-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung einer
Rückströmung und
zur Erzeugung einer Kühlschicht
an einem Schaufelblatt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein
Verfahren zur Rückflussverhinderung
und zur Erzeugung einer Kühlschicht,
bei dem in einem Kühlschlitzeinlass Trennbereiche
ausgebildet werden.
-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Gasturbinentriebwerke
extrahieren Energie aus einem Strom heißer Verbrennungsgase, die durch
einen durch die Turbine definierten Strömungspfad strömen. Ein
typisches Turbinentriebwerk enthält
wenigstens eine Stufe von Turbinenlaufschaufeln und eine Stufe von
Leitschaufeln, die von den Turbinenlaufschaufeln beabstandet sind.
Jede Turbinenstufe weist mehrere Turbinenlaufschaufeln oder Schaufelblätter auf,
die im Abstand zueinander längs des
Umfangs rings um eine in Drehung versetzbare Nabe oder Scheibe angeordnet
sind und sich radial nach außen
von dieser aus erstrecken, so dass ein Teil jeder Turbinenlaufschaufel
in den Strömungspfad hineinragt
und mit den durch den Strömungspfad strömenden Verbrennungsgasen
in Kontakt tritt. In der Praxis weist ein Turbinentriebwerk mehrere
Stufen von Leitschaufeln und Laufschaufeln auf.
-
Während eines
Turbinenbetriebs ist es erforderlich, die Turbinenlaufschaufeln
und Leitschaufeln zu kühlen,
um ihre Fähigkeit
zu verbessern, einer längeren
Beaufschlagung durch die heißen
Verbrennungsgase zu widerstehen. Häufig wird eine Laufschaufelkühlung erreicht,
indem ein Kühlfilm
entlang der Laufschaufel erzeugt wird. Um den erwünschten Kühlfilm herbeizuführen, enthalten
die Turbinenlaufschaufeln eine oder mehrere Reihen von in Spannweitenrichtung
verteilt angeordneten Kühlluftzufuhrlöchern, die
als Filmlöcher
bezeichnet werden, wobei diese Löcher
entlang der Oberfläche
der Laufschaufel angeordnet sind. Die Filmlöcher durchdringen die Wände des
Schaufelblattes, um eine Fluidströmungsverbindung zwischen dem
durch den Innenraum der Laufschaufel strömenden Kühlfluid und den an der Außenseite
befindlichen heißen
Verbrennungsgasen herzustellen. Zusätzlich enthält die Laufschaufel mehrere
Kühlschlitze,
die im Abstand zueinander entlang der Hinterkante der Laufschaufel angeordnet
sind. Die Schlitze sind in der Laufschaufel eingerichtet und weisen
Auslassöffnungen
auf, die im Abstand zueinander entlang der Hinterkante der Laufschaufel
angeordnet sind. Während
eines Turbinenbetriebs wird gewöhnlich
der Laufschaufel durch einen stromaufwärts des Schaufelblattes befindlichen
Verdichter ein Kühlfluid
oder Luft zugeführt.
Die Kühlluft
verläuft
durch den Innenraum der Laufschaufel, einschließlich der Schlitze, und tritt
aus der Laufschaufel durch die Filmlöcher und die Auslassöffnungen
aus. Die Kühlluft
strömt
aus den Löchern
und den Kühlschlitzen
in Form einer Reihe von einzelnen Strahlen aus. Die aus den Schlitzen
und den Löchern abgegebene
Luft dient dazu, den Kühlfilm
entlang der Laufschaufeloberfläche
zu bilden.
-
Ein
herkömmliches
Schaufelblatt nach 2 stellt ein Beispiel für eine Turbinenlaufschaufel 70 nach
dem Stand der Technik dar. Wie in 2 veranschaulicht,
enthält
die Laufschaufel 70 eine Vorderkante 71, eine
Hinterkante 72 und mehrere parallele Kühlschlitze 75 an der
Laufschaufelhinterkante. In der Laufschaufel 70 nach dem
Stand der Technik weist jeder der Kühlschlitze eine zugehörige sich
in Axialrichtung erstreckende Schlitzbezugslinie 80 auf. Jeder
Schlitz weist einen Einlass 62 und einen Auslass 63 auf.
Der Auslass ist an der Hinterkante der Laufschaufel angeordnet.
Der Einlass und der Auslass sind im Wesentlichen an derselben radialen
Stelle entlang der in Radialrichtung verlaufenden Laufschaufellängserstreckung
angeordnet. Zur Vereinfachung sind in 2 die Bezugslinien 80 nicht
für alle Schlitze
eingezeichnet, wobei jedoch die Bezugslinien für all die Kühlschlitze 75 gelten.
Jeder der Kühlschlitze
ist parallel zu seiner jeweiligen Bezugslinie 80 ausgerichtet.
-
Obwohl
eine Filmkühlung
einen effektiven Weg zur Beeinflussung der Temperatur von Schaufelblattoberflächen darstellt,
sind Kühlfilme
in der Praxis schwer effektiv zu erzeugen. Ein mit der herkömmlichen
parallelen Kühlschlitzausrichtung
verbundener Nachteil besteht darin, dass die Laufschaufel für die Rückströmung von
Verbrennungsgasen durch die Kühlschlitze
anfällig
ist. Eine Rückströmung bzw.
ein Rückfluss
tritt auf, wenn der statische Druck der Kühlluft nicht größer ist
als der statische Druck der Verbrennungsgase, die durch den Strömungspfad
strömen.
Wenn es zu einem Rückfluss kommt,
strömen
die Verbrennungsgase durch die Kühllöcher hindurch
und in die Kühlschlitze
hinein.
-
Um
die Empfindlichkeit für
eine Rückströmung in
herkömmlichen
Laufschaufeln zu verringern, wird die Kühlluft aus den Schlitzen und
Löchern
mit einem hohen Druck ausgestoßen,
um einen Rückfluss
zu verhindern. Der relativ hohe Druck der Kühlluft kann bewirken, dass
die Kühlluft
aus den Kühlschlitzen
mit einer Geschwindigkeit austritt, die verhindert, dass die Kühlluft an
der Oberfläche
und den Kanten des Schaufelblattes effektiv haftet bzw. hängen bleibt.
Infolgedessen bildet sich der gewünschte Kühlfilm auf der Laufschaufel
nicht aus. Stattdessen wird die Kühlluft unmittelbar in die Verbrennungsgase hineinströmen gelassen
und gemeinsam mit diesen mitgerissen. Infolgedessen ist ein Abschnitt
der Laufschaufelblattoberfläche
unmittelbar stromabwärts
jedes Kühllochs
oder Kühlschlitzes
den Verbrennungsgasen ausgesetzt und nicht durch einen Kühlfilm geschützt. Außerdem kann
jeder der Kühlluftstrahlen den
Verbrennungsgasstrom lokal kreuzen und gabelförmig in ein paar schwache,
gegensinnig herumwirbelnde Strudel oder Wirbel teilen. Die Verbrennungsgase
erreichen den beaufschlagten Teil des Schaufelblattes und können an
dem Schaufelblatt einen irreparablen Schaden herbeiführen. Die
starke Hitze der Rückflussgase
kann ein Schaufelblatt schnell und in einer nicht wiederherstellbaren
Weise beschädigen.
-
Es
besteht folglich ein Bedarf nach einem Schaufelblatt mit Kühlschlitzen,
die in einer Weise eingerichtet sind, die eine effektive Ausbildung
eines Kühlfilms
entlang der Schaufelblattoberfläche
fördert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß der Erfindung
ist ein Verfahren zur Rückflussverhinderung
und Erzeugung einer Kühlschicht
bzw. eines Kü hlfilms
in bzw. an einem Schaufelblatt geschaffen, wobei das Schaufelblatt
eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Schaufelblattspitze an
einem ersten Schaufelblattende und einen Schaufelblattfuß an einem
zweiten Schaufelblattende, wobei die Spitze und der Fuß durch
einen radialen Abstand voneinander getrennt sind, einen Kühlkanal, der
sich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante erstreckt, und
wenigstens einen Kühlschlitz aufweist,
der ein Einlassende, das mit dem Kühlkanal in einer Fluid empfangenden
Strömungsverbindung steht,
und ein Auslassende in der Nähe
der Hinterkante aufweist, und wobei bei dem wenigstens einen Schlitz
der Einlass und der Auslass an unterschiedlichen radialen Stellen
in dem Schaufelblatt angeordnet sind, wobei das Verfahren aufweist,
dass ein Kühlfluid
in einer ersten Richtung durch den Kühlkanal zu einem Kühlschlitz
hin strömen
gelassen wird, das Kühlmittel
in einer zweiten Richtung durch den Kühlkanal zu dem Kühlschlitz
hin strömen
gelassen wird, ein Trennbereich in der Nähe des Kühlschlitzeinlasses ausgebildet
wird und das Kühlmittel
durch den Kühlschlitz
hindurch und aus dem Schlitz heraus strömen gelassen wird, um eine
Schicht bzw. einen Film an der Hinterkante des Schaufelblattes zu
erzeugen.
-
Somit
wird durch die beschriebene Erfindung eine Verbesserung der Kühlung eines
Schaufelblattes erreicht. Diese Verbesserung wird erzielt, indem eine
Luftströmung
durch mehrere unter einem Winkel ausgerichtete Kühlschlitze zugemessen bzw.
abgegeben wird. Anstatt Kühlschlitze
in einem Schaufelblatt auszubohren können die Kühlschlitze in einem Schaufelblatt
auch gegossen werden, so dass folglich Herstellungskosten verringert
werden und die vorteilhafte Variabilität bzw. Veränderbarkeit der Kühlschlitze
bei ihrer Erzeugung vergrößert wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Während die
Beschreibung mit den Ansprüchen
abschließt,
in denen die Erfindung speziell aufgezeigt und eindeutig beansprucht
ist, wird angenommen, dass die hier nachstehend angegebenen Ausführungsformen
aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren
besser verständlich
werden, in denen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente
bezeichnen.
-
1 zeigt
eine schematisierte Darstellung einer Gasturbine;
-
2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel nach dem Stand
der Technik, die einen herkömmlichen
Kühlschlitzaufbau
aufweist;
-
3 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine Kühlschlitzanordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist;
-
4 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Turbinenlaufschaufel, die eine modifizierte
Ausführungsform
der Erfindung aufweist; und
-
5 zeigt
eine vergrößerte Detailansicht des
Abschnitts nach 4 in einem Kreis, wie er mit 5 bezeichnet
ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
1 zeigt
eine schematisierte Darstellung eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks 10.
Das Triebwerk 10 enthält
eine Bläseranordnung 12,
ein Kerntriebwerk 13, einen Hochdruckverdichter 14 und eine
Brennkammer 16. Das Triebwerk 10 enthält ferner
eine Hochdruckturbine 18, eine Niederdruckturbine 20 und
einen Booster 22. Die Bläseranordnung 12 enthält eine
Reihe von Bläserlaufschaufeln 24,
die sich von einer Rotorlaufscheibe 26 aus radial nach außen erstrecken.
Das Triebwerk 10 weist eine Einlassseite 27, durch
die Luft in das Triebwerk hineinströmt, und eine Auslassseite 29 auf,
durch die Luft aus dem Triebwerk herausströmt. In einer Ausführungsform
ist das Gasturbinentriebwerk ein GE90-115B Triebwerk, das von der
General Electric Company, Cincinnati, Ohio, erhältlich ist. Die Bläseranordnung 20 und
die Turbine 20 sind über
eine Welle 31 miteinander gekoppelt. Der Verdichter 14 und die
Turbine 18 sind durch eine Welle 33 miteinander gekoppelt.
-
Im
Betrieb strömt
Luft axial durch die Bläseranordnung 12 in
einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer durch das
Triebwerk 10 verlaufenden Mittelachse 34 ausgerichtet
ist. Die unter Druck gesetzte Luft wird in erster Linie durch den
Hochdruckverdichter 14 der Brennkammer 16 zugeführt. Der
meiste Teil der stark verdichteten Luft wird der Brennkammer 16 zugeführt. Eine
(in 1 nicht veranschaulichte) Luftströmung von
der Brennkammer 16 treibt die Turbinen 18 und 20 an,
während
die Turbine 20 über
die Welle 31 die Bläseranordnung 12 antreibt.
Die Hochdruckturbine 18 enthält eine Reihe von Laufschaufeln 60.
-
Die
Laufschaufel oder das Schaufelblatt 60 ist in größeren Einzelheiten
in 3 veranschaulicht. Außerdem kann das Schaufelblatt
eine Leitschaufel darstellen. Das Schaufelblatt 60 weist
eine Vorderkante 74 und eine der Vorderkante gegenüberliegende
Hinterkante 76 auf. Die Laufschaufel weist ferner eine
Laufschaufelspitze 81 und einen Laufschaufelfuß 79 auf,
die radial einander gegenüberliegend bzw.
an den radial entgegengesetzten Enden angeordnet sind. Die Spitze
und der Fuß sind
durch eine radial verlaufende Strecke bzw. einen radialen Abstand
voneinander getrennt. Die Laufschaufel ist an dem Fuß mit dem
(nicht veranschaulichten) Rotor gekoppelt. Durch das Gasturbinentriebwerk
entlang des Strömungspfads
strömende
Luft strömt über der Laufschaufel 60 in
einer axialen Richtung von der Vorderkante 74 zu der Hinterkante 76.
Verdichtete Kühlluft
strömt
durch die Öffnungen
an der Vorderkante 74 des Schaufelblattes und auch durch
Einlasskanäle 77 in
die Laufschaufel hinein. Die Kühlluft, die
durch die Kanäle 77 strömt, strömt radial
nach außen
in Richtung auf die Laufschaufelspitze 81. Bei ihrer Erstreckung
zu der Spitze 81 hin vereinigen sich die Einlasskanäle zu einem
einzelnen Kühlkanal 91. Dieser
Kühlkanal
erstreckt sich in einer schlangenartigen Weise durch den Innenraum
der Laufschaufel hindurch. Wie in 3 veranschaulicht,
enthält
die Laufschaufel 60 zwei Einlässe, wobei es jedoch verständlich sein
sollte, dass die Laufschaufel 60 eine beliebige geeignete
Anzahl von Einlasskanälen 77 enthalten
kann. In 3 eingezeichnete Pfeile kennzeichnen
allgemein die Strömungsrichtung
der Kühlluft
im Inneren der Laufschaufel 60.
-
In
dem Kühlkanal 91 sind
zwischen den Einlasskanälen 77 und
der Spitze 81 mehrere voneinander beabstandete Leiteinrichtungen
bzw. -elemente 92 angeordnet. Die Leitein richtungen bzw.
-elemente sind in einer zueinander parallelen Anordnung ausgerichtet,
wobei jedes Leitelement zu den anderen Leitelementen in der Anordnung
im Wesentlichen parallel verläuft.
Jedes Leitelement weist ein erstes Ende 94 und ein zweites
Ende 95 auf. Bei jedem Leitelement ist das erste Ende 94 jedes
einzelnen Leitelementes näher
an dem Fuß 79 als
das zweite Ende 95 desselben Leitelementes angeordnet.
Bei jedem einzelnen Leitelement ist das zweite Leitelementende 95 im
Vergleich zu dem ersten Leitelementende 94 für dasselbe
Leitelement näher
an der Spitze 81 angeordnet. Die Leitelemente sind an der
Wand fixiert, die den Teil des Kühlkanals 91 an
der Hinterkante der Laufschaufel definiert. Die Leitelemente sind
unter einem Winkel in Bezug auf eine im Wesentlichen axial verlaufende
Achse 99 ausgerichtet. Jedes Leitelement ist in Bezug auf
die Achse 99 unter einem Winkel ausgerichtet, der kleiner
ist als 90°. Durch
eine derartige Ausrichtung der Leitelemente, bei der das erste und
das zweite Ende jedes Leitelementes sich an einer unterschiedlichen
radialen Stelle befinden, wird die Kühlluft effektiver in die Kühlschlitze 45 eingeleitet.
-
Wie
in 3 veranschaulicht, enthält die Laufschaufel 60 mehrere
Kühlschlitze 45.
Die Kühlschlitze
sind in einer im Wesentlichen parallelen Anordnung ausgerichtet.
Für die
Zwecke der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die Laufschaufel 60 sieben Schlitze auf, wobei es jedoch
verständlich
sein sollte, dass in der Laufschaufel eine beliebige geeignete Anzahl
von Schlitzen 45 vorgesehen sein kann. Jeder Schlitz weist
einen Einlass 96 und einen Auslass 97 auf. Die Auslässe 97 sind
an der Hinterkante 76 der Laufschaufel 60 angeordnet.
Die Schlitze sind in der Nähe
der Hinterkante in der Laufschaufel ausgebildet. Der Einlass steht
in Strömungsverbin dung
mit dem Kühlschlitz 91,
so dass Kühlluft
in dem Kühlkanal 91 durch
den Einlass 96 in den Kühlschlitz
eintritt. Die Schlitze 45 der Laufschaufel 60 weisen
eine im Wesentlichen gleichmäßige radiale
Abmessung auf, wobei die radiale Abmessung beispielsweise ein Durchmesser
sein kann. Bei jedem Kühlschlitz
ist der Auslass 97 näher
an dem Fuß 79 als
der Schlitzeinlass 96 desselben Kühlschlitzes angeordnet. Bei
jedem einzelnen Schlitz ist der Schlitzeinlass 96 näher an der
Laufschaufelspitze 81 als der Schlitzauslass 97 desselben
Kühlschlitzes
angeordnet. Infolge einer Positionierung des Einlasses und Auslasses
für jeden
Kühlschlitz
an einer unterschiedlichen radialen Stelle entlang der Laufschaufel
erzeugt das Schaufelblatt gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer effektiveren Weise einen Kühlfilm entlang der Laufschaufel.
Insbesondere bildet das Schaufelblatt 60 in effektiverer
Weise einen Kühlfilm
entlang der Hinterkante 76 der Laufschaufel aus.
-
4 veranschaulicht
eine modifizierte Ausführungsform
einer Laufschaufel 61, die Schlitze 48 aufweist,
die den Schlitzen 45 ähnlich
sind. Die Schlitze 48 enthalten einen Einlass 106 und
einen Auslass 107. Wie bei den Schlitzen 45 ist
der Einlass und der Auslass für
jeden Schlitz an einer anderen radialen Stelle entlang der Laufschaufel
angeordnet, wobei jeder Einlass 106 im Vergleich zu dem
Auslass 107 näher
an der Spitze 81 angeordnet ist. Der Auslass 107 ist
näher an
dem Fuß 79 als
der Einlass 106 angeordnet. Die radialen Abmessungen für die Einlässe 106 und
Auslässe 107 sind
nicht dieselben. Wie in 4 veranschaulicht, weist der
Einlass eine kleinere radiale Abmessung im Vergleich zu dem Auslass
auf. Die radiale Abmessung kann beispielsweise ein Durchmesser sein,
wobei der Durchmesser des Einlasses 106 kleiner ist als
der Durchmesser des Auslasses 107. Die Laufschaufel 61 enthält Kanäle 77, 91,
eine Vorderkante 74, eine Hinterkante 76, eine
Spitze 81, einen Fuß 79 und
Leiteinrichtungen bzw. -elemente, wie sie alle im Zusammenhang mit
der Laufschaufel 60 vorstehend beschrieben sind.
-
Es
ist zu beachten, dass, sofern hier nicht ausdrücklich anders angegeben, bei
der weiteren Beschreibung die Beschreibung in Bezug auf den Schlitz 45 ebenfalls
für den
Schlitz 48 gelten soll. Aus Einfachheitsgründen soll
sich die Beschreibung auf den Schlitz 45 beziehen. Wie
in den 3 und 4 veranschaulicht, können im
Wesentlichen alle Kühlschlitze 45, 48 in
einer zueinander parallelen Anordnung, unter im Wesentlichen demselben
Winkel alpha (a) ausgerichtet sein, wie dies im Einzelnen in 5 veranschaulicht
ist. Der Winkel α,
wie er bei 110 aufgezeigt ist, wird zwischen der Bezugslinie 35 und
der Mittelachse des Schlitzes 45 gemessen. Die Mittelachse
ist mit 120 bezeichnet. Die Bezugslinie 35 ist
im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. In einer modifizierten
Ausführungsform
können
weniger als im Wesentlichen alle Schlitze parallel zueinander eingerichtet
sein. Beispielsweise können
50% der Schlitze parallel zueinander unter demselben Winkel 110 angeordnet
sein. Der Winkel 110 des Kühlschlitzes 45 ist
hier veranschaulicht, wie der Winkel weniger als 90° und mehr
als 0° beträgt.
-
In
der Praxis ist die Luftströmung
durch den Kühlschlitz 45 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
der Erfindung von der Luftströmung
durch herkömmliche
Schlitze unterscheidbar, bei denen der Schlitzeinlass und der Schlitzauslass
an denselben radialen Positionen entlang der Längserstreckung der Laufschaufel
angeordnet sind. Die Kühlschlitze 45 minimieren
den Luftmassendurchfluss durch die Schlitze 45 und ergeben
somit eine gesteuerte bzw. kontrollierte Strömung durch die Laufschaufel,
die aus dem Schlitzauslass 97 mit einer Geschwindigkeit abgegeben
wird, die in Bezug auf herkömmliche Kühlschlitze
nach dem Stand der Technik deutlich reduziert ist. Eine derartige
zugemessene oder kontrollierte Luftströmung ruft eine teilweise Beschränkung bzw.
Drosselung der durch die Kühlschlitze 45 hindurchtretenden
Kühlluft
hervor. Es sollte verständlich sein,
dass eine derartige Beschränkung
bzw. Drosselung die Qualität
der an der Laufschaufel 60 erzeugten Kühlschicht nicht verringert.
Vielmehr dient die kontrollierte, zugemessene Strömung dazu,
die Erzeugung der Kühlfilmschicht 30 zu
verbessern und ferner sowohl den Austritt von Kühlluft in den Strömungspfad
der Verbrennungsgase als auch die Erzeugung einer Rückflussbedingung
zu verhindern. Durch Verringerung des Kühlluftmassendurchflusses durch
den Kühlschlitz 45 wird
die Geschwindigkeit der die Kühlschlitze
verlassenden Kühlluft
reduziert, wodurch eine kühlere,
sich langsamer bewegende Grenzschicht erzielt wird. Infolgedessen
bleibt die Kühlluft
beim Austritt aus dem Schlitz nahe an der Oberfläche und den Kanten der Turbinenlaufschaufel 60,
wodurch sichergestellt ist, dass eine geeignete Kühlschicht
ausgebildet ist.
-
5 stellt
eine detailliertere Ansicht der Kühlluftströmung dar, die in den Kühlschlitz 45 eintritt,
diesen durchströmt
und aus diesem heraustritt. Obwohl die Strömung der eintretenden, hindurchströmenden und
austretenden Kühlluft
nur in Bezug auf einen einzelnen Schlitz 45 veranschaulicht
ist, kennzeichnet die Strömung
den Fluss für
sämtliche
Schlitze 45 und 48. Die Kühlluft strömt zu dem Schlitz 45 durch
den Kanal 91 von einer ersten Strö mungsposition 126 aus
zu dem Kühlschlitzeinlass 96 hin.
In einer entgegengesetzten Richtung strömt Kühlluft durch den Kanal 91 von
einer zweiten Strömungsposition 127 aus
zu dem Kühlschlitzeinlass 96 hin
ein. Kühlluft
der ersten Position tritt in die Laufschaufel durch Öffnungen
an der Laufschaufelvorderkante 74 ein und führt durch
den stromaufwärtigen
Teil des Kanals 91 zu den Schlitzen hin. Wenn die Kühlluft von der
Strömungsposition 126 aus
zu dem Kühlschlitz strömt, kann
sie sich im Wesentlichen ungehindert in den Kühlschlitz 45 hinein
bewegen. Wenn Kühlluft von
der zweiten Strömungsposition 127 aus
eintritt, kann die Strömung
durch einen oder mehrere Trennbereiche 136, die an dem
Kühlschlitzeinlass 96 oder in
dessen Nähe
erzeugt werden, behindert sein. Ein Trennbereich 136 tritt
in einem zu dem Kühlschlitzeinlass 96 benachbarten
Bereich auf. Wenn sich Kühlluft
von der Strömungsposition 127 aus
dem Schlitz 45 annähert,
trifft die Kühlluft
von der Strömungsposition 127 plötzlich auf
die Strömung 126 auf
und erzeugt somit einen oder mehrere Bereiche, in dem bzw. denen
die Luft herumwirbelt und sich von ihrem ursprünglichen Strom trennt, wodurch
der Trennbereich 136 erzeugt wird.
-
Zusätzlich zu
der winkeligen Ausrichtung des Kühlschlitzes 45 kann
der Trennbereich 136 helfen, die Strömung der Kühlluft durch den Kühlschlitz 45 zuzumessen,
weil er wenigstens teilweise die Luftströmung aus der Strömungsposition 127 daran
hindern kann, sich in den Kühlschlitz 45 hinein
zu bewegen. Dies verhindert die Erzeugung einer Rückströmung sowie
ermöglicht
eine Kontrolle bzw. Steuerung des Kühlluftzustroms zu dem Schlitz.
Durch die Kühlluft,
die aus dem Kühlschlitzaunlass 45 austritt, wird
eine Kühlfilmschicht 130 gebildet.
Die Kühlfilmschicht 130 wird
an der Vorderkante 76 der Laufschaufel 60 erzeugt
und dient dazu zu helfen, die Oberfläche der Turbinenlaufschaufel 60 zu
kühlen und
die Laufschaufel gegen die schädlichen
Auswirkungen, die mit heißen
Verbrennungsgasen verbunden sind, zu schützen.
-
Der
Kühlschlitz 45 ist
unter einem Winkel 110 ausgerichtet, der in einem Bereich
von etwa 1 Grad (1°)
bis etwa 88 Grad (88°)
liegen kann. In einer weiteren Ausführungsform kann der Winkel 110 von etwa
10 Grad (10°)
bis etwa 75 Grad (75°)
betragen. In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Winkel
von etwa 20 Grad (20°)
bis etwa 60 Grad (60°),
vorzugsweise 30 Grad (30°)
bis etwa 50 Grad (50°)
betragen.
-
Das
Druckverhältnis
für jede
Turbinenlaufschaufel 60 an dem Einlass 96 jedes
Kühlschlitzes 45 liegt
in einem Bereich des Druckverhältnisses
zwischen etwa 1,05 und etwa 2,0. Der Ausdruck „Druckverhältnis" bedeutet das Verhältnis des inneren Laufschaufeldruckes
zu dem äußeren Strömungspfaddruck.
Es ist erwünscht,
ein Druckverhältnis
herbeizuführen,
das größer ist
als 1,0, weil ein Druckverhältnis,
das kleiner ist als dieser Wert, eine Rückflussbedingung herbeiführen würde. Ferner
ist erwünscht,
dass die Luftbewegung in dem Schaufelblatt durch den Kühlkanal,
die Schlitze und die Leiteinrichtungen eine Mach-Zahl in einem Bereich
von etwa 0,03 Mach bis etwa 1,0 Mach aufweist. Die Mach-Zahl ist
als das Verhältnis
der Geschwindigkeit eines Objektes oder einer Strömung bezogen
auf die Schallgeschwindigkeit in dem Medium, durch das es bzw. sie
sich bewegt, definiert. In der vorliegenden Erfindung liegt die
Mach-Zahl in dem gewünschten Bereich.
-
Weitere
mit der Laufschaufel gemäß der vorliegenden
Erfindung verbundene Vorteile umfassen die Tatsache, dass mehr Kühlschlitze 45 in
Triebwerken eingesetzt werden, die kleinere Turbinenlaufschaufeln
aufweisen. Mit dem Ausdruck „kleinere Turbinenlaufschaufeln" ist hier eine Turbinenlaufschaufel
in einer Flugzeugtriebwerkanwendung gemeint, bei der die Triebwerkkernströmungsrate
bei der Startleistung kleiner ist als 13,61 kg/sek. Ein beispielhaftes
Triebwerk mit kleineren Turbinenlaufschaufeln der hier beschriebenen
Bauart ist ein CT7- oder T700-Triebwerk, das von der General Electric Company,
Cincinatti, Ohio, erhältlich
ist.
-
Die
Laufschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
es, die Kühlschlitze 45 zu
gießen
anstatt auszubohren. Die Verwendung von gegossenen Schlitzen anstelle
von gebohrten Löchern stellt
eine deutliche Kostenersparnis bei der Herstellung, dem Betriebsmittelverbrauch
und dem Materialeinsatz dar. In einer Ausführungsform kann wenigstens
ein Teil der Kühlschlitze 45 entlang
der Hinterkante 76 der Turbinenlaufschaufel 60 gegossen
sein.
-
Die
Kühlschlitze 45 gemäß der Erfindung
ermöglichen
ferner eine vorteilhafte Variabilität. Der Ausdruck „vorteilhafte
Variabilität" bedeutet, dass ein oder
mehrere Kühlschlitze 45 entlang
seiner bzw. ihrer Längserstreckung
einen sich ändernden
Durchmesser aufweisen kann bzw. können und/oder aufgrund des
Gussvorgangs im Vergleich zu gebohrten Kühlschlitzen 75 einen
viel größeren Durchmesser aufweisen
kann bzw. viel größere Durchmesser
aufweisen können.
Ein Beispiel für
eine vorteilhafte Variabilität
stellt die Verwendung von größeren Löchern, d.
h. den Austritten der Kühlschlitze
entlang der Hinterkante der Turbinenlaufschau feln 70 (siehe 4) dar.
Durch Vorsehen größerer Austrittslöcher im
Verglich zu denjenigen, die durch Bohren, z. B. Laserbohren, erzielt
werden, wird eine größere Kühlfilmabdeckung
an der Oberfläche
der Turbinenlaufschaufel 60 erreicht. Nachdem die Auslässe 170 im
Vergleich zu denjenigen gemäß der momentanen
Schlitztechnologie größer eingerichtet
werden können,
können ferner
weniger Kühlschlitze 45 eingesetzt
werden als in Laufschaufeln, bei denen Schlitze mit konstanter radialer
Abmessung/konstantem radialen Durchmesser verwendet werden.
-
Diese
Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der
besten Ausführungsform,
zu offenbaren und auch, um einen Fachmann auf dem Fachgebiet in
die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden. Der Schutzumfang
der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere
Beispiele mit umfassen, die sich einem Fachmann erschließen. Es
besteht die Absicht, dass derartige weitere Beispiele in dem Schutzumfang
der Ansprüche
liegen sollen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich
von dem Wortsinn der Ansprüche
nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente
mit gegenüber
dem Wortsinn der Ansprüche
unwesentlichen Unterschieden enthalten.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung einer
Rückströmung und
zur Erzeugung eines Kühlschleiers 30 an
einem Schaufelblatt 60 durch Erzeugung von Trennbereichen 136 an
einem Kühlschlitzeinlass 96 und
durch Strömenlassen
eines Kühlfluids
durch den Kühlschlitz 45.
-
- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 12
- Bläseranordnung
- 13
- Kerntriebwerk
- 14
- Hochdruckverdichter
- 16
- Brennkammer
- 18
- Hochdruckturbine
- 20
- Niederdruckturbine
- 22
- Booster
- 24
- Bläserlaufschaufel
- 26
- Rotorlaufscheibe
- 27
- Einlassseite
- 29
- Auslassseite
- 30
- Kühlfilmschicht
- 31
- Welle
- 33
- Welle
- 34
- Mittelachse
- 35
- Bezugslinie
- 45
- Schlitz
- 48
- Schlitz
- 60
- Schaufelblatt
- 61
- Laufschaufel
- 74
- Vorderkante
- 76
- Hinterkante
- 77
- Einlasskanal
- 79
- Fuß
- 81
- Spitze
- 91
- Kühlkanal
- 92
- Leiteinrichtung,
Leitelement
- 94
- Erstes
Ende
- 95
- Zweites
Ende
- 96
- Einlass
- 97
- Auslass
- 99
- Achse
- 106
- Einlass
- 107
- Auslass
- 110
- Winkel
- 120
- Mittelachse
- 126
- Erste
Strömungsposition
- 127
- Zweite
Strömungsposition
- 130
- Kühlfilmschicht
- 136
- Trennbereich