichtung weg von der sich in Erstreckungsrichtung erstreckenden ersten Versorgungspassage 92 und der zweiten Spülpassage 94 mit einem Winkel angeordnet. Die Expansionskammer 108 ist dem Hinterkantenbereich 87 benachbart durch eine Wand 118 begrenzt, welche mit einem Winkel in Richtung zu dem Eingang der zweiten Spülpassage 94 angeordnet ist. Die Expansionskammer 108 ist auch dem ersten Ende 64 benachbart durch eine sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Wand 120 begrenzt. Außerdem hat die Expansionskammer 108 zwei Auslässe. Der erste Auslass 110 befindet sich in Strömungsverbindung mit der ersten Versorgungspassage 92, und ein zweiter Auslass 112 ist in Strömungsverbindung mit der zweiten Spülpassage 94. Außerdem ist der obere Bereich 122 der fünften Rippe 90 weg von dem Eingang der zweiten Spülpassage 94 mit einem Winkel angeordnet.
Während des Betriebs der Gasturbinenmaschine werden Arbeitsmediumgase 18 in dem Verdichter 12 verdichtet, wobei deren Temperatur und Druck ansteigen, wenn die Gase durch eine Mehrzahl von alternierenden Reihen oder Stufen von rotierenden bzw. stationären Strömungsprofilen 20, 22 strömen. Die verdichteten Gase werden mit Brennstoff vermischt und in dem Brenner 14 verbrannt. Die Verbrennungsprodukte, welche den Brenner verlassen, sind bei höchster Temperatur und höchstem Druck, wenn sie in die Turbine 16 gelangen, welche alternierende Stufen von stationären bzw. rotierenden Strömungsprofilen 24, 26 aufweist. Wenn die Arbeitsmediumgase in der Turbine 16 expandieren, nehmen Temperatur und Druck der Verbrennungsprodukte allmählich ab. Die heißen Gase erzeugen Vortriebsschub und treiben die Turbine 16 um ihre Rotationsachse A, an, was wiederum den Verdichter 12 antreibt.
Man lässt Kühlluft von dem Sammelraum 30 zu dem Kanal 100 in dem ersten Ende 64 des Strömungsprofils 52 strömen. Kühlluft gelangt in das Strömungsprofil durch die Einlasspassage 102 in dem ersten Ende. Diese Kühlluft hat darin eingebunden Teilchen verschiedener Größen. Die Strömung von Kühlluft und die durch die gewinkelten Wände 104, 106 definierte Geometrie der Kanalwand drängt diese Teilchen in Richtung zu der zweiten Wand 106 in der Einlasspassage 102. Die Teilchen treffen auf die zweite Wand 106 in dieser Einlasspassage 102 und werden weg von dem Eingang 110 in die erste Zuführpassage 92 und in Richtung zu der Expansionskammer 108 hinter der Einlasspassage 102 gelenkt. In der Expansionskammer 108 prallen die in der Kühlluft eingebundenen Teilchen von den Wänden 118, 120, welche die Expansionskammer 108 begrenzen, ab. Außerdem prallen die Teilchen auch von dem oberen Bereich 122 der in der 5 in dem Profilsehnenmittenbereich 87 gezeigten fünften Rippe 90 ab. Somit werden die in die Kühlluft eingebundenen Teilchen gelenkt, dass sie in die hintere Spülpassage 94 strömen. Impulseffekte und Effekte des Aufprallens auf die Expansionskammerwände 118,122 und den oberen Bereich 122 der fünfte Rippe 90 drängen die Bewegung einer Vielzahl von Teilchen in die hintere Passage 94. Somit wird ein Teil der Kühlluft mit darin eingebundenen Teilchen von dem Strömungsprofil 52 durch die Spülöffnung 96 in die Spülpassage 94 abgegeben.
Ein größerer Teil der Kühlluft strömt in die vordere Versorgungspassage 92 und liefert in den Vorderkantenbereich 69 des Strömungsprofils 52 Kühlluft. Als Folge ist die Luft in der vorderen Zuführpassage 92 relativ frei von Teilchen und ist somit sauber.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das Strömungsprofil derart konfiguriert, dass etwa sechzig Prozent (60 %), das ist ein Bereich von achtundfünfzig bis zweiundsechzig Prozent (58 bis 62 %), der Kühlluft in die erste Versorgungspassage 92 geleitet werden, während vierzig Prozent (40 %), d.h. ein Bereich von achtunddreißig bis zweiundvierzig Prozent (38 bis 42 %) der Kühlluft mit Teilchen in die zweite Spülpassage 84 als Spülkühlluftströmung geleitet werden.
Außerdem ist in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung die Spülöffnung 96 in der Spülpassage 94 derart bemessen, dass etwa sechzig Prozent (60 %) der Spülkühlluftströmung das Strömungsprofil durch die Spülöffnung 96 verlassen. Die verbleibende Spülkühlluftströmung, etwa vierzig Prozent (40 %), verlässt das Strömungsprofil 52 durch die Kühlfilmöffnungen 116, die entlang der Druckseitenwand 68 vorhanden sind und schafft so einem größeren Oberflächenbereich des Äußeren des Strömungsprofils eine weitere Kühlung.
Außerdem ist bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung die Kanalwandgeometrie und die Spülöffnung bemessen, um eine maximale Teilchenseperation zu erzielen. Eine Teilchenseperationseffizienzcharakteristik ist folgendermaßen definiert:
Etwa fünfundneunzig Prozent (95 %) der Teilchen, definiert als ein Bereich zwischen dreiundneunzig Prozent (93 %) und siebenundneunzig Prozent (97 %), der in der Kühlluft eingebundenen Teilchen werden von dem Strömungsprofil durch die Spülpassage 94 abgegeben. Die verbleibenden etwa fünf Prozent (5 %) von Teilchen gelangen zusammen mit Kühlluft in die erste Versorgungspassage 92.
Ein spezieller Vorteil dieser Konstruktion zumindest in den bevorzugten Ausführungsformen ist, dass die Mehrzahl der in der Kühlluft eingebundenen Teilchen das Strömungsprofil durch die zweite Spülpassage verlässt. Diese Teil chen könnten interne Kühlpassagen und Kühlöffnungen blockieren. Eine relativ saubere Kühlluft wird dem Vorderkantenbereich zugeführt und sorgt für das Kühlen der Vorderkante. Somit ist das Niveau an Haltbarkeit und Lebensdauer, welches sich aus dem Kühlen des Strömungsprofils mit sauberer Kühlluft ergibt, verbessert. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit der Wartung und der Reparierbarkeit der Strömungsprofile, welche sich daraus ergeben, dass eine Passage mit einer relativ großen Spülöffnung vorgesehen ist, um Reinigungsfluide während Wartungsaktivitäten zu spülen.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

Kühlbares Strömungsprofil (52) zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, wobei das Strömungsprofil aufweist: ein erstes Ende (64), ein zweites Ende (66), eine Vorderkante (60), die zwischen dem ersten Ende (64) und dem zweiten Ende (66) angeordnet ist, eine Hinterkante (62), die zwischen dem ersten Ende (64) und dem zweiten Ende (66) angeordnet ist, eine Sogseitenwand (67), welche sich von der Vorderkante (60) zu der Hinterkante (62) erstreckt, eine Druckseitenwand (68), die mit der Sogseitenwand (67) an der Vorderkante (60) und der Hinterkante (62) verbunden ist und von der Sogseitenwand (67) beabstandet ist, um einen Hohlraum dazwischen zu bilden, einen Vorderkantenbereich (69), der sich in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante (60) nach hinten erstreckt, einen Profilsehnenmittenbereich (87), dem Vorderkantenbereich (69) nach hinten benachbart, einen Hinterkantenbereich (97) dem Profilsehnenmittenbereich (87) nach hinten benachbart, eine erste Passage (92), welche sich in Erstreckungsrichtung in den Profilsehnenmittenbereich (87) erstreckt, wobei die Passage in Strömungsverbindung mit einem der Kantenbereiche ist, eine zweite Passage (94), hinter der ersten Passage und sich in Erstrekkungsrichtung in dem Profilsehnenmittenbereich (87) erstreckend, wobei die zweite Passage eine Spülöffnung (96) in dem zweiten Ende (66) in Strömungsverbindung mit dem Äußeren des Strömungsprofils hat, einen Kanal (100), der sich in der Profilsehnenrichtung in dem ersten Ende (64) erstreckt, zum Aufnehmen von Kühlluftströmung von einer Quelle von Kühlluft, wobei der Kanal (100) in Fluidverbindung mit der ersten und der zweiten Passage ist, wobei unter Betriebsbedingungen der Kanal das Strömungsprofil daran angepasst macht, Kühlluft mit Teilchen verschiedener Größen aufzuneh men und die Strömung in Profilsehnenrichtung lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass Impulseffekte die Strömung von einem ersten Teil von Kühlluft und Teilchen an der ersten Passage (92) vorbei in die hintere Spülpassage (94) und durch die Spülöffnung (96) nach außen lenken.
Strömungsprofil nach Anspruch 1, welches derart konfiguriert ist, dass mehr Kühlluft in die erste Passage (92) als in die zweite (94) gelenkt wird.
Strömungsprofil (52) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (100) eine Einlasspassage (102) hat, die sich in dem Vorderkantenbereich (69) in Profilsehnenrichtung erstreckt, und eine Expansionskammer (108) hat, die sich in Profilsehnenrichtung dem Profilsehnenmittenbereich (87) benachbart erstreckt, wobei die Expansionskammer (108) einen ersten Auslass (110) in Strömungsverbindung mit der ersten Passage (92) und einen zweiten Auslass (112) in Strömungsverbindung mit der zweiten Passage (94) hat.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Passage (92) in Strömungsverbindung mit dem Vorderkantenbereich (69) ist.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasspassage (102) Wände (104, 106) hat, die in Erstreckungsrichtung weg von der sich in Erstreckungsrichtung erstrekkenden ersten (92) und zweiten (94) Passage mit Winkel angeordnet ist.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskammer (108) dem ersten Ende (64) benachbart durch eine sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Wand (102) und dem Hinterkantenbereich benachbart durch eine Wand (118) begrenzt ist, die in Richtung zum Eingang der zweiten Passage (94) mit einem Winkel angeordnet ist, so dass Teilchen von den Expansionskammerwänden abprallen und in die zweite Passage (94) gelenkt werden.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (92) und die zweite (94) Passage eine Rippe (90) dazwischen haben, welche die erste und die zweite Passage trennt, wobei die Rippe einen oberen Bereich (122) hat, der von dem Eingang der zweiten Passage (94) weg mit einem Winkel angeordnet ist, so dass Teilchen, die von dem Expansionskammerwänden (118, 120) abprallen, auf den mit Winkel angeordneten oberen Bereich der Rippe treffen und in die zweite Passage (94) gelenkt werden.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal sich über etwa fünfundsechzig Prozent (65 %) der Profilsehnenlänge bei Erstreckungsmitte des Strömungsprofils erstreckt.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsprofil derart konfiguriert ist, dass etwa sechzig Prozent (60 %) der Kühlluft in die erste Passage (92) gelenkt werden und etwa vierzig Prozent (40 %) der Kühlluft mit Teilchen in die zweite Passage (94) gelenkt werden.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Passage (94) eine Mehrzahl von Kühlluftöffnungen (116) entlang der Druckseitenwand (68) und eine Spülöffnung (96) in dem zweiten Ende (66) hat, wobei jede Kühlluftöffnung einen ersten Querschnittsströmungsquerschnitt und die Spülöffnung einen zweiten Querschnittsströmungsquerschnitt hat, wobei der zweite Querschnittsströmungsquerschnitt größer ist als der erste Querschnittsströmungsquerschnitt, so dass Impulseffekte die Strömung von in der Kühlluft eingebundenen Teilchen zu der Spülöffnung (96) lenken, während Kühlluft durch die Kühlluftöffnungen (116) in der zweiten Passage (94) austritt.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass etwa sechzig Prozent der Kühlluftströmung mit Teilchen in der zweiten Passage (94) das Strömungsprofil durch die Spülöffnung (96) verlassen.
Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches konfiguriert ist, dass es eine Teilchenseperationeffizienz hat, wobei etwa fünfundneunzig Prozent (95 %) der Teilchen in der Kühlluftströmung durch die Spülöffnung (96) abgegeben werden, während nur etwa fünf Prozent (5 %) von Teilchen in der Kühlluft in die erste Passage (92) gelangen.
Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei der Vorderkantenbereich (69) hat: eine erste Rippe (70), welche sich in Erstreckungsrichtung erstreckt und nach hinten von der Vorderkante beabstandet ist, um eine erste Kammer (71) zu bilden, wobei die erste Rippe in Erstreckungsrichtung von dem zweiten Ende (66) beabstandet ist, um einen Einlass (72) in den Vorderkantenbereich zu lassen, eine zweite Rippe (74), welche sich in Erstreckungsrichtung erstreckt und in Profilsehnenrichtung vor der ersten Rippe (70) beabstandet ist und eine Passage (76) dazwischen lässt, wobei die zweite Rippe (74) in Erstrekkungsrichtung von dem ersten Ende (64) beabstandet ist, um eine Drehpassage (78) dazwischen zu lassen, welche in Strömungsverbindung mit der Passage (76) ist, eine dritte Rippe (80), die sich in Erstreckungsrichtung erstreckt und in Profilsehnenrichtung vor der zweiten Rippe (74) beabstandet ist und eine weitere Passage (82) dazwischen lässt, wobei die dritte Rippe (80) in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante nach hinten beabstandet ist und eine dritte Passage (84) dazwischen definiert, wobei die dritte Rippe (80) eine Mehrzahl von Aufprallöffnungen (86) dadurch aufweist zur Strömungsverbindung zwischen der weiteren Passage (82) und der dritten Passage (84), wobei der Profilsehnenmittenbereich (87) dem Vorderkantenbereich nach hinten benachbart hat, eine vierte Rippe (88), die sich in Erstreckungsrichtung erstreckt und von der ersten Rippe (70) nach hinten beabstandet ist, um eine zweite Kammer (89) dazwischen zu bilden, eine fünfte Rippe (90), die in der zweiten Kammer angeordnet ist und sich in Erstreckungsrichtung erstreckt, um die zweite Kammer in die erste Passage (92) in Strömungsverbindung mit dem Einlass in den Vorderkantenbereich (89) und die zweite Passage (94) zu teilen, wobei die zweite Passage (94) eine Mehrzahl von Kühlluftöffnungen (116) entlang der Druckseitenwand (68) hat, wobei jede Kühlluftöffnung (116) einen ersten Querschnittsströmungsquerschnitt hat und die Spülöffnung (96) einen zweiten Querschnittsströmungsquerschnitt hat, der größer ist als der erste Querschnittsströmungsquerschnitt, wobei der Hinterkantenbereich (97) dem Profilsehnenmittenbereich des Strömungsprofils nach hinten benachbart eine Einlasspassage (98) zum Liefern von Kühlluft in den Hinterkantenbereich hat, wobei die Einlasspassage (98) in Strömungsverbindung mit einer Mehrzahl von internen Kühlkammern ist, wobei der Kanal (100), der sich in Profilsehnenrichtung in dem ersten Ende (64) erstreckt zum Zuführen von Kühlluft zu der Vorderkante (60) und dem Profilsehnenmittenbereich (87) des Strömungsprofils hat: eine Einlasspassage (102), welche sich in Profilsehnenrichtung in dem Vorderkantenbereich erstreckt und das Strömungsprofil daran angepasst macht, Kühlluftströmung von einer Quelle von Kühlluft aufzunehmen, wobei die Einlasspassage (102) durch eine erste Wand (104) in dem ersten Ende (64) und eine zweite Wand (106), die in Erstreckungsrichtung weg von dem ersten Ende (64) beabstandet ist, begrenzt ist, eine Expansionskammer (108), welche sich in Profilsehnenrichtung dem Profilsehnenmittenbereich benachbart erstreckt und einen ersten Auslass in Strömungsverbindung mit der ersten Passage (92), die sich in Erstrekkungsrichtung in dem Profilsehnenmittenbereich erstreckt, und einen zweiten Auslass in Strömungsverbindung mit der zweiten Passage (94) hat, der sich in Erstreckungsrichtung in dem Profilsehnenmittenbereich erstreckt, wobei die erste und die zweite Wand (104, 106) der Einlasspassage (102) zu der Expansionskammer (108) in Erstreckungsrichtung weg von der sich in Erstreckungsrichtung erstreckenden ersten und zweiten Passage (92, 94) mit Winkel angeordnet sind und daran angepasst sind, Kühlluft von einer Quelle von Kühlluft bei einem ersten Druck zu erhalten, wobei die Einlasspassage (98) zu der Hinterkante (62) daran angepasst ist, Kühlluft von einer Quelle von Kühlluft bei einem zweiten Druck aufzunehmen, wobei die Expansionskammer (108) dem ersten Ende benachbart durch eine sich in Profilsehnenrichtung erstreckende Wand (118) begrenzt ist, und dem Hinterkantenbereich benachbart durch eine Wand (120) begrenzt ist, die in Richtung zum Eingang der zweiten Passage (94) mit einem Winkel angeordnet ist, wobei die fünfte Rippe (90) einen oberen Bereich (122) hat, der weg von dem Eingang der zweiten Passage (94) mit Winkel angeordnet ist, wobei die Anordnung derart ist, dass unter Betriebsbedingungen der Kanal das Strömungsprofil angepasst macht, Kühlluft mit Teilchen unterschiedlicher Größen zu empfangen und die Strömung in Profilsehnenrichtung lenkt, wobei die Strömung von Kühlluft die Teilchen in Richtung der zweiten Wand (106) in der Einlasspassage (102) drängt, um so auf die zweite Wand zu prallen und in Richtung zu der Expansionskammer gelenkt werden, wobei die Teilchen von den Wänden, welche die Expansionskammer (108) begrenzen, und dem oberen Bereich (122) der fünften Rippe (90) abprallen, so dass Impulseffekte die Strömung eines ersten Teils der Kühlluft und Teilchen an der vorderen Passage (92) vorbei lenken, in die zweite Passage (94) und durch die Spülöffnung (96) nach außen, während eine größere Strömung von Kühlluft in die vordere Passage (92) eingelassen wird, um Kühlluft in den Vorderkantenbereich (89) des Strömungsprofils zu liefern.