DE69838015T2

DE69838015T2 - Schaufelkühlung

Info

Publication number: DE69838015T2
Application number: DE69838015T
Authority: DE
Inventors: David A. Middletown Krause; Friedrich O. Tequesta Soechting; Dominic J. Jr. New Britian Mongillo; 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: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: EP0896127A2; EP1420142B1; DE69832116T2; EP1420142A1; US5931638A; DE69832116D1; EP0896127A3; EP0896127B1; EP1420143A1; JP4128662B2; DE69838015D1; DE69836156T2; EP1420143B1; JPH11107702A; DE69836156D1

Description

Diese Erfindung betrifft kühlbare Turbomaschinenkomponenten und insbesondere ein kühlbares Strömungsprofil für eine Gasturbinenmaschine.
Die in dem Turbinenbereich einer Gasturbinenmaschine benutzten Laufschaufeln und Leitschaufeln haben jeweils einen Strömungsprofilbereich, der sich radial quer durch einen Maschinenströmungspfad erstreckt. Während Maschinenbetriebs sind die Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln erhöhten Temperaturen ausgesetzt, die zu mechanischem Versagen und Korrosion führen können. Deshalb ist es gebräuchliche Praxis, die Laufschaufeln und Leitschaufeln aus einer Temperatur-toleranten Legierung herzustellen und korrosionsbeständige und thermisch isolierende Beschichtungen auf das Strömungsprofil und andere dem Strömungspfad ausgesetzte Oberflächen aufzubringen. Es ist auch weit verbreitete Praxis, die Strömungsprofile zu kühlen, indem ein Kühlmittel durch das Innere der Strömungsprofile geströmt wird. Gekühlte Strömungsprofile dieses Typs sind aus US 5 215 431 (Derrien) und US 5 405 242 (Auxier et al.) bekannt.
Ein wohlbekannter Typ einer internen Kühlanordnung für ein Strömungsprofil verwendet drei Kühlkreisläufe. Ein Kreislauf für die vordere Kante enthält einen sich radial erstreckenden Prallhohlraum, der mit einem Zuführkanal durch eine Reihe von radial verteilten Pralllöchern verbunden ist. Eine Anordnung von "Duschkopf"-Lochern erstreckt sich von dem Prallhohlraum zu der Strömungsprofiloberfläche in der Nähe der vorderen Kante des Strömungsprofils. Kühlmittel strömt radial nach außen durch den Zuführkanal, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und ein Teil des Kühlmittels strömt durch die Pralllöcher und prallt gegen die vorderste Fläche des Prallhohlraums. Das Kühlmittel strömt dann durch die Duschkopflöcher und wird über die vordere Kante des Strömungsprofils abgegeben, um einen thermisch schützenden Film zu bilden. Ein Kühlkreislauf im mittleren Bereich (von vorn nach hinten) des Profils weist typischerweise eine Serpentinenpassage auf, die zwei oder mehr profilsehnenmäßig benachbarte Abschnitte hat, die durch eine Biegung an dem radial in nersten oder radial äußersten Enden der Abschnitte verbunden sind. Eine Reihe von vernünftig ausgerichteten Kühllöchern ist entlang der Länge der Serpentine verteilt, wobei sich jedes Loch von der Serpentine zu der äußeren Oberfläche des Strömungsprofils erstreckt. Kühlmittel strömt durch die Serpentine, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und wird durch die Kühllöcher abgegeben, um für Transpirationskühlung zu sorgen. Wegen der Lochausrichtung bildet das abgegebene Kühlmittel auch einen thermisch schützenden Film über der Strömungsprofiloberfläche. Kühlmittel kann von der Serpentine auch durch eine Öffnung an der Laufschaufelspitze und durch eine sich profilsehnenmäßig erstreckende Spitzenpassage abgegeben werden, die das Kühlmittel aus der hinteren Kante des Strömungsprofils führt. Ein Kühlkreislauf für die hintere Kante enthält eine sich radial erstreckende Zuführpassage, ein Paar von sich radial erstreckenden Rippen und eine Reihe von radial verteilten Sockeln. Kühlmittel strömt radial in die Zuführpassage und dann profilsehnenmäßig durch Öffnungen in den Rippen und durch Schlitze zwischen den Sockeln, um den Bereich der hinteren Kante des Strömungsprofils konvektiv zu kühlen.
Jede der oben beschriebenen internen Passagen (der Zuführkanal für die vordere Kante, die Serpentinenpassage im mittleren Bereich des Profils, die Spitzenpassage und die Zuführpassage für die hintere Kante) enthält normalerweise eine Reihe von als Stolperstreifen bezeichneten Turbulenzerzeugern. Die Stolperstreifen erstrecken sich lateral in jede Passage, sind entlang der Länge der Passage verteilt und haben typischerweise eine Höhe von nicht mehr als ungefähr 10% der lateralen Abmessung der Passage. Von den Stolperstreifen eingeführte Turbulenz verbessert konvektiven Wärmetransfer auf das Kühlmittel.
Die oben beschriebene Kühlanordnung und Anpassungen davon sind erfolgreich verwendet worden, Turbinenströmungsprofile vor mit Temperatur zusammenhängender Gefahr zu schützen. Da Maschinenentwickler jedoch das Potential fordern, bei immer höheren Temperaturen zu operieren, um Maschinenleistungsfähigkeit zu maximieren, stellen sich traditionelle Kühlanordnungen als nicht adäquat heraus.
Eine Schwäche eines konventionell gekühlten Strömungsprofils ist, dass es möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet ist, in denen die Betriebstemperaturen über nur einen Bereich der Oberfläche des Strömungsprofils übermäßig sind, obwohl sie im Durchschnitt tolerierbar sind. Örtlich übermäßige Temperaturen können die mechanischen Eigenschaften des Strömungsprofils herabsetzen und erhöhen seine Anfälligkeit für Oxidation und Korrosion. Außerdem können extreme Temperaturgradienten um die Peripherie eines Strömungsprofils herum zu Rissbildung und nachfolgendem mechanischen Versagen führen.
Eine weitere Schwäche steht in Zusammenhang mit der Serpentinenpassage. Eine Serpentinenpassage durchläuft mehrmals das Strömungsprofilinnere. Dementsprechend braucht Kühlmittel mehr Zeit, eine Serpentine zu durchlaufen als eine einfachen radiale Passage zu durchlaufen. Diese erhöhte Verweildauer des Kühlmittels wird normalerweise als vorteilhaft angesehen, da sie der Wärme ausgedehnt Gelegenheit gibt, von dem Strömungsprofil auf das Kühlmittel transferiert zu werden. Die erhöhte Verweildauer und einher gehender Wärmetransfer erhöhen jedoch auch die Temperatur des Kühlmittels wesentlich, wenn sich das Kühlmittel durch die Serpentinen fortbewegt, wodurch die Effektivität des Kühlmittels als eine Wärmesenke fortschreitend vermindert wird. Wenn die Maschinenbetriebstemperaturen hoch genug sind, kann die verminderte Kühlmitteleffektivität die Vorteile der langen Kühlmittelverweildauer aufheben.
Eine dritte Schwäche steht in Zusammenhang damit, dass es wünschenswert ist, eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, und damit eine hohe Reynolds-Zahl, in internen, mit einer Reihe von Kühlmittelabgabelöchern perforierten Kühlpassagen aufrecht zu erhalten. Die kumulative Abgabe von Kühlmittel durch die Löcher wird von einer Reduktion der Geschwindigkeit und der Reynolds-Zahl des Kühlmittelstroms und einer entsprechenden Reduktion des konvektiven Wärmetransfers auf den Strom begleitet. Die Reduktion der Reynolds-Zahl und der Wärmetransfereffektivität kann abgeschwächt werden, wenn die Querschnittsströmungsfläche der Passage in der Richtung der Kühlmittelströmung fortschreitend kleiner gemacht wird. Eine Reduktion der Passagenströmungsfläche erhöht jedoch auch den Abstand zwischen dem Umfang der Passage und der Strömungsprofiloberfläche, wodurch Wärmetransfer gehemmt wird und möglicherweise jeglicher, der Flächenreduktion zuschreibbarer Vorteil neutralisiert wird.
Eine vierte Schwäche betrifft die Strömungsprofile von Laufschaufeln, aber nicht jene von Leitschaufeln. Laufschaufeln erstrecken sich radial nach außen von einer drehbaren Turbinennabe und drehen sich, im Gegensatz zu Leitschaufeln, um die mittige Längslinie der Maschine während Maschinenbetriebs. Die Drehbewegung der Laufschaufel drängt das durch irgendeine der sich radial erstreckenden Passagen strömende Kühlmittel dazu, sich an einer der Oberflächen (der vorauseilenden Oberfläche), die die Passage abgrenzt, anzusammeln. Dies resultiert in einer dünnen Grenzschicht, die guten Wärmetransfer begünstigt. Dieser Rotationseffekt bewirkt jedoch auch, dass das Kühlmittel teilweise von der lateral gegenüberliegenden Passagenoberfläche (der nachlaufenden Oberfläche) getrennt wird, was in einer entsprechend dicken Grenzschicht resultiert, die effektiven Wärmetransfer beeinträchtigt. Unglücklicherweise kann die nachlaufende Passagenoberfläche nahe an einem Bereich des Strömungsprofils sein, das den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist und deshalb den wirksamsten Wärmetransfer benötigt.
Es kann möglich sein, die Wärmetransfereffektivität in einem konventionellen Strömungsprofil durch Bereitstellen einer größeren Menge von Kühlmittel oder durch Verwenden von Kühlmittel mit einer geringeren Temperatur zu vergrößern. In eine Gasturbinenmaschine ist das einzige vernünftigerweise verfügbare Kühlmittel verdichtete Luft, die von den Maschinenverdichtern entnommen wird. Da die Ableitung von verdichteter Luft von den Verdichtern Maschineneffizienz und Wirtschaftlichkeit des Treibstoffverbrauchs herabsetzt, ist Entnahme von zusätzlicher verdichteter Luft zum Kompensieren von ineffektivem Strömungsprofilwärmetransfer nicht wünschenswert. Die Verwendung von Luft niedrigerer Temperatur ist normalerweise nicht machbar, da der Druck der Luft niedrigerer Temperatur ungenügend ist, positive Kühlmittelströmung durch die Passagen des Turbinenströmungsprofils sicherzustellen.
Verbesserter Wärmetransfer kann auch durch Verwenden von Stolperstreifen realisiert werden, deren Höhe größer als 10% der lateralen Abmessung der Passage ist. Dieser Ansatz ist jedoch für rotierende Laufschaufeln nicht attraktiv, da die Stolperstreifen zahlreich sind und das Gesamtgewicht, das sich aus der Verwendung von vergrößerten Stolperstreifen ergibt, die der Turbinennabe aufgebürdeten Rotationsbeanspruchungen in unakzeptabler Weise verstärkt.
Es wäre wünschenswert, ein kühlbares Strömungsprofil mit einem Hilfskühlsystem bereitzustellen, das ein primäres Kühlsystem durch Absorbieren von übermäßiger Wärme ergänzt.
In einem breiten Aspekt stellt die Erfindung ein kühlbares Strömungsprofil bereit, das eine periphere Wand aufweist, die eine äußere Oberfläche hat, welche aus einer Sogfläche und einer Druckfläche mit lateralem Abstand von der Sogfläche besteht, wobei sich die Flächen profilsehnenmäßig bzw. von vorn nach hinten längs des Strömungsprofils von einer vorderen Kante zu einer hinteren Kante und radial von einer Strömungsprofilwurzel zu einer Strömungsprofilspitze erstrecken; das ein primäres Kühlsystem aufweist, welches mindestens eine sich radial erstreckende mittlere Passage aufweist, die mindestens teilweise von der peripheren Wand begrenzt ist; und das ein Hilfskühlsystem aufweist, welches mindestens einen Kühlkanal aufweist, der im Wesentlichen parallel zu der mittleren Passage und radial im Wesentlichen gleich dimensioniert wie die mittlere Passage ist, wobei der Kanal in der Wand zwischen der mittleren Passage und der äußeren Oberfläche vorgesehen ist und profilsehnenmäßig bzw. von vorn nach hinten längs des Strömungsprofils in einer Zone großer Wärmelast platziert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das primäre Kühlsystem eine Anordnung von mittleren Passagen, von denen mindestens zwei verbunden sind, um eine Serpentinenpassage auszubilden, und die Hilfskanäle sind profilsehnenmäßig gleich dimensioniert wie mindestens eine der mittleren Passagen, um durch die mittlere Passage strömendes Kühlmittel thermisch zu isolieren.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die profilsehnenmäßige Abmessung der Hilfskanäle nicht mehr als ein vorbestimmtes Vielfaches des Abstands von den Kanälen zu der äußeren Oberfläche des Strömungsprofils, so dass aus dem Vorhandensein der Kanäle entstehende thermische Beanspruchungen minimiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Hilfskühlsystem mindestens zwei Hilfskanäle mit einer sich radial erstreckenden unterbrochenen Rippe auf, die profilsehnenmäßig benachbarte Kanäle trennt.
In eineranderen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich eine Anordnung von Stolperstreifen lateral von einem Bereich der Umfangsfläche der Kanäle zu einer Höhe, die ungefähr 20% der lateralen Abmessung des Kanals übersteigt und bevorzugt ungefähr 50% der lateralen Abmessung des Kanals beträgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines kühlbaren Strömungsprofils ist, das ein primäres Kühlsystem und ein sekundäres Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung hat;
1A eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Bereichs des in 1 gezeigten Strömungsprofils ist;
2 eine im Wesentlichen in der Richtung 2-2 von 1 vorgenommene Ansicht ist, die eine Reihe von mittleren Kühlmittelpassagen zeigt, die das primäre Kühlsystem aufweisen;
3 eine im Wesentlichen in der Richtung 3-3 von 1 vorgenommene Ansicht ist, die eine Reihe von Kühlkanälen zeigt, die das sekundäre Kühlsystem entlang der konvexen Seite des Strömungsprofils aufweisen;
4 eine im Wesentlichen in der Richtung 4-4 von 1 vorgenommene Ansicht ist, die eine Reihe von Kühlkanälen zeigt, die das sekundäre Kühlsystem entlang der konkaven Seite des Strömungsprofils aufweisen; und
4A eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 4 ist.
Bezug nehmend auf 1 bis 4 hat eine kühlbare Turbinenlaufschaufel 10 für eine Gasturbinenmaschine einen Strömungsprofilbereich 12, der sich radial quer durch einen Maschinenströmungspfad 14 erstreckt. Eine periphere Wand 16 erstreckt sich radial von der Wurzel 18 zu der Spitze 22 des Strömungsprofils 12 und profilsehnenmäßig von einer vorderen Kante 24 zu einer hinteren Kante 26. Die periphere Wand 16 hat eine externe Oberfläche 28, die eine konkave Fläche oder Druckfläche 32 und eine konvexe Fläche oder Sogfläche 34 mit lateralem Abstand von der Druckfläche aufweist. Eine mittlere Biegungslinie (mean camber line – MCL) erstreckt sich profilsehnenmäßig von der vorderen Kante zu der hinteren Kante mittig zwischen der Druck- und Sogfläche.
Die veranschaulichte Laufschaufel ist eine von zahlreichen Laufschaufeln, die radial nach außen von einer drehbaren Turbinennabe (nicht gezeigt) vorragen. Während Maschinenbetriebs strömen heiße Verbrennungsgase 36, die in der Verbrennungskammer der Maschine (auch nicht gezeigt) entstehen, durch den Strömungspfad, wobei sie die Laufschaufeln und die Nabe veranlassen, sich in Richtung R um eine Maschinenlängsachse 38 zu drehen. Die Temperatur dieser Gase ist räumlich uneinheitlich; deshalb ist das Strömungsprofil 12 einer uneinheitlichen Temperaturverteilung über seine äußere Oberfläche 28 ausgesetzt. Zusätzlich verändert sich die Tiefe der aerodynamischen Grenzschicht, die die äußere Oberfläche umhüllt, in der profilsehnenmäßigen Richtung. Da sowohl die Temperaturverteilung als auch die Grenzschichttiefe den Grad von Wärmetransfer von den heißen Gasen auf die Laufschaufel beeinflussen, ist die periphere Wand einer sich sowohl entlang der Druckseite als auch entlang der Sogseite profilsehnenmäßig ändernden Wärmelast ausgesetzt. Insbesondere ist eine Zone großer Wärmelast von ungefähr 0% bis 20% des profilsehnenmäßigen Abstands von der vorderen Kante zu der hinteren Kante entlang der Sogseite und von ungefähr 10% bis 75% des profilsehnenmäßigen Abstands von der vorderen Kante zu der hinteren Kante entlang der Druckseite vorhanden. Obwohl die Durchschnittstemperatur der Verbrennungsgase weit innerhalb der Betriebstauglichkeit des Strömungsprofil liegen kann, kann der Wärmetransfer auf die Laufschaufel in der Zone großer Wärmelast lokale mechanische Gefahr und beschleunigte Oxidation und Korrosion verursachen.
Die Laufschaufel hat ein primäres Kühlsystem 42, das eine oder mehrere sich radial erstreckende mittlere Passagen 44, 46a, 46b, 46c und 48 aufweist, die mindestens zum Teil von der peripheren Wand 16 begrenzt werden. Nahe der vorderen Kante des Strömungsprofils ist Zuführpassage 44 in Verbindung mit Prallhohlraum 52 durch eine Reihe von radial verteilten Pralllöchern 54. Eine Anordnung von "Duschkopf"-Löchern 56 erstreckt sich von dem Prallhohlraum zu der Strömungsprofiloberfläche 28 in der Nähe der vorderen Kante des Strömungsprofils. Kühlmittel C_LE strömt radial nach außen durch die Zuführpassage und durch den Prallhohlraum, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und ein Teil der Kühlmittels strömt durch die Pralllöcher 54 und prallt gegen die vorderste Oberfläche 58 des Prallhohlraums, um die Oberfläche 58 prallzukühlen. Das Kühlmittel strömt dann durch die Duschkopflöcher und wird als ein thermisch schützender Film über die vordere Kante des Strömungsprofils abgegeben. Die Querschnittsfläche A der Zuführpassage verringert sich mit ansteigendem Radius (d.h. von der Wurzel zu der Spitze), so dass die Reynolds-Zahl des Kühlmittelstroms hoch genug bleibt, guten Wärmetransfer trotz der Abgabe von Kühlmittel durch die Duschkopflöcher zu begünstigen.
Mittlere Passagen im mittleren Bereich des Profils 46a, 46b und 46c kühlen den mittleren Bereich des Strömungsprofils. Passage 46a, die durch eine sich radial erstreckende Rippe 62 gegabelt ist, und profilsehnenmäßig benachbarte Passage 46b sind mit einer Biegung 64 an ihren radial äußersten Enden verbunden. Profilsehnenmäßig benachbarte Passagen 46b und 46c sind auf ähnliche Weise an ihren radial innersten Enden mit Biegung 66 verbunden. Dadurch ist jede der mittleren Passagen 46a, 46b und 46c ein Abschnitt einer Serpentinenpassage 68. Vernünftig ausgerichtete Kühllöcher 72 sind entlang der Länge der Serpentine verteilt, wobei sich jedes Loch von der Serpentine zu der äußeren Oberfläche des Strömungsprofils erstreckt. Kühlmittel C_MC strömt durch die Serpentine, um das Strömungsprofil konvektiv zu kühlen, und wird durch die Kühllöcher abgegeben, um das Strömungsprofil transpirationszukühlen. Das abgegebene Kühlmittel bildet auch einen thermisch schützenden Film über der Druck- und der Sogseite 32, 34. Ein Teil des Kühlmittels, das das äußerste Ende von Passage 46a erreicht, wird durch eine sich profilsehnenmäßig erstreckende Spitzenpassage 74 abgegeben, die das Kühlmittel aus der hinteren Kante des Strömungsprofils führt.
Zuführpassage der hinteren Kante 48 ist profilsehnenmäßig von Kühlmerkmalen der hinteren Kante inklusive Rippen 76, 78 begrenzt, wobei jede mit einer Reihe von Öffnungen 82, einer Matrix von von Abständen 84 getrennten Stäben 83 und von einer Anordnung von eine Reihe von Schlitzen 86 bildenden Sockeln 85 perforiert ist. Kühlmittel C_TE strömt radial in die Zuführpassage und profilsehnenmäßig durch die Öffnungen, Abstände und Schlitze, um den Bereich der hinteren Kante konvektiv zu kühlen.
Ein Hilfskühlsystem 92 weist einen oder mehrere radial durchgängige Kanäle, 94a bis 94h (kollektiv mit 94 bezeichnet) auf, die im Wesentlichen parallel zu den mittleren Passagen und radial gleich dimensioniert wie die mittleren Passagen sind. Jeder Kanal weist eine Reihe von radial beabstandeten Filmkühllöchern 96 und eine Reihe von Entlüftungsdurchlässen 98 auf. Die Kanäle sind in der peripheren Wand 16 lateral zwischen den mittleren Passagen und der externen Oberfläche des Strömungsprofils 28 angeordnet und sind profilsehnenmäßig innerhalb der Zone großer Hitzelast positioniert, d.h. innerhalb der Subzonen 104, 106, von denen sich eine von ungefähr 0% bis 20% des profilsehnenmäßigen Abstands von der vorderen Kante zu der hinteren Kante entlang der Sogfläche 34 und eine von ungefähr 10% bis 75% des profilsehnenmäßigen Abstands von der vorderen Kante zu der hinteren Kante entlang der Druckfläche 32 erstreckt. Kühlmittel C_PS, C_SS strömt durch die Kanäle, wodurch mehr Wärmetransfer von der peripheren Wand begünstigt wird als mit den mittleren Passagen alleine möglich wäre. Ein Teil des Kühlmittels wird in den Strömungspfad durch die Filmkühllöcher 96 abgegeben, um das Strömungsprofil transpirationszukühlen und einen thermisch schützenden Film entlang der äußeren Oberfläche 28 herzustellen. Kühlmittel, das das Ende eines Kanals erreicht, entweicht in den Strömungspfad durch Entlüftungsdurchlässe 98.
Die Kanäle 94 sind im Wesentlichen profilsehnenmäßig gleich dimensioniert wie mindestens eine der mittleren Passagen, so dass Kühlmittel C_PS und C_SS Wärme von der peripheren Wand 16 absorbieren und dadurch das Kühlmittel in den profilsehnenmäßig gleich dimensionierten mittleren Passagen thermisch schützen oder isolieren. In der illustrierten Ausführungsform sind Kanäle 94d bis 94h entlang der Druckfläche 32 profilsehnenmäßig gleich dimensioniert wie sowohl die Zuführpassage der hinteren Kante 48 als auch Abschnitte 46a und 46b der Serpentinenpassage 68. Die profilsehnenmäßig gleiche Dimensionierung der Kanäle und der Zuführpassage der hinteren Kante hilft, Wärmetransfer auf Kühlmittel C_TE in der Zuführpassage 48 zu reduzieren. Dies wiederum erhält die Wärmeabsorptionskapazität von Kühlmittel C_TE, wodurch seine Fähigkeit vergrößert wird, den Bereich der hinteren Kante konvektiv zu kühlen, wenn es durch die Öffnungen 82, Abstände 84 und Schlitze 86 strömt. Auf ähnliche Weise hilft die profilsehnenmäßige gleiche Dimensionierung der Kanäle und Abschnitte 46a, 46b der Serpentinenpassage 68, den Temperaturanstieg von Kühlmittel C_MC während der langen Verweildauer des Kühlmittels in der Serpentinenpassage zu minimieren. Demzufolge behält Kühlmittel C_MC seine Effektivität als ein Wärmetransfermedium und ist besser in der Lage, das Strömungsprofil zu kühlen, wenn es durch Serpentinenabschnitt 46c und Spitzenpassage 74 strömt. Folglich werden die Vorteile von langer Kühlmittelverweildauer nicht durch übermäßigen Kühlmitteltemperaturanstieg aufgehoben, wenn sich das Kühlmittel durch die Serpentine fortbewegt.
Die Hilfskanäle sind profilsehnenmäßig über im Wesentlichen die gesamte Länge, L_S + L_P, der Zone großer Hitzelast verteilt, mit Ausnahme des kleinen Bereichs von Subzone 104, der mit dem Prallhohlraum 52 und Duschkopflöchern 56 belegt ist, und eines kleinen Bereichs von Subzone 106 in der Nähe von Serpentinenabschnitt 46c. Die Kanäle können jedoch über weniger als die gesamte Länge der Zone großer Wärmelast verteilt sein. Z.B. können Hilfskanäle über im Wesentlichen die gesamte Länge L_S der Sogflächensubzone 104 verteilt sein, können aber in der Druckflächensubzone 106 nicht vorhanden sein. Umgekehrt können Kanäle über im Wesentlichen die gesamte Länge L_P der Druckflächensubzone 106 verteilt sein, können aber in der Sogflächensubzone 104 nicht vorhanden sein. Außerdem können Kanäle über lediglich einen Bereich von einer von beiden oder von beiden der Subzonen verteilt sein. Das Ausmaß, in dem die Kanäle des Hilfskühlsystems vorhanden oder nicht vorhanden sind, wird von einer Anzahl von Faktoren inklusive der lokalen Intensität der Wärmelast und der Erwünschtheit des Abschwächens des Anstiegs der Kühlmitteltemperatur in einem oder mehreren der mittleren Passagen bestimmt. Zusätzlich ist es ratsam, die Erwünschtheit der Kanäle gegenüber jeglichen zusätzlichen Herstellungskosten abzuwiegen, die aus deren Vorhandensein entstehen.
Primär Bezug nehmend auf 1A hat jeder Hilfskanal 94 eine laterale Abmessung H und eine profilsehnenmäßige Abmessung C und wird von einer Umfangsfläche 108 begrenzt, von der ein Teil 112 nahe an der äußeren Oberfläche 28 ist. Die profilsehnenmäßige Abmessung überschreitet die laterale Abmessung, so dass sich die Kühlvorteile jedes einzelnen Kanals profilsehnenmäßig so weit wie möglich erstrecken. Die profilsehnenmäßige Abmessung ist jedoch eingeschränkt, weil jeder Kanal die periphere Wand in einen relativ kühlen inneren Bereich 16a und einen relativ heißen äußeren Bereich 16b teilt. Wenn eine profilsehnenmäßige Abmessung eines Kanals zu lang ist, kann die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Wandbereichen 16a, 16h thermisch induzierte Rissbildung bei dem Strömungsprofil verursachen. Deshalb ist die profilsehnenmäßige Abmessung jedes Kanals auf nicht mehr als ungefähr 2 1/2 Mal bis 3 Mal den lateralen Abstand D von der nahen Umfangsfläche 112 zu der äußeren Oberfläche 28 begrenzt. Benachbarte Kanäle, so wie jene in der illustrierten Ausführungsform, sind von sich radial erstreckenden Rippen 114 getrennt, so dass der Zwischenkanalabstand I mindestens ungefähr gleich dem lateralen Abstand D ist. Die Zwischenkanalrippen stellen ausreichenden Wärmetransfer von Wandbereich 16a zu Wandbereich 16b sicher, um die Temperaturdifferenz zu vermindern und das Potential für Rissbildung zu minimieren.
Jede Zwischenkanalrippe 114 ist entlang ihrer radialen Länge unterbrochen, so dass Kühlmittel durch Zwischenräume 124 strömen kann, um jegliche Behinderung oder Beschränkung zu umgehen, die in einem Kanal vorhanden sein kann. Behinderungen und Beschränkungen können aus Herstellungsungenauigkeit hervorgehen oder können in der Form von Partikeln auftreten, die von dem Kühlmittel mitgeführt werden und in einem Kanal hängen bleiben.
Eine Anordnung von Stolperstreifen 116 (von denen nur ein Paar in 3 und 4 gezeigt sind, um die Klarheit der Illustrationen zu erhalten) erstreckt sich lateral von der nahe liegenden Oberfläche 112 jedes Kanals. Weil die laterale Abmessung des Kanals H relativ zu der lateralen Abmessung der mittleren Passage klein ist, können die Stolperstreifen des Kanals proportional größer als die Stolperstreifen 116' sein, die in den mittleren Passagen verwendet werden, ohne übermäßig zu dem Gewicht des Strömungsprofils beizutragen. Die latera le Abmessung oder Höhe H_TS der Stolperstreifen des Kanals übersteigt 20% der lateralen Abmessung des Kanals H und beträgt bevorzugt ungefähr 50% der lateralen Abmessung des Kanals. Die Stolperstreifen sind so verteilt, dass der radiale Abstand s_ts (4) zwischen benachbarten Stolperstreifen zwischen 5 und 10 Mal die laterale Abmessung (d.h. H_TS) der Stolperstreifen und bevorzugt zwischen 5 und 7 Mal die laterale Abmessung beträgt. Diese Stolperstreifendichte maximiert die Wärmetransfereffektivität der Stolperstreifenanordnung, ohne übermäßigen Druckverlust in den Strom von Kühlmittel einzuführen.
Das Strömungsprofil kann auch einen Satz von radial verteilten Kühlmittelauffüllungspassagen 122 aufweisen, wobei sich jede von einer mittleren Passage (z.B. Passage 44, 46a und 48) zu dem Hilfskühlsystem erstreckt. Kühlmittel aus der mittleren Passage strömt durch die Passagen 122, um Kühlmittel aufzufüllen, das von den Kanälen durch die Filmkühllöcher 96 abgegeben wird. Die Auffüllungspassagen sind zwischen ungefähr 15% und 40% der Strömungsprofilspanne S (d.h. des radialen Abstands von der Wurzel zu der Spitze) positioniert, können aber im Wesentlichen entlang der gesamten Spanne verteilt sein, wenn nötig. Die Anzahl und Verteilung von Auffüllungspassagen hängt zum Teil von der Schwere des Druckverlustes ab, der von Kühlmittel erfahren wird, das radial durch den Kanal strömt oder durch Kanäle strömt, die aufgefüllt werden. Wenn der Kanal einen hohen Druckverlust einführt, wird ein überproportional großer Teil des Kühlmittels durch die Filmkühllöcher abgegeben anstatt sich radial nach außen durch den Kanal fortzubewegen. Demzufolge wird eine große Anzahl von Passagen notwendig, um das abgegebene Kühlmittel aufzufüllen. Es ist jedoch unerwünscht, zu viele Passagen zu haben, da durch eine Auffüllungspassage in einen Kanal eingeführtes Kühlmittel Kühlmittel umlenkt, das schon durch den Kanal strömt, und jenes Kühlmittel anregt, durch Filmkühllöcher stromaufwärts (d.h. radial nach innen) von der Passage abgegeben zu werden. Wenn das umgelenkte Kühlmittel immer noch eine signifikante Menge ungenutzten Wärmeabsorptionspotentials hat, dann wird das Kühlmittel ineffektiv benutzt und Motoreffizienz wird unnötigerweise herabgesetzt.
Die Auffüllungspassagen 122 sind auf die Zwischenräume 124, die entlang der Zwischenkanalrippen 114 angeordnet sind, ausgerichtet anstatt auf die Kanäle selbst. Diese Ausrichtung ist vorteilhaft, da das Auffüllungskühlmittel aus der Passage als ein Fluidstrahl hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Der Fluidstrahl könnte, wenn direkt in einen Kanal ausgestoßen, die radiale Strömung von Kühlmittel durch den Kanal behindern und dadurch effektiven Wärmetransfer auf das Kühlmittel beeinträchtigen.
Während Maschinenbetriebs strömt Kühlmittel in und durch die mittleren Passagen und Hilfskanäle, wie oben beschrieben, um die periphere Wand der Laufschaufel 16 zu kühlen. Da die Kanäle ausschließlich innerhalb der Zone großer Wärmelast positioniert sind, anstatt wahllos um die gesamte Peripherie des Strömungsprofils herum verteilt zu sein, kann der Vorteil der Kanäle konzentriert werden, wo auch immer das Erfordernis für aggressiven Wärmetransfer am größten ist. Gezielte Verteilung der Kanäle ermöglicht auch selektives Abschirmen von Kühlmittel in den mittleren Passagen, wodurch die Wärmeabsorptionskapazität des Kühlmittels zur Verwendung in anderen Teilen des Kühlkreislaufs erhalten wird. Solch spärliche Verwendung der Kanäle hilft auch, Herstellungskosten zu minimieren, da ein Strömungsprofil mit den kleinen Hilfskanälen kostspieliger herzustellen ist als ein Strömungsprofil mit nur den viel größeren mittleren Passagen. Die kleine Größe der Kanäle erlaubt auch die Verwendung von Stolperstreifen, deren Höhe im Verhältnis zu der lateralen Abmessung des Kanals ausreichend ist, ausgezeichneten Wärmetransfer zu begünstigen.
Die Kühlkanäle verbessern auch des Problem der verminderten Reynolds-Zahl des Kühlmittelstroms wegen der Abgabe von Kühlmittel entlang der Länge einer mittleren Passage. Zum Beispiel erlaubt das Vorhandensein von Sogflächenkanälen 94a, 94b, 94c, dass die Dicke der peripheren Wand t (1) zwischen Zuführpassage der vorderen Kante 44 und Strömungsprofilsogfläche 34 größer als die entsprechende Dicke bei einem Strömungsprofil des Standes der Technik ist. Demzufolge ist die radiale Reduktion der Strömungsfläche A der Zuführpassage der vorderen Kante 44 proportional größer bei dem vorliegenden Strömungsprofil als bei einem ähnlichen Zuführkanal der vorderen Kante in einem Strömungsprofil des Standes der Technik. Folglich können eine hohe Reynolds-Zahl des Kühlmittelstroms und entsprechend hohe Wärmetransferraten entlang der gesamten Länge von Passage 44 trotz der Abgabe von Kühlmittel durch Duschkopflöcher 56 und Filmkühllöcher 96 realisiert werden. Außerdem gleichen die Sogflächenkanäle 94a, 94b, 94c jeglichen Verlust von Wärmetransfer von der peripheren Wand aus, der der erhöhten Dicke t zuschreibbar ist.
Das Vorhandensein von Hilfskühlpassagen hilft auch, dem beeinträchtigten Wärmetransfer entgegen zu wirken, der aus Dreheffekten in Turbinenlaufschaufeln entsteht. Während Maschinenbetriebs dreht sich eine wie in 1 gezeigte Laufschaufel mit einem Strömungsprofil in Richtung R um die Maschinenmittellinie 38. Radial nach außen, z.B. durch Zuführpassage der vorderen Kante 44 strömendes Kühlmittel neigt deshalb dazu, gegen vorauseilende Oberfläche 126 gedrängt zu werden, während es auch teilweise von hinterherhinkender Oberfläche 128 getrennt wird. Der trennende Einfluss begünstigt die Entstehung einer dicken aerodynamischen Grenzschicht und gleichzeitig von schwachem Wärmetransfer entlang der hinterherhinkenden Oberfläche. Das Vorhandensein von Kanälen 94a, 94b, 94c gleicht diesen nachteiligen Dreheffekt aus. Ein ähnlicher ausgleichender Effekt könnte, wenn gewünscht, anliegend an die Passagen des mittleren Bereichs des Profils und der hinteren Kante 46a, 46b, 46c und 48 erzielt werden. Das Kühlmittel ist in diesen Passagen jedoch einer geringeren Wärmelast ausgesetzt als das Kühlmittel in Passage 44 und ist durch den durch Filmkühllöcher 72 verbreiteten Kühlfilm adäquat geschützt.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen können gemacht werden, ohne von der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist. Obwohl z.B. die mittleren Passagen im mittleren Bereich des Profils verbunden gezeigt sind, um eine Serpentine auszubilden, umfasst die Erfindung auch ein Strömungsprofil mit unabhängigen oder im Wesentlichen unabhängigen mittleren Passagen im mittleren Bereich des Profils. Zusätzlich sind individuelle Bestimmungen den den Passagen und Kanälen zugeführten Kühlmitteln zugeordnet worden, da jede Passage und jeder Kanal jeweils von ihrer/seiner eigenen bestimmten Quelle von Kühlmittel versorgt werden kann. In der Praxis kann jedoch eine gemeinsame Kühlmittelquelle verwendet werden, um mehr als einen oder sogar alle der Passagen und Kanäle zu versorgen. Eine gemein same Kühlmittelquelle für alle Passagen und Kanäle ist in der Tat als die bevorzugte Ausführungsform vorgesehen.
Mindestens die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind darin vorteilhaft, dass sie anhaltendem Betrieb bei erhöhten Temperaturen standhalten können, ohne thermisch induzierten Schaden zu erleiden oder übermäßige Mengen von Kühlmittel zu verbrauchen. Genauer gesagt sind die bevorzugten Ausführungsformen des Strömungsprofils geeignet zur Verwendung in einer Umgebung, wo die Temperaturverteilung über die äußere Oberfläche des Strömungsprofils räumlich uneinheitlich ist. Zusätzliche spezifische Vorteile der bevorzugten Ausführungsformen beinhalten die verringerte Anfälligkeit des Strömungsprofils für den Verlust von Kühlmitteleffektivität, der gewöhnlich aus Faktoren so wie lange Kühlmittelverweildauer, fortschreitend abnehmende Reynolds-Zahl des Kühlmittelstroms und nachteiligen Dreheffekten entsteht.
Dadurch wird es offensichtlich, dass die Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Ausführungsformen ein kühlbares Strömungsprofil für eine Turbinenlaufschaufel oder -leitschaufel bereitstellt, das ein Minimum an Kühlmittel benötigt, aber dennoch fähig zu lang anhaltendem Betriebseinsatz bei hohen Temperaturen ist; dass sie ein kühlbares Strömungsprofil bereitstellt, dessen Wärmetransfermerkmale auf die Temperaturverteilung über die Strömungsprofiloberfläche maßgeschneidert sind; dass sie ein kühlbares Strömungsprofil bereitstellt, das die Wärmeabsorptionsvorteile einer Serpentinenkühlpassage genießt, ohne übermäßigen Kühlmitteltemperaturanstieg zu erfahren; dass sie ein kühlbares Strömungsprofil bereitstellt, dessen Kühlmittelpassagen sich in Querschnittsfläche verkleinern, um eine hohe Reynolds-Zahl in dem Kühlmittelstrom zu halten, aber ohne Wärmetransfer wegen erhöhten Abstands zwischen dem Umfang der Passage und der Strömungsprofiloberfläche zu hemmen; und dass sie ein kühlbares Strömungsprofil bereitstellt mit Merkmalen, die lokal beeinträchtigten Wärmetransfer ausgleichen, der aus Dreheffekten entsteht.

Claims

Kühlbares Strömungsprofil (12), aufweisend: eine periphere Wand (16), die eine äußere Oberfläche (28) hat, welche eine Sogfläche (34) und eine Druckfläche (32) mit lateralem Abstand von der Sogfläche (34) aufweist, wobei sich die Flächen profilsehnenmäßig von einer vorderen Kante (24) zu einer hinteren Kante (26) und radial von einer Strömungsprofilwurzel (18) zu einer Strömungsprofilspitze (22) erstrecken; wobei das Strömungsprofil weiterhin ein primäres Kühlsystem (42) aufweist, welches mindestens eine sich radial erstreckende mittlere Passage (44, 46a, 46b, 46c, 48) aufweist, die mindestens teilweise von der peripheren Wand (16) begrenzt ist; und ein Hilfskühlsystem (92), welches mindestens einen Kühlkanal (94) aufweist, der im Wesentlichen parallel zu der mittleren Passage und radial im Wesentlichen gleich dimensioniert wie die mittlere Passage ist, wobei der Kanal in der Wand zwischen der mittleren Passage und der äußeren Oberfläche vorgesehen ist und profilsehnenmäßig ausschließlich innerhalb einer Zone großer Wärmelast (104, 106) platziert ist, wobei sich die Zone großer Wärmelast von ungefähr 0% bis 20% der profilsehnenmäßigen Distanz von der vorderen Kante (24) zu der hinteren Kante (26) entlang der Sogfläche (34) und von ungefähr 10% bis 75% der profilsehnenmäßigen Distanz von der vorderen Kante (24) zu der hinteren Kante (26) entlang der Druckfläche (32) befindet.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei das primäre Kühlsystem eine Anordnung von profilsehnenmäßig benachbarten, sich radial erstreckenden mittleren Passagen aufweist, wobei mindestens zwei der mittleren Passagen (46a, 46b, 46c) untereinander verbunden sind, um eine Kühlserpentine (68) auszubilden, wobei der Kanal (94) profilsehnenmäßig gleich dimensioniert ist wie mindestens eine der untereinander verbundenen mittleren Passagen (46a, 46b, 46c).
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kanal eine profilsehnenmäßige Abmessung (C) und eine laterale Abmessung (H) hat, wobei die profilsehnenmäßige Abmessung (C) nicht größer als ungefähr 3 Mal die Distanz von dem Kanal (94) zu der äußeren Oberfläche (28) ist.
Kühlbares Strömungsprofil nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei Kühlkanäle (94) profilsehnenmäßig über im Wesentlichen die gesamte Zone (104, 106) großer Wärmelast verteilt sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei Kühlkanäle (94) profilsehnenmäßig über im Wesentlichen die gesamte Zone (106) großer Wärmelast entlang der Druckfläche (32) des Strömungsprofils (12) verteilt sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei Kühlkanäle (94) profilsehnenmäßig über im Wesentlichen die gesamte Zone (104) großer Wärmelast entlang der Sogfläche (34) des Strömungsprofils (12) verteilt sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei profilsehnenmäßig benachbarte Kühlkanäle (94) von einer sich radial erstreckenden, von einem oder mehreren Zwischenräumen (124) unterbrochenen Rippe (114) getrennt sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 7, aufweisend einen oder mehrere radial verteilte Auffüllungspassagen (122), die sich von einer mittleren Passage zu dem Hilfskühlsystem (92) erstrecken, wobei die Passagen (122) auf die Zwischenräume (124) abgestimmt sind.
Kühlbares Strömungsprofil nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Kanal eine laterale Abmessung (H) und eine profilsehnenmäßige Abmessung (C) aufweist, die größer als die laterale Abmessung (H) ist.
Kühlbares Strömungsprofil nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kanäle jeweils eine laterale Abmessung (H) und eine profilsehnenmäßige Abmessung (C) haben und jeweils von einer Umfangsfläche (108) begrenzt sind, wobei ein Bereich der Umfangsfläche (112) der externen Oberfläche (28) nahe ist, wobei der nahe Bereich (112) eine Anordnung von sich davon lateral erstreckenden Stolperstreifen (116) aufweist, wobei die Stolperstreifen (116) eine Höhe (HTs) haben, die größer ist als ungefähr 20% der lateralen Abmessung (H) des Kanals und bevorzugt ungefähr 50% der lateralen Abmessung (H) des Kanals beträgt.
Kühlbares Strömungsprofil nach Anspruch 10, wobei die Stolperstreifen (116) mit Zwischenraum angeordnet sind mit einem radialen Abstand (s_ts) und das Verhältnis des radialen Abstands (s_ts) zu der Stoplerstreifenhöhe (H_TS) zwischen ungefähr fünf und zehn und bevorzugt zwischen ungefähr fünf und sieben liegt.