-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kühlanordnungen
für Bauteile
von Gasturbinen und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verbesserung
bei der Anordnung und Ausbildung von Kühlkanälen, die in den Wänden eines
Bauteils angeordnet und so ausgebildet sind, dass eine Filmkühlung des
Bauteils zustandekommt.
-
Verschiedene
Bauteile, insbesondere in der Verbrennungseinrichtung und den Turbinen
eines Gasturbinentriebwerks, sind im Betrieb Gasströmungen mit
hoher Temperatur unterworfen. In gewissen Fällen liegt die Temperatur der
Gasströmungen
höher als
die Schmelztemperatur des Materials des Bauteils. Um das Bauteil
zu schützen
und um insbesondere die Oberfläche
des Bauteils in der Nähe
der heißen
Gasströmung
gegenüber
diesen hohen Temperaturen zu schützen,
werden verschiedene Anordnungen vorgesehen. Allgemein benutzen diese
Anordnungen relativ kühle
Kompressorluft, die vom Kompressorteil des Gasturbinentriebwerks
abgezapft wird, um die Bauteile, die den hohen Betriebstemperaturen
ausgesetzt sind, zu schützen.
-
Ein
bekanntes Verfahren zum Kühlen
und zum Schutz von Gasturbinenbauteilen gegen Heißgasströmungen besteht
in einer Filmkühlung,
wobei ein Film aus Kühlluft über die
Oberfläche
des Bauteils geleitet wird, das den heißen Gasströmungen ausgesetzt ist. Der
Kühlluftfilm
wird dadurch erzeugt, dass eine Kühlluftströmung durch mehrere Kanäle geleitet wird,
die die Wandung des Bauteils durchdringen. Die aus den Kanälen austretende
Luft wird durch diese Kanäle
derart gerichtet, dass sie als Grenzschicht über die Oberfläche des
Bauteils strömt.
Dadurch wird die Wand des Bauteils gekühlt, die der Heißgasströmung ausgesetzt
ist, und es wird ein Schutzfilm aus Kühlluft zwischen der Heißgasströmung und
der Oberfläche
des Bauteils geschaffen. Durch den Schutzfilm wird das Abhalten
der Heißgasströmung weg
von der Oberfläche
der Wandung des Bauteils unterstützt.
-
Die
Anordnung und Ausbildung der Kanäle wird
sorgfältig
konstruiert, um eine gute Grenzschichtströmung von Kühlluft über die Oberfläche des
Bauteils zu gewährleisten.
Die Kanäle
sind daher im allgemeinen im Winkel zu der Strömungsrichtung des Heißgasstromes
derart angeordnet, dass die Kühlluft
in Richtung stromab über
die Oberfläche
des Bauteils strömt.
-
Im
Idealfall ist es erwünscht,
dass die Grenzschicht über
im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Bauteils stromab der
Kanäle
strömt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die den Kanalaustritt verlassende
Kühlluft
im allgemeinen Kühlstreifen
bildet, die nicht breiter oder kaum breiter sind als die Abmessungen
des Kanalaustritts. Da die Zahl, Größe und Abstand der Kanäle beschränkt ist,
führt dies
zu Spalten zwischen den gebildeten Kühlschutzschichten und/oder
Bereichen verminderter Kühlung,
das heißt
mit vermindertem Schutz.
-
Um
dieses Problem zu lösen
wird beispielsweise in der US-A-3,527,543 vorgeschlagen, divergente
Kanäle
zu schaffen, deren Querschnitt nach dem Kanalaustritt an der Oberfläche des
Bauteils zunimmt, der der Heißgasströmung ausgesetzt
ist. Die Kühlluft,
die durch die Kanäle
strömt,
wird dadurch teilweise über
einen größeren Bereich
der Oberfläche
ausgebreitet. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber einem
Kanal mit konstantem Querschnitt dar. Es hat sich jedoch gezeigt,
dass die aus den Kanälen
austretende Luft immer noch nicht weit genug ausgebreitet wird,
um einen kontinuierlichen Kühlluftfilm
zwischen den typischen Abständen
der Kanäle zu
erzeugen.
-
Eine
weitere Entwicklung der divergierenden Kanäle besteht darin, die Kanäle genügend nahe
aneinander anzuordnen, so dass die Auslässe benachbarter Kanäle auf der
Oberfläche
des Bauteils der der Heisgasströmung
ausgesetzt ist, sich seitlich schneiden, um einen gemeinsamen Auslaß in Form
eines seitlich verlaufenden Schlitzes zu bilden. Die Kühlluft dehnt
sich beim Durchtritt durch die Kanäle aus, und tritt aus diesem
gemeinsamen Schlitz als im wesentlichen kontinuierlicher Film aus.
-
Eine
derartige Anordnung ist im einzelnen in der US-A-4,676,719 beschrieben,
die sich auch auf andere, ähnliche
Anordnungen bezieht, die in der US-A-3,515,499 und der Japanischen
Patentschrift 55-114806 beschrieben sind.
-
Bei
derartigen bekannten Anordnungen sind die Kanäle divergierend ausgebildet,
und die Querschnittsfläche
des Kanals vergrößert sich
nach dem Auslaß.
Dadurch wird die Geschwindigkeit der Kühlluftströmung, die hindurchströmt, herabgesetzt,
und es findet eine Diffusion statt. Dieser Stand der Technik lehrt,
dass diese Verlangsamung der Strömung wichtig
ist, um die Ausbreitung der Kühlluftströmung in
Form einer Grenzschicht zu unterstützen, die längs der Oberfläche des
Bauteils und über
diesen verläuft. Eine
weitere wichtige Betrachtung der Konstruktion einer derartigen Filmkühlanordnung
besteht darin zu gewährleisten,
dass eine stabile Grenzschicht über der
Oberfläche
des Bauteils geschaffen wird, und dass diese Grenzschicht an der
Oberfläche
des Bauteils haften bleibt, um dadurch die Oberfläche gegenüber dem
Heißgasstrom
zu schützen.
Diese Grenzschichtströmung
der Kühlluft
ist auch erforderlich, um Fluktationen und Variationen in der Heißgasströmung zu
widerstehen, die im Betrieb auftreten können, damit gewährleistet
wird, dass eine ausreichende Kühlung
und ein ausreichender Schutz während
des gesamten Betriebs des Triebwerks gewährleistet bleibt. Außerdem sollte
die Strömung
durch die Kanäle
und längs
der Oberfläche
des Bauteils aerodynamisch so wirksam als möglich verlaufen.
-
Gemäß einer
weiteren Veränderung
können Schlitze
innerhalb der Wände
des Bauteils benutzt werden, um die Kühlluft auf die äußere Oberfläche des
Bauteils zu richten. Derartige Anordnungen sind in den US-A-2,149,510,
2,220,420 und 2,489,683 beschrieben.
-
Obgleich
derartige Anordnungen eine günstige
Kühlluftströmung längs der
Oberfläche
des Bauteils und über
diese hinweg gewährleisten,
wird hierdurch die Festigkeit der Wände des Bauteils beeinträchtigt.
Dies trifft, wenn auch in einem geringeren Ausmaß, auf die Anordnungen zu,
wo sich die Austrittsöffnungen
der Kanäle überschneiden,
um einen gemeinsamen Austrittsschlitz zu bilden.
-
Die
US-A-2,567,249 und die US-A-4,314,442 beschreiben beide eine Turbinenschaufel
mit Kühlfluidschlitzen,
die nur nach ihren Auslässen
konvergieren, um den Kühlluftfilm über der
Oberfläche
der Schaufel zu beschleunigen. Derartige Anordnungen sind jedoch
insofern nachteilig, als sie relativ heiße und kalte Streifen über der
Oberfläche
bilden, da die Schlitze diskrete Kühlströmungsstrahlen bilden, deren
Breite gleich der Breite des Schlitzauslasses ist.
-
Es
ist daher notwendig, eine verbesserte Anordnung und Ausbildung der
Kühlung
von Bauteilen der Gasturbinentriebwerke zu schaffen, und insbesondere
ist es notwendig, eine verbesserte Anordnung und Ausbildung der
Kühlluftkanäle zu schaffen, die
die obigen Probleme lösen
und/oder Verbeserungen derartiger Kühlanordnungen allgemein schaffen.
-
Gemäß der Erfindung
schafft diese ein Gasturbinentriebwerksbauteil, das eine Wandung
mit einer ersten Oberfläche
aufweist, die mit einer Kühlluftströmung versorgt
wird und das eine zweite Oberfläche
besitzt, die einer Heißgasströmung ausgesetzt ist,
wobei die Wand außerdem
darin eine Vielzahl von Kanälen
aufweist, die durch Kanalwände
definiert sind, die die Kanaleinlässe in der ersten Oberfläche des
Bauteils mit Kanalauslässen
in der zweiten Oberfläche
verbinden, wobei die Kanäle,
die Kanalwände, die
Kühlluft
und der Heißgasstrom
derart verlaufen, dass im Betrieb eine Kühlluftströmung von den Kanaleinlässen nach
den Kanalauslässen über die
Kanäle
gerichtet wird, um eine Kühlluftströmung überwenigstens
einen Teil der zweiten Oberfläche
zu bilden, wobei eine Querschnittsfläche eines jeden Kanals in Richtung
der Kühlluftströmung durch
den Kanal progressiv insgesamt vom Kanaleinlaß nach dem Kanalauslaß derart
abnimmt, dass im Betrieb eine Kühlluftströmung von
den Kanaleinlässen
nach den Kanalauslässen über jeden
Kanal beschleunigt wird, wobei die Kanalwände derart profiliert sind,
dass in einer ersten Richtung im wesentlichen senkrecht zur Kühlluftströmung durch
den Kanal diese nach einer Mittellinie durch den Kanal konvergieren,
und die Kühlluftkanäle in einer
zweiten Richtung ebenfalls senkrecht zur Strömungsrichtung durch den Kanal von
der Mittellinie des Kanals divergieren.
-
Vorzugsweise
weist der Kanalauslaß in
der zweiten Oberfläche
einen Schlitz auf, der durch den Kanal in der zweiten Oberfläche definiert
ist. Der Kanaleinlaß in
der ersten Oberfläche
hat vorzugsweise eine andere Form als der Austrittsschlitz des Kanals.
-
Die
Kanalauslässe
von wenigstens zwei Kanälen
können
so kombiniert werden, dass ein gemeinsamer Kanalauslaß geschaffen
wird. Vorzugsweise überschneidet
am Kanalauslaß der
wenigstens zwei benachbarten Kanäle
wenigstens ein Teil der Kanalwände,
die die benachbarten Kanäle
definieren, im wesentlichen die zweite Oberfläche der Wand, die dem Heißgasstrom
ausgesetzt ist.
-
Die
Querschnittsfläche
des Kanaleinlasses, im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung durch
den Kanal, kann im wesentlichen kreisförmig oder elliptisch oder rechteckig
sein.
-
Vorzugsweise
sind die Kanalwände,
die die Kanäle
durch die Wände
des Bauteils definieren, so profiliert, dass sie in einer ersten
Richtung im wesentlichen senkrecht zu einer Kühlströmungsrichtung durch den Kanal
nach einer Mittellinie durch den Kanal konvergieren und in einer
zweiten Richtung ebenfalls senkrecht zur Strömungsrichtung durch den Kanal
von der Mittellinie des Kanals divergieren. Weiter kann die erste
Richtung in der die Kanalwände
divergieren, im wesentlichen parallel zu der ersten und zweiten
Oberfläche
der Wandung des Bauteils verlaufen, und die zweite Richtung kann
im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung und der Mittellinie durch
den Kanal verlaufen, so dass vom Kanaleinlaß nach dem Kanalauslaß die Kanalwände, die
die Kanäle
definieren, so konfiguriert sind, dass sie in der ersten Richtung
seitlich über
die Wand des Bauteils divergieren, und außerdem gleichzeitig in der
zweiten Richtung konvergieren.
-
Die
Kanäle
durch die Wände
des Bauteils können
in Strömungsrichtung
des Heißgasstroms
im Winkel angestellt sein, das heißt, dass sie im Betrieb benachbart
zur zweiten Oberfläche
des Bauteils strömen.
-
Vorzugsweise
wird an den Kanaleinlässen, wo
die Wände
der Kanäle
und die erste Oberfläche der
Wandung des Bauteils einander schneiden, ein abgerundetes Profil
zwischen den Kanalwänden
und der ersten Oberfläche
definiert. Außerdem
wird an den Kanalauslässen,
wo die Wände
der Kanäle
und die zweite Oberfläche
der Wandung des Bauteils sich schneiden, ein abgerundetes Profil
zwischen den Kanalwänden
und der zweiten Oberfläche
definiert.
-
Ein
Teil der zweiten Oberfläche
der Wandung, die dem Heißgasstrom
stromab des Kanalauslasses ausgesetzt ist, kann kleiner sein als
ein Abschnitt der zweiten Oberfläche
stromauf des Kanalauslasses.
-
Die
Kanäle
können
gekrümmt
sein, wenn sie durch die Wand des Bauteils hindurchtreten. Die Kanalwände, die
die Kanäle
definieren, können
ein gekrümmtes
Profil aufweisen.
-
Das
Bauteil ist ein Teil eines Turbinenabschnitts eines Gasturbinentriebwerks.
Außerdem kann
das Bauteil eine hohle Turbinenlaufschaufel oder eine hohle Turbinenleitschaufel
sein.
-
Stattdessen
kann das Bauteil ein Teil eines Verbrennungsabschnitts eines Gasturbinentriebwerks
sein.
-
Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
-
1 ist
eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks;
-
2 ist
eine Darstellung einer Turbinenschaufel des in 1 gezeigten
Triebwerks, mit einem Ausführungsbeispiel
nach der vorliegenden Erfindung;
-
3 ist
ein Schnitt der Turbinenschaufel gemäß 2, geschnitten
längs der
Linie X-X;
-
4 ist
eine Einzelansicht der Wandung der Turbinenschaufel gemäß 3,
mit einem hindurchverlaufenden Kühlkanal;
-
5a ist
eine Ansicht in Richtung des Pfeils A, gemäß 4;
-
5b ist
eine Schnittansicht der Wandung der Turbinenschaufel, geschnitten
in einer Ebene, die durch die Mittellinie Y-Y des Kanals gemäß 4 hindurchläuft;
-
6 ist
eine der 4 entsprechende Ansicht eines
abgewandelten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
-
7 ist
eine Schnittansicht der Wand einer Turbinenschaufel in einer Ebene,
die die Mittellinie Y'-Y' des Kanals gemäß 6 durchläuft;
-
8 ist
eine der 4 entsprechende Ansicht eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
-
9 ist
eine der 4 entsprechende Ansicht eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
-
10 ist
eine der 4 entsprechende Ansicht eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
-
11 ist
ein Schnitt der Wandung einer Turbinenschaufel an einer fiktiven
Oberfläche,
die durch die Mittellinie Y'''-Y''' des Kanals gemäß 10 verläuft.
-
1 zeigt
ein Beispiel eines Gasturbinentriebwerks 10, mit einem
Fan 2, einem Zwischendruckkompressor 4, einem
Hochdruckkompressor 6, einer Verbrennungseinrichtung 8,
einer Hochdruckturbine 9, einer Zwischendruckturbine 12 und
einer Niederdruckturbine 14, die sämtlich in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet sind. Der Fan 2 ist antriebsmäßig mit
der Niederdruckturbine 14 über eine Fanwelle 3 verbunden;
der Zwischendruckkompressor 4 ist antriebsmäßig mit
der Zwischendruckturbine 12 über eine Zwischendruckwelle 5 verbunden;
und der Hochdruckkompressor ist antriebsmäßig mit der Hochdruckturbine über eine
Hochdruckwelle 7 verbunden. Im Betrieb drehen sich Fan 2,
die Kompressoren 4, 6, die Turbinen 9, 12 und 14 und
die Wellen 3, 5, 7 um eine gemeinsame
Triebwerksachse 1. Die Luft, die in das Gasturbinentriebwerk 10,
wie durch den Pfeil B dargestellt, einströmt, wird durch den Fan 2 komprimiert
und beschleunigt. Ein erster Teil der komprimierten Luft, der aus
dem Fan 2 austritt, strömt
in einen ringförmigen
Nebenstromkanal 16, der am stromabwärtigen Ende des Gasturbinentriebwerks 10 austritt
und einen Teil des Vorwärtsantriebsschubes
bildet, den das Gasturbinentriebwerk 10 erzeugt. Ein zweiter
Teil der vom Fan 2 komprimierten Luft strömt in den
Zwischendruckkompressor 4 und in den Hochdruckkompressor 6,
wo eine weitere Kompression stattfindet. Die komprimierte Luftströmung, die
aus dem Hochdruckkompressor 6 austritt, strömt dann
in die Verbrennungseinrichtung 8, wo sie mit Brennstoff
vermischt und verbrannt wird, um eine Gasströmung 50 hoher Energie
und hoher Temperatur zu erzeugen. Dieser Heißgasstrom 50 strömt dann
durch die Hochdruckturbine 9, die Zwischendruckturbine 12 und
die Niederdruckturbine 14, die Energie aus dem Heißgasstrom 50 aufnehmen, der
die Turbinen 9, 12, 14 dreht, und dadurch
die Antriebskraft liefert, um Fan 2 und Kompressoren 4, 8 anzutreiben,
die mit den Turbinen 9, 12, 14 verbunden
sind. Der Heißgasstrom 50,
der noch eine beträchtliche
Energiemenge enthält
und mit einer beträchtlichen
Geschwindigkeit strömt,
tritt dann aus dem Triebwerk 10 über eine Abgasdüse 18 aus,
die einen weiteren Teil des Vorwärtsantriebsschubes
des Gasturbinentriebwerks 10 erzeugt. Als solches ist die Arbeitsweise
des Gasturbinentriebwerks 10 konventionell und allgemein
bekannt.
-
Es
ist klar, dass im Betrieb die Verbrennungseinrichtung 8 und
die Turbinen 9, 12, 14, insbesondere
die Hochdruckturbine 9, dem Heißgasstrom 50 ausgesetzt
sind, der eine hohe Energie enthält. Um
den thermischen Wirkungsgrad des Gasturbinentriebwerks 10 zu
verbessern, ist es erforderlich, dass die Temperatur dieses Gasstromes 50 so
hoch als möglich
ist, und in vielen Fällen
kann diese Temperatur über
dem Schmelzpunkt der Materialien des Triebwerks 10 liegen.
Infolgedessen sind Kühlanordnungen
für diese
Bauteile vorgesehen, die diesen hohen Temperaturen ausgesetzt sind,
um diese Bauteile zu schützen.
-
Die
Turbinen 9, 12, 14 weisen eine Vielzahl von
Schaufeln auf, die in einer ringförmigen Anordnung an einem Scheibenaufbau
montiert sind. Eine dieser einzelnen Turbinenschaufeln 20 der
Hochdruckturbine 9, die dem hochenergetischen Heißgasstrom 50 ausgesetzt
ist, zeigt schematisch 2. Die Schaufel 20 weist
einen Arbeitsteil 22, eine Plattform 24 und einen
Schaufelfuß 26 auf.
Wenn die Schaufel 20 im Triebwerk 10 montiert
ist, dann liegt der Arbeitsteil 22 innerhalb des Heißgasstroms 50 und
wird diesem Heißgasstrom
ausgesetzt. Die Plattform 24 wirkt mit den Plattformen 24 benachbarter
Schaufeln 20 innerhalb des Aufbaus zusammen, um eine innere Ringstruktur
zu schaffen, die einen Teil eines ringförmigen Turbinenkanals 25 definiert,
durch den der Gasstrom abfließt.
Dieser ringförmige
Turbinenkanal 25 ist in 2 durch
die strichlierten Linien 25' dargestellt.
Der Schaufelfuß 26 verbindet
die Turbinenschaufel 20 mit einer Turbinenscheibe.
-
Wie
aus 3 ersichtlich, ist die Turbinenschaufel 20 hohl
ausgebildet, und sie weist eine Außenwand 40 auf, die
einen gegliederten inneren Hohlraum 34 umschließt und definiert.
Kanäle 28, 30 innerhalb
des Turbinenschaufelfußes 26 verbinden den
inneren Hohlraum 34 mit nicht dargestellten Kühlluftleitungen
im Triebwerk 10. Im Betrieb wird unter Druck stehende Kühlluft,
die in üblicher
Weise von den Kompressoren 4, 6 (insbesondere
vom Hochdruckkompressor 6) abgezweigt wird, über die
Triebwerks-Kühlleitungen
und die Turbinenschaufelfußkanäle 28, 30 in
den inneren Hohlraum 34 der Turbinenschaufel 20 geleitet.
Die unter Druck stehende Kühlluft
kühlt die
Wände 40 der
Turbinenschaufel 20 und durchströmt, wie durch die Pfeile 52 und 36 angegeben,
Kanäle 57,
die in den Wänden 40 vorgesehen sind.
Diese Strömung 36 von
Kühlluft
tritt aus den Kanälen 57 aus
und strömt
in einer Grenzschicht in Richtung stromab, über die Oberfläche 38 der
Turbinenschaufel 20, die dem Heißgasstrom 50 ausgesetzt
ist. Die Grenzschicht aus Kühlluft
bildet einen Schutzfilm aus Kühlluft über der
Oberfläche 38 der Schaufel 20 und
bewirkt eine Filmkühlung
der Schaufeloberfläche 38,
die dem Heißgasstrom 50 ausgesetzt
ist.
-
Es
ist klar, dass bei einer typischen Turbinenschaufel 20 eine
Vielzahl von Kanälen 57,
insbesondere reihenweise, über
die Gesamterstreckung der Wände 40 der
Schaufel 20, sowohl auf der Saugseite als auch auf der
Druckseite der Schaufel 20 und an der Vorderkante und der
Hinterkante der Schaufel 20 vorgesehen sind. Der Übersichtlichkeit
wegen und zur Veranschaulichung ist jedoch nur eine solche Reihe
von Kanälen 57 dargestellt.
-
Die
Ausbildung und Form der Kanäle 57 ist im
einzelnen in den 4, 5a und 5b dargestellt.
Es sind mehrere einzelne Einlässe 31 in
der Oberfläche
der Wand 40 benachbart zum Hohlraum 34 ausgebildet.
Die Einlässe 31 sind
in einer Reihe angeordnet, die sich in Spannrichtung über die
Länge der
Schaufel 20 erstreckt. Die einzelnen Kanäle 57, die
durch Kanalwände 54 definiert
sind, erstrecken sich durch die Wände 40 der Schaufel 20 vom
Einlaß 31 nach
einem Auslaß 32 in
der Oberfläche 38 der Wand 40,
die dem Heißgasstrom 50 ausgesetzt
ist.
-
Eine
Mittelachse 58 durchläuft
die geometrische Mitte eines jeden Kanals 57 und wie dargestellt sind
die Kanäle 57 in
Richtung der Strömung
des Heißgasstromes 50 im
Winkel angestellt. Im Betrieb richtet diese Winkelstellung die Strömung 36 der Kühlluft,
beim Austritt aus den Kanälen 57,
in Richtung stromab über
die Oberfläche 38 der
Schaufel 20. Der Winkel θ der Mittelachse 58 und
demgemäß die Kanäle 57 gegenüber der
Wandoberfläche 39, beträgt im typischen
Fall zwischen 20 und 70 Grad.
-
Der
Einlaß 31 des
Kanals 57 weist einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt
in Richtung der Strömung 52 (das
heißt
senkrecht zur Mittelachse 58) auf. Es ist klar, dass infolge
des Winkels θ des Kanals 57 relativ
zur Wandoberfläche 39,
wie durch die Mittelachse 58 angegeben, ein im Querschnitt kreisförmiger Einlaß 31 ein
elliptisches Loch in der Wandoberfläche 39 bildet, wie
dies in den 5a und 5b dargestellt
ist.
-
Die
Wände 54 der
Kanäle 57 definieren
die Kanäle 57,
da sie die Wand 40 der Schaufel 20, wie in den 4 und 5a dargestellt,
durchstoßen. Wie
aus 5a hervorgeht, dies ist eine Ansicht der Oberfläche 38 der
Wand 40 vom Kanaleinlaß 31 nach dem
Auslaß 32 auf
der Wandoberfläche 38 in
Richtung des Pfeils A, divergieren die Wände 54 der einzelnen
Kanäle 57 seitlich
innerhalb der Wand 40 in einer Richtung allgemein parallel
zu den Wandoberflächen 38 und 39.
An der Schaufelwandoberfläche 38 oder
in der Nähe
hiervon schneiden sich die Wände 54 benachbarter
Kanäle 57 und
definieren einen gemeinsamen Auslaßschlitz 32 in der
Wandoberfläche 38.
Dieser Auslaßschlitz 32 ist
am besten aus 2 erkennbar. In einer Querschnittsebene
durch die Wand 40 von der Kühlluftoberfläche 39 der
Wand nach der freiliegenden Oberfläche 38 der Wand, konvergieren
die Wände 54 jedoch
auf der Mittelachse 58 vom Einlaß 31 nach dem Auslaß 32 und
enthalten die Mittelachse 58, wie aus 4 ersichtlich.
Vom Einlaß 31 nach
dem Auslaßschlitz 32 divergieren demgemäß die Wände 54 der
Kanäle 57 in
einer Richtung (seitlich), während
sie außerdem
in einer zweiten Richtung im wesentlichen senkrecht hierzu, konvergieren
(im wesentlichen senkrecht zu den Wandoberflächen 38, 39).
-
Der
Querschnitt der Kanäle 57 in
Strömungsrichtung 52 durch
die Kanäle
hindurch ist am Einlaß 31 im
wesentlichen kreisförmig.
Dann tritt der Kanal 57 durch die Wand 40 hindurch
und infolge der Profilierung der Wände 54 entwickelt
sich der Querschnitt allmählich
zu einer allgemein rechteckigen Form, in Gestalt eines gemeinsamen
Auslaßschlitzes 32 am Kanalausgang.
Der Querschnitt des Einlasses 31 ist nicht kritisch und
der Einlaß 31 könnte auch
elliptisch, kreisförmig,
rechteckig oder von irgendeiner anderen Gestalt sein.
-
Die
Profilierung der Kanalwände 54 ist
derart, dass die Konvergenz der Wände 54 (wie aus der Querschnitts-Seitenansicht
gemäß 4 hervorgeht)
größer ist
als die Divergenz der Wände 54 (wie in
der Grundrißansicht
gemäß 5a dargestellt). Daher
konvergiert die Gesamtkonfiguration der Kanäle 57 und die Querschnittsfläche der
Kanäle 57 vermindert
sich in Richtung der Strömung 52 vom Einlaß 31 nach
dem Auslaß 32.
-
Wie
aus den 5b und 5a ersichtlich, sind
innerhalb der Wand 40 benachbarte Kanäle 57 durch etwa dreieckige
Postamente 55 getrennt, die zum Teil durch die Kanalwände 54 definiert
sind. Diese Postamente 55 ziehen die Wände zusammen und halten die
Festigkeit der Wand 40 aufrecht. Dies ergibt eine mechanische
Festigkeit, die einer einfachen Schlitzanordnung überlegen
ist.
-
Vorzugsweise
wird die Basisform eines jeden Kanals 57 durch eine Familie
gerader Linien erzeugt, die durch die Wand 40 ähnlich wie
die Zentralachse 58 hindurchgehen. Als solche können die Kanäle durch
lineares Bohren, beispielsweise unter Benutzung eines Laser, hergestellt
werden. Es können
jedoch auch andere konventionelle Verfahren zur Herstellung der
Kanäle
benutzt werden. Beispielsweise könnten
die Kanäle
auch durch Elektroden-Entladungs-Bearbeitung oder Wasserstrahlbohren
hergestellt werden. Stattdessen könnten die Wände 40 zusammen mit
den Kühlkanälen 57 durch Präzisionsguß hergestellt
werden.
-
Im
Betrieb strömt
Kühlluft
innerhalb des Hohlraums 34 in den Kanaleinlaß 31 und
durch die Kanäle 57,
die durch die Kanalwände 54 begrenzt sind,
wie dies durch den Pfeil 52 gemäß 4 dargestellt
ist. Wenn die Kühlluft
durch die Kanäle 57 strömt, die
durch die seitlich divergierenden Wände 54 definiert werden,
dann wird die Kühlluft
seitlich ausgebreitet. Am Auslaß 32 wird
die Kühlluft
innerhalb des Auslaßschlitzes 32 mit
der Kühlluftströmung 36 benachbarter
Kanäle 57 derart
kombiniert, dass die Kühlluftströmung 36 den
Auslaßschlitz 32 als
ein Kühlluftfilm
verläßt, der
sich über
die Länge
L des Schlitzes 32 erstreckt. Infolge des flachen Winkels θ der Kanäle 57 relativ
zur Wandoberfläche 38 und
der Strömung
des Heißgasstromes 50 längs der
Oberfläche
der Wand 38, tritt der Kühlluftströmungsfilm 36 aus dem
Auslaßschlitz 32 aus
und strömt
stromab über
die Oberfläche 38 in
Form einer Grenzschicht. Diese Grenzschicht über der Oberfläche 38 bildet den
erforderlichen Kühlfilm
der Oberfläche 38 und
er schützt
die Oberfläche 38 gegenüber den
hohen Temperaturen des Gasstroms 50. Insofern ist die Strömung 52, 36 durch
die Kanäle 57 und
aus diesen heraus ähnlich
anderen bekannten Anordnungen, bei denen die Kühlluft durch einen Schlitzauslaß ausströmt, um einen
Grenzschichtfilm zu erzeugen.
-
Infolge
der kombinierten Gesamtkonvergenz und Verminderung der Gesamtquerschnittsfläche der Kanäle 57 zwischen
dem Einlaß 31 und
dem Auslaß 32 wird
jedoch gemäß der Erfindung
die Kühlluftströmung 52, 36 beschleunigt,
wenn sie durch die Kanäle 57 strömt. Die
minimale Einschnürungsfläche der
Kanäle 57 und
demgemäß die maximale
Strömungsgeschwindigkeit
liegen vorzugsweise am Kanalausgang 32 oder kurz davor.
Diese Beschleunigung der Kühlluftströmung durch
die Kanäle 57,
infolge der Verminderung der Gesamtquerschnittsfläche, ist
ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung. Eine derartige
Anordnung steht in krassem Gegensatz zu den Lehren herkömmlicher
Kühlkanalausbildungen die
angeordnet werden, um die Strömung
durch die Kanäle
zu verzögern,
die nur eine Gesamtdivergenz aufweisen, und eine ansteigende Querschnittsfläche der
Kanäle
besitzen.
-
Es
hat sich gezeigt, dass die Beschleunigung der Kühlluftströmung 52, 36 bei
Strömung
durch die Kanäle 57 eine
Anzahl von Vorteilen mit sich bringt. Erstens werden Einlaßströmungs-Trennungen
minimiert, die bei bekannten Anordnungen auftreten können, wo
die Strömung
verzögert
wird. Außerdem
werden die aerodynamischen Verluste vermindert, die der Strömung 52, 36 beim
Durchströmen
der Kanäle 57 zugeordnet
sind, und/oder es werden höhere Kühlluftströmungen 52, 36 ermöglicht,
ohne dass zusätzliche
aerodynamische Funktionsnachteile entstehen, im Vergleich mit bekannten
Anordnungen, bei denen die Kühlluftströmung 52, 36 verzögert wird. Durch
Beschleunigung der Strömung 52, 36 der Kühlluft durch
die Kanäle 57 wird
außerdem
eine verbesserte, nahezu laminare und relativ dünne Grenzschicht-Filmströmung 36 aus
Kühlluft
längs der
Oberfläche 38 der
Schaufel 20 vorgesehen. Diese Grenzschicht, die durch diese
Anordnung erzeugt wird, ist stabiler und die Kühlluftströmung 36 am Auslaß 32 ist weniger
turbulent als die mit bekannten Verfahren erzeugte Strömung. Dies
verhindert eine Vermischung der Kühlluftströmung 36 entlang der
Oberfläche 38 mit
der Heißgasströmung 50,
wodurch die Filmkühlung
verbessert und eine verbesserte Schutzschicht über der Oberfläche 38 der
Schaufel 20 erzeugt wird. Die Gesamtkonvergenz und Verminderung
in der Querschnittsfläche
des Kanals 57 verbessert auch die seitliche Verteilung
und Ausbreitung der Kühlluftströmung 52, 36 innerhalb
der Kanäle 57,
um eine nahezu gleichförmige
oder mehr gleichförmige
Kühlluftströmung über der
Länge L
des Auslaßschlitzes 32 zu
erzeugen. Die Anordnung gemäß der Erfindung
kombiniert diese Vorteile außerdem
mit jenen der Schlitzauslaßtype
und/oder Kanälen,
bei denen die Kühlluftströmung über die
Oberfläche 38 der Schaufel 20 ausgebreitet
wird.
-
Bei
dieser Anordnung wird die Auslaßströmung 36 aus
dem Kanalauslaßschlitz 32 auch
auf der Oberfläche 38 der
Wand durch den Coanda Effekt gehalten, wodurch außerdem die
Beschleunigung der Kühlluftströmung 36 verbessert
wird. Hierdurch wird die Tendenz der Auslaßströmung 36 vermindert,
sich von der Oberfläche 38 der
Schaufel 20 abzulösen,
was bei anderen Anordnungen geschehen kann. Ein solches Abheben
der Strömung über der
Oberfläche 38 der
Schaufel 20 beeinträchtigt
in schädlicher
Weise die Filmkühlung
und die Schutzfunktion für
die Schaufelwand 40. Infolgedessen kann diese Anordnung
in Verbindung mit höheren Strömungsraten
von Kühlluft
genutzt werden, was eine verbesserte Filmkühlung zur Folge hat. Derartige höhere Kühluftströmungsraten
sind schwierig bei bekannten Anordnungen vorzusehen, weil die Tendenz
der erzeugten Strömung
besteht sich längs
der Wände
abzulösen.
-
Weitere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den 6 bis 11 dargestellt.
Diese Ausführungsbeispiele
sind im wesentlichen ähnlich
dem vorstehend im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiel. Infolgedessen
werden nur die Unterschiede gegenüber diesen Ausführungsbeispielen beschrieben,
wobei gleiche Bezugszeichen benutzt wurden, um gleiche Teile anzugeben.
Obgleich die zusätzlichen,
individuellen Merkmale der folgenden Ausführungsbeispiele in den 6 bis 11 kombiniert
wurden, so ist es nach der Erfindung jedoch auch möglich, diese
getrennt oder in anderen Kombinationen bei weiteren Ausführungsbeispielen
zu benutzen.
-
Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches in den 6 und 7 dargestellt
ist, besitzt der Einlaß 31a des
Kanals 57a ein abgerundetes Profil. Dies vermindert weiter
die Einlaßströmungstrennung
und verbessert weiter die aerodynamische Wirksamkeit dieser Anordnung.
-
Wie
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 8 dargestellt,
kann der Auslaßschlitz 32b auch geglättet oder
abgerundet in die Oberfläche
der Wand 38 übergehen.
Dies vermindert irgendwelche Trennungen der Kühlluftströmung 36 am Auslaß. Außerdem verbessert
eine solche Abrundung des Auslaßschlitzes 32b den
Coanda Effekt, der dem Auslaß 32b zugeordnet
ist, wodurch weiter jede Tendenz der Auslaßströmung 36 vermindert
wird, sich von der Oberfläche 38 abzulösen.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 9 ist
die Oberfläche 38' der Wand, die
dem Heißgasstrom 50 stromab
des Auslaßschlitzes 32c ausgesetzt
ist, kleiner als die Oberfläche 38 stromauf
des Auslaßschlitzes 32c.
Die fortgesetzte Position der stromaufwärtigen Oberfläche 38 ist
durch die punktierte Linie 38' angegeben. Der Abstand d zwischen der
stromabwärtigen
Oberfläche 38'' und der Position der erstreckten
Oberfläche 38' ist vorzugsweise gleich
der Versetzungsdicke, die der Kühlluftströmung 36 angepaßt wäre, ohne
die Hauptströmung 50 zu
stören,
wobei eine Vermischung ignoriert wird, die durch die Strömung 36 der
Kühlluft
aus dem Auslaß 32d verursacht
wird. Bei dieser Anordnung wird der Heißgasstrom 50 weniger
durch die Strömung 36 der Kühlluft aus
dem Auslaß 32d und
längs der
Oberfläche 38'' der Wand 40 gestört, wobei
dennoch eine hohe Kühlungswirksamkeit
der Kühlluft
in der Nähe der
Wandung 40 aufrechterhalten bleibt. Diese Anordnung ist
insbesondere vorteilhaft, wenn der Heißgasstrom 50 über die
Oberfläche 38 mit
einer hohen Mach-Zahl und demgemäß hoher
Geschwindigkeit abfließt,
wobei die erfindungsgemäße Anordnung Verlust
erzeugende Stoßwellen
verringert, die durch die Strömung 36 der
Kühlluft
aus dem Auslaß 32c erzeugt
werden könnten.
-
Bei
dem in den 10 und 11 dargestellten
Ausführungsbeispiel
haben die Kanäle 57d immer
noch ein seitlich divergierendes Profil in einer Richtung (11)
und ein konvergierendes Profil in einer anderen Richtung (10),
wobei die Gesamtquerschnittsfläche
konvergiert und die Querschnittsfläche sich nach dem Kanalauslaß 32d verringert,
so daß die
Kühlluftströmung, die
durch den Kanal 57d strömt,
beschleunigt wird. Jedoch sind die Wände 54d und die Profilierung
der Kanäle 57d durch
die Wand 40 gekrümmt,
anstatt gerade Seiten zu haben, wie dies bei den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen
der Fall war. Der Kanal 57d ist ebenfalls gekrümmt, bei
seinem Durchlauf durch die Wand 40, wie dies durch die
gekrümmte,
fiktive Mittelachse 58 des Kanals 57d angedeutet
ist. Diese gekrümmte Profilierung
verbessert die Strömung 52 der
Kühlluft durch
die Kanäle 57d.
Außerdem
kann durch Krümmung
der Kanäle 57d,
wie durch die fiktive Mittelachse 58 angegeben, der Winkel θ des Kanalauslasses 32d relativ
zur Wandoberfläche 38 verringert
werden, im Vergleich mit einem Fall, bei dem geradlinige Wände der
Kanäle 57 vorgesehen
sind. Dies verbessert die Strömung 36 des
Kühlluftfilms
entlang der stromabwärtigen
Wandoberfläche 38", und es wird weiter
jede Tendenz vermindert, den Film von der Oberfläche 38" abzulösen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Grundgestalt der Kanäle 57d nicht mehr
durch eine Familie gerader Linien erzeugt, wie dies allgemein der
Fall bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
war, und die Kanäle 57d und
die Wände 40 werden
im typischen Fall durch Präzisionsguß erzeugt,
um die gekrümmten
Profile zu erzeugen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass andere herkömmliche
Verfahren zur Erzeugung der Kanäle
im allgemeinen nicht anwendbar sind zur Erzeugung derart gekrümmter Kanäle 57d.
-
Obgleich
nicht dargestellt können
Querschnitt und Höhe
h des Auslaßschlitzes 32d über die Länge L verändert werden,
und insbesondere über jedem
Kanal L1, um die seitliche Verteilung der Kühlluftströmung 36 über der
Oberfläche 38'' zu verbessern.
-
Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf gekühlte Turbinenlaufschaufeln 20 beschrieben.
Es ist jedoch klar, dass die Erfindung ebenfalls für Düsenleitschaufeln
einer Turbine angewandt werden kann, um eine verbesserte Kühlung der
Oberflächen und
Wände der
Leitschaufeln zu bewirken, die in gleicher Weise der Heißgasströmung 50 ausgesetzt sind.
Derartige Düsenleitschaufeln
haben ein ähnliches
Stromlinienprofil und ähnliche
Plattformen und sie sind ebenfalls allgemein hohl ausgebildet und
mit inneren Hohlräumen
versehen, die durch Schaufelwände
definiert sind. Die Kühlluft
wird dem Innenraum der Leitschaufeln zugeführt und tritt durch die Kühlkanäle innerhalb
der Leitschaufelwände
aus, und erzeugt daher eine Abkühlung
und bewirkt einen Schutz der Leitschaufeln.
-
Es
ist weiter für
den Fachmann klar, dass die Kühlkanal-Anordnung
und -Ausbildung in gleicher Weise für andere Bauteile angewandt
werden könnte,
die eine Filmkühlung
erfordern. Beispielsweise werden die Wände der Verbrennungseinrichtung üblicherweise
mit einer Filmkühlung
ausgerüstet,
und die Erfindung kann vorteilhafterweise benutzt werden, um eine
Filmkühlung
derartiger Brennkammerwände
zu bewirken.