-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und
insbesondere die Kühlung
in einer Turbine.
-
In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Kompressor unter Druck
gesetzt, in einer Brennkammer mit einem Brennstoff vermischt und gezündet, um
heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen, die stromabwärts durch eine oder mehrere
Turbinenstufen strömen,
um daraus Energie zu gewinnen. Eine Hochdruckturbine (HPT, High
Pressure Turbine) extrahiert zunächst
Energie von Gasen, um den Kompressor anzutreiben. Ferner wird den
Gasen gewöhnlich
zusätzliche
Energie durch eine Niederdruckturbine (LPT, Low Pressure Turbine)
entzogen, die gewöhnlich
einen Bläser
(Fan) antreibt, der stromabwärts
des Kompressors angeordnet ist.
-
Die
HPT enthält
eine stationäre
Turbinendüse,
die die Verbrennungsgase unmittelbar von der Brennkammer empfängt, um
die Gase auf eine Reihe rotierender Turbinenlaufschaufeln umzulenken,
die sich von einer Rotorlaufscheibe radial nach außen erstrecken.
Die Düse
enthält
mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Statorleitschaufeln, die
das Leistungsverhalten der Rotorlaufschaufeln vervollständigen.
-
Sowohl
die Leitschaufeln als auch die Laufschaufeln sind geeignet als Schaufelblätter konfiguriert,
die zusammenwirken, um den Wirkungsgrad der Energiegewinnung aus
den Verbrennungsgasen, die darüber
strömen,
auf ein Maximum zu steigern. Die Leitschaufel- und Laufschaufelblätter weisen
im Allgemeinen konkave Druckseiten und gegenüberliegende, im Allgemeinen
konvexe Saugseiten auf, die in Axialrichtung zwischen vorderen und
hinteren Kanten von diesen und in Radialrichtung über ihre
radiale Spannweite verlaufen.
-
Die
Leitschaufeln erstrecken sich in Radialrichtung zwischen ringförmigen äußeren und
inneren Bändern,
die dazwischen die Verbrennungsgase eingrenzen. Die Laufschaufelblätter erstrecken
sich von ihren radial inneren Füßen bis
zu ihren radial äußeren Spitzen,
die sich radial innen von einem sie umgebenden ringförmigen Turbinenmantel
im geringen Abstand zu diesem befinden. Der Mantel ist feststehend
und bildet die äußere Begrenzung
für die
Verbrennungsgase, die über
die rotierenden Schaufelblätter
hinwegströmen.
-
Da
die Statorleitschaufeln, Rotorlaufschaufeln und Turbinenmantelelemente
den Verbrennungsgasen unmittelbar ausgesetzt sind, benötigen sie
eine geeignete Kühlung,
um ihre Festigkeit aufrechtzuerhalten und geeignete Nutzlebensdauern
für diese
sicherzustellen. Diese Komponenten werden gewöhnlich dadurch gekühlt, dass
ihnen entsprechende Anteile einer von dem Kompressor abgezapften
Luft zugeführt
werden, die wesentlich kühler
ist als die heißen
Verbrennungsgase. Zur Kühlung
von Gasturbinentriebwerkskomponenten werden unterschiedliche Kühlmethoden
verwendet. Eine Methode ist die Filmkühlung, bei der Luft durch schräge Filmkühllöcher geleitet
wird, um einen Kühlluftfilm
zwischen den äußeren oder
den Gasen ausgesetzten Oberflächen
der Komponenten und den darüber
strömenden
heißen
Verbrennungsgasen zu bilden.
-
Eine
andere Methode ist die Aufprallkühlung, bei
der Kühlluft
anfänglich
im Wesentlichen senkrecht auf die Innenflächen dieser Komponenten gerichtet
wird, um auf die Flächen
aufzuprallen, um durch Wärmekonvektion
Wärme von
diesen abzuführen.
Die Innenflächen
können
für die
Aufprallkühlung glatt
sein oder können
dreidimensionale Turbulatoren in der Form zylindrischer Zapfen,
Erhebungen oder grübchenartiger
Vertiefungen enthalten. Diese Turbulatoren vergrößern den wirksamen Oberflächenbereich
der Innenflächen,
dem Wärme
entzogen werden kann. Die Turbulatoren weisen gewöhnlich eine kleine
Größe auf,
um einen dadurch hervorgerufenen ungünstigen Druckabfall zu verringern,
um eine Kühleffizienz
sicherzustellen.
-
Da
Turbinenleitschaufeln, -laufschaufeln und -mantelelemente aus Metallen
hoher Festigkeit ausgebildet sind, werden sie zur Erreichung einer
maximalen Materialstärke
und Genauigkeit ihrer kleinen Merkmale, einschließlich beliebiger
Turbolatoren, die darin verwendet werden können, gewöhnlich durch Gießen hergestellt.
-
Die
Leitschaufeln und Laufschaufeln sind hohl, um die Kühlluft in
mehreren radial verlaufenden Durchgängen durch diese hindurch leiten
zu können. Die
Durchgänge
können
einzeln mit Kühlluft
gespeist sein oder können
in serpentinenartigen Streckenabschnitten angeordnet sein, durch
die die Kühlluft strömt. Eine
Aufprallkühlung
für die
Leitschaufeln wird gewöhnlich
dadurch erzielt, dass perforierte Aufprallbleche innerhalb entsprechender
innerer Kanäle darin
platziert werden. Die Kühlluft
wird zuerst innerhalb des Prallblechs und anschließend in
Seitenrichtung durch seine Lochungen geleitet, um gegen die Innenfläche der
Leitschaufel zu prallen.
-
Da
Turbinenlaufschaufeln während
des Betriebs rotieren, kann zwischen ihrer Druck- und Saugseite
eine einstü ckige
Rippe oder Brücke
vorgesehen sein, um ein integrales Prallblech mit Löchern oder Perforationen
zu bilden, durch die die Kühlluft
zum Aufprall gegen die Innenfläche
des Schaufelblattes, gewöhnlich
entlang der vorderen Kante geleitet wird.
-
Sowohl
die Leitschaufel- als auch die Laufschaufelblätter können angesichts ihrer gemeinsamen
Blattkonfigurationen mit inneren radialen Durchgängen in ähnlicher Weise gegossen sein.
Die inneren Durchgänge
oder Kanäle
werden durch entsprechende keramische Kerne gebildet, die mit Wachs umgeben
sind, das die Konfiguration des endgültigen Schaufelblattes festlegt.
Das Wachs wird anschließend
von einer keramischen Verkleidung umgeben und nachfolgend in einem
Wachsausschmelzverfahren entfernt. Danach wird zwischen der Verkleidung und
dem Kern geschmolzenes Metall eingegossen, und dieses verfestigt
sich in der Form des gewünschten
Schaufelblattes. Die keramische Verkleidung und Kerne werden dann
entfernt, um das gegossene Schaufelblatt freizugeben.
-
Die
keramischen Kerne selbst werden in einem gesonderten Gießprozess
unter Verwendung einer metallenen Kernform erzeugt, die gemeinsam
mit den spiegelbildlichen Merkmalen, die in der Außenfläche des
Kerns erzeugt werden sollen, genau gefertigt ist. Eine gewöhnliche
Kernform kann in Form von zwei oder mehreren Hälften oder Teilelementen ausgebildet
sein, wobei ein innerer Kanal dazwischen festgelegt ist und sich
entlang der Spannweitenachse von dieser erstreckt. Ein keramischer
Brei oder eine keramische Paste wird unter beträchtlichem Druck in das offene
Ende der Form eingespritzt, um die Form zu füllen, woraufhin der resultierende
keramische Kern entfernt und härten
gelassen wird.
-
Die
gleiche Kernform wird wiederholt eingesetzt, um mehrere Abgüsse von
Schaufelblättern
zu gießen.
Jedoch führt
die Einspritzung der keramischen Masse in die Form gegebenenfalls
zu einem Verschleiß in
dieser. Ein Verschleiß ist
bei dreidimensionalen Merkmalen, wie beispielsweise den Turbolatoren
zur Verbesserung der Aufprallkühlung,
besonders ausgeprägt,
wobei diese Turbolatoren der Kernform bei ausgedehnter Nutzung abgerieben werden.
Wenn die Form verschlissen ist, muss eine neue Form bei beträchtlichen
Kosten hergestellt werden.
-
US-Patentschrift
5 586 866 beschreibt eine Turbinenwand mit einer äußeren Fläche, die
Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, und einer gegenüberliegenden
inneren Fläche,
die durch Aufprallluft gekühlt
wird. Es sind mehrere rippen- und
rillenartige Merkmale veranschaulicht, die an der Innenfläche angeordnet
sind.
-
Demgemäß ist es
erwünscht,
verbesserte Merkmale zur Aufprallkühlung in einer Turbinenkomponente
zu schaffen, die einen Verschleiß der Kernform reduzieren können.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Turbinenwand eine äußere Fläche, die dazu vorgesehen ist,
Verbrennungsgasen ausgesetzt zu werden, eine gegenüberliegende
innere Fläche,
die dazu vorgesehen ist, durch Aufprallluftkühlung gekühlt zu werden, und mehrere
einander benachbarte Erhebungen oder Rippen und Rillen in der inneren
Fläche auf,
die im Wesentlichen die gleiche Weite haben, dadurch gekennzeichnet,
dass die Rippen derart bemessen sind, dass ihre Höhe größer ist
als die Dicke einer Grenzschicht der Kühlluft, um die Wärmeübertragung
zu steigern.
-
Ausführungsformen
der Erfindung sind nachstehend zu Beispielszwecken mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht, in denen:
-
1 zeigt
eine Axialschnittansicht durch einen Hochdruckturbinenabschnitt
eines Gasturbinentriebwerks.
-
2 zeigt
eine teilweise aufgeschnittene isometrische Ansicht eines Teils
der in 1 veranschaulichten Turbinendüse, geschnitten im Wesentlichen
entlang der Linie 2-2.
-
3 zeigt
eine vergrößerte radiale
Querschnittsansicht des Leitschaufelblattes und inneren Prallblechs,
wie sie in 2 innerhalb des gestrichelt eingezeichneten
und mit 3 bezeichneten Kreises veranschaulicht sind.
-
4 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht einer
modifizierten Ausführungsform
der in 3 veranschaulichten Rippen und Rillen.
-
5 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht einer
modifizierten Ausführungsform
der in 3 veranschaulichten Rippen und Rillen.
-
6 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht einer
modifizierten Ausführungsform
der in 3 veranschaulichten Rippen und Rillen.
-
7 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht einer
modifizierten Ausführungsform
der in 3 veranschaulichten Rippen und Rillen.
-
8 zeigt
eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Herstellung
eines Keramikkerns zum Gießen
eines Abschnitts der in 2 veranschaulichten Düsenleitschaufel.
-
9 zeigt
eine teilweise aufgeschnittene isometrische Ansicht eines Abschnitts
einer der in 1 veranschaulichten Turbinenlaufschaufeln,
geschnitten im Wesentlichen entlang der Linie 9-9.
-
10 zeigt
eine isometrische Ansicht eines gekrümmten Segmentes des in 1 veranschaulichten
Turbinenmantels, geschnitten im Wesentlichen entlang der Linie 10-10.
-
In 1 ist
ein Teil eines Gasturbinentriebwerks 10 veranschaulicht,
der in Bezug auf eine Achse 12 der longitudinalen oder
axialen Mittellinie achssymmetrisch ist. Das Triebwerk enthält einen
mehrstufigen axialen Kompressor 14, der dazu konfiguriert
ist, Luft 16 unter Druck zu setzen, von der Teile abgezapft
werden, um später
zur Kühlung
des Triebwerks verwendet zu werden.
-
Ein
Hauptanteil der Luft von dem Kompressor wird zu einer ringförmigen Brennkammer 18 geleitet,
von der ein hinterer Teil veranschaulicht ist und in der die Luft
mit Brennstoff vermischt und gezündet wird,
um heiße
Verbrennungsgase 20 zu erzeugen, die stromabwärts in eine
Hochdruckturbine (HPF, High Pressure Turbine) strömen. Die
Turbine enthält eine
ringförmige
Turbinendüse,
die mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Statorleitschaufeln 22 aufweist,
die sich in Radialrichtung zwischen ringförmigen äußeren und inneren Bändern erstrecken.
-
Die
Hochdruckturbine enthält
ferner eine Reihe Turbinenlaufschaufeln 24, die sich von
einer tragenden Rotorlaufscheibe nach außen erstrecken und an dieser
durch einstückige
axiale Schwalbenschwänze
gesichert sind. Die Rotorlaufschaufeln 24 sind von einem
ringförmigen
Turbinenmantel 26 umgeben, der gewöhnlich aus mehreren in Umfangsrichtung
aneinander angrenzenden bogenförmigen Mantelsegmenten
gebildet ist.
-
Im
Betrieb strömen
die Verbrennungsgase 20 unter Druck aus der Brennkammer
zwischen den Düsenleitschaufeln 22 aus,
um wiederum zwischen den stromabwärts angeordneten Rotorlaufschaufeln 24 zu
strömen,
die aus den Verbrennungsgasen Energie gewinnen, um wiederum die
Trägerlaufscheibe rotieren
zu lassen, die wiederum den Kompressor 14 antreibt. Die
Verbrennungsgase strömen
anschließend
stromabwärts
durch eine Niederdruckturbine, von der die erste Düsenstufe
veranschaulicht ist und die ferner eine oder mehrere Reihen von
(nicht veranschaulichten) Turbinenlaufschaufeln enthält, die den
Gasen zusätzliche
Energie entziehen, um üblicherweise
einen (nicht veranschaulichten) Bläser stromabwärts des
Kompressors anzutreiben.
-
Das
Triebwerk 10, wie es vorstehend beschrieben ist, weist
eine herkömmliche
Konfiguration und Betriebsweise auf. Das Triebwerk ist auch herkömmlich gestaltet,
was die Abzapfung entsprechender Teile der Druckluft 16 zur
Verwendung bei der Kühlung
verschiedener Turbinenkomponenten, wie beispielsweise der Düsenleitschaufeln 22,
der HPT-Rotorlaufschaufeln 24 und des HPT-Mantels 26, anbetrifft.
Diese Komponenten werden gewöhnlich durch
Konvektion, Filmkühlung
und Aufprallkühlung auf
herkömmliche
Weise gekühlt,
um die Kühleffizienz
der Luft zu maximieren, während
Druckverluste darin minimiert werden.
-
Die
Aufprallkühlmerkmale
für die
Leitschaufeln 22, die Laufschaufeln 24 und den
Mantel 26 können
variiert werden, um unterschiedliche Vorteile beim Verhalten und
Gießen
zu erhalten.
-
Insbesondere
veranschaulicht 2 eine der Leitschaufeln 22 der
Turbinendüse
entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
-
Die
Leitschaufel 22 ist in der Form einer Einpassungswand 28 ausgebildet,
die ein Schaufelblatt bildet. Die Leitschaufel weist eine äußere Fläche 30 auf,
die eine im Wesentlichen konkave Druckseite und eine gegenüberliegende,
im Wesentlichen konvexe Saugseite definiert, die den Verbrennungsgasen 20 ausgesetzt
sind, die im Betrieb über
diese strömen.
Die Außenfläche 30 der
Leitschaufel erstreckt sich in Radialrichtung oder in Längsrichtung entlang
einer Spannweitenachse 32 und in Axialrichtung oder Seitenrichtung
entlang einer Sehnenachse 34 zwischen einer stromaufwärts liegenden
Vorderkante 36 und einer stromabwärts angeordneten Hinterkante 38 der
Leitschaufel.
-
Die
Leitschaufelwand 28 enthält ferner eine gegenüberliegende
innere Fläche
oder Innenfläche 40,
die einen radial verlaufenden inneren Kanal oder eine innere Kavität 42 bildet,
der bzw. die sich zur Durchleitung der Kühlluft 16 entlang
der Spannweitenachse erstreckt.
-
Die
Innenfläche 40 der
Leitschaufel enthält mehrere
einander benachbarte Erhebungen oder Rippen 44 und Nuten
oder Rillen 46 zur Verbesserung der von der verfügbaren Luft
erzielbaren Wärmeübertragung
und Aufprallkühlung,
die auch in einer geeigneten Ausführungsform Verbesserungen beim
Gießen
der Leitschaufel ergeben.
-
Die
Rippen 44 und Rillen 46 verlaufen parallel zueinander
und grenzen vorzugsweise unmittelbar Seite an Seite aneinander an,
um die verfügbare Oberfläche für die Kühlung durch
die Kühlluft 16 zu vergrößern, ohne
an dieser wahrnehmbare Druckverluste hervorzurufen. Die Leitschaufel
wird von der Außenseite
aus durch die darüber
strömenden
Verbrennungsgase 20 erhitzt, während die Kühlluft 16 im Inneren
der Leitschaufel für
deren innere Kühlung vorgesehen
ist. Ohne die Rippen und Rillen weist eine glatte Innenfläche der
Leitschaufel einen beschränkten
Wärmeübertragungsflächenbereich
auf, der gekühlt
werden kann. Durch Einfügung
der verhältnismäßig kleinen
Rippen und Rillen wird eine beträchtliche
Vergrößerung der
Oberfläche
innerhalb der Leitschaufel erzielt, von der die Kühlluft 16 zusätzliche
Hitze der darunter liegenden Leitschaufelwand 28 entziehen
kann, um im Betrieb deren Kühlung
zu verbessern.
-
3 veranschaulicht
eine vergrößerte Ansicht
eines typischen Querschnitts eines Teils der Leitschaufelwand 28.
In einer Ausführungsform
weist jede der Rippen 44 eine Weite A auf, während jede der
Rillen 46 eine Weite B aufweist, wobei die Rippen und die
Rillen im Wesentlichen die gleiche Weite aufweisen.
-
Jede
Rippe 44 weist eine Höhe
C auf, die gleich der entsprechenden Tiefe der benachbarten Rille 46 ist,
die eine ausreichende Größe aufweist, um
sowohl den effektiven Oberflächenbereich
zu vergrößern als
auch die Grenzschicht der Kühlluft,
die im Betrieb entlang der Innenfläche der Leitschaufel ausgebildet
wird, zu unterbrechen. Wie auf schematisierter Weise in 3 veranschaulicht,
bildet sich im Betrieb über
der Innenfläche
der Leitschaufel eine Grenzschicht 16b der Luft 16 aus.
Die Grenzschicht ist während
des Betriebs gewöhnlich
turbulent und weist eine Dicke D auf. Die Rippen 44 sind
vorzugsweise derart bemessen, dass die Höhe C geringfügig größer ist
als die Dicke D der Grenzschicht, um die Kühlung durch Wärmeübertragung
im Betrieb zu steigern, ohne übermäßige Druckverluste
infolge zu großer
Höhe herbeizuführen. Beispielsweise
kann die Höhe
C der Rippen 44 in dem beispielhaften Bereich von ungefähr 15–25 Mils
liegen. Dementsprechend können
die Weite A der Rippen und die Weite B der Rillen jeweils ebenfalls
in diesem beispielhaften Bereich von ungefähr 15–25 Mils liegen. Diese kleinen Werte
reichen aus, um die Höhe
der an der Innenseite der Leitschaufeln im Betrieb ausgebildeten
Kühlluftgrenzschicht
zu überwinden
und eine erhebliche Vergrößerung des
zur Kühlung
verfügbaren
Oberflächenbereichs
ohne damit verbundene wesentliche Druckverluste zu erzielen.
-
Die
in der beispielhaften Ausführungsform nach 3 veranschaulichten
Rippen 44 und Rillen 46 sind derart bemessen und
konfiguriert, dass sie die Oberfläche der inneren Fläche 40 der
Leitschaufel um ca. 100% vergrößern. Da
die Rippen und die Rillen im Wesentlichen die gleiche Weite und
Höhe aufweisen,
verdoppeln die beiden Seiten, die jede Rippe und Rille begrenzen,
effektiv die verfügbare Oberfläche, die
der Kühlung
durch die Luft 16 unterworfen wird.
-
In
der in 3 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
weisen die Rippen 46 an ihren oberen Enden einen halbkreisförmigen oder
konvexen Querschnitt auf und entsprechen den Rillen 46,
die an ihrem Grund ebenfalls halbkreisförmig, jedoch konkav ausgebildet
sind. Die Rippen und die Rillen sind somit komplementär zueinander
mit Verbindungsseitenflächen
ausgebildet, die Übergänge von
konkaven zu konvexen Abschnitten mit Wendepunkten im Bereich ihrer
mittleren Höhen
schaffen. Diese Konfiguration reduziert Belastungskonzentrationen,
während
sie glatte Konturen schafft, längs
derer die Kühlluft 16 parallel
entlang der Längserstreckungen
der Rippen und Rillen und als Querströmung in Seitenrichtung quer
dazu von einer Rippe zur anderen Rippe strömen kann.
-
4 veranschaulicht
eine alternative Ausführungsform
der Rippen und Rillen nach 3, die mit 44b bzw. 46b bezeichnet
sind. In dieser Ausführungsform
sind die Rippen 44b im Querschnitt dreieckig gestaltet,
und dementsprechend weisen auch die benachbarten Rillen 46b einen
dreieckigen Querschnitt in einem sägezahnförmigen Muster auf, wobei kleine
Kurvenradien an den Spitzen der Rippen und den Basen der Rillen
vorgesehen sind.
-
5 veranschaulicht
eine noch weitere Ausführungsform
der Rippen und Rillen nach 3, die mit 44c bzw. 46c bezeichnet
sind. In dieser Ausführungsform
sind die Rippen 44c entlang ihrer oberen Enden zwischen
benachbarten Rillen 46c flach, wobei sowohl die Rippen 44c als
auch die Rillen 46c einen rechteckigen Querschnitt mit
einer Rechteckwellenform aufweisen.
-
In
dieser Ausführungsform
sind die Rillen 46c an ihrem Grund zwischen benachbarten
Rippen 44c flach gestaltet, wobei die Seitenwände zwischen den
oberen Rändern
der Rippen und dem Grund der Nuten senkrecht verlaufen und ebenfalls
flach sind. Bei gleichen Weiten und Höhen der Rippen und der Rillen,
wie sie in 5 veranschaulicht sind, ist
die verfügbare
Oberfläche,
die einer Kühlung
unterworfen wird, doppelt so groß wie die Oberfläche ohne
darin ausgebildete Rippen und Rillen.
-
6 veranschaulicht
eine noch weitere Ausführungsform
der Rippen und Rillen nach 3, die mit 44d bzw. 46d bezeichnet
sind. In dieser Ausführungsform
weisen die Rippen 44d einen halbkreisförmigen oder konvexen Querschnitt
auf, während
die benachbarten Rillen 46d dazwischen flach verlaufen
und entlang der maximalen Durchmesser von diesen zueinander fluchtend
ausgerichtet sind.
-
7 veranschaulicht
eine noch weitere Ausführungsform
der Rippen und Rillen nach 3, die mit 44e bzw. 46e bezeichnet
sind. Die Rippen 44e weisen einen flachen Querschnitt an
ihren oberen Enden auf und grenzen an halbkreisförmige oder konkave Rillen 46e an.
-
In
den fünf
beispielhaften Ausführungsformen,
wie sie in den 3–7 veranschaulicht sind,
sind die Rippen und die Rillen parallel zueinander ausgerichtet
und verlaufen vorzugsweise kontinuierlich entlang ihrer Längserstreckungen,
um im Grunde zweidimensionale Komponenten zu bilden, deren Konfiguration
lediglich entlang ihrer Querschnitte variiert, während sie entlang ihrer Längserstreckungen
identisch ausgebildet sind. Die unterschiedlichen Konfigurationen
können
ohne weiteres in der in 2 veranschaulichten Leitschaufel 22 ausgebildet
werden, um die innere Kühlung
von dieser zu verbessern, ohne wesentliche Druckverluste zu verursachen.
-
In 2 definiert
die innere Fläche 40 der Schaufel blattwand
die innere Kavität 42,
die sich radial entlang der Spannweitenachse 32 an dem
stromaufwärts
liegenden oder vorderen Ende der Leitschaufel an der Vorderkante 36 erstreckt.
Ferner kann eine zusätzliche
der inneren Kavitäten 42 auch in
dem hinteren Ende der Leitschaufel in der Nähe der Hinterkante 38 ausgebildet
sein, wobei die beiden inneren Kavitäten durch eine einstückige Rippe voneinander
getrennt sind, die sich zwischen der Druckseite und der Saugseite
erstreckt.
-
In
der vorderen Kavität 42 verlaufen
die Rippen 44 und Rillen 46 vorzugsweise in Radialrichtung oder
entlang der Spannweitenachse 32 über denjenigen Abschnitten
der Innenfläche
der Leitschaufel, für die
eine zusätzliche
Kühlung
erwünscht
ist. In 2 sind die Rippen kontinuierlich über der
inneren Fläche
hinter der Vorderkante 36 und stromabwärts hinter den vorderen Abschnitten
der Druckseite und der Saugseite angeordnet.
-
Ein
besonderer Vorteil der Spannweitenrippen 44 und Spannweitenrillen 46 liegt
darin, dass sie in der Lage sind, nicht nur den Wärmetransfer
zur Kühlung
innerhalb der Leitschaufel im Betrieb zu verbessern, sondern auch
den Verschleiß in
der zugehörigen
Kernform zu reduzieren, die zum Gießen der Leitschaufel verwendet
wird.
-
8 veranschaulicht
in schematisierter Weise eine Kernform 48, die zur Herstellung
eines keramischen Kerns 50 verwendet wird, der wiederum zum
Gießen
der vorderen Kavität
der in 2 veranschaulichten Leitschaufel verwendet wird.
Die Kernform 48 ist gewöhnlich
in der Form einer zweistückigen
Metallverkleidung ausgebildet, die einen inneren Hohlraum 48a aufweist,
der zu der Innenfläche 40 der Leitschaufel
in der in 2 veranschaulichten vorderen
Kavität 42 passt.
Die gleichen Rippen 44 und Rillen 46, die in der
Leitschaufel 22 nach 2 zu finden
sind, sind anfänglich
in der in 8 veranschaulichten Kernform 48 vorgesehen.
Dies wird gewöhnlich
durch genaues Fräsen
dieser Merkmale in dieser bewerkstelligt.
-
Die
in 8 veranschaulichte Kernform 48 weist
eine Längsachse 52 auf
und ist an ihrem oberen Ende offen gestaltet, um einen Einlass zur
Aufnahme einer keramischen Breimasse oder Paste 54 zu bilden,
die in herkömmlicher
Weise durch eine geeignete Keramikeinspritzeinrichtung 56 darin
eingespritzt wird. Die Keramik 54 wird in den Hohlraum 48a entlang
der Spannweitenachse 52 eingespritzt, um damit den Hohlraum
vollständig
zu füllen.
Die Rippen 44 und die Rillen 46 verlaufen in dieser
bevorzugten Ausführungsform
parallel zu der Längsachse 52,
entlang derer die Keramik eingespritzt wird.
-
Da
die Keramik entlang der Längserstreckungen
der Rippen und der Rillen eingespritzt wird, erfahren diese verhältnismäßig weniger
Verschleiß, als
wenn die Keramik quer über
die Rippen von einer Seite zur anderen Seite eingespritzt worden
wäre. Durch
Einspritzung der Keramik entlang der Längserstreckung der Rippen und
Rillen kann die Kernform 48 bei verringertem Reibungsverschleiß über längere Nutzlebensdauer
hinweg wiederholt eingesetzt werden.
-
Die
resultierende Keramik 54 wird geeignet aushärten gelassen,
um den Kern 50 zu bilden, an dem Rillen 50a, die
spiegelbildliche Abbilder der Spannweitenrippen 44 darstellen,
und Rippen 50b ausgebildet sind, die spiegelbildliche Abbilder
der Spannweitenrillen 46 darstellen. Der Keramik kern 50 wird
anschließend
in Verbindung mit einem zweiten derartigen Kern zur Festlegung der
vorderen und der hinteren Leitschaufelkavität und mit einer zusammenwirkenden äußeren keramischen
Verkleidung dazu verwendet, die in 2 veranschaulichte
Leitschaufel 22 in einer herkömmlichen Weise unter Verwendung
des Wachsausschmelzprozesses zu gießen.
-
Ein
besonderer Vorteil der in 2 veranschaulichten
Rippen und Rillen liegt darin, dass sie in der Lage sind, die Aufprallkühlung an
der Innenseite der Leitschaufel 22 zu verbessern. Die Leitschaufel 22 enthält vorzugsweise
ferner ein Prallblech 58, das in dem Innenraum der inneren
Kavität 42 angeordnet ist.
Das Prallblech 58 kann eine beliebige herkömmliche
Konfiguration aufweisen und ist gewöhnlich in Form einer dünnen metallenen
Umhüllung
ausgebildet, die mit Aufpralllöchern
perforiert ist. Das Prallblech 58 ist im Allgemeinen senkrecht
und im Abstand zu den Rippen 44 angeordnet, um einen Teil der
Kühlluft 16 dagegen
prallen zu lassen.
-
Ein
vergrößerter Abschnitt
des Prallblechs 58, der von der Leitschaufelwand 28 beabstandet
angeordnet ist, ist in 3 veranschaulicht. Das Prallblech
ist geeignet im Inneren der Leitschaufel montiert, um einen Prallblechabstand
E zu schaffen, über den
die Kühlluft 16 in
Strahlen von den Prallblechöffnungen
zum Aufprallen gegen die Rippen und Rillen gerichtet wird.
-
Die
Rippen 44 sind verhältnismäßig klein,
um die Aufprallkühlung
zu verbessern, ohne dadurch unerwünschte Druckverluste herbeizuführen. Die
Höhe C
der Rippen ist vorzugsweise kleiner als der Prallblechabstand E.
Vorzugs weise ist die Rippenhöhe
C ungefähr
eine Größenordnung
kleiner als der Prallblechabstand E. Wie vorstehend angegeben, liegt die
Rippenhöhe
C innerhalb des beispielhaften Bereiches von ungefähr 15–25 Mils,
wobei der Prallblechabstand E in einem beispielhaften Bereich von ungefähr 100–150 Mils
liegt. Die Rippen 44 und Rillen 46 vergrößern die
zur Aufprallkühlung
wirksame Oberfläche
und steigern dadurch die durch Wärmeübertragung
bewirkte Kühlung
der Leitschaufelinnenfläche 40.
Die Luft 16 nach dem Aufprall kann in Längsrichtung entlang der Längserstreckungen
der Rillen 46 sowie auch als Querströmung über die Rippen 44 hinweg
strömen.
-
Erneut
bezugnehmend auf 2 können zwei Prallbleche 58 in
der vorderen und hinteren Leitschaufelkavität verwendet werden, um darin
entsprechend eine Aufprallkühlung
zu erzielen. Die hintere Leitschaufelkavität kann ebenfalls die Rippen
und Rillen enthalten, um die Aufprallkühlung zu steigern. Wie oben
angegeben, erstrecken sich die Rippen, wie diejenigen in der vorderen
Kavität
der Leitschaufel 22 nach 2, vorzugsweise
entlang der Spannweitenachse 32, um den Verschleiß der Kernform
zu verringern.
-
Jedoch
können
die Rippen und die Rillen auch andere Orientierungen aufweisen,
wenn dies gewünscht
ist. Beispielsweise verlaufen die Rippen und Rillen, die in der
hinteren Kavität
der Leitschaufel 22 in 2 veranschaulicht
sind, geneigt zwischen der Spannweitenachse 32 und der
Sehnenachse 34. Sie sind dennoch wirksam bei der Verbesserung
der Aufprallkühlung,
obwohl sie im Vergleich zu Rippen, die lediglich entlang der Spannweitenachse
ausgebildet sind, zu mehr Verschleiß in der zugehörigen Kernform
neigen. Da die Rippen und die Rillen eine verhältnismäßig kleine Höhe aufweisen
und entlang ihrer Längserstreckungen
symmetrisch ausgebildet sind, ist der Kernformverschleiß bei dieser
Konfiguration dennoch verhältnismäßig klein.
-
Wie
bereits oben angegeben, können
die Düsenleitschaufeln 22 und
die darin angeordneten Aufprallbleche 58 eine beliebige
herkömmliche
Konfiguration aufweisen, die ein verbessertes Kühlverhalten durch die Einfügung der
damit zusammenwirkenden Rippen 44 und Rillen 46 in
unterschiedlichen Ausführungsformen
erzielen kann. Die Leitschaufeln 22 können zusätzlich andere herkömmliche
Formen der Kühlung,
wie beispielsweise verschiedene Reihen von Filmkühllöchern 60, die sich
durch die Leitschaufelwände
hindurch entlang der Druckseite und der Saugseite von diesen erstrecken,
aufweisen, wenn dies erwünscht
ist. Die verbrauchte Aufprallkühlluft
von der vorderen und der hinteren Leitschaufelkavität wird in
geeigneter Weise durch die Filmkühllöcher 60 entlassen,
um Kühlluftfilme
an der äußeren Fläche der
Leitschaufel zu bewirken, um eine Barriere gegen die Aufheizungseffekte
der Verbrennungsgase 20 zu schaffen, die über den
Leitschaufeln strömen.
-
Die
Rippen und die Rillen können
in anderen Komponenten der Turbine zur Verbesserung deren Aufprallkühlung eingesetzt
werden. Beispielsweise veranschaulicht 9 einen
Abschnitt einer Turbinenschaufel 24 der ersten Stufe, die
modifiziert werden kann, um die Rippen und Rillen zu integrieren. Wie
die in 2 veranschaulichte Leitschaufel 22 weist
auch die Laufschaufel 24, wie sie in 9 veranschaulicht
ist, die Form eines Schaufelblatts auf, das für seine spezielle Funktion
geeignet konfiguriert ist. Demgemäß sind ähnliche Komponenten der Leitschaufel 22 und
der Laufschaufel 24 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
-
Beispielsweise
enthält
die in 9 veranschaulichte Laufschaufel 24 eine
Wand 28, die ein entsprechendes Schaufelblatt bildet, das
eine äußere Fläche 30 aufweist,
die im Betrieb den Verbrennungsgasen 20 ausgesetzt ist.
Die Außenfläche 30 enthält eine
im Wesentlichen konkave Druckseite und eine gegenüberliegende
im Wesentlichen konvexe Saugseite, die in Längsrichtung oder Radialrichtung
entlang einer Spannweitenachse 32 und in Seitenrichtung
entlang einer Sehnenachse 34 verlaufen.
-
Das
Laufschaufelblatt enthält
eine innere Fläche 40,
die eine innere Kavität 42 definiert,
die sich in Längsrichtung
entlang der Spannweitenachse 32 von dem Fuß zu der
Spitze der Laufschaufel erstreckt, um die Kühlluft 16 gegen die
Rückseite
der Vorderkante zu leiten, damit diese dagegen aufprallt.
-
Das
Laufschaufelblatt enthält
gewöhnlich mehrere
der inneren Kavitäten
zwischen der Vorderkante und der Hinterkante 36, 38 des
Schaufelblattes, die auf unterschiedliche herkömmliche Weise konfiguriert
sein können,
um die Laufschaufel im Inneren zu kühlen. Beispielsweise können einige
der inneren Kavitäten
miteinander verbunden sein, um eine serpentinenartige Kühlung mit
oder ohne darin vorgesehene entsprechende Wandturbulatoren zu schaffen.
-
Da
die Vorderkante 36 der Rotorlaufschaufel zuerst den Verbrennungsgasen 20 begegnet,
enthält sie
gewöhnlich
einen hierfür
speziell vorgesehenen Kühlkreislauf.
Durch Einfügung
der Rippen 44 und Rillen 46 in der Vorderkantenkavität 42 der
Laufschaufel 24 kann in einer ansonsten herkömmlichen Rotorlaufschaufel,
die auch Reihen der Filmkühllöcher 60 enthält, eine
verbesserte Kühlung
erzielt werden.
-
Da
die Laufschaufel 24 im Betrieb umläuft, während die Leitschaufel 22 im
Betrieb stationär
ist, wird in der in 9 veranschaulichten Laufschaufel ein
Prallblech in Form einer einstückigen,
perforierten Rippe oder Brücke 58b eingefügt, die
sich zwischen der Druckseite und der Saugseite erstreckt, um die
vordere Kavität 42 der
Vorderkante zu definieren. Durch Positionierung des Brückenprallblechs 58b angrenzend
an die vordere Kavität 42 lenken
die Pralllöcher
in dem Prallblech einen Teil der Kühlluft 16 in der axialen
Richtung zu der Innenfläche 40 um die
Vorderkante 36 der Laufschaufel hin. Die Prallluft kommt
somit mit den Rippen 44 und den Rillen 46 an der
Innenseite der Laufschaufelvorderkante in Eingriff, um die Aufprallkühlung an
dieser in der gleichen Weise zu verbessern, wie dies bei der in 2 veranschaulichten
Leitschaufel erreicht wird.
-
Die
in 9 veranschaulichten Rippen und Rillen können eine
beliebige Konfiguration der für
die vorstehend beschriebene Leitschaufel 22 offenbarten
Konfigurationen aufweisen, um ebenfalls den Nutzen oder die Vorteile
daraus zu ziehen. Indem beispielsweise zusätzlich zu der 9 auch
auf 3 Bezug genommen wird, ist die Höhe C der
Rippen 44 für
die Turbinenlaufschaufel vorzugsweise ebenfalls kleiner als der
zugehörige
Prallblechabstand E zwischen der Innenseite der Vorderkante 36 der
Laufschaufel und dem Brückenprallblech 58b über dem
größten Bereich
der Vorderkante. Die Rippen und die Rillen können immer dann eingefügt werden,
wenn sie in der Kavität 42 der
Vorderkante erwünscht
sind, und können
zusätzlich
mit den herkömmlichen
Filmkühllöchern 60 wechselwirken,
die sich durch die Schaufelblattband hindurch erstrecken und die
verbrauchte Prallluft von der Kavität empfangen.
-
In
der in 9 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
erstrecken sich die Rippen 44 entlang der Richtung der
Sehnenachse 34 anstatt entlang der Spannweitenachse 32.
Da die Laufschaufel im Betrieb rotiert, wird die dadurch geleitete Kühlluft 16 einer
Zentrifugalkraft ausgesetzt, die Korioliskräfte umfasst, die sekundäre Strömungsfelder erzeugen,
die durch Zusammenwirken mit den Sehnenrippen 44 die Kühlung zusätzlich verbessern
können.
Jedoch können
die Rippen 44 alternativ ähnlich der in der vorderen
Kavität
der 2 veranschaulichten Leitschaufel lediglich entlang
der Spannweitenachse 32 ausgerichtet sein, oder sie können geneigt verlaufen,
wie dies bei der Leitschaufel in der hinteren Kavität der 2 der
Fall ist.
-
10 veranschaulicht
eine noch weitere Anwendung der Rippen 44 und der Rillen 46,
die auf die Segmente des Turbinenmantels 26 angewandt sind.
Der Mantel und seine Segmente können
abgesehen von der Einfügung
der Rippen 44 und der Rillen 46 in diese eine
beliebige herkömmliche
Konfiguration aufweisen. Jedes Segment des Mantels 26 enthält gewöhnlich eine
vordere und eine hintere Schiene, die mit komplementären vorderen
und hinteren Hacken in Eingriff kommen, um den Mantel in dem in 1 veranschaulichten
Turbinengehäuse
zu montieren. Der zentrale Abschnitt des Mantelgehäuses, der
mit 58c bezeichnet ist, leitet Luft radial nach innen durch
ein zugehöriges
Prallblech hindurch, um den Mantel in einer herkömmlichen Weise durch Aufprallkühlung zu
kühlen.
-
Wie
in 10 veranschaulicht, ist das Mantelsegment in der
Form einer gekrümmten
Tafel oder Wand 28 ausgebildet, die eine äußere Fläche 30 aufweist,
die gekrümmt
ist und oberhalb der Reihe der Turbinenlaufschaufeln 24 radial
nach innen weist, wie dies in 1 veranschaulicht
ist. Die Mantelwand 28 weist eine innere Fläche 40 auf,
die radial nach außen
weist und offen sowie der Kühlluft 16 ausgesetzt
ist, die dagegen gerichtet ist. Die Kühlluft 16 ist hinter
dem oder innerhalb des Mantels 26 radial oberhalb der Laufschaufelreihe
isoliert, um eine Aufprallkühlung
des Mantels zu erzielen. Die Rippen 44 und die Rillen 46 sind
in der Innenfläche 40 des
Mantels angeordnet, um die Aufprallkühlung von dieser in grundsätzlich der
gleichen Weise zu verbessern, wie sie vorstehend für die Leitschaufeln 22 und
die Laufschaufeln 24 aufgezeigt worden ist. Wie die anderen Ausführungsformen
können
die Rippen 44 und die Rillen 46 eine beliebige
der vorstehend beschriebenen Konfigurationen und geeigneten Orientierungen aufweisen,
wie dies gewünscht
ist.
-
Beispielsweise
erstrecken sich die Rippen 44 und die Rillen 46 vorzugsweise
in Umfangsrichtung entlang der Mantelinnenfläche 40 in der Richtung
der Laufschaufelrotation. Auf diese Weise werden zusätzliche
Vorteile der Querströmung
verbrauchten Aufprallluft erzielt, wenn die Luft durch (nicht veranschaulichte)
Filmkühllöcher in
der Mantelwand oder um die vordere und hintere Schiene von dieser
herum geleitet wird. Die verbrauchte Aufprallkühlluft wird außerdem in
Umfangsrichtung um den Umfang des Mantels leicht verteilt, ohne
dass es zu einem wesentlichen Druckverlust entlang der Längserstreckungen
der Rippen und der Rillen kommt.
-
Durch
die einfache Einfügung
der zweidimensionalen Rippen 44 und zugehörigen Rillen 46 in ansonsten
herkömmliche
Turbinenkomponenten kann eine verbesserte Aufprall kühlung ohne
wesentliche Druckverluste erzielt werden. Außerdem können ferner Vorteile beim Gießen erhalten
werden. Für in
Spannweitenrichtung ausgerichtete Rippen und Rillen in den Leitschaufeln
und Laufschaufeln erleiden die zugehörigen Kernformen für diese
weniger Verschleiß und
können
dazu verwendet werden, mehr Leitschaufeln und Laufschaufeln während ihrer Nutzlebensdauer
zu erzeugen. Die Turbinenmäntel 26 sind
gewöhnlich
ebenfalls in dem Wachsausschmelzverfahren gegossen, ohne Kernformen
hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Konfiguration zu erfordern,
und der Formenverschleiß stellt
kein Problem dar.