DE69910913T2 - Kühlbare Schaufel für Gasturbinen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein hohles Strömungsprofil für Gasturbinenmaschinen-Statorleitschaufeln und Rotorlaufschaufeln generell und Statorleitschaufeln und Rotorlaufschaufeln, die interne Kühlvorrichtungen aufweisen, im Speziellen.
• In dem Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine fließt Kerngas durch eine Mehrzahl von Statorleitschaufel- und Rotorlaufschaufel-Stufen. Jede Statorleitschaufel oder Rotorlaufschaufel besitzt ein Strömungsprofil mit einem oder mehreren internen Hohlräumen, die von einer Außenwand umgeben sind. Die Sog- und Druckseite der Außenwand erstreckt sich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante des Strömungsprofils. Statorleitschaufel-Strömungsprofile erstrecken sich in Erstreckungsrichtung zwischen einer inneren und einer äußeren Plattform und die Rotorlaufschaufel-Strömungsprofile erstrecken sich in Erstreckungsrichtung zwischen einer Plattform und einer Laufschaufelspitze.
• Hochtemperatur-Kerngas (das Luft und Verbrennungsprodukte beinhaltet), welches auf die Vorderkante eines Strömungsprofils trifft, wird um die Sog- und Druckseite des Strömungsprofils auseinanderlaufen oder auf die Vorderkante treffen. Der Punkt entlang der Vorderkante, bei dem die Geschwindigkeit der Kerngasströmung auf Null geht (d. h. der Auftreffpunkt) wird als Stagnationspunkt bezeichnet. Es gibt einen Stagnationspunkt an jeder Position in Erstreckungsrichtung entlang der Vorderkante des Strömungsprofils und gemeinsam werden diese Punkte als Stagnationslinie bezeichnet. Luft, welche an der Vorderkante des Strömungsprofils auftrifft, wird anschließend um eine der Seiten des Strömungsprofils abgeleitet.
• Kühlluft, die typischerweise von einer Verdichterstufe bei einer Temperatur, die niedriger ist, und einem Druck, der höher ist als beim Kerngas, welches durch den Turbinenabschnitt strömt, abgezapft wird, wird zum Kühlen der Strömungsprofile verwendet. Die kühlere Verdichterluft liefert das Medium für den Wärmeübertrag und die Druckdifferenz liefert die erforderliche Energie, um die Kühlluft durch die Stator- oder Rotorstufe strömen zu lassen. Filmkühlen und eine interne Konvektiv/Prall-Kühlung sind die vorherrschenden Strömungsprofil-Kühlverfahren. Filmkühlung beinhaltet -Kühlluft, die von einem inneren Hohlraum abgezapft wird, die einen Film bildet, der entlang einer Außenoberfläche des Stator- oder Rotor-Strömungsprofils wandert. Der Film aus Kühlluft überträgt Wärmeenergie weg von dem Strömungsprofil, erhöht die Gleichförmigkeit der Kühlung und isoliert das Strömungsprofil gegen das vorbeiströmende heiße Kerngas. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass eine Filmkühlung in der turbulenten Umgebung einer Gasturbine schwierig zu etablieren und beizubehalten ist.
• Konvektivkühlung beinhaltet andererseits typischerweise das Strömenlassen von Kühlluft durch ein Geschlängel von Passagen, die Wärmeübertragoberflächen wie "Stifte" und "Rippen" aufweisen, um den Wärmeübertrag von dem Strömungsprofil auf die dort hindurch strömende Kühlluft zu erhöhen. Konvektivkühlung beinhaltet auch typischerweise Aufprallkühlung, bei der Kühlluft durch eine Zumessöffnung spritzt und anschließend auf eine zu kühlende Wandoberfläche trifft. Ein Vorteil der Prallkühlung ist, dass sie in dem Aufprallbereich eine lokalisierte Kühlung liefert und selektiv angewandt werden kann, um ein erwünschtes Ergebnis zu erzielen. Ein Nachteil der Prallkühlung ist, dass die konvektive Kühlung, die durch das Aufprallen geschaffen wird, auf einen relativ kleinen Oberflächenbereich begrenzt ist. In der Folge ist eine große Anzahl von Kühlöffnungen erforderlich, um größere Bereiche zu kühlen.
• US-A-4565490, GB 2 127 105, US-A-3301526, EP-A-0416542 und GB-A-435906 beschreiben alle Strömungsprofile mit Vorderkantenkühlung.
• Benötigt wird deshalb ein Strömungsprofil mit einem inneren Kühlschema, welches eine Kühlung effizienter bereitstellt, als es bei den momentan erhältlichen Strömungsprofilen möglich ist, eines, welches eine Filmkühlung entlang der Außenseite der Außenwand des Strömungsprofils fördert und eines, das einfach hergestellt werden kann.
• Gemäß der vorliegenden Endung wird ein hohles Strömungsprofil bereitgestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
• Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Strömungsprofil mit einem hocheffizienten inneren Kühlschema bereitgestellt wird. Das innere Kühlschema des Strömungsprofils der vorliegenden Erfindung erhöht den konvektiven Wärmeübertrag von der der Vorderkante benachbarten Wand durch das Lenken der Kühlluft entlang der Innenoberfläche der der Vorderkante benachbarten Wand. Die gelenkte Strömung der Kühlluft schafft eine größere Wärmeübertragsrate als sie mit der Prallkühlung verbunden ist, bei der die Kühlluft auftrifft und sich dann zufällig verteilt.
• Das innere Kühlschema erhöht auch die Effizienz der Konvektivkühlung durch das Aufteilen der Kühlluftströmung nach dem Bedürfnis. Beispielsweise wird, wenn die Kühlanforderungen der Wand an der Sogseite der Stagnationslinie größer sind, der Strömungsteiler so positioniert, dass er eine geeignete Menge an Kühlluft entlang der inneren Oberfläche des Sogseitenbereichs der Wand lenkt. Damit kann das Volumen an Kühlluft an das Bedürfnis angepasst werden.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass Kühlluft in einen Wirbel oder "Strudel" auf beide Seiten des Strömungsteilers gelenkt werden kann, um die konvektive Wärmeübertragsrate zu erhöhen. "Wirbelkammern" des Stands der Technik nutzen typischerweise einen Hohlraum, der tangential mit Kühlluft versorgt wird, um einen Wirbel auszubilden. Die vorliegende Erfindung vermeidet es, ein Strömungsprofil herstellen zu müssen mit inneren Öffnungen, die tangential in einen Hohlraum gehen, und erlaubt auch die Ausbildung von zwei Wirbeln statt eines einzelnen. Der Kühlluftwirbel an der Sog- und Druckseite kann über den Strömungsteiler und die Geometrie des Hohlraums maßgeschneidert werden, um die Kühlanforderungen in diesen Bereichen aufzunehmen.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die verbesserten Kühlmerkmale des Strömungsprofils der vorliegenden Erfindung einfach in einer leicht gewichtigen Art hergestellt werden können. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbindet eine Rinne entlang der Vorderkante, die im Wesentlichen mit einem innen angeordneten Strömungsteiler ausgerichtet ist. Das Verbinden der Rinne und des Strömungsteilers erlaubt eine im Wesentlichen konstante Wanddicke, was wiederum Gewicht minimiert.
• Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
• 1 ist eine schematische Ansicht einer Rotorlaufschaufel.
• 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Strömungsprofils zur Verwendung in einer Rotorlaufschaufel oder einer Statorleitschaufel.
• 3 ist eine schematische Teilschnittansicht eines Strömungsprofils zur Verwendung in einer Rotorlaufschaufel oder eine Statorleitschaufel.
• Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Rotorlaufschaufel 10 zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine weist ein hohles Strömungsprofil 12, eine Wurzel 14 und eine Plattform 16 auf, die zwischen der Wurzel 14 und dem Strömungsprofil 12 angeordnet ist. Das hohle Strömungsprofil 12 weist eine vordere ("führende") Kante 18, eine hintere ("geschleppte") Kante 20 und eine Wand 22 mit einem Sogseitenbereich 24 und einem Druckseitenbereich 26 auf. Das Strömungsprofil 12 erstreckt sich in Erstreckungsrichtung zwischen der Plattform 16 und der Laufschaufelspitze 28. Die Wurzel 14 weist mindestens einen inneren Kühlluftkanal (nicht gezeigt) für die Passage von Kühlluft nach oben in das hohle Strömungsprofil 12 auf.
• Es wird auf die 2 und 3 Bezug genommen. Die Strömungsprofilwand 22 umgibt einen ersten Hohlraum 30 und einen zweiten Hohlraum 32, die voneinander durch einen ersten Steg 34 getrennt sind. Zusätzliche Stege 36 separieren weitere Hohlräume 38 hinter dem zweiten Hohlraum 32. Der erste Hohlraum 30 ist der Vorderkante 18 benachbart. Die Wand 22 weist eine innere Oberfläche 40 und eine äußere Oberfläche 42 auf. Ein Kühlmittelströmungsteiler 44, der von der ersten Wandoberfläche 40 in dem ersten Hohlraum 30 wegragt, weist ein Paar von Oberflächen 46 auf, die sich an einer Spitze 48 treffen und in die innere Wandoberfläche 40 auseinander laufen. Eine Mehrzahl von Zumessöffnungen 50 ist in dem ersten Steg 34 zwischen dem ersten Hohlraum 30 und dem zweiten Hohlraum 32 angeordnet. Jede Zumessöffnung 50 ist im Wesentlichen mit dem Kühlmittelströmungsteiler 44 ausgerichtet, so dass Kühlluftströmung, die durch die Zumessöffnung 50 tritt, auf den Strömungsteiler 44 trifft.
• Die Vorderkante 18 weist Kühlöffnungen 52 auf, die derart orientiert sind, dass sie entlang der Außenwandoberfläche 42 des Strömungsprofils 12 eine Filmkühlung erzeugen. Die Kühlöffnungen 52 können in einer Duschkopfanordnung angeordnet sein, wie das in dem Stand der Technik bekannt ist. Eine Rinne 54 ist in der Wand 22 angeordnet und erstreckt sich in Erstreckungsrichtung entlang der Vorderkante 18. Die Rinne 54 und der Strömungsteiler 44 sind miteinander an der Außenwandoberfläche 42 bzw. der Innenwandoberfläche 40 im Wesentlichen ausgerichtet. Das Ausrichten des Strömungsteilers 44 und der Rinne 54 minimiert die Änderungen in der Wanddicke in der Nähe des Strömungsteilers 44. Bei der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich Kühlöffnungen 56 durch die Wand 22, einschließlich den Strömungsteiler 44, in die sich- in Erstreckungsrichtung erstreckende Rinne 54. Kühlluft strömt anschließend aus der Rinne 54, um entlang des Sogseitenbereichs 24 und des Druckseitenbereichs 26 des Strömungsprofils 12 eine Filmkühlung zu erzeugen. Bei einer zweiten Ausführungsform (3) hat der erste Steg 34, der den ersten Hohlraum 30 und den zweiten Hohlraum 32 trennt, eine gekrümmte Gestalt, um die Ausbildung eines Kühlluftwirbels 58 an einer oder beiden Seiten des Strömungsteilers 44 in dem ersten Hohlraum 30 zu fördern.
• Wenn sich das Strömungsprofil 12 in Verwendung befindet, gelangt Kühlluft in das Strömungsprofil 12, beispielsweise durch die Laufschaufelwurzel 14 und strömt direkt oder indirekt in den zweiten Hohlraum 32 in dem hohlen Strömungsprofil 12. Ein Teil der Kühlluft in dem zweiten Hohlraum 32 tritt anschließend in den ersten Hohlraum 30 durch die in dem ersten Steg 34 angeordneten Zumessöffnungen 50 und trifft auf den von der Innenoberfläche 40 der Wand 22 wegragenden Strömungsteiler 44. Das Positionieren einer jeden Zumessöffnung 50 relativ zu dem Strömungsteiler 44 bestimmt, welcher Prozentanteil der durch die Zumessöffnung 50 strömenden Kühlluft an eine bestimmte Seite des Strömungsteilers 44 strömen wird. Das Positionieren einer Zumessöffnung 50 weg vom Zentrum des Strömungsteilers 44 wird bewirken, dass mehr als 50% der Kühlluftströmung entlang einer Seite des Strömungsteilers 44 fließen wird und weniger als 50% der Kühlluftströmung entlang der gegenüberliegenden Seite des Strömungsteilers 44 fließen wird. Die entlang der Innenoberfläche 40 der Wand 22 strömende Kühlluft kühlt konvektiv die Wand 22 und versorgt die Kühlöffnungen 52, die in diesem Bereich der Wand 22 angeordnet sind. Wirbel 58 (3), die in dem ersten Hohlraum 30 sich ausbilden, fördern eine Kühlluftströmung entlang der Innenwandoberfläche 40 und folglich das konvektive Kühlen dieses Bereichs der Wand 22.
• Ein Teil der Kühlluft gelangt in Kühlöffnungen 56, die in der Wand 22 angeordnet sind, und strömt anschließend in die Rinne 54 entlang der Vorderkante 30. In der Rinne 54 diffundiert die Kühlluft in Kühlluft, welche sich bereits in der Rinne 54 befindet, und verteilt sich in Erstreckungsrichtung entlang der Rinne 54. Einer der Vorteile des Verteilens der Kühlluft in der Rinne 54 liegt darin, dass Druckunterschiedsprobleme, die für konventionelle Kühlöffnungen charakteristisch sind, minimiert sind. Beispielsweise ist der Druckunterschied über eine Kühlöffnung eine Funktion des örtlichen Drucks des inneren Hohlraums und des örtlichen Kerngasdrucks in der Nachbarschaft der Öffnung. Diese beiden Drücke ändern sich zeitabhängig. Wenn in der Umgebung einer bestimmten Kühlöffnung bei einem konventionellen Kühlschema der Kerngasdruck hoch ist und der Druck im inneren Hohlraum niedrig ist, kann es zu einem unerwünschten Einströmen von heißem Kerngas kommen. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung minimiert die Möglichkeit für das unerwünschte Einströmen, weil die Kühlluft aus den Öffnungen 56 sich kollektiv in der Rinne 54 verteilt und so die Gelegenheit verringert, dass es zu dem Auftreten von irgendwelchen Niedrigdruckbereichen kommt. Entsprechend vermeidet die Verteilung der Kühlluft in der Rinne 54 auch Kühlluftdruckspitzen, die bei einem konventionellen Schema Kühlluft in das Kerngas einspritzen würden, statt sie strömungsabwärts dem Kühllufifilm zuzugeben.
• Das Ausbluten von Kühlluft entlang der Vorderkante über einen Duschkopf und/oder eine Rinne 54 bildet anschließend einen Film aus Kühlluft aus, der entlang der äußeren Oberfläche 42 des Strömungsprofils 12 strömt. Eine unerwünschte Erosion dieses Films (infolge von Turbulenz oder anderen Faktoren) beginnt praktisch unmittelbar und beeinflusst negativ die Eignung des Films, das Strömungsprofil 12 zu kühlen und zu isolieren. Um die Filmerosion auszugleichen, ist es bekannt, Reihen von Kühlöffnungen des Diftundiertyps, die in der Lage sind, Kühlluft zum Verstärken des Films bereitzustellen, zu positionieren. Ein Problem bei dem Stand der Technik ist, dass Kühlluft in einem Hohlraum nicht bevorzugt in Richtung auf einen der beiden Wandbereiche (d. h. den Sogseitenbereich 24 oder den Druckseitenbereich 26) zugeführt wird, und es ist gleich wahrscheinlich, dass sie durch einen der. Wandbereiche 24, 26 ausblutet, unabhängig von den Kühlbedürfnisses dieses Wandbereichs 24, 26. Wenn die Kühlbedürfnisse eines Wandbereichs 24, 26 größer sind als die des anderen, ist es wahrscheinlich, dass das Beibehalten einer adäquaten Kühlluftströmung durch den "heißeren" Wandbereich zu einem Überschuss an Kühlluftströmung durch den "kühleren" Wandbereich führen wird. Um zu vermeiden, dass mehr Kühlluft verwendet wird, als erforderlich ist, schafft der Strömungsteiler 44 eine angemessene Kühlluftströmung entlang jedes Wandbereichs und erhöht so die Kühleffizienz des Strömungsprofils 12.
• Aus dem obigen erkennt man, dass hier ein Strömungsprofil mit einem hocheffizienten internen Kühlschema, ein Strömungsprofil mit einem internen Kühlschema, welches eine Filmkühlung entlang der Außenoberfläche des Strömungsprofils fördert, und ein Strömungsprofil mit verbesserten Kühlmerkmalen, welches einfach hergestellt werden kann, beschrieben wird.
• Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde bezogen auf ein Rotorlaufschaufel-Strömungsprofil beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch gleichermaßen anwendbar auf Statorleitschaufel-Strömungsprofile, die man in den 2 und 3 erkennen kann.

Claims (7)

1. Hohles Strömungsprofil für eine Gasturbinenmaschine mit einer Vorderkante (18) und einer Hinterkante (20), wobei das Strömungsprofil aufweist: eine Wand (22) mit einem Sogseitenbereich (24), einem Druckseitenbereich (26), einer inneren Oberfläche (40) und einer äußeren Oberfläche (42), wobei die Wand einen ersten Hohlraum (30) und einen zweiten Hohlraum (32) umgibt, wobei die Hohlräume voneinander durch einen Steg (34) getrennt sind, der sich zwischen dem Sogseitenwandbereich und dem Druckseitenwandbereich erstreckt, einen Kühlmittelströmungsteiler (44), der an der Innenoberfläche (40) in dem ersten Hohlraum (30) vorgesehen ist; und mindestens eine Zumessöffnung (50), die in dem Steg (34) angeordnet ist, wobei die Zumessöffnung (50) mit dem Kühlmittelströmungsteiler (44) im Wesentlichen ausgerichtet ist, so dass Kühlluft, welche durch die Zumessöffnung (50) tritt, auf den Strömungsteiler (44) trifft und entlang der inneren Oberfläche (40) der Wand (22) gelenkt wird; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlraum (30) der Vorderkante (18) benachbart ist; und das Strömungsprofil ferner eine Rinne (54) aufweist, die in der Außenoberfläche (42) der Wand (22) angeordnet ist, im Wesentlichen ausgerichtet mit dem Strömungsteiler (44).
2. Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelströmungsteiler (44) im Wesentlichen mit der Vorderkante (18) ausgerichtet ist und sich in Erstreckungsrichtung entlang der Vorderkante (18) erstreckt.
3. Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Mehrzahl von Kühlöffnungen (56), die in der Wand (22) angeordnet sind und sich zwischen der Rinne (54) und dem ersten Hohlraum (30) erstrecken und so eine Kühlpassage zwischen dem inneren Hohlraum (30) und der Rinne (54) schaffen.
4. Hohles Strömungsprofil nach Anspruch 3, wobei sich die Kühlöffnungen durch den Strömungsteiler (44) erstrecken.
5. Hohles Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Steg (34) gekrümmt geformt ist und so die Ausbildung von Kühlluftwirbeln in dem ersten Hohlraum (30) fördert.
6. Hohles Strömungsprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zumessöffnung mit dem Strömungsteiler (44) derart ausgerichtet ist, dass Kühlluft gleichermaßen auf beide Seiten des Strömungsteilers (44) abgelenkt wird.
7. Hohles Strömungsprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zumessöffnung (50) relativ zu dem Strömungsteiler (44) derart außermittig ausgerichtet ist, dass ungleiche Mengen an Kühlluft auf beide Seiten des Strömungsteilers (44) abgelenkt werden.