-
Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere
auf innengekühlte
Schaufeln, die in derartigen Triebwerken verwendet werden.
-
Gasturbinentriebwerke,
wie beispielsweise Flugzeug-Strahltriebwerke, enthalten viele Komponenten
(z.B. Turbinen, Verdichter, Bläser
und ähnliches),
die Schaufeln bzw. stromlinienförmigen
Abschnitte verwenden. Stromlinienförmige Turbinenabschnitte, wie
beispielsweise Turbinenschaufeln und Düsenschaufeln, die den höchsten Betriebstemperaturen
ausgesetzt sind, verwenden üblicherweise
eine Innenkühlung,
um die Schaufeltemperaturen innerhalb gewisser Arbeitsgrenzen zu
halten. Eine Turbinenlaufschaufel beispielsweise hat einen Schaftabschnitt,
der an einer umlaufenden Turbinenrotorscheibe befestigt ist, und
einen stromlinienförmigen Schaufelabschnitt,
der verwendet wird, um aus den heißen Gasen, die den Brenner
des Triebwerks verlassen, nutzbare Arbeit zu entziehen. Der stromlinienförmige Abschnitt
enthält
einen Schaufelfuß,
der an dem Schaft befestigt ist, und eine Schaufelspitze, die sich
an dem freien Ende von der stromlinienförmigen Schaufel befindet. Üblicherweise
wird der stromlinienförmige
Abschnitt von der Turbinenlaufschaufel durch Luft gekühlt (normalerweise
von dem Verdichter des Triebwerks abgezapft), die durch einen inneren
Kreis strömt,
wobei die Luft nahe dem Schaufelfuß eintritt und nahe der Schaufelspitze
und auch durch Filmkühllöcher nahe
der Vorderkante der Schaufel und durch Kühllöcher an der Hinterkante austritt.
Bekannte Turbinenschaufel-Kühlkreise
enthalten mehrere radial angeordnete Kanäle, die in Reihe verbunden
sind, um eine serpentinenförmige Strömungsbahn
zu erzeugen, wodurch die Kühleffektivität vergrößert wird,
indem die Länge
der Kühlmittel-Strömungsbahn
verlängert
wird. Es ist auch bekannt, zusätzliche,
nichtverbundene Kanäle
neben dem serpentinenförmigen
Kühlkreis
vorzusehen.
-
Dokumente
wie US-5,752,801 und US-5,536,143 zeigen bekannte Turbinenschaufel-Kühlkreise.
-
Turbinenlaufschaufeln
mit internen Kühlkreisen
werden üblicherweise
unter Verwendung eines Präzisionsgießverfahrens
gefertigt, das üblicherweise
als Wachsausschmelzverfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren beinhaltet,
dass ein Keramikkern, der den internen Kühlkreis definiert, in Wachs
eingehüllt
wird, das zu der gewünschten
Konfiguration der Turbinenschaufel geformt ist. Die Wachsanordnung wird
dann wiederholt in eine flüssige
Keramiklösung eingetaucht,
so dass ein harter keramischer Mantel darauf gebildet wird. Als
nächstes
wird das Wachs aus dem Mantel herausgeschmolzen, so dass die verbleibende
Form aus dem internen Keramikkern, dem externen Keramikmantel und
dem Raum dazwischen besteht, der zuvor mit Wachs gefüllt war.
Der leere Raum wird dann mit geschmolzenem Metall gefüllt. Nachdem
das Metall abkühlt
und erstarrt, wird der äußere Mantel
aufgebrochen und beseitigt, wobei das Metall freigelegt wird, das
die Form von der Leerstelle eingenommen hat, die durch die Beseitigung
des Wachses erzeugt ist. Der interne Keramikkern wird durch ein
Laugenverfahren aufgelöst.
Die Metallkomponente hat nun die gewünschte Form von der Turbinenschaufel
mit dem internen Kühlkreis.
-
Beim
Gießen
von Turbinenschaufeln mit serpentinenförmigen Kühlkreisen wird der interne
Keramikkern als ein serpentinenförmiges
Element gebildet, das eine Anzahl von langen, dünnen Verzweigungen hat. Dies
stellt die Herausforderung dar, den Kern genügend fest zu machen, um das
Eingießen des
Metalls zu überleben,
während
die strengen Anforderungen zum Positionieren des Kerns beibehalten
werden. Ferner können
die dünnen
Verzweigungen des serpentinenförmigen
Kerns eine relative Bewegung erfahren, wenn sie nicht in einer gewissen Art
und Weise stabilisiert sind. Deshalb werden Kernbänder (d.h.
kleine keramische Stifte, die verschiedene Zweige verbinden) verwendet,
um den Kern genau zu positionieren und eine Relativbewegung der Kernzweige
zu verhindern, so dass die Dicken der Wände, die benachbarte Kanäle des serpentinenförmigen Kühlkreises
trennen, besser gesteuert werden. Nach dem Gießen, wenn sie zusammen mit dem
Kern entfernt worden sind, hinterlassen die Kernbänder Löcher in
den Wänden.
Diese Kernbandlöcher
sorgen für
eine unerwünschte
Strömungsverbindung
zwischen benachbarten Kanälen
aufgrund der Druckdifferenz, die üblicherweise zwischen den zwei
Kanälen
besteht. Das heißt,
das Kühlfluid
in dem einen höheren
Druck aufweisenden Kanal strömt
durch das Kernbandloch hindurch in den einen niedrigen Druck aufweisenden
Kanal. Dies hat eine unerwünschte
Kühlströmungsverteilung
im Vergleich zu der ursprünglichen
Konstruktionsabsicht zur Folge.
-
Dementsprechend
besteht ein Bedürfnis
für eine
Turbinenschaufel, in der die Kühlfluidströmung durch
Kernbandlöcher
minimiert ist.
-
Die
vorgenannten Bedürfnisse
werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, die eine Schaufel bereitstellt,
die wenigstens zwei innere Kühlkanäle aufweist,
die durch eine Wand mit einem darin ausgebildeten Kernbandloch getrennt
sind. Strömungsdeflektoren,
die auf der Wand neben dem Loch angeordnet sind, ändern den
statischen Druck nahe dem Loch, um die Druckdifferenz über dem
Loch zu minimieren. Dies verringert die Strömung des Kühlfluids durch das Kernbandloch.
-
Es
wird nun ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen:
-
1 eine
longitudinale Querschnittsansicht von einer bekannten Turbinenschaufel
ist;
-
2 eine
longitudinale Querschnittsansicht von einem Abschnitt von einer
Turbinenschaufel ist, die Strömungsdeflektoren
gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist.
-
In
den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen die gleichen Elemente
in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigt 1 eine
bekannte Rotor- bzw.
Laufschaufel 10 von einem Gasturbinentriebwerk, wobei die
Schaufel einen hohlen stromlinienförmigen Abschnitt 12 und
einen einstückigen
Schaft 14 aufweist zum Befestigen des stromlinienförmigen Abschnittes 12 an
einer Rotorscheibe (nicht gezeigt) in einer üblichen Art und Weise. Der stromlinienförmige Abschnitt 12 erstreckt
sich longitudinal oder radial nach oben von einem Schaufelfuß 16,
der an dem Oberteil von dem Schaft 14 angeordnet ist, bis
zu einer Schaufelspitze 18. Der stromlinienförmige Abschnitt 12 enthält einen
internen serpentinenförmigen
Kühlmittelkreis,
der fünf
in Reihe verbundene, im Allgemeinen radial verlaufende Kühlmittelkanäle 20–24 aufweist.
-
Der
erste Kanal 20 empfängt
ein Kühlfluid (üblicherweise
ein Teil von der relativ kalten verdichteten Luft, die von dem Verdichter
(nicht gezeigt) von dem Gasturbinentriebwerk abgezapft wird) durch
den Schaft 14. Das Kühlmittel
wandert radial nach außen durch
den ersten Kanal 20, gelangt in den zweiten Kanal 21 und
strömt
dann radial nach innen durch den zweiten Kanal 21 hindurch.
Von dort gelangt das Kühlfluid
in ähnlicher
Weise der Reihe nach durch die anderen Kanäle 22-24, wodurch
der stromlinienförmige
Abschnitt 12 wegen der Heizwirkung der Verbrennungsgase,
die über
seine äußeren Oberflächen strömen, gekühlt wird.
Das Kühlfluid
verlässt
den stromlinienförmigen
Abschnitt 12 durch eine Öffnung 26 in der Schaufelspitze 18.
-
Der
stromlinienförmige
Abschnitt enthält
zusätzlich
zu dem serpentinenförmigen
Kühlkreis
einen Vorderkanten-Kühlmittelkanal 28.
Der Vorderkantenkanal 28 erstreckt sich radial zwischen
der Schaufelvorderkante 30 und dem ersten Kanal 20 und
ist mit dem serpentinenförmigen
Kühlkreis
nicht verbunden. Es wird eine getrennte Strömung des Kühlfluids durch den Schaft 14 eingeführt. Das
Kühlfluid
strömt in
radialer Richtung durch den Vorderkantenkanal 28 und wird
aus dem stromlinienförmigen
Abschnitt 12 durch übliche
Filmkühllöcher und/oder
ein Spitzenloch (nicht gezeigt) ausgestoßen, das durch die äußere Wand
des stromlinienförmigen
Abschnittes 12 ausgebildet ist. In ähnlicher Weise ist ein radial
verlaufender Hinterkanten-Kühlmittelkanal 32 zwischen der
Schaufelhinterkante 34 und dem fünften Kanal 24 des
serpentinenförmigen
Kühlkreises
angeordnet. Der Hinterkantenkanal 32 ist ebenfalls nicht
mit dem serpentinenförmigen
Kühlkreis
verbunden und empfängt
eine weitere getrennte Strömung
des Kühlfluids durch
den Schaft 14 hindurch. Dieses Kühlfluid strömt in radialer Richtung durch
den Hinterkantenkanal 32 und wird teilweise aus dem stromlinienförmigen Abschnitt 12 durch
eine übliche
Reihe von Hinterkantenlöchern
und/oder ein Spitzenloch (nicht gezeigt) ausgestoßen. Die
Pfeile in 1 geben die verschiedenen Bahnen
der Kühlfluidströmung an.
-
Wie
in 1 zu sehen ist, ist jeder der Kanäle 20–24, 28, 32 von
benachbarten Kanälen
durch sechs radial verlaufende Wände 36–41 getrennt.
Das heißt,
der Vorderkantenkanal 28 und der erste Kanal 20 von
dem serpentinenförmigen
Kühlkreis
sind durch eine erste Wand 36 getrennt, der erste Kanal 20 und
der zweite Kanal 21 sind durch eine zweite Wand 37 getrennt,
und so weiter. Wenigstens einige der Wände 36–41 haben
ein Kernbandloch 42, das darin aufgrund der Verwendung
von Kernbändern
in dem Gießverfahren
gebildet sind. Genauer gesagt, die bekannte Schaufel 10 gemäß 1 hat
Kernbandlöcher 42,
die in der ersten Wand 36, der dritten Wand 38,
der fünften
Wand 40 und der sechsten Wand 41 ausgebildet sind,
obwohl andere Konfigurationen möglich
sind, was davon abhängt,
wie die Kernbänder
während
des Gießverfahrens
verwendet werden. Kernbandlöcher,
die häufig
einen elliptischen Querschnitt haben, haben üblicherweise einen äquivalenten
Durchmesser von etwa 30–100
Mils.
-
Jedes
Kernbandloch 42 sorgt für
eine unerwünschte
Strömung
des Kühlfluids
zwischen den benachbarten Kanälen,
die es verbindet, wenn eine Druckdifferenz zwischen den zwei Kanälen besteht. Die
Kanäle 20–24 des
serpentinenförmigen
Kühlkreises
haben im Allgemeinen Druckdifferenzen, weil der Druck die Tendenz
hat, entlang der serpentinenförmigen
Strömungsbahn
abzunehmen aufgrund von Reibungs- und Wendeverlusten, wenn das Kühlfluid
in nachfolgende Kanäle
strömt.
Somit ist der Druck in dem ersten Kanal 20 größer als
der Druck in dem zweiten Kanal 21, der seinerseits größer als
der Druck in dem dritten Kanal 22 ist und so weiter bis zum
fünften
Kanal 24, der den kleinsten Druck hat. Die Drucke in dem
Vorderkantenkanal 28 und dem Hinterkantenkanal 32 werden
im wesentlichen gleich dem Druck in dem ersten Kanal 20 sein,
weil jeder dieser Kanäle
direkt mit dem Eingang des Kühlfluids durch
den Schaft 14 verbunden ist. Dementsprechend wird der Druck
in dem fünften
Kanal 24 kleiner als der Druck in dem Hinterkantenkanal 32 sein.
-
Wegen
dieser Druckdifferenzen wird Kühlfluid
von dem zweiten Kanal 21 zu dem dritten Kanal 22 durch
das Kernbandloch 42 in der dritten Wand 38 strömen, von
dem vierten Kanal 23 zu dem fünften Kanal 24 durch
das Kernbandloch 42 in der fünften Wand 40 strömen und
von dem Hinterkantenkanal 32 zu dem fünften Kanal 24 durch
das Kernbandloch 42 in der sechsten Wand 41 strömen. Die
Strömung
des Kühlfluids
durch die Kernbandlöcher 42 erzeugt
eine unerwünschte
Kühlströmungsverteilung.
Das Kühlfluid
wird im Allgemeinen nicht durch das Kernbandloch 42 in
der ersten Wand 36 strömen,
weil die Drucke in dem Vorderkantenkanal 28 und dem ersten Kanal 20 im
wesentlichen gleich sind.
-
Es
wird nun auf 2 Bezug genommen, in der eine
Turbinenschaufel 110 gezeigt ist, in der die Kühlfluidströmung durch
die Kernbandlöcher
minimiert ist. Lediglich zu Darstellungszwecken hat die Schaufel 110 die
gleiche Kühlkreiskonfiguration
wie die Schaufel 10 in 1. Es sei
jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auf Turbinenschaufeln
mit jedem Typ von Kühlkreiskonfiguration anwendbar
ist, die Kernbandlöcher
enthält.
Weiterhin wird aus der folgenden Beschreibung deutlich, dass die
Erfindung nicht auf Turbinenschaufeln beschränkt ist und mit anderen Typen
von stromlinienförmigen Komponenten
verwendet werden könnte,
wie beispielsweise Turbinendüsen.
-
Dementsprechend
hat die Schaufel 110 einen hohlen stromlinienförmigen Abschnitt 112 und
einen einstückigen
Schaft (in 2 nicht gezeigt, aber im wesentlichen
identisch mit dem Schaft 14 in 1). Der
stromlinienförmige
Abschnitt 112 enthält einen
serpentinenförmigen
Kühlkreis
mit fünf
in Reihe verbundenen, im Allgemeinen radial verlaufenden Kühlmittelkanälen 120–124,
einem Vorderkanten-Kühlmittelkanal 128,
der sich radial zwischen der Schaufelvorderkante 130 und
dem ersten Kanal 120 erstreckt, und einem radial verlaufenden
Hinterkanten-Kühlmittelkanal 132,
der zwischen der Schaufelhinterkante 134 und dem fünften Kanal 124 angeordnet
ist. Die Kanäle 120–124, 128, 132 werden
mit Kühlfluid
durch den Schaft der Schaufel 110 hindurch in der gleichen
Art und Weise versorgt, wie es oben in Bezug auf die bekannte Schaufel 10 beschrieben ist.
Jeder der Kanäle 120–124, 128, 132 ist
von benachbarten Kanälen
durch sechs radial verlaufende Wände 136–141 getrennt.
Ein Kernbandloch 142 ist in der ersten Wand 136,
der dritten Wand 138, der fünften Wand 140 und
der sechsten Wand 141 gebildet, obwohl andere Konfigurationen
in Abhängigkeit davon
möglich
sind, wie die Kernbänder
während
des Gießverfahrens
gezogen sind.
-
Die
vorliegende Erfindung verwendet mehrere Strömungsdeflektoren 144,
die lokale Drucke um die Kernbandlöcher 142 herum ändern, um
so die Kühlfluidströmung durch
die Kernbandlöcher 142 hindurch
zu verringern. Da Kernbandlöcher
senkrecht zur Richtung der Strömung
in den Kanälen
ist, besteht die unerwünschte
Strömung
von Kühlfluid durch
diese Löcher
in üblichen
stromlinienförmigen Schaufelabschnitten
nur aufgrund von Differenzen im statischen Druck. Somit sind die
Deflektoren 144, die vorzugsweise integrale Teile des Gussstückes sind, auf
den Trennwänden
angeordnet, um so einen günstigen
Einfluss auf den statischen Druck in der Nähe der Kernbandlöcher 142 zu
haben. Genauer gesagt, die Deflektoren 144 minimieren die
Druckdifferenz über
den Kernbandlöchern 142.
-
Im
allgemeinen hat jedes Kernbandloch 142 zwei Deflektoren 144,
die diesem zugeordnet sind. Bezüglich
des Kernbandloches 142 in der dritten Wand 138,
die die zweiten und dritten Kanäle 121, 122 trennt,
ist der eine Deflektor 144 in dem zweiten Kanal 121 neben
und stromaufwärts
von dem Kernbandloch 142 angeordnet, und der andere Deflektor 144 ist
in dem dritten Kanal 122 neben und stromabwärts von
dem Kernbandloch 142 angeordnet. Da er stromaufwärts von
dem Kernbandloch 142 in dem zweiten Kanal 121 angeordnet
ist, der der Kanal mit dem höheren
Druck ist, beschleunigt der Deflektor 144 die Strömung an
diesem Punkt und verkleinert dadurch den lokalen statischen Druck
an dem Kernbandloch 142 in dem zweiten Kanal 121.
Umgekehrt erzeugt der Deflektor 144 in dem einen kleineren Druck
aufweisenden dritten Kanal 122, der stromabwärts von
dem Kernbandloch 142 angeordnet ist, einen kleinen Stagnationspunkt,
um so einen gewissen Teil des statischen Druckes "einzufangen" und den lokalen
statischen Druck an dem Kernbandloch 142 in dem dritten
Kanal 122 zu erhöhen.
Indem der lokale statische Druck in dem einen höheren Druck aufweisenden zweiten
Kanal 121 gesenkt wird und der lokale statische Druck in
dem einen kleineren Druck aufweisenden dritten Kanal 122 erhöht wird,
wird die statische Druckdifferenz über dem Kernbandloch 142 minimiert,
was wiederum die Strömung
des Kühlfluids
durch das Kernbandloch 142 minimiert.
-
Die
vorliegende Erfindung ist sowohl auf Gegenströmungskanäle, wie die zweiten und dritten
Kanäle 121, 122,
als auch Parallelströmungskanäle anwendbar.
Somit sind die Deflektoren 144, die dem Kernbandloch 142 in
der fünften
Wand 140 zugeordnet sind, die die eine entgegengesetzte
Strömung aufweisenden
vierten und fünften
Kanäle 123, 124 trennt, ähnlich im
Erscheinungsbild zu den Deflektoren 144 des Kernbandloches 142 in
der dritten Wand 138, da die Deflektoren 144 von
jedem Satz an der gleichen radialen Position angeordnet sind. Allerdings
sind die Deflektoren 144, die dem Kernbandloch 142 in
der sechsten Wand 141 zugeordnet sind, die die eine parallele
Strömung
aufweisenden fünften und
Hinterkanten-Kanäle 124, 132 trennt,
an unterschiedlichen radialen Positionen angeordnet. Dieser Unterschied
besteht aufgrund der Tatsache, dass der fünfte Kanal 124 und
der Hinterkanten-Kanal 132 parallele Strömungen haben.
Das heißt,
der Deflektor 144 in dem einen höheren Druck aufweisenden Kanal,
dem Hinterkantenkanal 132, ist stromaufwärts von
dem Kernbandloch 142 angeordnet, und der Deflektor 144 in
dem einen kleineren Druck aufweisenden fünften Kanal 124 ist
stromabwärts
von dem Kernbandloch 142 angeordnet. Aufgrund der parallelen
Strömung
sind die zwei Deflektoren 144 auf radial gegenüberliegenden
Seiten von dem Kernbandloch 142 angeordnet. Trotz dieses
Unterschiedes arbeiten die Deflektoren 144, die auf der
sechsten Wand 141 angeordnet sind, in der gleichen Art
und Weise wie die anderen Deflektoren. Genauer gesagt, der Deflektor 144 in
dem einen höheren
Druck aufweisenden Hinterkantenkanal 132 beschleunigt die
Strömung,
um so den lokalen statischen Druck an dem Kernbandloch 142 in
dem Hinterkantenkanal 132 zu senken. Der Deflektor 144 in
dem einen kleineren Druck aufweisenden fünften Kanal 124 erzeugt
einen kleinen Stagnationspunkt, wodurch der lokale statische Druck
an dem Kernbandloch 142 in dem fünften Kanal 124 erhöht wird.
Demzufolge wird die Strömung
des Kühlfluids
durch das Kernbandloch 142 hindurch vermindert, weil die
statische Druckdifferenz über
dem Kernbandloch 142 minimiert ist.
-
Das
Kernbandloch 142 in der ersten Wand 136, die den
Vorderkantenkanal 128 von dem ersten Kanal 120 trennt,
hat keine zugeordneten Deflektoren, weil der erste und der Vorderkantenkanal 120, 128 im
wesentlichen gleiche Drucke haben.
-
Wie
in 2 zu sehen ist, haben die Deflektoren 144 vorzugsweise
eine Form, in der die eine Seite eine schräge Fläche darstellt und die andere Seite
mehr stumpf ist. Diese Konfiguration erleichtert nicht nur das Gießen der
Deflektoren 144, sondern sie verbessert auch die beabsichtigte
Funktion der Deflektoren 144 wie folgt. Die Deflektoren 144 sind
in den einen höheren
Druck aufweisenden Kanälen
so angeordnet, dass die geneigte Seite zur Strömung gerichtet ist (d.h. sie
ist stromaufwärts
gerichtet). Auf diese Weise sind die Deflektoren 144 in
der Lage, die Strömung
zu beschleunigen, ohne einen übermäßigen Druckabfall über die
gewünschte Änderung
in dem lokalen statischen Druck hinaus zu bewirken. Die Deflektoren 144 sind
in den einen kleineren Druck aufweisenden Kanälen so angeordnet, dass die
stumpfe Seite auf die Strömung
gerichtet ist (d.h. sie ist stromaufwärts gerichtet), um so für einen
ausreichenden Stagnationspunkt zu sorgen.
-
Die
Deflektoren 144 sind in der Größe so bemessen, dass sie ihre
beabsichtigte Funktion ausführen,
ohne die Kühlströmung nachteilig
zu beeinflussen. Vorzugsweise haben die Deflektoren 144 eine "Höhe" (d.h. die Strecke, die ein Deflektor
von der Wand vorsteht, auf der er angeordnet ist), die im wesentlichen
gleich dem Durchmesser des zugeordneten Kernbandloches 142 ist.
Dies setzt jedoch voraus, dass die Deflektoren 144 vorzugsweise
weniger als 20% von der Strömungsfläche, und
noch bevorzugter weniger als 10% der Strömungsfläche, blockieren.
-
Vorstehend
wurde eine Turbinenschaufel beschrieben, in der die Kühlfluidströmung durch
Kernbandlöcher
minimiert ist.