DE69832116T2

DE69832116T2 - Gekühlte Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE69832116T2
Application number: DE69832116T
Authority: DE
Inventors: David A. Bristol Krause; Dominic J. Jr. Southington Mongillo; Friedrich O. Tequesta Soechting; Mark F. Coventry Zelesky
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: EP0896127A2; EP1420142B1; EP1420142A1; US5931638A; DE69832116D1; EP0896127A3; EP0896127B1; EP1420143A1; JP4128662B2; DE69838015T2; DE69838015D1; DE69836156T2; EP1420143B1; JPH11107702A; DE69836156D1

Description

Die Erfindung betrifft kühlbare Turbomaschinenbauteile und insbesondere ein kühlbares Strömungsprofil für eine Gasturbinenmaschine, wie z.B. in US-A-5 405 242 beschrieben.
Die Laufschaufeln und Leitschaufeln, die in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine verwendet werden, haben jeweils einen Strömungsprofilabschnitt, der sich radial über einen Maschinenströmungsweg erstreckt. Während des Maschinenbetriebs sind die Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln erhöhten Temperaturen ausgesetzt, die zu mechanischem Versagen und Korrosion führen können. Deshalb ist es eine übliche Praxis, die Laufschaufeln und die Leitschaufeln aus einer temperaturtoleranten Legierung herzustellen und korrosionsbeständige und thermisch isolierende Beschichtungen auf das Strömungsprofil und andere Oberflächen, die dem Strömungsweg ausgesetzt sind, aufzubringen. Es ist auch weit verbreitete Praxis, die Strömungsprofile zu kühlen, indem man ein Kühlmittel durch das Innere der Strömungsprofile strömen lässt.
Eine bekannte Art von interner Strömungsprofil-Kühlanordnung verwendet drei Kühlkreise. Ein Vorderkantenkreis weist einen radial verlaufenden Aufprallhohlraum auf, der mit Zuführkanal mit einer Serie von radial verteilten Aufprallöffnungen verbunden ist. Eine Anordnung von "Duschkopf"-Öffnungen geht von dem Aufprallhohlraum zu der Strömungsprofiloberfläche in der Nähe der Vorderkante des Strömungsprofils. Kühlmittel strömt radial durch den Zuführkanal nach außen, um konvektiv das Strömungsprofil zu kühlen, und ein Teil des Kühlmittels strömt durch die Aufprallöffnungen und prallt gegen die vorderste Oberfläche des Aufprallhohlraums. Das Kühlmittel strömt dann durch die Duschkopföffnungen und wird über die Vorderkante des Strömungsprofils abgegeben, um einen thermischen Schutzfilm zu bilden. Ein Kühlkreis bei Profilsehnenmitte weist typischerweise eine gewundene Passage mit zwei oder mehr in Profilsehnenrichtung benachbarten Abschnitten, die von einer Kehre an dem radial innersten oder radial äußersten Extrembereichen der Abschnitte verbunden sind. Eine Serie von überlegt orientierten Kühlöffnungen ist entlang der Länge der gewundenen Passage angeordnet, wobei jedes Loch von der gewundenen Passage zu der Außenoberfläche des Strömungsprofils geht. Kühlmittel strömt durch die gewundene Passage, um konvektiv das Strömungsprofil zu kühlen und wird durch die Kühlöffnungen abgegeben, um eine Transpirationskühlung zu schaffen. Wegen der Orientierung der Öffnungen bildet das abgegebene Kühlmittel auch einen thermischen Schutzfilm über der Strömungsprofiloberfläche. Kühlmittel kann auch von der gewundenen Passage durch eine Öffnung an der Laufschaufelspitze und durch eine in Profilsehnenrichtung verlaufende Spitzenpassage abgegeben werden, welche das Kühlmittel aus der Hinterkante des Strömungsprofils führt. Ein Hinterkantenkühlkreis weist eine radial verlaufende Zuführpassage, ein Paar von radial verlaufenden Rippen und eine Reihe von radial verteilten Sockeln auf. Kühlmittel strömt radial in die Zuführpassage und dann in Profilsehnenrichtung durch Öffnungen in den Rippen und durch Schlitze zwischen den Sockeln, um konvektiv den Hinterkantenbereich des Strömungsprofils zu kühlen.
Jede der vorangehend beschriebenen internen Passagen (der Vorderkantenzuführkanal, die gewundene Passage bei Profilsehnenmitte, die Spitzenpassage und die Hinterkantenzuführpassage) weist normalerweise eine Serie von Turbulenzgeneratoren auf, die als Stolperstreifen bezeichnet werden. Die Stolperstreifen ragen lateral in jede Passage, sind entlang der Länge der Passage verteilt und haben typischerweise eine Höhe von nicht mehr als etwa 10% der lateralen Abmessung der Passage. Durch die Stolperstreifen induzierte Turbulenz verstärkt den konvektiven Wärmeübertrag in das Kühlmittel.
Die vorangehend beschriebene Kühlanordnung und deren Ausgestaltungen wurden erfolgreich zum Schutz von Turbinenströmungsprofilen gegen temperaturbezogene Schädigungen verwendet. Da jedoch Maschinenkonstrukteure die Fähigkeit, bei zunehmend höheren Temperaturen zu arbeiten, fordern, um die Maschinenleistung zu maximieren, stellt sich heraus, dass traditionelle Kühlanordnungen nicht ausreichend sind.
Ein Nachteil eines konventionell gekühlten Strömungsprofils ist, dass es möglicherweise ungeeignet für Anwendungen ist, bei denen die Betriebstemperaturen lediglich über einen Teil der Strömungsprofiloberfläche übermäßig sind, obwohl sie gemittelt tolerabel sind. Lokal übermäßige Temperaturen können die mechanischen Eigenschaften des Strömungsprofils verschlechtern und deren Anfälligkeit gegen Oxidation und Korrosion erhöhen. Außerdem können extreme Temperaturgradienten um die Peripherie eines Strömungsprofils zur Rissbildung und anschließendem mechanischem Versagen führen.
Ein weiterer Nachteil betrifft die gewundene Passage. Eine gewundene Passage macht mehrere Durchgänge durch das Innere eines Strömungsprofils. Folglich benötigt das Kühlmittel mehr Zeit, um durch eine gewundene Passage zu wandern, als durch eine einfache radiale Passage zu wandern. Diese erhöhte Verweilzeit des Kühlmittels wird normalerweise als vorteilhaft angesehen, da sie eine ausgedehntere Gelegenheit für den Wärmetransfer von dem Strömungsprofil auf das Kühlmittel schafft. Jedoch erhöht die erhöhte Verweilzeit und der begleitende Wärmeübertrag auch signifikant die Temperatur des Kühlmittels im Verlauf des Fortschreitens des Kühlmittels durch die gewundene Passage und schwächt somit fortschreitend die Effizienz des Kühlmittels als eine Wärmesenke ab. Wenn die Betriebstemperaturen in der Maschine hoch genug sind, kann die abgeschwächte Kühlmitteleffizienz die Vorteile der langen Kühlmittelverweilzeit wettmachen.
Ein dritter Nachteil bezieht sich auf den Wunsch, eine hohe Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit und somit eine hohe Reynoldssche Zahl in internen Kühlpassagen beizubehalten, die von einer Reihe von Kühlmittelabgabeöffnungen durchdrungen sind. Die akkumulierte Abgabemenge von Kühlmittel durch die Öffnungen ist von einer Verringerung der Geschwindigkeit und der Reynoldssche Zahl des Kühlmittelstroms und einer korrespondierenden Verringerung des konvektiven Wärmeübertrags in dem Strom begleitet. Die Verringerung der Reynoldsschen Zahl und der Wärmeübertragseffizienz kann abgeschwächt sein, wenn die Querschnittsströmungsfläche der Passage in der Richtung der Kühlmittelströmung fortschreitend kleiner gemacht ist. Jedoch erhöht eine Verringerung der Passagenströmungsfläche auch den Abstand zwischen dem Umfang der Passage und der Strömungsprofiloberfläche und behindert so den Wärmeübertrag und neutralisiert somit möglicherweise den Vorteil, der der Verringerung des Querschnitts zuweisbar ist.
Ein vierter Nachteil betrifft die Strömungsprofile der Laufschaufeln, jedoch nicht die der Leitschaufeln. Laufschaufeln erstrecken sich radial von einer rotationsfähigen Turbinennabe nach außen und rotieren, anders als Leitschaufeln, um die Längsmittellinie der Maschine während Maschinenbetrieb. Die Rotationsbewegung der Laufschaufeln zwingt das durch die radial verlaufenden Passagen strömende Kühlmittel, sich gegen eine der die Passage begrenzenden Oberflächen (der vorauslaufenden Oberfläche) anzusammeln. Das führt zu einer dünnen Grenzschicht, die einen guten Wärmeübertrag fördert. Jedoch bewirkt dieser Rotationseffekkt auch, dass das Kühlmittel teilweise von der lateral entgegengesetzten Passagenoberfläche (der nachfolgenden Oberfläche) weg bewegt wird, was zu einer korrespondierenden dicken Grenzschicht führt, die einen effektiven Wärmeübertrag behindert. Leider kann die nachfolgende Passagenoberfläche nahe bei einem Teil des Strömungsprofils sein, der den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist und deshalb den leistungsfähigeren Wärmeübertrag benötigt.
Es kann möglich sein, die Wärmeübertragseffizienz bei einem konventionellen Strömungsprofil zu verbessern, indem man eine größere Menge an Kühlmittel liefert oder indem man Kühlmittel verwendet, welches eine niedrigere Temperatur hat. In einer Gasturbinenmaschine ist das einzig vernünftige zur Verfügung stehende Kühlmittel verdichtete Luft, die von den Verdichtern der Maschine abgezogen wird. Da das Ableiten der verdichteten Luft von den Verdichtern die Maschineneffizienz und die Brennstoffeffizienz verschlechtert, ist das Entziehen von zusätzlicher verdichteter Luft zum Kompensieren eines ineffektiven Strömungsprofilwärmeübertrags unerwünscht. Die Verwendung von Luft niedriger Temperatur ist normalerweise nicht möglich, da der Druck der Luft mit niedrigerer Temperatur nicht ausreicht, um eine sichere Kühlmittelströmung durch die Turbinenströmungsprofilpassagen sicherzustellen.
Ein verbesserter Wärmeübertrag kann auch realisiert werden, indem man Stolperstreifen verwendet, die an Höhe größer als 10% der lateralen Abmessung der Passage ist. Jedoch ist dieser Ansatz für rotierende Laufschaufeln nicht attraktiv, da die Stolperstreifen zahlreich sind und das angesammelte Gewicht, welches sich aus der Verwendung vergrößerter Stolperstreifen ergibt, die rotationsbedingten Belastungen, die auf die Turbinennabe aufgebracht werden, in unakzeptabler Weise verstärkt.
Es wäre wünschenswert, ein kühlbares Strömungsprofil mit einem Hilfskühlsystem bereitzustellen, welches ein primäres Kühlsystem unterstützt, indem es übermäßige Wärme absorbiert.
Gemäß einem breiten Aspekt liefert die Erfindung ein kühlbares Strömungsprofil, aufweisend eine Umfangswand mit einer Außenoberfläche, die ein Sogoberfläche und eine Druckoberfläche lateral beabstandet von der Sogoberfläche, wobei die Oberfläche in Profilsehnenrichtung von einer Vorderkante zu einer Hinterkante und radial von einer Strömungsprofilwurzel zu einer Strömungsprofilspitze gehen, ein primäres Kühlsystem, welches mindestens eine radial verlaufende Mittelpassage aufweist, die mindestens teilweise von der Umfangswand begrenzt ist, und ein Hilfskühlsystem, welches mindestens eine Kühlleitung aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der Mittelpassage ist und sich radial im Wesentlichen gemeinsam mit dieser erstreckt, wobei die Leitung in der Wand zwischen der Mittelpassage und der Außenoberfläche angeordnet ist.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Kühlleitungen in Profilsehnenrichtung in einer Zone hoher Wärmebelastung angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das primäre Kühlsystem eine Anordnung von Mittelpassagen auf, von denen mindestens zwei verbunden sind, um eine gewundene Passage zu bilden, und wobei die Hilfsleitungen sich in Profilsehnenrichtung gemeinsam mit mindestens einer der Mittelpassagen erstrecken, um durch die Mittelpassage strömendes Kühlmittel thermisch zu isolieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Profilsehnenrichtungs-Abmessung der Hilfsleitungen nicht größer als ein vorbestimmtes Vielfaches des Abstands von den Leitungen zu der Außenoberfläche des Strömungsprofils, so dass thermische Spannungen die sich aus der Anwesenheit der Leitungen ergeben, minimiert sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Hilfskühlsystem mindestens zwei Hilfsleitungen mit einer radial verlaufenden, unterbrochenen Rippe auf, welche in Profilsehnenrichtung benachbarte Leitungen trennt.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich eine Anordnung von Stolperstreifen lateral von einem Bereich der Umfangsoberfläche der Leitungen zu einer Höhe, die etwa 20% der Lateralabmessung der Leitung überschreitet und vorzugsweise 50% der Lateralabmessung der Leitung ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines kühlbaren Strömungsprofils mit einem primären Kühlsystem und einem sekundären Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
1A ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des in 1 gezeigten Strömungsprofils;
2 ist eine Ansicht, die im Wesentlichen in der Richtung 2-2 von 1 genommen ist und eine Reihe von Mittelkühlpassagen zeigt, welche das primäre Kühlsystem aufweist;
3 ist eine Ansicht, die im Wesentlichen in der Richtung 3-3 von 1 genommen ist und eine Reihe von Kühlleitungen aufweist, welche das sekundäre Kühlsystem aufweist, entlang der konvexen Seite des Strömungsprofils;
4 ist eine Ansicht, die im Wesentlichen in der Richtung 4-4 von 1 genommen ist und eine Reihe von Kühlleitungen zeigt, die das sekundäre Kühlsystem aufweist, entlang der konkaven Seite des Strömungsprofils; und
4A ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 4.
Es wird auf die 1 bis 4 Bezug genommen. Eine kühlbare Turbinenlaufschaufel 10 für eine Gasturbinenmaschine hat einen Strömungsprofilabschnitt 12, der radial über einen Maschinenströmungsweg 14 geht. Eine Umfangswand 16 erstreckt sich radial von der Wurzel 18 zu der Spitze 22 des Strömungsprofils und in Profilsehnenrichtung von einer Vorderkante 24 zu einer Hinterkante 26. Die Umfangswand 16 hat eine Außenoberfläche 28, die eine konkave Oberflä che 32 oder Druckfläche 32 und eine konvexe Oberfläche oder Sogfläche 34 aufweist, die lateral von der Druckfläche beabstandet ist. Eine mittlere Wölbungslinie MCL (mean camber line) erstreckt sich in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante mittig zwischen der Druckfläche und der Sogfläche.
Die gezeigte Laufschaufel ist eine von zahlreichen Laufschaufeln, die von einer rotationsfähigen Turbinennabe (nicht gezeigt) radial nach außen ragen. Während des Maschinenbetriebs strömen heiße Verbrennungsgase 36, die von der Brennkammer (ebenfalls nicht gezeigt) der Maschine stammen, durch den Strömungsweg und lassen die Laufschaufeln und die Nabe in der Richtung R um eine Maschinenlängsachse 38 rotieren. Die Temperatur dieser Gase ist räumlich ungleichförmig, deshalb ist das Strömungsprofil 12 einer ungleichförmigen Temperaturverteilung über seine Außenoberfläche 28 ausgesetzt. Außerdem variiert die Dicke der aerodynamischen Grenzschicht, die die Außenoberfläche einhüllt, in Profilsehnenrichtung. Da sowohl die Temperaturverteilung als auch die Grenzschichtdicke die Rate des Wärmeübertrags von den heißen Gasen in die Laufschaufel beeinflussen, ist die Umfangswand einer sich in Profilsehnenrichtung variierenden Wärmebelastung sowohl entlang der Druckfläche als auch entlang der Sogfläche ausgesetzt. Insbesondere ist eine Zone hoher Wärmebelastung von etwa 0% bis 20% der Strecke in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Sogfläche und von etwa 10% bis 75% der Strecke in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Druckfläche vorhanden. Obwohl die gemittelte Temperatur der Verbrennungsgase möglicherweise deutlich innerhalb der Betriebsgrenzen des Strömungsprofils ist, kann der Wärmeübertrag in die Laufschaufel in der stark wärmebelasteten Zone lokale mechanische Schädigung und Oxidation und beschleunigte Korrosion verursachen.
Die Laufschaufel hat ein primäres Kühlsystem 42, welches eine oder mehrere radial verlaufende Mittelpassagen 44, 46a, 46b, 46c und 48 aufweist, die minde stens teilweise durch die Umfangswand 16 begrenzt sind. In der Nähe der Vorderkante des Strömungsprofils ist die Zuführpassage 44 in Verbindung mit dem Aufprallhohlraum 52 durch eine Reihe von radial verteilten Aufprallöffnungen 54. Eine Anordnung von "Duschkopf"-Öffnungen 56 geht von dem Aufprallhohlraum zu der Strömungsprofiloberfläche 28 in der Nähe der Vorderkante des Strömungsprofils. Kühlmittel C_LE strömt radial durch die Zuführpassage und durch den Aufprallhohlraum nach außen, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und ein Teil des Kühlmittels strömt durch die Aufprallöffnungen 54 und trifft auf die vorderste Oberfläche 58 des Aufprallhohlraums, um der Oberfläche 58 eine Aufprallkühlung zu verschaffen. Das Kühlmittel strömt dann durch die Duschkopföffnungen und wird als ein thermischer Schutzfilm über die Vorderkante des Strömungsprofils abgegeben. Die Querschnittsfläche A der Zuführpassage nimmt mit zunehmendem Radius (d.h. von der Wurzel zu der Spitze) ab, so dass die Reynoldssche Zahl des Kühlmittelstroms hoch genug bleibt, um einen guten Wärmeübertrag beizubehalten trotz der Abgabe von Kühlmittel durch die Duschkopföffnungen.
Profilsehnenmitte-Mittelpassagen 46a, 46b und 46c kühlen den Profilsehnenmittenbereich des Strömungsprofils. Die Passage 46a, die durch eine radial verlaufende Rippe 62 geteilt ist, und die in Profilsehnenrichtung benachbarte Passage 46b sind durch eine Kehre 64 an deren radial äußersten Extrembereichen verbunden. In Profilsehnenrichtung benachbarte Passagen 46b und 46c sind ähnlich an deren radial innersten Extrembereich mit einer Kehre 66 verbunden. Somit ist jede der Mittelpassagen 46a, 46b und 46c ein Abschnitt einer gewundenen Passage 68. Überlegt ausgerichtete Kühlöffnungen 72 sind entlang der Länge der gewundenen Passage angeordnet, wobei jede Öffnung von der gewundenen Passage zu der Außenoberfläche des Strömungsprofils geht. Kühlmittel C_MC strömt durch die gewundene Passage, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen und wird durch die Kühlöffnungen abgegeben, um dem Strömungsprofil eine Transpirationskühlung zu verschaffen. Das abgegebene Kühlmittel bildet auch einen thermischen Schutzfilm über der Druckfläche und der Sogfläche 32, 34. Ein Teil des Kühlmittels, welches den äußersten Extrembereich der Passage 46a erreicht, wird durch eine in Profilsehnenrichtung verlaufende Spitzenpassage 74 abgegeben, welche das Kühlmittel aus der Hinterkante des Strömungsprofils führt.
Die Hinterkantenzuführpassage 48 ist von Hinterkantenkühlelementen in Profilsehnenrichtung begrenzt, welche Rippen 76, 78, die jeweils von einer Reihe von Öffnungen 82 durchbrochen sind, eine Matrix von Pfosten 83, die von Abständen 84 getrennt sind, und eine Anordnung von Sockeln 85, die eine Reihe von Schlitzen 86 definieren, aufweisen. Kühlmittel C_TE strömt radial in die Zuführpassage und in Profilsehnenrichtung durch die Öffnungen, Räume und Schlitze, um konvektiv den Hinterkantenbereich zu kühlen.
Ein Hilfskühlsystem 92 weist eine oder mehrere radial kontinuierliche Leitungen 94a bis 94 (die gemeinsam mit 94 bezeichnet sind) auf, die im Wesentlichen parallel zu den Mittelpassagen sind und sich radial gemeinsam mit diesen erstrecken. Jede Leitung weist eine Reihe von radial beabstandeten Filmkühlöffnungen 96 und eine Reihe von Austrittsablässen 98 auf. Die Leitungen sind in der Umfangswand 16 lateral zwischen den Mittelpassagen und der Außenoberfläche 28 des Strömungsprofils angeordnet und sind in der Zone hoher Wärmebelastung, d.h. in den Teilzonen 104, 106, die sich jeweils von etwa 0% bis 20% der Strecke in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Sogoberfläche 34 bzw. von etwa 10% bis 75% von der Strecke in Profilsehnenrichtung von der Vorderkante zu der Hinterkante entlang der Druckoberfläche 32 erstrecken, positioniert. Kühlmittel C_PS, C_SS strömt durch die Leitungen und fördert so mehr Wärmeübertrag von der Umfangswand, als das alleine mit den Mittelpassagen möglich wäre. Ein Teil des Kühlmittels wird in den Strömungsweg mittels der Filmkühlöffnungen 96 abgegeben, um dem Strömungsprofil eine Transpirationskühlung zu verschaffen, und bildet einen thermischen Schutzfilm entlang der Außenoberfläche 28. Kühlmittel, welches das Ende einer Leitung erreicht, wird in den Strömungsweg durch die Austrittsablässe 98 abgegeben.
Die Leitungen 94 erstrecken sich in Profilsehnenrichtung im Wesentlichen gemeinsam mit mindestens einer der Mittelpassagen, so dass Kühlmittel C_PS und C_SS Wärme von der Umfangswand 16 absorbiert und so thermisch das Kühlmittel in der in Profilsehnenrichtung sich gemeinsam erstreckenden Mittelpassagen thermisch abschirmt oder isoliert. In der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Leitungen 94d bis 94h entlang der Druckfläche 32 in Profilsehnenrichtung gemeinsam sowohl mit der Hinterkantenzuführpassage 48 als auch mit den Abschnitten 46a und 46b der gewundenen Passage 68. Die gemeinsame Erstreckung in Profilsehnenrichtung zwischen den Leitungen und der Hinterkantenzuführpassage trägt dazu bei, den Wärmeübertrag in das Kühlmittel C_TE in der Zuführpassage 48 zu verringern. Das wiederum bewahrt die Wärmeabsorptionsfähigkeit von Kühlmittel C_TE und verstärkt so seine Fähigkeit, den Hinterkantenbereich konvektiv zu kühlen, wenn es durch die Öffnungen 82, die Räume 84 und die Schlitze 86 strömt. Ähnlich trägt das gemeinsame Erstrecken in Profilsehnenrichtung zwischen den Leitungen und den Abschnitten 46a, 46b der gewundenen Passage 68 dazu bei, den Temperaturanstieg des Kühlmittels C_MC während der langen Verweilzeit des Kühlmittels in der gewundenen Passage zu minimieren. In der Folge behält das Kühlmittel C_MC seine Effektivität als ein Wärmeübertragmedium bei und ist besser in der Lage, das Strömungsprofil zu kühlen, wenn es durch den gewundenen Abschnitt 46c und die Spitzenpassage 74 strömt. Folglich werden die Vorteile der langen Verweilzeit nicht durch einen übermäßigen Kühlmitteltemperaturanstieg beim Fortschreiten des Kühlmittels durch die gewundene Passage verbraucht.
Die Hilfsleitungen sind in Profilsehnenrichtung über im Wesentlichen die gesamte Länge, L_S + L_P, der stark wärmebelasteten Zone verteilt, mit der Ausnahme des schmalen Bereichs der Teilzone 104, die von dem Aufprallhohlraum 52 und den Duschkopföffnungen 56 besetzt ist, und einen schmalen Bereich der Teilzone 106 in der Nähe des Abschnitts 46c der gewundenen Passage. Jedoch können die Leitungen über weniger als die gesamte Länge der stark wärmebelasteten Zone verteilt sein. Beispielsweise können Hilfsleitungen über im Wesentlichen die gesamte Länge L_S der Sogoberflächen-Teilzone 104 verteilt sein, können aber in der Teilzone 106 der Druckfläche fehlen. Umgekehrt können Leitungen über im Wesentlichen die gesamte Länge L_P der Teilzone 106 der Druckoberfläche verteilt sein, können aber in der Teilzone 104 der Sogfläche fehlen. Außerdem können Leitungen über lediglich einen Teil von einer von beiden der Teilzonen verteilt sein. Der Umgang, in dem die Leitungen des Hilfskühlsystems vorhanden sind oder fehlen, ist durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, einschließlich der örtlichen Intensität der Wärmebelastung und davon, wie sehr es erwünscht ist, den Anstieg der Kühlmitteltemperatur in einer oder mehreren der Mittelpassagen abzuschwächen. Außerdem ist es empfehlenswert, den Wunsch nach den Leitungen gegen zusätzlichen Herstellungsaufwand abzuwägen, der sich aus deren Vorhandensein ergibt.
Es wird hauptsächlich auf 1A Bezug genommen. Jede Hilfsleitung 94 hat eine laterale Abmessung H und eine Profilsehnenrichtungsabmessung B und ist von einer Umfangsoberfläche 108 begrenzt, von der ein Teil 112 in der Nähe der Außenoberfläche 28 ist. Die Profilsehnenabmessung überschreitet die laterale Abmessung, so dass sich die Kühlvorteile einer jeden individuellen Leitung in Profilsehnenrichtung so weit wie möglich erstrecken. Die Abmessung in Profilsehnenrichtung ist jedoch beschränkt, weil jede Leitung die Umfangswand in einen relativ kühlen inneren Bereich 16a und einen relativ heißen äußeren Bereich 16b teilt. Wenn eine Profilsehnenrichtungsabmessung zu lang ist, kann der Temperaturunterschied zwischen den zwei Wandbereichen 16a, 16b thermisch induzierte Rissbildung des Strömungsprofils verursachen. Deshalb ist die Profilsehnenrichtungsabmessung einer jeden Leitung auf nicht mehr als etwa zweieinhalb bis drei Mal der lateralen Strecke D von der nächsten Umfangsoberfläche 112 zu der Außenoberfläche 28 begrenzt. Benachbarte Leitungen, so wie die in der gezeigten Ausführungsform, sind durch radial verlaufende Rip pen 114 getrennt, so dass der Abstand I zwischen den Leitungen mindestens etwa gleich dem lateralen Abstand D ist. Die Rippen zwischen den Leitungen stellen einen ausreichenden Wärmeübertrag von dem Wandbereich 16a auf den Wandbereich 16d sicher, um die Temperaturdifferenz abzuschwächen und das Risiko einer Rissbildung zu minimieren.
Jede Rippe 114 zwischen Leitungen ist entlang ihrer radialen Länge unterbrochen, so dass Kühlmittel durch Zwischenräume 124 strömen kann, um jegliches Hindernis oder jegliche Einschränkung, die in einer Leitung vorhanden sein kann, zu umströmen. Hindernisse und Einschränkungen können sich aus Herstellungsungenauigkeiten ergeben oder können in der Form von Teilchen sein, die von dem Kühlmittel mitgeführt werden und sich in einer Leitung ablagern.
Eine Anordnung von Stolperstreifen 116 (von denen in den 3 und 4 lediglich ein paar gezeigt sind, um die Klarheit der Darstellungen zu erhalten) ragt lateral von der nahen Oberfläche 112 einer jeden Leitung weg. Weil die Lateralabmessung H der Leitung zu der Lateralabmessung der Mittelpassagen relativ klein ist, können die Leitungs-Stolperstreifen proportional größer als die Stolperstreifen 116 sein, die in den Mittelpassagen verwendet werden, ohne übermäßig zu dem Gewicht des Strömungsprofils beizutragen. Die Lateralabmessung oder Höhe H_TS der Leitungs-Stolperstreifen überschreitet 20% der Lateralabmessung H der Leitung und beträgt vorzugsweise etwa 50% der Lateralabmessung der Leitung. Die Stolperstreifen sind so verteilt, dass der radiale Abstand s_ts (4) zwischen benachbarten Stolperstreifen zwischen fünf und zehn Mal der Lateralabmessung (z.B. H_TS) der Stolperstreifen ist und vorzugsweise zwischen fünf und sieben Mal der Lateralabmessung. Diese Stolperstreifendichte maximiert die Wärmeübertrageffizienz der Stolperstreifenanordnung, ohne dem Kühlmittelstrom einen übermäßigen Druckverlust aufzuerlegen.
Das Strömungsprofil kann auch einen Satz von radial verteilten Kühlmittelnachführpassagen 122 aufweisen, die jeweils von einer Mittelpassage (z.B. Passage 44, 46a und 48) zu dem Hilfskühlsystem geht. Kühlmittel von der Mittelpassage strömt durch die Passagen 122, um Kühlmittel zu ersetzen, welches aus den Leitungen durch die vielen Kühlöffnungen 96 abgegeben wurde. Die Nachführpassagen sind zwischen etwa 15% und 40% der Erstreckung S des Strömungsprofils (d.h. dem radialen Abstand von der Wurzel zu der Spitze) positioniert, sie können jedoch entlang im Wesentlichen der gesamten Erstreckung verteilt sein, falls das erforderlich ist. Die Anzahl und die Verteilung der Nachführpassagen hängt zum Teil von der Stärke des Druckverlustes ab, den das Kühlmittel erfährt, welches radial durch die Leitung oder die Leitungen fließt, denen nachgeführt werden soll. Wenn der Leitung ein hoher Druckverlust auferlegt ist, wird ein überproportional großer Bruchteil des Kühlmittels durch die Filmkühlöffnungen abgegeben, statt radial nach außen durch die Leitung zu strömen. In der Folge wird eine große Anzahl von Passagen erforderlich sein, um das abgegebene Kühlmittel zu ersetzen. Es ist jedoch unerwünscht, zu viele Passagen zu haben, da in eine Leitung mittels der Nachführpassagen eingebrachtes Kühlmittel Kühlmittel ableitet, welches bereits durch die Leitung strömt und dieses Kühlmittel fördert, durch Filmkühlöffnungen strömungsaufwärts (d.h. radial nach innen) der Passage abgegeben zu werden. Wenn das abgeleitete Kühlmittel immer noch eine signifikante Menge an ungenutzter Wärmeabsorptionsfähigkeit hat, wird das Kühlmittel ineffizient verwendet, und die Maschineneffizienz ist unnötig verschlechtert.
Die Nachführpassagen 122 sind mit den Zwischenräumen 124 ausgerichtet, die entlang den Rippen 114 zwischen den Leitungen verteilt sind und nicht mit den Leitungen selbst. Diese Ausrichtung ist vorteilhaft, da das Ersatzkühlmittel von der Passage in der Form eines Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahls abgegeben wird. Der Fluidstrahl könnte, wenn er direkt in eine Leitung abgegeben würde, die radiale Strömung des Kühlmittels durch die Leitung behindern und so die Effizienz des Wärmeübertrags in das Kühlmittel beeinträchtigen.
Während des Maschinenbetriebs strömt Kühlmittel in und durch die Mittelpassagen und die Hilfsleitungen, wie vorangehend beschrieben, um die Umfangswand 16 der Laufschaufel zu kühlen. Weil die Leitungen ausschließlich in der stark wärmebelasteten Zone sind und nicht unbeschränkt über den gesamten Umfang des Strömungsprofils verteilt sind, kann der Vorteil der Leitungen dorthin konzentriert werden, wo immer eine Nachfrage nach aggressivem Wärmeübertrag am stärksten ist. Eine unterschiedliche Verteilung der Leitungen erleichtert auch ein selektives Abschirmen von Kühlmittel in den Mittelpassagen und bewahrt so die Wärmeabsorptionsfähigkeit des Kühlmittels zur Verwendung in anderen Teilen des Kühlkreises. Eine solche sparende Verwendung der Leitungen trägt auch dazu bei, die Herstellungskosten zu minimieren, da ein Strömungsprofil mit den kleinen Hilfsleitungen kostenaufwändiger herzustellen ist als ein Strömungsprofil mit lediglich den viel größeren Mittelpassagen. Die kleine Größe der Leitungen erlaubt auch die Verwendung von Stolperstreifen, deren Höhe im Verhältnis zu der Lateralabmessung der Leitung ausreichend ist, einen exzellenten Wärmeübertrag zu fördern.
Die Kühlleitungen schwächen auch das Problem der verringerten Reynoldsschen Zahl des Kühlmittelstroms infolge der Abgabe von Kühlmittel entlang der Länge einer Mittelpassage ab. Beispielsweise erlaubt die Anwesenheit von Sogflächenleitungen 94a, 94b, 94c, dass die Dicke t der Umfangswand (1) zwischen der Vorderkantenzuführpassage 44 und der Strömungsprofilsogfläche 34 größer ist als die korrespondierende Dicke bei einem Strömungsprofil des Stands der Technik. In der Folge ist die radiale Verringerung beim Stömungsquerschnitt A der Vorderkantenzuführpassage 44 proportional größer bei dem vorliegenden Strömungsprofil als bei einem ähnlichen Vorderkantenzuführkanal bei einem Strömungsprofil des Stands der Technik. Folglich kann eine hohe Reynoldssche Zahl des Kühlmittelstroms und können korrespondierend hohe Wärmeübertragsraten entlang der gesamten Länge der Passage 44 trotz der Abgabe von Kühlmittel durch Duschkopföffnungen 56 und Filmkühlöffnungen 96 realisiert werden. Außerdem kompensieren die Sogflächenleitungen 94a, 94b, 94c jeglichen Verlust von Wärmeübertrag von der Umfangswand, der der erhöhten Dicke t zuweisbar ist.
Das Vorsehen von Hilfskühlpassagen trägt auch dazu bei, dem beeinträchtigten Wärmeübertrag entgegenzuwirken, der sich aus den Rotationseffekten bei Turbinenlaufschaufeln ergibt. Während des Maschinenbetriebs rotiert eine Laufschaufel mit einem Strömungsprofil, wie in 1 gezeigt, in einer Richtung R um die Mittellinie 38 der Maschine. Radial nach außen, beispielsweise durch die Vorderkantenzuführpassage 44, strömendes Kühlmittel, wird deshalb tendenziell gegen die vordere Oberfläche 126 gedrängt, während es auch zum Teil von der nachlaufenden Oberfläche 128 weg bewegt wird. Der weg bewegende Einfluss fördert die Entwicklung einer dicken aerodynamischen Grenzschicht und gleichzeitig einen schwachen Wärmeübertrag entlang der nachlaufenden Oberfläche. Die Anwesenheit von Leitungen 94a, 94b, 94c kompensiert diesen negativen Rotationseffekt. Man könnte einen ähnlichen Kompensationseffekt benachbart der Passage bei Profilsehnenmitte und der Hinterkantenpassage 46a, 46b, 46c und 48 erhalten, falls das erwünscht ist. Jedoch ist das Kühlmittel in diesen Passagen einer niedrigeren Wärmebelastung als das Kühlmittel der Passage 44 ausgesetzt und ist adäquat durch den Kühlfilm geschützt, der durch die Filmkühlöffnungen 72 abgegeben wird.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne von der Erfindung, wie sie in den begleitenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen. Beispielsweise umfasst die Erfindung auch ein Strömungsprofil mit unabhängigen oder im Wesentlichen unabhängigen Mittelpassagen bei Profilsehnenmitte, obwohl die Mittelpassagen bei Profilsehnenmitte als miteinander verbunden zur Ausbildung einer gewundenen Passage gezeigt sind. Außerdem wurden individuelle Bezeichnungen dem Kühlmittel zugewiesen, welches den Passagen und den Leitungen zugeführt wird, da jede Passage und jede Leitung von ihrer eigenen zugeordneten Kühlmittelquelle versorgt werden kann. Jedoch kann in der Praxis eine gemeinsame Kühlmittelquelle verwendet werden, um mehr als eine der oder sogar alle Passagen und Leitungen mit Kühlmittel zu versorgen. Eine gemeinsame Kühlmittelquelle für alle Passagen und Leitungen ist tatsächlich als die bevorzugte Ausführungsform ins Auge gefasst.
Mindestens die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind insofern vorteilhaft, als sie andauerndem Betrieb bei erhöhten Temperaturen aushalten können, ohne wärmeinduzierte Beschädigung zu erleiden oder übermäßige Mengen an Kühlmittel zu verbrauchen. Insbesondere sind die bevorzugten Ausführungsformen des Strömungsprofils zur Verwendung in einer Umgebung geeignet, wo die Temperaturverteilung über die Außenoberfläche des Strömungsprofils räumlich ungleichförmig ist. Außerdem beinhalten spezielle Vorteile der bevorzugten Ausführungsformem eine verringerte Anfälligkeit des Strömungsprofils für den Verlust an Kühlmitteleffizienz, die üblicherweise von Faktoren herrührt, wie die lange Kühlmittelverweilzeit, die fortschreitend abnehmende Reynoldssche Zahl des Kühlmittelstroms und die negativen Rotationseffekte.
Man erkennt somit, dass die Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen ein kühlbares Strömungsprofil für eine Turbinen-Laufschaufel oder -leitschaufel, welches ein Minimum an Kühlmittel benötigt, dennoch fähig für langdauernden Betrieb bei hohen Temperaturen ist, ein kühlbares Strömungsprofil, dessen Wärmeübertragelemente an die Temperaturverteilung über die Strömungsprofiloberfläche maßgeschneidert sind, ein kühlbares Strömungsprofil, welches die Wärmeabsorptionsvorteile einer gewundenen Kühlpassage genießt, ohne den übermäßigen Kühlmitteltemperaturanstieg zu erfahren, ein kühlbares Strömungsprofil, dessen Kühlmittelpassagen eine abnehmende Querschnittsfläche haben, um eine hohe Reynoldssche Zahl des Kühlmittelstroms beizubehalten, aber ohne den Wärmeübertrag infolge des erhöhten Abstands zwischen dem Umfang der Passage und der Strömungsprofi loberfläche zu behindern, und ein kühlbares Strömungsprofil mit Elementen, die lokal beeinträchtigten Wärmeübertrag kompensieren, der sich aus Rotationseffekten ergibt, bereitstellt.

Claims

Kühlbares Strömungsprofil (12), aufweisend: eine Umfangswand (16) mit einer Außenoberfläche (28), die eine Sogfläche (34) und eine Druckfläche (32) aufweist, die lateral von der Sogfläche (34) beabstandet ist, wobei sich die Oberflächen in Profilsehnenrichtung von einer Vorderkante (24) zu einer Hinterkante (26) und radial von einer Strömungsprofilwurzel (18) zu einer Strömungsprofilspitze (22) erstrecken, ein primäres Kühlsystem (42), aufweisend mindestens eine radial verlaufende Mittelpassage (44, 46a, 46b, 46c, 48), die zumindest zum Teil von der Umfangswand (16) begrenzt ist, und gekennzeichnet durch ein Hilfskühlsystem (92), aufweisend mindestens eine Kühlleitung (94), im Wesentlichen parallel zu der Mittelpassage und radial sich im Wesentlichen gemeinsam mit dieser erstreckend, wobei die Leitung in der Wand zwischen der Mittelpassage und der Außenoberfläche angeordnet ist, wobei die Leitung eine Profilsehnenabmessung (C) und eine Lateralabmessung (H) hat, wobei die Profilsehnenabmessung (C) nicht größer ist als etwa drei Mal der Abstand von der Leitung (94) zu der Außenoberfläche (28).
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei in Profilsehnenrichtung benachbarte Kühlleitungen (94) von einer radial verlaufenden Rippe (114) getrennt sind, die von einem oder mehreren Zwischenräumen (124) unterbrochen ist.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 2, aufweisend eine oder mehrere radial verlaufende Nachführpassagen (122), welche sich von einer Mittelpassage zu dem Hilfskühlsystem (92) erstrecken, wobei die Passagen (122) mit den Zwischenräumen (124) ausgerichtet sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Leitung eine Lateralabmessung (H) und eine Profilsehnenabmessung (C) hat, welche größer ist als die Lateralabmessung (H).
Kühlbares Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitungen jeweils eine Lateralabmessung (H) und eine Profilsehnenabmessung (C) haben und von einer Umfangsoberfläche (108) begrenzt sind, wobei ein Teil der Umfangsoberfläche (112) in der Nähe der Außenoberfläche (28) ist, wobei der Nahe-Bereich (112) eine Anordnung von Stolperstreifen (116) aufweist, die davon lateral weg ragen, wobei die Stolperstreifen (116) eine Höhe (H_TS) haben, die etwa 20% der Lateralabmessung (H) der Leitung überschreitet und vorzugsweise etwa 50% der Lateralabmessung (H) der Leitung ist.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 5, wobei die Stolperstreifen (116) einen Radialabstand (s_ts) beabstandet sind und das Verhältnis des Radialabstands (s_ts) zu der Stolperstreifenhöhe (H_TS) zwischen etwa fünf und zehn ist und vorzugsweise zwischen etwa fünf und sieben ist.