DE69828938T2

DE69828938T2 - Gerippte Turbinenschaufelspitze

Info

Publication number: DE69828938T2
Application number: DE69828938T
Authority: DE
Inventors: Ching-Pang Cincinnati Lee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: US5997251A; EP0916811A2; EP0916811B1; JP3844324B2; DE69828938D1; JPH11324604A; EP0916811A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbinenlaufschaufelspitzendichtungen in Gasturbinentriebwerken und insbesondere streifende Spitzen mit Rippen, die zwischen der Saug- und der Druckseite der Schaufel verlaufen.
Es ist allgemein bekannt, dass eine Minderung der Effizienz in einem Gasturbinentriebwerk von einer Leckage heißer, sich ausdehnender Verbrennungsgase in der Turbine durch einen Zwischenraum zwischen rotierenden Laufschaufeln und stationären Dichtungen oder Deckmanteln, die diese umgeben, herrühren. Das Problem der Abdichtung zwischen derartigen relativ zueinander rotierenden Elementen zur Vermeidung eines Effizienzverlustes ist in der Turbinensektion des Triebwerks auf Grund der hohen Temperaturen und vorübergehenden zentrifugalen Belastungen sehr schwierig.
Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Dichtung zwischen der Laufschaufel und dem Deckmantel liegt in der Schaffung streifender Spitzen oder Köpfe (Squealer Type Tips) an Laufschaufeln. Eine streifende Spitze enthält eine kontinuierliche umfangsseitiger Endwand mit relativ geringer Höhe, die eine Endkappe an dem äußeren Ende einer Laufschaufel, die eine Kühlluftkammer in dem Innenraum der Schaufel verschließt, umgibt und von der Endkappe nach außen ragt.
Während eines Betriebs des Triebwerks verursachen Temperaturänderung eine termische Ausdehnung und Kontraktion mit differentiellen Raten an der Laufschaufel und dem Deck mantel, die zu einem Anlaufen oder Anstreifen zwischen den Schaufelspitzen und Deckmanteln führen können. Zentrifugale Kräfte, die auf die Schaufeln einwirken, und strukturelle Kräfte, die auf die Deckmantel einwirken, erzeugen Verformungen an diesen, die ebenfalls zu einer streifenden Wechselwirkung führen können. Dies ist insbesondere während einer Triebwerksbeschleunigung der Fall, wenn der Rotor plötzlich beschleunigt wird.
Eine derartige streifende Wechselwirkung zwischen den rotierenden Schaufelspitzen und den diese umgebenden stationären Deckmanteln verursacht eine Aufheizung der Schaufelspitzen, die zu einem übermäßigen Verschleiß oder einer Beschädigung an den Schaufelspitzen und Deckmanteln führt. Es ist deshalb erwünscht, die Schaufelspitzen zu kühlen. Im Falle streifender Schaufelspitzen wird jedoch die durch eine derartige streifende Wechselwirkung herbeigeführte Aufheizung tatsächlich durch einen vorhandenen Hohlraum verstärkt, der durch die Endkappe und die umfangsseitige Endwand der Anstreifspitze festgelegt ist. Deshalb benötigen streifende Schaufelspitzen, obwohl sie eine verbesserte Abdichtung begünstigen, in der Tat eine zusätzliche Kühlung. Eine Kühlung der Anstreifspitze wird herkömmlicherweise durch Spitzenkühllöcher in der Spitzenkappe geschaffen, die von der Kühlluftkammer zu dem Hohlraum führen.
Wegen der Komplexität und relativ hohen Kosten des Ersatzes oder der Reparatur von Laufschaufeln ist es erwünscht, die Lebensdauer von Schaufelspitzen und zugehörigen Schaufeln soweit wie möglich zu verlängern. Eine Schaufelspitzenkühlung ist ein übliches Verfahren, das zur Erreichung dieses Ziels verwendet wird. Die Vorsehung von Löchern zur Leitung einer Luftströmung, um Schaufelspitzen zu kühlen, ist aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise in der US-Patentschrift 4 247 254 von Zelahy beschrieben, und sie ist auf streifende Schaufelspitzen angewendet worden, wie dies in der US-Patentschrift 4 540 339 von Horvath beschrieben ist.
Turbinentriebwerkschaufelentwickler und -ingenieure sind ständig bestrebt, effizientere Wege zur Kühlung der Spitzen der Turbinenschaufeln zu entwickeln, um die Lebensdauer der Turbinenschaufeln zu verlängern und Betriebskosten des Triebwerks zu reduzieren. Eine Kühlluft, die dazu verwendet wird, um dies zu bewerkstelligen, ist jedoch gemessen an den gesamten Kraftstoffkosten kostspielig. Es ist deshalb eine effektivere und effizientere Verwendung der verfügbaren Kühlluft bei der Vornahme der Kühlung der Laufschaufelnspitzen erwünscht, nicht nur um die Laufschaufellebensdauer zu verlängern, sondern auch um die Effizienz des Triebwerks zu verbessern sowie dadurch wiederum die Betriebskosten des Triebwerks zu senken. Folglich besteht ein ständiger Bedarf nach einer Anstreifspitzengestalt, die auf effektivere und effizientere Weise von der verfügbaren Kühlluft Gebrauch macht.
DE-A-1937395 veranschaulicht eine streifende Laufschaufelspitze eines Gasturbinentriebwerks, die eine Schaufelblattspitzenkappe mit einer flügelförmigen Gestalt, wobei die Spitzenkappe eine Druck- und eine Saugseite aufweist, die an einer Vorderkante und einer im Abstand angeordneten Hinterkante der Spitzenkappe miteinander verbunden sind, und mehrere streifende Rippen aufweist, die sich von der Spitzenkappe aus zwischen der Vorder- und der Hinterkante nach außen erstrecken. US-A-4682933 und US-A-6027306 veranschaulichen zusätzlich im Wesentlichen par allele Kanäle zwischen den Anstreifrippen.
GB-A-2155558 veranschaulicht eine Laufschaufel eines Gasturbinentriebwerks, zu der gehören: ein Schaufelblatt, das eine Schaufelblattaußenwand mit druck- und saugseitigen Seitenwänden aufweist, die an in Sehnenrichtung voneinander beabstandeten Vorder- und Hinterkanten des Schaufelblattes miteinander verbunden sind und sich von einem Schaufelfuß zu einer Anstreifspitze in Längsrichtung erstrecken; wobei die Seitenwände zwischen der Vorder- und der Hinterkante im Abstand zueinander angeordnet und durch mehrere innere Rippen miteinander verbunden sind, die wenigstens einen Kühlkreis festlegen; wobei die Anstreifspitze eine Schaufelblattspitzenkappe enthält, die eine Flügelgestalt mit einer Druck- und einer Saugseite aufweist, die mit der Druck- und Saugseitenwand zusammenfallen, und wobei mehrere Anstreifrippen von der Spitzenkappe zwischen der Vorder- und der Hinterkante nach außen verlaufen; und um Wesentlichen parallele Kanäle zwischen den Anstreifrippen.
Gemäß der Erfindung weisen die Anstreifrippen und Kanäle rechteckige Querschnitte zwischen der Druck- und der Saugseite auf. Die Anstreifrippen enthalten ferner eine Hinterkantenrippe entlang eines Teils der Saugseite, einschließlich der Hinterkante. Die Kanäle sind offen zu der Druck- und der Saugseite.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform können die Anstreifrippen ferner eine Vorderkantenrippe enthalten, die um wenigstens einen axial verlaufenden Abschnitt der Vorderkante gekrümmt ist. Die Anstreifrippen können in einer Richtung axial nach hinten von der Vorderkante auf der Saugseite in Richtung auf die Hinterkante auf der Drucksei te im Winkel verlaufen.
Zwischen den Anstreifrippen und über den Kanälen können Kanalrippen angeordnet sein, und sie können derart eingerichtet sein, dass lediglich eine der Kanalrippen über jedem Kanal angeordnet ist.
Die streifende Spitze kann ohne durch die Spitzenkappe in den Kanälen zwischen den streifenden Rippen hindurchführende Öffnungen konstruiert sein. Die streifende Spitze kann ferner einen hohlen Schaufelblattabschnitt mit einem darin angeordneten Kühlkammerabschnitt enthalten, der im Verhältnis zu den streifenden Rippen weiter im Inneren in Bezug auf die Spitzenkappe angeordnet ist. In dem hohlen Schaufelblatt und mit der Spitzenkappe einstückig können innere Kühlrippenabschnitte vorgesehen sein.
Zu einer mehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gehört eine Gasturbinentriebwerks-Laufschaufel, die ein Schaufelblatt mit einer Schaufelblattaußenwand mit Druck- und Saugseitenwänden aufweist, die an in Sehnenrichtung voneinander beabstandeten Vorder- und Hinterkanten des Schaufelblattes miteinander verbunden sind und sich in Längsrichtung von einem Schaufelfuß zu der streifenden Spitze erstrecken. Die Seitenwände sind zwischen der Vorder- und der Hinterkante im Abstand zueinander angeordnet und durch mehrere innere Rippen miteinander verbunden, die wenigstens einen Kühlkreis bilden. Die streifende Spitze enthält die Schaufelblattspitzenkappe, die eine flügelförmige Gestalt mit einer Druck- und einer Saugseite aufweist, die mit den Druck- und Saugseitenwänden der Schaufel zusammenfallen. Mehrere streifende Rippen erstrecken sich von der Spitzenkappe zwischen der Vorder- und der Hinter kante nach außen, während im Wesentlich parallele Kanäle zwischen den streifenden Rippen vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung bietet Vorteile, zu denen eine Anstreifspitze gehört, die wesentlich kühler als Anstreifspitzen herkömmlicher Gestalt funktioniert, ohne dass kostspielige Kühlluft in dem Hohlraum der Anstreifspitze verwendet wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine minimierte Filmkühlung erfordert und durch Wärmeleitung zu der Anstreifspitzenkappe leichter zu kühlen ist. Eine Leckageströmung an der Spitze entlang der Spitzenrippenausrichtung von der Druckseite in Richtung auf die Saugseite ist auf Grund des kleinen Druckgradienten zwischen der Druckseite und der Saugseite entlang der Rippenrichtung gering. Eine Spitzenleckageströmung senkrecht zu der Spitzenrippenausrichtung ist auf Grund der Einengungen durch mehrere Rippen im Vergleich zu zwei Einengungen bei der herkömmlichen Ausgestaltung der Anstreifspitze ebenfalls reduziert. Die gesamte Spitzenleckageströmung von der Druckseite in Richtung auf die Saugseite ist im Vergleich zu der herkömmlichen Ausgestaltung der Anstreifspitze verringert. Die Spitzenrippen können in einem Stück gemeinsam mit dem Schaufelblatt gegossen sein, und eine Dienstreparatur für die Verwendung der gerippten Spitze kann ähnlich wie bei herkömmlichen Anstreifspitzen sein. Die Spitzenrippen können auch im Ganzen gemeinsam mit der Spitzenkappe in Form eines einstückigen Artikels gegossen sein, der leicht auf das Schaufelblatt aufgelötet werden kann.
Die Erfindung ist nachfolgend in größerer Einzelheit zu Beispielszwecken mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine Darstellung eines äußeren Abschnitts eines Schaufelblattes eines Gasturbinentriebwerks mit einer gerippten Spitzenkappe entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in einer Perspektivansicht;
2 eine Perspektivdarstellung zur Veranschaulichung eines äußeren Abschnitts eines Schaufelblattes eines Gasturbinentriebwerks mit einer gerippten Spitzenkappe entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
und 3 eine Querschnittsansicht des Schaufelblattes eines Gasturbinentriebwerks, wie es in 1 veranschaulicht und längs der Linie 3-3 aufgeschnitten ist.
In 1 und 3 ist eine beispielhafte Laufschaufel 10 für ein Gasturbinentriebwerk veranschaulicht. Die Schaufel 10 enthält ein Schaufelblatt 12 und einen Fuß 14, der dazu verwendet wird, um auf herkömmliche Weise die Schaufel 10 an eine Läuferscheibe des Triebwerks zu sichern. Das Schaufelblatt 12 weist eine Außenwand 15 mit einer Druckseitenwand 16 und einer Saugseitenwand 18 auf, die entlang einer stromaufwärts liegenden Vorderkante 20 und einer stromabwärts liegenden Hinterkante 22, die in Axialrichtung oder in Sehnenrichtung in Bezug auf eine Sehne C von dieser beabstandet ist, miteinander verbunden sind. Das Schaufelblatt 12 erstreckt sich in Längsrichtung entlang einer Längsachse oder radialen Achse 24 in einer Spannweitenrichtung des Schaufelblattes 12 von einer radial inneren Schaufelblattbasis 26 zu einer radial äußeren streifenden Spitze 28 entlang einer Spannweite S des Schaufelblattes.
Die streifende Spitze 28 weist eine Schaufelblattspitzenkappe 29 mit einer flügelförmigen Gestalt 30 sowie eine Druck- und eine Saugseite 32 bzw. 34 auf, die mit der Druck- bzw. der Saugseitenwand 16 bzw. 18 zusammenfallen, die an den in Sehnenrichtung voneinander beabstandeten Vorder- und Hinterkanten 20 bzw. 22 der Spitzenkappe miteinander verbunden sind. Mehrere streifende Rippen 36 erstrecken sich von der Spitzenkappe 29 zwischen der Vorder- und der Hinterkante 20 bzw. 22 nach außen, während im Wesentlichen parallel Kanäle 38 zwischen den Anstreifrippen angeordnet sind.
Die Anstreifrippen 36 und Kanäle 38 weisen vorzugsweise rechteckige Querschnitte 40 zwischen der Druck- und der Saugseite 32 bzw. 34 auf. Die Anstreifrippen 36 enthalten vorzugsweise eine Hinterkantenrippe 42 entlang eines Abschnitts 44 der Saugseite 34, einschließlich der Hinterkante 22. Zusätzlich oder alternativ enthalten die Anstreifrippen vorzugsweise ferner eine Vorderkantenrippe 48, die um wenigstens einen axial verlaufenden Abschnitt 50 der Vorderkante 20 herum gekrümmt ist. Die Anstreifrippen 36 sind vorzugsweise in einer axial nach hinten weisenden Richtung 46 von der Vorderkante 20 auf der Saugseite 34 in Richtung auf die Hinterkante 22 auf der Druckseite 32 winkelig. Während eines Betriebs des Triebwerks herrscht entlang des Schaufelblattes 12 eine oberflächenfeste Druckverteilung mit höheren Drücken an der Druckseite 32 als an der Saugseite 34 an der gleichen axialen Position und mit von der Vorderkante 20 zu der Hinterkante 22 abnehmenden Drücken. Jegliche Leckageströmung an der Spitze von der Druckseite 32 in Richtung auf die Saugseite 34 wird durch die Kanäle 38 entlang der Anstreifrippen 36 mit einer vorstehend beschriebenen Ausrichtung geleitet. Der Druckgradient entlang der Anstreifrippen und durch die Kanäle 38 ist auf Grund der Charakteristika der Druckverteilung, wie oben beschrieben, minimiert. Dies ergibt eine Reduktion der Spitzenleckströme.
2 veranschaulicht eine abgewandelte Konfiguration der Anstreifspitze 28, die Kanalrippen 60 aufweist, die über den Kanälen 38 zwischen und senkrecht zu den Anstreifrippen 36 angeordnet sind. Die Anstreifspitze 28 weist vorzugsweise eine derartige Anordnung der Kanalrippen 60, dass lediglich eine der Kanalrippen über jedem der Kanäle 38 angeordnet ist, obwohl mehr als eine Kanalrippe über jedem Kanal angeordnet sein kann. Die Anstreifspitze kann ohne durch die Spitzenkappe 29 in den Kanälen 38 zwischen den Anstreifrippen 36 führende Durchgangsöffnungen konstruiert sein, um Kühlluft einzusparen. Die Kanalrippen sind dazu gestaltet, die Spitzenleckageströmung von der Druckseite zu der Saugseite 34 weiter zu sperren und sind vorzugsweise in der Mitte der Spitzenkappe, beispielsweise entlang der Sehne C angeordnet, um auch ein effektives Mittel zur Leitung der Kühlung durch die Spitzenkappe 29 zu schaffen.
Die Schaufelblattbasis 26 ist in Form einer herkömmlichen Platte 31 ausgebildet, die die innere Strömungsbegrenzung des Schaufelblattes 12 bildet und unterhalb der sich der Fuß 14 erstreckt. Während eines Betriebs der Schaufel 10 werden durch einen (nicht veranschaulichten) Brenner Verbrennungsgase erzeugt, die stromabwärts über die beiden Schaufelblattseitenwände 16 und 18 strömen. Eine Kühlung des Schaufelblattes 12 wird durch das hohle Schaufelblatt 12 geschaffen, von dem ein Abschnitt 70 des hohlen Schaufelblattes mit einem darin angeordneten Kühlkammer abschnitt 74 in Bezug auf die Anstreifrippen 36 im Inneren der Spitzenkappe 29 angeordnet ist.
In 3 ist eine speziellere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der eine Kühlkammer 74 in dem hohlen Schaufelblatt 12 wenigstens einen Kühlkreis 80 enthält, wie er herkömmlich im Stand der Technik, beispielsweise in den US-Patentschriften Nr. 5 660 524, 5 591 007 und der US-Patentanmeldung (GE Anwaltszeichen 13DV-12590) zu finden ist. Die druckseitige und die saugseitige Seitenwand 16, 18 sind in Umfangsrichtung oder Seitenrichtung zwischen der Vorder- und der Hinterkante 20, 22 im Abstand zueinander angeordnet und durch mehrere innere Rippen 90 vollständig miteinander verbunden, die wenigstens unabhängige Kühldurchgänge festlegen, die als äußere und innere Kühlkreise 92 und 94 bezeichnet werden, die äußere und innere übereinander angeordnete serpentinartige Abschnitte 92a bzw. 94a aufweisen.
Die inneren Kühlrippen 90 enthalten innere Kühlrippenabschnitte 98, die in dem Innenraum des hohlen Schaufelblattes 12 angeordnet und gemeinsam mit der Spitzenkappe 29 in einem Stück ausgebildet sind. Dies unterstützt ferner die Kühlung der Spitzenkappe 29 sowie der Anstreif- und Kanalrippen 36 bzw. 60 durch Wärmeleitung und Konvektion. An einer gemeinsamen Ebene unterhalb der Schaufelblattbasis 26 auf der Innenseite des Fußes 14 beginnen ein innerer und ein äußerer Einlasskanal 140b bzw. 140a, um auf herkömmliche Weise Kühlluft 142 zu empfangen. Die Kühlluft 142 wird deshalb in effizienterer Weise verwendet, und es wird weniger Kühlluft von dem Verdichter gespült, um die Gesamteffizienz des Betriebs des Gasturbinentriebwerks zu erhöhen.
Zwischen einer vordersten Spannrippe 171 und der Vorderkante 20 der Außenwand 15 ist eine Vorderkantenkühlkammer 170 ausgebildet. Eine Hinterkantenkühlkammer 172 ist zwischen einer hintersten Spannrippe 175 und der Hinterkante 22 der Außenwand 15 ausgebildet. Kühlluftaustrittsöffnungen 174 in der vordersten Spannrippe 171 führen Kühlluft von dem äußeren Einlasskanal 140a zu der Vorderkantenkühlkammer 170, von wo aus diese durch herkömmliche Duschkopfkühllöcher 144 der Vorderkante strömen gelassen wird. Kühlluftaustrittslöcher 174 in der hintersten Spannrippe 175 führen Kühlluft von einem inneren Auslasskanal 141 der Hinterkantenkühlkammer 172 zu, von wo aus diese durch herkömmliche Hinterkantenkühllöcher 146 strömen gelassen wird. Dies wird dazu verwendet, um die Vorder- und die Hinterkante 20 bzw. 22 zu kühlen.
Das Schaufelblatt kann mehrere stromabwärts unter einem Winkel angeordnete Filmkühllöcher 148 an einer oder an beiden Seiten der Außenwand 15 zwischen der Vorder- und der Hinterkante enthalten. Das Schaufelblatt 12 kann beliebige sonstige herkömmliche Merkmale zur Verbesserung seiner Kühlung, wie beispielsweise (nicht veranschaulichte) Turbulatoren oder Zapfen enthalten, die aus dem Stand der Technik allgemein bekannt sind.

Claims

Anstreifspitze (28) einer Turbinenschaufel (10) eines Gasturbinentriebwerks, zu der gehören: eine Schaufelblattspitzenkappe (29) mit einer flügelförmigen Gestalt (30), wobei die Spitzenkappe (29) eine Druck- und eine Saugseite (32, 34) enthält, die an in Sehnenrichtung im Abstand angeordneten Vorder- und Hinterkanten (20, 22) der Spitzenkappe (29) miteinander verbunden sind, mehrere Anstreifrippen (36), die sich von der Spitzenkappe (29) zwischen der Vorder- und der Hinterkante (20, 22) nach außen erstrecken, und im Wesentlichen parallele Kanäle (38) zwischen den Anstreifrippen (36), dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (38) rechteckige Querschnitte (40) zwischen der Druck- und der Saugseite (32, 34) haben, wobei die Kanäle (38) zu der Druck- und der Saugseite (32, 34) offen sind und die Anstreifrippen (36) eine Hinterkantenrippe (42) enthalten, die sich entlang eines Teils der Saugseite einschließlich der Hinterkante (22) erstreckt.
Anstreifspitze (28) nach Anspruch 1, wobei die Anstreifrippen (36) eine Vorderkantenrippe (48) aufweisen, die um wenigstens einen axial verlaufenden Abschnitt der Vorderkante (20) gekrümmt ist.
Anstreifspitze (28) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anstreifrippen in einer Richtung (46) axial nach hinten von der Vorderkante (20) auf der Saugseite in Richtung auf die Hinterkante (22) auf der Druckseite unter einem Winkel verlaufen.
Anstreifspitze (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ferner Kanalrippen (60) aufweist, die zwischen den Anstreifrippen (36) und über den Kanälen angeordnet sind.
Anstreifspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Seitenwände (16, 18) durch mehrere Innenrippen (90) miteinander verbunden sind, die wenigstens einen Kühlkreis (80) bilden.