DE102008055522A1

DE102008055522A1 - Divergente Turbinendüse

Info

Publication number: DE102008055522A1
Application number: DE102008055522A
Authority: DE
Inventors: Mark Boston Broomer; Victor Hugo Silva Milton Mills Correia; Robert Francis Newburyport Manning; Stephen Kin-Keung Andover Tung; Bhanu Mahasamudram Boxford Reddy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2009-06-25
Also published as: GB2455644B; JP5503140B2; GB2455644A; JP2009144724A; GB0822573D0; CA2645778C; US20090155050A1; CA2645778A1; US8281604B2

Abstract

Ein Turbinenleitkranz (22) enthält eine Reihe von Leitschaufeln (32), die sich radial in Spannweitenrichtung zwischen einem inneren und einem äußeren Band (34, 36) erstrecken. Die Leitschaufeln (32) enthalten eine Druck- und eine gegenüberliegende Saugseitenwand (38, 40) sowie eine Vorder- und eine gegenüberliegende Hinterkante (42, 44). Jede Leitschaufel (32) enthält ein inneres Muster von inneren Kühllöchern (52) und ein äußeres Muster von äußeren Kühllöchern (54), die entlang der Vorderkante (42) verteilt angeordnet sind. Die inneren und die äußeren Löcher (52, 54) laufen auseinander zu dem jeweiligen inneren bzw. äußeren Band (34, 36) hin, um Kühlluft in einer bevorzugten Weise austreten zu lassen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere darin vorgesehene Turbinendüsen.
In einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und in einer Brennkammer zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase mit einem Treibstoff vermischt. Die Gase strömen stromabwärts durch eine Hochdruckturbine (HDT), die Energie entzieht, um den Verdichter anzutreiben.
Und der HDT folgt eine Niederdruckturbine (NDT), die dazu dient, zusätzliche Energie aus den Verbrennungsgasen zum Antreiben eines stromaufwärts befindlichen Gebläses in einer Anwendung für ein Turbofan-Flugzeugtriebwerk oder zum Antreiben einer externen Antriebswelle für Turboproptriebwerksanwendungen zu entnehmen.
Der Triebwerkswirkungsgrad ist zu der maximalen Temperatur der Verbrennungsgase proportional. Jedoch ist die Verbrennungsgastemperatur durch die Materialstärke der verschiedenen Gasturbinentriebwerkskomponenten begrenzt, die durch die Verbrennungsgase aufgeheizt werden.
Die verschiedenen Strömungspfadkomponenten, die im Betrieb an die Verbrennungsgase angrenzen, werden gewöhnlich unter Entnahme eines Teils der Druckluft aus dem Verdichter gekühlt. Jede Komponente weist einen zur lokalen Maximierung der Kühleffizienz mit einer begrenzten Menge an Kühlluft speziell konfigurierten und zugewiesenen Kühlkreislauf auf.
Jede aus dem Verbrennungsprozess abgezweigte Kühlluft reduziert entsprechend die Triebwerkseffizienz und wird gegen die gewünschte Lebenserwartung für die verschiedenen Triebwerkskomponenten abgewogen.
Da die Verbrennungsgase in der ringförmigen Brennkammer unmittelbar stromabwärts von entsprechenden Treibstoffinjektoren entstehen, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind, haben die Verbrennungsgase ein entsprechendes in Umfangsrichtung sinusförmiges Temperaturmuster.
Und da der ringförmige Strömungspfad für die Verbrennungsgase, wenn sie in axialer Richtung durch das Triebwerk strömen, eine radial äußere und eine radial innere Begrenzung aufweist, erfahren die Verbrennungsgase auch ein radiales Profil, das anfänglich parabelförmig mit einer maximalen Temperatur in der Nähe des radialen Mittelspannbereichs des Strömungspfads und geringeren Temperaturen in der Nähe der äußeren und inneren Strömungspfadbegrenzung ist.
Nachdem sie in die Turbinendüse (Leiteinrichtung) der ersten Stufe eingetreten sind, werden die Verbrennungsgase in den verschiedenen Stufen von Turbinenrotorschaufeln stromabwärts von dieser gemischt, was die Temperaturverteilungen der Verbrennungsgase sowohl in Umfangsrichtung als auch in radialer Richtung aufgrund der dadurch erzeugten Luft- und Fliehkräfte verändert.
Jede Turbinendüsenstufe bzw. Turbinenleiteinrichtungsstufe enthält eine Reihe von hohlen Leitschaufeln, die sich radial zwischen einem äußeren und einem inneren Halteband erstrecken. Jede Rotorstufe enthält eine Reihe von gewöhnlich hohlen Turbinenrotorlaufschaufeln, die sich von einer tragenden Schau felplattform und einem in einer tragenden Rotorlaufscheibe montierten Schwalbenschwanz aus radial nach außen erstrecken. Und ein auch als Turbinenmantel bezeichnetes stationäres ringförmiges Turbinendeckband umgibt jede Reihe von Turbinenlaufschaufeln.
Die Düsenleitschaufeln und Turbinenlaufschaufeln weisen entsprechende flugel- bzw. blattartige Konfigurationen zur Leitung und Entnahme von Energie aus den Verbrennungsgasen auf. Die Düsenbänder, Schaufelplattformen und Turbinendeckbänder definieren die radial äußere und die radial innere Strömungspfadbegrenzung für die Verbrennungsgase.
Und jede dieser Strömungspfadkomponenten enthält gewöhnlich einen entsprechenden Kühlkreislauf für diese. Der innere Fuß und die äußere Spitze der Turbinenlaufschaufeln sind gewöhnlich schwieriger zu kühlen als die radialen Mittelspannabschnitte der Schaufelblätter. Die inneren und äußeren Bänder der Düse haben unterschiedliche Umgebungen, die die Kühlkonfigurationen für diese bestimmen. Und die Turbinendeckbänder sind oberhalb der Schaufelspitzen geeignet aufgehängt und weisen auch andere Kühlkonfigurationen auf.
Da das radial äußere und innere Turbinenband, die Schaufelplattformen und die Turbinendeckbänder die äußere und innere Strömungspfadbegrenzung definieren, ist die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase entlang dieser relativ gering im Vergleich zu der Mittelspanne der Schaufelblätter, an der die Gasgeschwindigkeit ihr Maximum aufweist. Dementsprechend variiert der Wärmefluss von den Verbrennungsgasen im Wesentlichen in der Radialrichtung und variiert außerdem, wenn sich das Umfangsmuster und das radiale Profil der Verbrennungsgase stromabwärts von Stufe zu Stufe verändern.
Demgemäß enthalten die verschiedenen Kühlkreisläufe für die verschiedenen Strömungspfadkomponenten gewöhnlich verschiedene Formen von Kühllöchern zur Konvektionskühlung, Aufprallkühlung und Filmkühlung, wie dies durch die lokalen Bedingungen der Verbrennungsgase und die durch diese erzeugte Temperatur oder Hitze bestimmt ist.
Der Stand der Technik enthält unzählige Konfigurationen von Kühlkreisläufen und Kühllöchern für Gasturbinentriebwerkskomponenten, die alle danach streben, die Kühleffizienz zu maximieren und dabei gleichzeitig die Kühlluftmenge zu minimieren, um eine lange Haltbarkeit und Standzeit der Triebwerkskomponenten zu bewirken.
Die spezielle Konfiguration der Kühlkreisläufe ist ausgelegt, um das lokale Profil der Verbrennungsgase zu berücksichtigen, um die Komponententemperatur und -belastung innerhalb akzeptabler Grenzen für die Haltbarkeit und Standzeit zu begrenzen.
Demgemäß ist es gewünscht, eine Turbinendüse mit einer verbesserten Kühlung für die Düse selbst zu schaffen sowie das Temperaturprofil der von dieser abgegebenen Verbrennungsgase zu verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung enthält eine Reihe von Leitschaufeln, die sich radial in Spannweitenrichtung zwischen einem inneren und einem äußeren Band erstrecken. Die Leitschaufeln enthalten eine Druck- und eine gegenüberliegende Saugseitenwand sowie eine Vorder- und eine gegenüberliegende Hinterkante. Jede Leitschaufel enthält ein inneres Muster von inneren Kühllöchern und ein äußeres Muster von äußeren Kühllö chern, die entlang der Vorderkante verteilt angeordnet sind. Die inneren und die äußeren Löcher divergieren zu dem zugehörigen inneren bzw. äußeren Band hin, um Kühlluft in einer bevorzugten Weise abzugeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung entsprechend bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen ist gemeinsam mit weiteren Aufgaben und Vorteilen von dieser im Einzelnen in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung angegeben ist:
1 zeigt eine schematisierte Axialschnittansicht eines Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks, das mehrere Turbinenstufen enthält.
2 zeigt eine flächenartige Ansicht der in 1 veranschaulichten Turbinenstufen, geschnitten entlang der Linie 2-2.
3 zeigt eine isometrische Ansicht einer beispielhaften Leitschaufel einer Turbinendüse einer ersten Stufe, wie sie in 2 veranschaulicht ist, geschnitten entlang der Linie 3-3.
4 zeigt eine radiale Schnittansicht durch die in 3 veranschaulichte Düsenleitschaufel hindurch, geschnitten entlang der Linie 4-4.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist in schematisierter Weise ein Abschnitt eines Gasturbinentriebwerks 10 veranschaulicht, das rings um eine Längsachse oder axiale Mittelachse 12 achsensymmetrisch ist. Das Triebwerk enthält einen mehrstufigen Kreiselverdichter 14 in axialer Bauart (von dem ein hinterer Teil veranschaulicht ist), der konfiguriert ist, um im Betrieb Luft 16 mit Druck zu beaufschlagen.
Dem Verdichter folgt unmittelbar eine ringförmige Brennkammer 18, die eine Reihe von stromaufwärtigen Treibstoffinjektoren aufweist, die einen Treibstoff in die Druckluft von dem Verdichter einspeisen, um während des Betriebs heiße Verbrennungsgase 20 zu erzeugen.
Nach der Brennkammer sind mehrere Turbinenstufen angeordnet, die speziell dazu konfiguriert sind, aus den heißen Verbrennungsgasen Energie zu entziehen. Eine Hochdruckturbine (HDT) enthält in serieller Strömungsverbindung eine Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung 22 einer ersten Stufe, gefolgt von Turbinenrotorschaufeln 24 der ersten Stufe, denen wiederum eine Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung 26 einer zweiten Stufe und entsprechende Turbinenrotorlaufschaufeln 28 der zweiten Stufe folgen.
Die zweistufige HDT ist rings um die Mittelachse 12 achsensymmetrisch und leitet die ringraumförmigen Verbrennungsgase axial stromabwärts zu der Niederdruckturbine (NDT) 30.
Die Turbinenrotorschaufeln 24, 28 erstrecken sich von tragenden Rotorscheiben aus radial nach außen, die wiederum durch eine erste Antriebswelle mit dem Rotor des Verdichters 14 verbunden sind, um diesem Leistung zuzuführen. Jede Laufschaufel 24, 28 weist das typische Schaufelblatt auf, das sich von einer integralen Plattform an dem Fuß von dieser bis zu einer radial äußeren Spitze erstreckt.
Die Schaufeln weisen entsprechende Schwalbenschwänze auf, die in entsprechenden Schwalbenschwanzschlitzen in dem Umfang der beiden Rotorscheiben montiert sind. Und jede Reihe von Schaufeln 24, 28 ist von einem entsprechenden Turbinenmantel bzw. -deckband umgeben.
Die NDT 30 ist in 1 schematisiert veranschaulicht und enthält eine oder mehrere Turbinenstufen, die jeweils eine entsprechende Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung aufweisen, der eine Reihe von Turbinenrotorschaufeln folgt, die mit einer weiteren tragenden Rotorscheibe verbunden sind, die in einer typischen Flugzeugtriebwerkskonfiguration ein stromaufwärtiges Gebläse oder einen stromaufwärtigen Turboprop über eine weitere Antriebswelle antreibt.
Das in 1 veranschaulichte Basistriebwerk 10 weist eine herkömmliche Konfiguration und Funktionsweise auf und erzeugt Verbrennungsgase 20 mit dem typischen sinusförmigen Umfangstemperaturmuster und einem parabelförmigen radialen Temperaturprofil T1 an dem kreisringförmigen hinteren Auslass der Brennkammer 18.
Das radiale Temperaturprofil T1 der Verbrennungsgase 20, die aus der ringförmigen Brennkammer austreten, weist eine maximale Temperatur oder Spitzentemperatur in der Nähe des radialen Mittelspannbereichs des Brennkammerauslasses auf, wobei die Temperatur von diesem aus radial nach außen und nach innen abnimmt, wo die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase entlang der äußeren und der inneren Strömungspfadbegrenzung sinkt.
2 veranschaulicht den typischen serpentinenförmigen Strömungspfad für die Verbrennungsgase 20, wenn diese von der Brennkammer aus stromabwärts durch die beiden Stufen der Hochdruckturbine strömen. Die Turbinendüsen bzw. -leitkränze 22, 26 sind stationär und leiten die Verbrennungsgase stromabwärts mit entsprechenden Austrittsverwirbelungswinkeln in die zugehörigen Reihen von Turbinenrotorschaufeln 24, 28. Die umlaufenden Schaufeln entziehen den Verbrennungsgasen Energie, um den stromaufwärts befindlichen Verdichter anzutreiben, und sie verändern entsprechend sowohl das in Umfangsrichtung als auch das in Radialrichtung vorliegende Temperaturprofil der Verbrennungsgase 20 in dem Prozess.
In der Praxis wird das parabelförmige radiale Temperaturprofil T1, wie es in 1 veranschaulicht ist, gewöhnlich durch die Turbinenstufen geebnet bzw. flacher gemacht, so dass die Differenzen zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur über die radiale Spannweite des Strömungspfads hinweg reduziert werden und gewöhnlich auch die maximale Temperatur des Profils radial nach außen in den äußeren Spannweitenbereich des Strömungspfads verlagert wird.
Wie vorstehend angegeben, werden die verschiedenen Turbinenkomponenten, die die heißen Verbrennungsgase umgeben, gewöhnlich gegen die lokalen Schwankungen der Verbrennungsgastemperatur gekühlt. Da das Temperaturprofil der Verbrennungsgase in den verschiedenen Turbinenstufen variiert, variieren auch die Kühlkonfigurationen für die jeweiligen Strömungspfadkomponenten, um bei einer Minimierung der aus dem Verdichter abgezapften Kühlluft die Kühleffizienz zu maximieren.
Ein repräsentativer Teil der Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung 22 der ersten Stufe, wie sie in 1 veranschaulicht ist, ist in größeren Einzelheiten in 3 veranschau licht. Die Düse enthält eine kreisringförmige Reihe hohler Düsenleitschaufeln 32, die sich radial in Spannweitenrichtung zwischen diese seitlich umgebenden bogenförmigen inneren und äußeren Bändern 34, 36 erstrecken. Die Basiskonfiguration der Turbinendüse kann von herkömmlicher Art sein, bei der eine einzelne Leitschaufel 32 in Form eines Singlets bzw. Einzelsegmentes ausgebildet ist, wobei bogenförmige Abschnitte des inneren und des äußeren Bandes 34, 36 von dieser aus sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung frei auskragen.
Zwei dieser Singletts können anschließend in Form der entsprechenden Dubletten (Doppelleitschaufelsegmente), wie sie in 2 veranschaulicht sind, zusammen verlötet werden, wobei jede Dublette zwei Leitschaufeln aufweist, die mit integralen inneren und äußeren Bandsegmenten verbunden sind. Die Dubletten sind in der gesamten Reihe in Umfangsrichtung durch axiale Trennfugen voneinander getrennt, die herkömmliche Streifendichtungen enthalten.
Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, enthält jede der Leitschaufeln 32 eine im Wesentlichen konkave Druckseitenwand 38 und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende, im Wesentlichen konvexe Saugseitenwand 40. Die beiden Seitenwände 38, 40 erstrecken sich radial in Spannweitenrichtung zwischen den beiden Bändern 34, 36 und sind beispielsweise in der gemeinsamen Gussausführung integral mit diesen verbunden.
Die beiden bogenförmigen Seitenwände 38, 40 weisen das typische sichelförmige Schaufelblattprofil auf, das sich axial in Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante und einer axial gegenüberliegenden Hinterkante 42, 44 erstreckt, die über die gesamte radiale Spannweite jeder Leitschaufel verlaufen.
Jede der Leitschaufeln 32, wie sie in den 2 und 3 veranschaulicht sind, enthält einen inneren Kühlkreislauf 46, der in geeigneter Weise mit dem Verdichter 14 in Strömungsverbindung angeordnet ist, um einen Teil der unter Druck gesetzten Kühlluft oder des Kühlmittels 16 von diesem abzuzapfen. Der Kühlkreislauf 46 kann eine beliebige herkömmliche Konfiguration aufweisen und enthält gewöhnlich einen oder mehrere innere Strömungskanäle, die sich radial innerhalb der Leitschaufel in radialer Richtung erstrecken und die die verbrauchte Kühlluft durch verschiedene Reihen herkömmlicher Filmkühllöcher 48, die über den Leitschaufelseitenwänden verteilt angeordnet sind, und durch eine Reihe von Druckseiten-Auslasslöchern 50 abgeben, die eng benachbart zu der Hinterkante 44 enden.
Die Turbinendüse 22 der ersten Stufe, wie sie vorstehend beschrieben und in den Figuren veranschaulicht ist, kann eine beliebige herkömmliche Konfiguration und Funktionsweise haben und wird hier nachstehend geeignet modifiziert, um eine deutliche Verbesserung zu erzielen. Demgemäß kann jede beliebige sonstige Art einer Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung einer ersten Stufe auch in ähnlicher Weise modifiziert werden, um entsprechende Vorteile zu genießen.
Insbesondere enthält jede der Düsenleitschaufeln 32, wie sie anfänglich in 3 veranschaulicht sind, ein radial inneres oder unteres Muster von inneren Kühllöchern 52, die radial entlang der unteren Hälfe der Vorderkante 42 bis zu dem inneren Band 34 verteilt angeordnet sind, und entsprechend ein radial äußeres Muster aus äußeren Kühllöchern 54, die radial entlang der oberen Hälfe der Vorderkante 42 bis zu dem äußeren Band 36 verteilt angeordnet sind.
Die inneren Löcher 52 sind radial nach innen zu dem umgebenden inneren Band hin geneigt, um die verbrauchte Kühlluft 16 aus dem Innenraum der hohlen Leitschaufel und nach außen durch die Seitenwände in Richtung auf das innere Band austreten zu lassen. Die äußeren Löcher 54 sind radial nach außen zu dem umgebenden äußeren Band 36 hin geneigt, um einen weiteren Teil der verbrachten Kühlluft 16 nach außen durch die Seitenwände hindurch in Richtung auf das äußere Band austreten zu lassen.
Das innere und das äußere Muster von Kühllöchern 52, 54 divergieren demgemäß oder laufen auseinander, radial voneinander weg von der Innenseite zu der Außenseite der Leitschaufeln entlang der Vorderkante des Schaufelblattes zwischen dem inneren und dem äußeren Band gegen die einströmenden Verbrennungsgase, die aus der Brennkammer ausgegeben werden.
4 veranschaulicht eine beispielhafte radiale Reihe oder Spalte der divergierenden Löcher 52, 54 im radialen Schnitt entlang der Vorderkante 42. Die inneren Löcher 52 haben einen flachen ersten Neigungswinkel A relativ zu der äußeren radialen Oberfläche der Leitschaufel, wobei dieser Neigungswinkel radial nach innen zu dem vorderen Abschnitt des inneren Bandes 34, der die Vorderkante außen umgibt, ausgerichtet ist.
Entsprechend weisen die äußeren Löcher 54 einen entgegengesetzt gerichteten flachen zweiten Neigungswinkel B auf, der in Radialrichtung von den inneren Löchern und auch relativ zu der äußeren Radialfläche der Leitschaufel auseinander läuft, wobei der zweite Neigungswinkel radial nach außen zu dem vorderen Abschnitt des äußeren Bandes 36 hin, der die Vorderkante außen umgibt, ausgerichtet ist.
Beide Neigungswinkel A, B sind flach oder im Wesentlichen spitz und betragen weniger als 90 Grad. Der Anfangs- oder Hauptzweck der schrägen Löcher 52, 54 besteht darin, sowohl eine innere Konvektionskühlung der Seitenwände der Leitschaufel dort zu erzielen, wo diese angeordnet sind, als auch eine externe Filmkühlung zu erzielen.
Filmkühllöcher sind herkömmlich bekannt und haben relativ flache Neigungswinkel, um die verbrauchte Kühlluft entlang der äußeren Schaufelblattoberfläche abzugeben und dabei gleichzeitig eine im Wesentlichen anliegende Strömung mit, wenn überhaupt, nur wenig unerwünschter Ablösung oder Abhebung der Strömung aufrechtzuerhalten. Bevorzugte Neigungswinkel A, B gegenüber der Strömungsoberfläche betragen etwa 28 Grad, um sowohl eine Filmkühlung als auch eine bevorzugte Modifikation des radialen Temperaturprofils der Verbrennungsgase zu erzielen, wobei sie jedoch durch das Verfahren zum Lochbohren begrenzt sein können.
Beispielsweise veranschaulicht 4 die integralen äußeren und inneren Bänder 34, 36, die sich in der beispielhaften Singlet-Gussherstellung von diesen von den gegenüberliegenden Enden der Düsenleitschaufel 32 selbst seitlich nach außen erstrecken oder entsprechend auskragen. Demgemäß beeinträchtigen die Bänder 34, 36 selbst das Bohren der Kühllöcher 52, 54 aufgrund ihrer Vorkragung bzw. ihres Überhangs.
Die Löcher 52, 54 können durch jedes beliebige herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise durch Laserbohren oder durch elektroerosive Bearbeitung (EDM, Electrical Discharge Machining), hergestellt werden, die beide für den Bohrvorgang eine gerade Sichtlinie erfordern. In der Nähe der Mittelspanne der Leitschaufel 32 ergeben das äußere und das innere Band 34, 36 eine minimale Behinderung durch Vorkragung, und sie gestatten es, dass die entsprechenden Löcher 52, 54 mit verhältnismäßig flachem Neigungswinkel, nach unten hin bis zu einem bevorzugten Neigungswinkel von etwa 28 Grad, gebohrt werden können.
Jedoch stehen das äußere und das innere Band 34, 36 an den gegenüberliegenden Enden der Leitschaufel 32 vor und behindern die seichte oder unter flachem Winkel verlaufende Sichtlinie zum Lochbohren, so dass folglich die zu den beiden Bändern 34, 36 eng benachbarten Löcher 52, 54 entsprechend größere Neigungswinkel A, B aufweisen, die etwa 40 Grad oder 50 Grad oder mehr betragen können, aber dennoch kleiner als 90 Grad sind, und zwar dort, wo sie zu den angrenzenden Bändern eng benachbart sind.
Demgemäß variieren die inneren Löcher 52 hinsichtlich des ersten Neigungswinkels A von dem Mittelspannbereich der Leitschaufel benachbart zu dem äußeren Muster aus bis hin zu dem inneren Band 34. In entsprechender Weise variiert auch der entgegengesetzte, zweite Neigungswinkel B der äußeren Löcher 54 von dem Mittelspannbereich in der Nähe des inneren Musters aus bis zu dem äußeren Band 56.
In der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 3 veranschaulicht ist, überbrücken sowohl das innere als auch das äußere Muster der inneren und äußeren Löcher 52, 54 in Seitenrichtung oder in Umfangsrichtung entsprechende kleine Abschnitte der Druck- und Saugseitenwand 38, 40 entlang der Vorderkante 42.
Beispielsweise können die inneren und die äußeren Löcher 52, 54 in radialen Reihen oder Spalten, im Wesentlichen parallel zu der Vorderkante 42 zwischen dem inneren und dem äußeren Band 34, 36 verteilt oder angeordnet sein.
Außerdem können das innere und das äußere Muster von Löchern 52, 54 ferner gemeinsame radiale Spalten der inneren und äußeren Löcher 52, 54 enthalten, die sich radial über die gesamte Spannweite der Leitschaufel entlang der Vorderkante erstrecken.
In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in 3 veranschaulicht ist, enthalten das innere und das äußere Lochmuster mehrere, beispielsweise fünf, radiale Spalten der inneren und äußeren Löcher 52, 54, die in Seitenrichtung oder Umfangsrichtung voneinander und von der Vorderkante 42 entlang sowohl der Druck- als auch der Saugseitenwand 38, 40 beabstandet sind, um in voller Ergänzung zu Duschkopflöchern den Staubereich der Vorderkante 42 zu umfassen.
Insbesondere veranschaulicht 2 einen vergrößerten Abschnitt der Vorderkante 42 der Leitschaufel. Die Außenkrümmung der Vorderkante der Leitschaufel kann in Umfangsrichtung oder in Seitenrichtung durch einen bogenförmigen Abschnitt eines Kreises, der einen Radius R aufweist, definiert sein. Die Vorderkante 42 kann in herkömmlicher Weise durch aerodynamische Analyse als die nominale Stelle des Leitschaufelblattes, an der die einströmenden Verbrennungsgase 20 stocken bzw. sich stauen und sich entsprechend entlang der gegenüberliegenden Druck- und Saugseitenwände aufspalten, definiert werden.
Die Vorderkante und der zugehörige Staupunkt der Verbrennungsgase kann für einen bestimmten Triebwerkszustand, wie beispielsweise einen Flugvorgang in einem Flugzeugtriebwerk, oder jeden gewünschten Betriebspunkt ausgelegt sein. Und im Betrieb stocken die Verbrennungsgase und spalten sich in einem schmalen Schwankungsbereich der Vorderkantenstelle gemäß dem Auslegungspunkt auf.
Entsprechend können eine oder mehrere der radialen Spalten divergierender Kühllöcher 52, 54 an der Vorderkante jeder Leitschaufel angeordnet sein, wobei mehrere Spalten verwendet werden, um die Vorderkante seitlich über den vollen Umfang des Verbrennungsgas-Staubereichs zu überbrücken, in dem die Mach-Zahl der Verbrennungsströmung verhältnismäßig gering ist.
Die divergierenden Kühllöcher 52, 54 kühlen auf diese Weise nicht nur die Vorderkante jeder Leitschaufel effektiv gegen den Wärmezustrom aus den einströmenden Verbrennungsgasen, sondern sie verändern auch deutlich das radiale Temperaturprofil dieser Verbrennungsgase. Analysen und Komponententests von nach innen geneigten Kühllöchern und nach außen geneigten Kühllöchern bestätigen, dass das aus den Vorderkantenlöchern austretende Kühlmittel das radiale Temperaturprofil der Verbrennungsgase in der Nähe sowohl des inneren Bandes als auch des äußeren Bandes deutlich reduzieren kann.
Außerdem bestätigen die Analyse und die Tests, dass der Temperatur reduzierende Effekt der divergierenden Vorderkantenlöcher 52, 54 sich abwärts durch mehrere Stufen der Turbine hindurch und möglicherweise einschließlich der NDT 30, die in 1 für die darin dargestellte beispielhafte Kleintriebwerksklasse veranschaulicht ist, erstrecken kann.
Die beispielhaften Muster der inneren und äußeren Löcher 52, 54, wie sie in 3 veranschaulicht sind, können bemessen sein, um die einströmenden Verbrennungsgase 20 deutlich zu verdünnen, um ein in Radialrichtung parabelförmiges zweites Temperaturprofil T2, wie es schematisiert in 1 in den stromabwärtigen Turbinenstufen veranschaulicht ist, zwischen dem Auslassende der HDT und dem Einlassende der NDT herbeizuführen, das sich nicht nur von dem ursprünglichen radialen Temperaturprofil T1 an dem Brennkammerauslass unterscheidet, sondern deutlich anders ist, als es ansonsten bei herkömmlichen Duschkopflochkonfigurationen an einer Vorderkante auftreten wurde.
Wie oben erwähnt, wird das ursprüngliche parabelförmige Temperaturprofil T1 an dem Brennkammerauslass in den stromabwärtigen Turbinenstufen in einem herkömmlichen Triebwerk im Wesentlichen geebnet oder flacher gemacht, was den Unterschied zwischen der minimalen und der maximalen Temperatur in dem Profil wesentlich reduziert und gewöhnlich die maximale Temperatur radial nach außen in der Spanne des Strömungspfades verlagert.
Im Gegensatz hierzu können die divergierenden Vorderkanten-Kühllöcher 52, 54 derart bemessen sein, dass sie die Verbrennungsgase in der Nähe sowohl des inneren als auch des äußeren Bandes wesentlich verdünnen und die Temperatur der Verbrennungsgase selbst in der Nähe der Bänder entsprechend reduzieren, um das gewünschte radiale parabelförmige Temperaturprofil T2, wie es in 1 veranschaulicht ist, zu verstärken oder zu bewirken.
Die relativ einfache Modifikation oder Einführung der divergierenden Kühllöcher 52, 54 in dem Staubereich der Vorderkante jeder Leitschaufel kann grundlegende Auswirkungen in vielen stromabwärts befindlichen Komponenten entlang des Strömungspfads haben. Da die radiale Temperatur entlang des radial äußeren Strömungspfads der Verbrennungsgase deutlich reduziert ist, erfahren die radial äußeren Strömungspfadkomponenten insbesondere eine Reduktion der Verbrennungsgastemperatur und des Wärmeabstroms von diesen, was entsprechend eine Reduktion der Kühlluftanforderungen für diese ermöglicht.
Die einfache Modifikation der Kühlung der Turbinendüse der ersten Stufe an der Vorderkante ermöglicht folglich entsprechende Modifikationen in den stromabwärts befindlichen Strömungspfadkomponenten zur Reduktion ihres Kühlluftbedarfs und dementsprechend eine weitere Vergrößerung der Triebwerkseffizienz.
Außerdem kann durch Reduktion der Verbrennungsgastemperatur in der Nähe der äußeren Bänder und Turbinenmäntel deren Haltbarkeit verbessert werden, so dass die Nutzungsdauer von diesen maximiert wird, während dabei gleichzeitig auch die Triebwerksleistung gesteigert wird.
Da das ursprüngliche radiale Temperaturprofil T1 parabelförmig ist, wie in 1 veranschaulicht, umfasst die maximale Temperatur der Verbrennungsgase den Mittelspannbereich der Düsenleitschaufeln bei einer Spannhöhe von etwa 50% und schließt beispielsweise eine zusätzliche Spannhöhe von 25% sowohl radial nach außen als auch radial nach innen von dieser ein.
Demgemäß haben die beiden Muster divergierender Kühllöcher 52, 54, wie sie in 3 veranschaulicht sind, einen Übergangsbereich, der im Wesentlichen zu der maximalen radialen Temperatur der Verbrennungsgase radial ausgerichtet angeordnet ist, die gewöhnlich bei oder in der Nähe der Leitschaufelmittelspanne auftritt. Da die inneren und die äußeren Löcher 52, 54 unter entgegengesetzt gerichteten Neigungswinkeln A, B voneinander divergieren, können sie von Spalte zu Spalte radial versetzt werden, um zusätzlich eine effektive Kühlung der Leitschaufelvorderkante selbst in diesem Übergangsbereich gegen die einströmenden heißen Verbrennungsgase sicherzustellen.
Für eine zusätzliche Wirksamkeit der Kühlung können mehrere Übergangskühllöcher 56 seitlich entlang der Vorderkante 42 jeder Leitschaufel 32 in der Nähe ihrer Mittelspanne verteilt angeordnet werden, um das innere Muster der inneren Löcher 52 mit dem äußeren Muster der äußeren Löcher 54 gemeinsam radial zu verbinden bzw. aneinander angrenzen zu lassen.
Die Übergangslöcher 56 sind vorzugsweise in einer einzelnen seitlichen oder umfangsseitigen Reihe angeordnet, die die Druck- und die Saugseitenwand um die Vorderkante 42 herum überbrückt, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Die Übergangslöcher 56 sind weder radial nach innen noch radial nach außen geneigt, wie die benachbarten inneren und äußeren Löcher, sondern sie sind vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenwänden der Leitschaufel unter etwa 90 Grad sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung angeordnet.
Wie in 4 veranschaulicht, ergeben die gemeinsamen Muster der inneren Löcher 52, äußeren Löcher 54 und zentralen Übergangslöcher 56 ein radial divergierendes oder fächerförmiges Muster aus Löchern entlang der Vorderkante, die dazu dienen, die verbrauchte Kühlluft in einem fächerförmigen Muster in die einströmenden Verbrennungsgase abzugeben. Wie oben erwähnt, geraten die Verbrennungsgase an der Leitschaufelvorderkante ins Stocken und haben im Wesentlichen eine minimale Geschwindigkeit, wobei die verbrauchte Kühlluft durch die Vorderkantenlöcher 52, 54, 56 in entsprechenden Kühlluftstrahlen mit einem deutlichen Impuls abgegeben wird, um die einen geringeren Impuls aufweisenden, einströmenden Verbrennungsgase entsprechend zu verdünnen.
Die inneren Löcher 52, die äußeren Löcher 54 und die Übergangslöcher 56, wie sie in 3 veranschaulicht sind, weisen vorzugsweise im Wesentlichen gleiche Durchflussdurchmesser auf, die in dem Bereich typischer Duschkopfkühllöcher liegen und etwa 15–20 Mils (0,38–0.51 mm) betragen können. Die Neigungswinkel A, B der inneren und der äußeren Löcher 52, 54 sind vorzugsweise nur radial, ohne eine Neigung in Seitenrichtung ausgerichtet und sind folglich im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenwänden 38, 40 in der Seitenrichtung ausgerichtet.
Die bevorzugte Winkel- bzw. Schrägorientierung der Vorderkanten-Duschkopflöcher 52, 54, 56, wie sie in 3 veranschaulicht sind, zeigt ein unverkennbares Muster. Insbesondere haben diese Duschkopflöcher im Wesentlichen kreisförmige oder zylindrische Profile, die in entsprechenden Auslässen an der Außenfläche der Leitschaufel an der Vorderkante enden.
Die mittleren Übergangslöcher 56 sind in einer seitlichen Reihe angeordnet und haben aufgrund ihrer senkrechten Orientierung kreisförmige Auslässe.
Die nach innen geneigten Innenlöcher 52 haben radial elliptische oder ovale Auslässe an der Vorderkante, die an ihren unteren Rändern schärfer oder spitzer sind als an ihren oberen Rändern, was auf ihren Durchbruch an der gekrümmten Vorderkante zurückzuführen ist.
Und die nach außen geneigten äußeren Löcher 54 haben in ähnlicher Weise elliptische oder ovale Auslässe an der Vorderkante, die entlang ihrer äußeren Ränder spitzer als an ihren inneren Rändern und in Form einer Träne ausgebildet sind, was wiederum auf ihren Durchbruch an der gekrümmten Vorderkante zurückzuführen ist.
Obwohl Duschkopflöcher in Düsenleitschaufeln herkömmlicher Gasturbinentriebwerke üblich sind, weisen diese gewöhnlich eine identische Gestaltung und Orientierung auf, um die Leit schaufelvorderkante lokal zu kühlen und eine Filmkühlung stromabwärts davon entlang der Druck- und der gegenüberliegenden Saugseite zu initiieren.
Mit der verhältnismäßig einfachen Modifikation üblicher Duschkopflöcher zur Erzeugung des einmaligen divergierenden Musters, wie es beispielsweise in 3 veranschaulicht ist, kann nicht nur die Düsenleitschaufel selbst entlang der Vorderkante passend gekühlt werden und stromabwärts eine Filmkühlung initiieren, sondern können die divergierenden Kühllöcher das radiale Temperaturprofil der einströmenden Verbrennungsgase in dem Staubereich deutlich beeinflussen.
Die Temperatur der radial äußeren und inneren Teile der Verbrennungsgase kann deutlich reduziert werden, wenn die Gase stromabwärts durch die Turbinendüse hindurch und in die nachfolgenden Turbinenstufen strömen, was deutliche Reduktionen des Kühlluftbedarfs für alle Strömungspfadkomponenten, die der reduzierten Verbrennungsgastemperatur ausgesetzt sind, ermöglicht.
Außerdem kann diese Verbesserung des Kühlverhaltens erzielt werden, ohne dass der Kühlluftbedarf der Turbinendüse der ersten Stufe selbst in irgendeiner sonstigen Weise erhöht wird, insbesondere an der verbesserten Duschlochkonfiguration der Vorderkante von dieser.
Während hier Ausführungsformen beschrieben sind, die als die bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen werden, erschließen sich weitere Modifikationen der Erfindung für einen Fachmann aus der hier angegebenen Lehre selbst, so dass folglich gewünscht ist, in den beigefügten Ansprüchen all derartige Modifikationen, so fern sie in den wahren Rahmen und Schutzumfang der Erfindung fallen, zu schützen.
Was demgemäß geschützt werden soll, ist die Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert und beansprucht ist.
Ein Turbinenleitkranz 22 enthält eine Reihe von Leitschaufeln 32, die sich radial in Spannweitenrichtung zwischen einem inneren und einem äußeren Band 34, 36 erstrecken. Die Leitschaufeln 32 enthalten eine Druck- und eine gegenüberliegende Saugseitenwand 38, 40 sowie eine Vorder- und eine gegenüberliegende Hinterkante 42, 44. Jede Leitschaufel 32 enthält ein inneres Muster von inneren Kühllöchern 52 und ein äußeres Muster von äußeren Kühllöchern 54, die entlang der Vorderkante 42 verteilt angeordnet sind. Die inneren und die äußeren Löcher 52, 54 laufen auseinander zu dem jeweiligen inneren bzw. äußeren Band 34, 36 hin, um Kühlluft in einer bevorzugten Weise austreten zu lassen.

10: Gasturbinentriebwerk
12: Mittelachse
14: Verdichter
16: Luft
18: Brennkammer
20: Verbrennungsgase
22: Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung der Stufe 1
24: Rotorschaufeln
26: Turbinendüse bzw. -leiteinrichtung der Stufe 2
28: Rotorschaufeln
30: Niederdruckturbine (NDT)
32: Düsenleitschaufeln
34: Inneres Band
36: Äußeres Band
38: Druckseitenwand
40: Saugseitenwand
42: Vorderkante
44: Hinterkante
46: Kühlkreislauf
48: Filmkühllöcher
50: Hinterkanten-Auslasslöcher
52: Innere Kühllöcher
54: Äußere Kühllöcher
56: Übergangskühllöcher

Claims

Gasturbinentriebwerk (10), das aufweist: eine ringförmige Brennkammer (18), die zur Abgabe von Verbrennungsgasen (18) konfiguriert ist; eine Turbinendüse (22), die sich an die Brennkammer (18) anschließt und eine Reihe von Düsenleitschaufeln (32) enthält, die sich in Radialrichtung zwischen seitlich umgebenden inneren und äußeren Bändern (34, 36) erstrecken; eine Reihe von Turbinenrotorschaufeln (24), die nach der Düse (22) angeordnet sind, um aus den Verbrennungsgasen (20) Energie zu entnehmen; wobei jede der Düsenleitschaufeln (32) in Umfangsrichtung gegenüberliegend eine Druck- und eine Saugseitenwand (38, 40) enthält, die sich radial in Spannweitenrichtung zwischen den Bändern (34, 36) erstrecken und sich axial in Sehnenrichtung zwischen einer Vorder- und einer gegenüberliegenden Hinterkante (42, 44) erstrecken; und wobei jede Leitschaufel ferner ein inneres und ein äußeres Muster entsprechender innerer und äußerer Kühllöcher (52, 54) enthält, die entlang der Vorderkante (42) verteilt und nach innen zu dem inneren Band (34) hin bzw. nach außen zu dem äußeren Band (36) hin entgegengesetzt geneigt sind.
Triebwerk nach Anspruch 1, wobei das innere und das äußere Muster mehrere radiale Spalten der inneren und äußeren Löcher (52, 54) enthalten, die in Seitenrichtung entlang sowohl der Druck- als auch der Saugseitenwand (38, 40) parallel zu der Vorderkante (42) im Abstand zueinander angeordnet sind.
Triebwerk nach Anspruch 2, das ferner mehrere Übergangslöcher (56) aufweist, die entlang der Vorderkante (42) der Leitschaufeln (32) in der Nähe ihrer Mittelspanne verteilt angeordnet sind, um das innere Muster von inneren Löchern (52) mit dem äußeren Muster von äußeren Löchern (54) radial zu verbinden.
Triebwerk nach Anspruch 3, wobei die inneren Löcher (52) einen spitzen ersten Neigungswinkel radial nach innen zu dem Innenband (34) hin aufweisen, während die äußeren Löcher (54) einen entgegengesetzten spitzen zweiten Neigungswinkel aufweisen, der radial nach außen zu dem äußeren Band (36) divergiert.
Triebwerk nach Anspruch 4, wobei das innere und das äußere Muster gemeinsame radiale Spalten der inneren und äußeren Löcher (52, 54) enthalten.
Triebwerk nach Anspruch 4, wobei die Übergangslöcher (56) in einer seitlichen Reihe angeordnet sind, die die Druck- und Saugseitenwand (38, 40) um die Vorderkante (42) herum überbrückt.
Triebwerk nach Anspruch 4, wobei die inneren Löcher (52) hinsichtlich des ersten Neigungswinkels von dem äußeren Muster zu dem inneren Band (34) variieren und die äußeren Löcher (54) hinsichtlich des zweiten Neigungswinkels von dem inneren Muster zu dem äußeren Band (36) hin variieren.
Triebwerk nach Anspruch 4, wobei die Übergangslöcher (56) im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenwänden (38, 40) ausgerichtet sind.
Triebwerk nach Anspruch 4, wobei die inneren Löcher (52), die äußeren Löcher (54) und die Übergangslöcher (56) im Wesentlichen gleiche Durchflussdurchmesser haben und seitlich senkrecht zu den Seitenwänden (38, 40) angeordnet sind.
Triebwerk nach Anspruch 4, wobei: die Brennkammer (18) konfiguriert ist, um ein parabelförmiges erstes radiales Temperaturprofil in den Verbrennungsgasen (20), die aus der Düse (22) austreten, herbeizuführen; und jede der Düsenleitschaufeln (32) einen inneren Kühlkreislauf (46) enthält, um ein Kühlmittel (16) durch die divergierenden inneren und äußeren Löcher (52, 54) austreten zu lassen, um die Verbrennungsgase (20) zu verdünnen, um ein anderes radial parabelförmiges zweites Temperaturprofil durch die stromabwärts befindlichen Rotorschaufeln (24) herbeizuführen.