DE102007061564A1

DE102007061564A1 - Schaufelblatt mit verbesserter Kühlschlitzanordnung

Info

Publication number: DE102007061564A1
Application number: DE102007061564A
Authority: DE
Inventors: Jack Raul Zausner; Robert Fancis Newburyport Manning; David James Walker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2008-06-26
Also published as: CA2613763A1; US20090003987A1; JP2008157240A; FR2910524A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaufelblätter (60) und insbesondere Turbinenlaufschaufeln (61) und Leitschaufeln (92), die Kühlschlitze (45) aufweisen, die gegenüber einer Bezugslinie (35) unter einem Winkel ausgerichtet sind, um eine Zumessung von Kühlluft durch deren Kühlschlitze (45) zu bewirken. Diese zugemessene Kühlluftströmung erzeugt eine stabilere Filmkühlschicht (60) an der Oberfläche des Schaufelblattes (60).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelblatt mit wenigstens einem Schlitz zur Kühlung eines Teils eines Schaufelblattes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Schaufelblatt, das Kühlschlitze aufweist, wobei der Einlass und der Auslass für jeden Kühlschlitz an unterschiedlichen radialen Positionen entlang der radialen Längserstreckung der Schaufel angeordnet sind.
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 bzw. Position 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 Schaufelblatt geschaffen, das eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Schaufelblatt spitze 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 für den wenigstens einen Schlitz der Einlass und der Auslass an unterschiedlichen radialen Stellen in dem Schaufelblatt angeordnet sind.
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 Turbinenschaufel, die eine Kühlschlitzanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Turbinenschaufel, 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 Schaufel 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 Schaufel weist ferner eine Schaufelspitze 81 und einen Schaufelfuß 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 Schaufel ist an dem Fuß mit dem (nicht veranschaulichten) Rotor gekoppelt. Durch das Gasturbinentriebwerk entlang des Strömungspfads strömende Luft strömt über der Schaufel 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 Schaufelspitze 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 Schaufel hindurch. Wie in 3 veranschaulicht, enthält die Schaufel 60 zwei Einlässe, wobei es jedoch verständlich sein sollte, dass die Schaufel 60 eine beliebige geeignete Anzahl von Einlasskanälen 77 enthalten kann. In 3 eingezeichnete Pfeile kennzeichnen allgemein die Strömungsrichtung der Kühlluft im Inneren der Schaufel 60.
In dem Kühlkanal 91 sind zwischen den Einlasskanälen 77 und der Spitze 81 mehrere voneinander beabstandete Leiteinrichtungen bzw. -elemente 92 angeordnet. Die Leiteinrichtungen bzw. -elemente sind in einer zueinander paralle len 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 Schaufel 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 Schaufel 60 sieben Schlitze auf, wobei es jedoch verständlich sein sollte, dass in der Schaufel 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 Schaufel 60 angeordnet. Die Schlitze sind in der Nähe der Hinterkante in der Schaufel ausgebildet. Der Einlass steht in Strömungsverbindung mit dem Kühlschlitz 91, so dass Kühlluft in dem Kühlkanal 91 durch den Einlass 96 in den Kühlschlitz eintritt. Die Schlitze 45 der Schaufel 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 Schaufelspitze 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 Schaufel erzeugt das Schaufelblatt gemäß der vorliegenden Erfindung in einer effektiveren Weise einen Kühlfilm entlang der Schaufel. Insbesondere bildet das Schaufelblatt 60 in effektiverer Weise einen Kühlfilm entlang der Hinterkante 76 der Schaufel aus.
4 veranschaulicht eine modifizierte Ausführungsform einer Schaufel 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 Schaufel 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 Schaufel 61 enthält Kanäle 77, 91, eine Vorderkante 74, eine Hinterkante 76, eine Spitze 81, einen Fuß 79 und Leit einrichtungen bzw. -elemente, wie sie alle im Zusammenhang mit der Schaufel 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 (α) 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 Schaufel, die aus dem Schlit zauslass 97 mit einer Geschwindigkeit abgegeben wird, die im Vergleich zu herkömmlichen Kühlschlitzen 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 Schaufel 60 erzeugten Kühlschicht nicht verringert. Vielmehr dient die kontrollierte, zugemessene Strömung dazu, die Erzeugung der Kühlfilmschicht 30 zu verbessern und ferner sowohl das Entweichen 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 Turbinenschaufel 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 Strömungsposition 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 Schaufel durch Öffnungen an der Schaufelvorderkante 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 sich der Trennbereich 136 ausbildet.
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 Kühlschlitzauslass 45 austritt, wird eine Kühlfilmschicht 130 gebildet. Die Kühlfilmschicht 130 wird an der Vorderkante 76 der Schaufel 60 erzeugt und dient dazu zu helfen, die Oberfläche der Turbinenschaufel 60 zu kühlen und die Schaufel 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 etwa 30 Grad (30°) bis etwa 50 Grad (50°) betragen.
Das Druckverhältnis für jede Turbinenschaufel 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 Schaufeldruckes 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 Schaufel gemäß der vorliegenden Erfindung verbundene Vorteile umfassen die Tatsache, dass mehr Kühlschlitze 45 in Triebwerken eingesetzt werden, die kleinere Turbinenschaufeln aufweisen. Mit dem Ausdruck „kleinere Turbinenschaufeln" ist hier eine Turbinenschaufel in ei ner Flugzeugtriebwerkanwendung gemeint, bei der die Triebwerkkernströmungsrate bei der Startleistung kleiner ist als 13,61 kg/sek. Ein beispielhaftes Triebwerk mit kleineren Turbinenschaufeln der hier beschriebenen Bauart ist ein CT7- oder T700-Triebwerk, das von der General Electric Company, Cincinatti, Ohio, erhältlich ist.
Die Schaufel 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 Turbinenschaufel 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 Turbinenschaufeln 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 Turbinenschaufel 60 erreicht. Nachdem die Auslässe 170 im Vergleich zu denjenigen gemäß der momentanen Schlitztechnologie größer eingerichtet wer den können, können ferner weniger Kühlschlitze 45 eingesetzt werden als in Schaufeln, 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 Schaufelblätter 60 und insbesondere Turbinenlaufschaufeln 61 und Leitschaufeln 92, die Kühlschlitze 45 aufweisen, die gegenüber einer Bezugslinie 35 unter einem Winkel ausgerichtet sind, um eine Zumessung von Kühlluft durch deren Kühlschlitze 45 zu bewirken. Diese zugemessene Kühlluftströmung erzeugt eine stabilere Filmkühlschicht 60 an der Oberfläche des Schaufelblattes 60.

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, Schaufel
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

Claims

Schaufelblatt (60) mit einer Vorderkante (74), einer Hinterkante (76), einer Schaufelspitze (81) an einem ersten Schaufelende (94) und einem Schaufelfuß (79) an einem zweiten Schaufelende (95), wobei die Spitze (81) und der Fuß (79) durch einen radialen Abstand voneinander beabstandet sind, einem Kühlkanal (91), der sich zwischen der Vorder- und der Hinterkante (74, 76) erstreckt, und wenigstens einem Kühlschlitz (45), der ein Einlassende, das mit dem Kühlkanal (91) zum Fluidempfang in Strömungsverbindung steht, und ein Auslassende in der Nähe der Hinterkante (76) aufweist, wobei für den wenigstens einen Schlitz (45) der Einlass (96) und der Auslass (97) an unterschiedlichen radialen Stellen in dem Schaufelblatt (60) angeordnet sind.
Schaufelblatt (60) nach Anspruch 1, wobei die radialen Abmessungen des Einlasses (96) und des Auslasses (97) des wenigstens einen Kühlschlitzes (45) im Wesentlichen dieselben sind.
Schaufelblatt (60) nach Anspruch 1, wobei sich die radialen Abmessungen des Einlasses (96) und des Auslasses (97) des wenigstens einen Kühlschlitzes (45) voneinander unterscheiden.
Schaufelblatt nach Anspruch 3, wobei die radiale Abmessung des Einlasses (96) kleiner ist als die radiale Abmessung des Auslasses (97).
Schaufelblatt (60) nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Kühlschlitz (45) unter einem Winkel in einem Bereich zwischen 1 und 88 Grad, vorzugsweise 10 bis 75 Grad, mehr bevorzugt 20 bis 60 Grad, am meisten bevorzugt 30 bis 50 Grad, in Bezug auf eine Bezugslinie (35) ausgerichtet ist, die im Wesentlichen parallel zu einer axial verlaufenden Achse (34) liegt.
Schaufelblatt (60) nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (60) mehrere Kühlschlitze (45) aufweist.
Schaufelblatt (60) nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (60) eine Turbinenlaufschaufel (61) bildet.
Schaufelblatt (60) nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (60) eine Leitschaufel (92) bildet.
Schaufelblatt (60) nach Anspruch 5, wobei weniger als alle Kühlschlitze (45) unter einem Winkel zwischen 1 Grad und 88 Grad, vorzugsweise 10 bis 75 Grad, mehr bevorzugt 20 bis 60 Grad, in Bezug auf eine Bezugslinie (35) ausgerichtet sind, die im Wesentlichen parallel zu einer axial verlaufenden Achse (34) ausgerichtet ist.
Gasturbinentriebwerk (10), das eine Turbine mit mehreren Schaufelblättern (60) aufweist, wobei jedes der Schaufelblätter (60) eine Vorderkante (74), eine Hinterkante (76), eine Schaufelspitze (81) an einem ersten Schaufelende (94) und einen Schaufelfuß (79) an einem zweiten Schaufelende (96), wobei die Spitze (81) und der Fuß (79) durch einen radialen Abstand voneinander beabstandet sind, einen Kühlkanal (91), der sich zwischen der Vorder- und der Hinterkante (74, 76) erstreckt, und wenigstens einen Kühlschlitz (45) aufweist, der ein Einlassende (96), das mit dem Kühlkanal (91) in einer Fluid empfangenden Strömungsverbindung steht, und ein Auslassende (97) in der Nähe der Hinterkante (76) aufweist, wobei bei dem wenigstens einen Schlitz (45) der Einlass (96) und der Auslass (97) an unterschiedlichen radialen Stellen in dem Schaufelblatt (60) angeordnet sind.