DE60201325T2

DE60201325T2 - Hochdruck-Turbinenschaufel mit gekühlter Abströmkante

Info

Publication number: DE60201325T2
Application number: DE60201325T
Authority: DE
Inventors: Christian Bariaud; Jacques Boury
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: FR2833298A1; US20030108425A1; JP2003193804A; ES2225740T3; RU2297537C2; DE60201325D1; EP1318274B1; FR2833298B1; US6830431B2; JP4012054B2; CA2412989A1; UA80246C2; CA2412989C; EP1318274A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der beweglichen Hochdruckturbinenschaufeln einer Turbomaschine und insbesondere die Kühlluftabführschlitze, die sich an der Abströmkante der beweglichen Schaufeln einer Hochdruckturbine befinden.
In an sich bekannter Weise enthält eine Turbomaschine eine Brennkammer, in der Luft und Kraftstoff gemischt werden, bevor sie darin verbrannt werden. Die aus dieser Verbrennung stammenden Gase strömen in der Brennkammer stromabwärts und speisen anschließend eine Hochdruckturbine. Die Hochdruckturbine weist eine oder mehrere Reihen beweglicher Schaufeln auf, die um den Rotor der Turbine herum umfangsseitig mit Zwischenraum angeordnet sind. Die beweglichen Schaufeln der Hochdruckturbine sind somit den sehr hohen Temperaturen der Verbrennungsgase ausgesetzt. Diese Temperaturen erreichen Werte, die weit über denjenigen liegen, welchen die Schaufeln, die mit diesen Gasen in Kontakt sind, ohne Schäden standhalten können, was zur Folge hat, daß deren Lebensdauer begrenzt ist.
Um dieses Problem zu lösen, ist bekannt, diese Schaufeln mit internen Kühlkreisläufen auszustatten, deren Ziel es ist, die Temperatur dieser herabzusetzen. Dank solcher Kreisläufe strömt Kühlluft, die im allgemeinen über den Fuß der Schaufel in diese eingeleitet wird, durch die Schaufel, wobei sie einem durch in der Schaufel ausgebildete Hohlräume gebildeten Weg folgt, bevor sie durch Schlitze, welche sich an der Oberfläche der Schaufel öffnen, ausgestoßen wird. Genauer gesagt sind diese Schlitze zum Abführen der Kühlluft im allgemeinen entlang der Abströmkante der Schaufel, zwischen dem Fuß und der Spitze dieser, auf im wesentlichen senkrechte Weise zu einer Längsachse der Schaufel verteilt.
Es ist auch bekannt, daß die mit Kühlkreisläufen ausgestatteten Hochdruckturbinenschaufeln durch Formen hergestellt werden. Die Stellen der Schlitze der Kühlkreisläufe sind üblicherweise durch Kerne reserviert, die vor dem Gießen des Metalls parallel zueinander in der Form angeordnet sind. Um dieses Gießen des Metalls zu erleichtern, wird der Schlitz zum Abführen der Kühlluft, der dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, im allgemeinen mit größeren Abmessungen als die anderen Schlitze ausgeführt.
Die EP-A-1128024 beschreibt eine Schaufel dieses Typs.
Nun wird aber in der Praxis festgestellt, daß der Schlitz, welcher dem Fuß der Schaufel am nächsten gelegen ist, schlecht gekühlt wird. Denn aufgrund der großen Abmessungen dieses Schlitzes und aufgrund der durch die Rotation der Schaufel erzeugten Zentrifugalkraft neigt die durch diesen Schlitz abgeführte Luft dazu, zur Spitze der Schaufel hin abgelenkt zu werden. Hieraus ergeben sich hohe Temperaturgradienten in der Nähe der Abströmkante, die im Bereich dieses Schlitzes einen Riß verursachen, der für die Lebensdauer der Schaufel besonders nachteilig ist. Diese hohen Temperaturgradienten neigen auch dazu, sich durch Leitung zu einem Anschlußbereich zwischen dem Fuß der Schaufel und einer diese tragenden Plattform hin auszubreiten.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es folglich, einen solchen Nachteil zu beheben, indem eine bewegliche Hochdruckturbinenschaufel vorgeschlagen wird, welche eine neue Geometrie des dem Fuß der Schaufel am nächsten gelegenen Schlitzes zum Abführen der Kühlluft aufweist, die keinen Riß verursacht. Ziel der Erfindung ist es auch, die allgemeine mechanische Widerstandsfähigkeit der Schaufel nicht zu verschlechtern, ein Teil, das sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Schließlich besteht ihr Ziel in einer Hochdruckturbine einer Turbomaschine, die mit derartigen beweglichen Schaufeln ausgestattet ist.
Zu diesem Zweck ist eine bewegliche Hochdruckturbinenschaufel einer Turbomaschine vorgesehen, die mindestens einen Kühlkreislauf umfaßt, welcher aus wenigstens einem Hohlraum, der sich zwischen einer Spitze und einem Fuß der Schaufel radial erstreckt, aus wenigstens einer Lufteinlaßöffnung an einem radialen Ende des Hohlraumes oder der Hohlräume, um den Kühlkreislauf oder die Kühlkreisläufe mit Kühlluft zu versorgen, sowie aus einer Vielzahl von Schlitzen besteht, die sich in dem Hohlraum oder in den Hohlräumen öffnen und an der Abströmkante der Schaufel münden, wobei die Schlitze entlang der Abströmkante zwischen dem Fuß und der Spitze der Schaufel auf eine im wesentlichen senkrechte Weise zu einer Längsachse der Schaufel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Schlitz, der dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, eine Neigung in Richtung der Spitze der Schaufel aufweist, die zwischen 10° und 30° in Bezug auf eine Rotationsachse der Schaufel beträgt.
Auf diese Weise wird die Kühlluft, welche über den dem Fuß der Schaufel am nächsten gelegenen Schlitz abgeführt wird, über die gesamte Fläche des Schlitzes derart geführt, daß vermieden wird, daß Risse im Bereich dieses Schlitzes auftreten. Diese besondere Geometrie des Schlitzes ermöglicht, die lokale Temperatur im Bereich dieses Schlitzes um etwa 5 % zu senken. Außerdem schadet diese Geometrie des Schlitzes nicht der Widerstandsfähigkeit der Schaufel gegenüber den unterschiedlichen mechanischen Beanspruchungen, denen sie ausgesetzt ist.
Die Neigung des Schlitzes, welcher dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, beträgt etwa 20°.
Um die Temperatur eines Anschlußbereichs zwischen dem Fuß der Schaufel und einer Plattform, welche den Ablaufstrom der Verbrennungsgase durch die Hochdruckturbine hindurch definiert, zu senken, ist das stromaufwärts liegende Ende des Schlitzes, der dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, im wesentlichen in diesem Anschlußbereich ausgebildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weiter Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, welche unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt, die ein Ausführungsbeispiel darstellen, welches in keiner Weise einschränkend ist. In den Figuren zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer beweglichen Hochdruckturbinenschaufel gemäß der Erfindung; und
2 eine vergrößerte Teilansicht der 1, welche den Schlitz zum Abführen der Kühlluft zeigt, der dem Fuß der Schaufel am nächsten gelegen ist.
Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform
1 zeigt in der Perspektive eine bewegliche Schaufel 10, zum Beispiel einer Hochdruckturbine einer Turbomaschine. Diese Schaufel mit der Längsachse X–X ist mittels eines im allgemeinen tannenbaumförmigen Einsteckendes 12 an einer (nicht dargestellten) Rotorscheibe der Hochdruckturbine befestigt. Sie umfaßt typischerweise einen Fuß 14, eine Spitze 16, eine Eintrittskante 18 sowie eine Abströmkante 20. Das Einsteckende 12 ist im Bereich einer Plattform 22, welche eine Wand für den Ablaufstrom der Verbrennungsgase durch die Hochdruckturbine hindurch definiert, mit dem Fuß 14 der Schaufel verbunden.
Eine solche Schaufel ist den sehr hohen Temperaturen der Verbrennungsgase ausgesetzt und muß folglich gekühlt werden. Zu diesem Zweck, und in an sich bekannter Weise, weist die bewegliche Schaufel 10 wenigstens einen internen Kühlkreislauf auf. Dieser Kühlkreislauf besteht beispielsweise aus wenigstens einem Hohlraum 24, der sich zwischen dem Fuß 14 und der Spitze 16 der Schaufel radial erstreckt. Dieser Hohlraum 24 wird an einem seiner radialen Enden über eine (nicht dargestellte) Luftzuführöffnung mit Kühlluft versorgt. Diese Luftzuführöffnung ist im allgemeinen im Bereich des Einsteckendes 12 der Schaufel vorgesehen. Es ist auch eine Vielzahl von Schlitzen 26 vorgesehen, die sich in den Hohlraum 24 öffnen und an der Abströmkante 20 der Schaufel münden, um die in dem Hohlraum abströmende Kühlluft abzuführen. Diese Schlitze 26 zum Abführen der Kühlluft sind typischerweise entlang der Abströmkante 20 zwischen dem Fuß 14 und der Spitze 16 der Schaufel in einer im wesentlichen senkrechten Weise zu der Längsachse X-X der Schaufel verteilt.
2 veranschaulicht die Geometrie des Schlitzes 28, welcher dem Fuß 14 der Schaufel 10 am nächsten liegt, genauer. Gemäß der Erfindung weist der Schlitz 28, welcher dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, eine Neigung in Richtung der Spitze 16 der Schaufel auf, welche zwischen 10° und 30° in Bezug auf eine (nicht dargestellte) Rotationsachse der Schaufel liegt. Die Neigung dieses Schlitzes beträgt vorzugsweise 20°. Diese besondere Neigung des Schlitzes 28, welcher dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, ermöglicht, die Temperatur im Bereich dieses zu vergleichmäßigen und somit jedweden Hot Spot (heiße Stelle) zu beseitigen. Die über diesen Schlitz abgeführte Kühlluft bedeckt in der Tat die gesamte Fläche des Schlitzes 28 und senkt dessen lokale Temperatur um etwa 5 %. Somit verliert sich jegliches Risiko eines Risses im Bereich dieses dem Fuß der Schaufel am nächsten gelegenen Schlitzes, und die Lebensdauer der Schaufel wird auf diese Weise verlängert.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist das stromaufwärts gelegene Ende 28a des Schlitzes 28, der dem Fuß 14 der Schaufel am nächsten liegt, im wesentlichen in einem Anschlußbereich 30 zwischen dem Fuß 14 der Schaufel und der Plattform 22 auf der Seite des Ablaufstroms der Verbrennungsgase ausgebildet, so daß die über diesen Schlitz abgeführte Luft dazu neigt, den Anschlußbereich 30 durch Wärmeleitung zu kühlen. Die Temperatur des Anschlußbereichs 30 zwischen dem Fuß 14 der Schaufel und der Plattform 22 wird auf diese Weise um etwa 1,5 % gesenkt. Um diese Kühlung des Anschlußbereichs 30 zu verstärken, sind die scharfen Kanten des stromaufwärts gelegenen Endes 28a des Schlitzes 28 geschliffen, um das Führen der über den Schlitz abgeführten Luft zu diesem Bereich 30 zu erleichtern. Da das stromabwärts gelegene Ende 28b des Schlitzes 28, welcher dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, nicht in dem Anschlußbereich 30 ausgebildet ist, wird außerdem die Widerstandsfähigkeit der Schaufel 10 gegenüber den unterschiedlichen mechanischen Beanspruchungen durch diese besondere Geometrie des Schlitzes nicht beeinträchtigt.

Claims

Bewegliche Hochdruck-Turbinenschaufel einer Turbomaschine, die mindestens einen Kühlkreislauf umfasst, der mindestens aus einem Hohlraum (24) besteht, der sich zwischen einer Spitze (16) und einem Fuß (14) der Schaufel (10) radial erstreckt, aus mindestens einer Lufteinlassöffnung an einem radialen Ende des Hohlraumes oder der Hohlräume, um den Kühlkreislauf oder die Kühlkreisläufe mit Kühlluft zu versorgen, und aus einer Vielzahl von Schlitzen (26), die sich in dem Hohlraum oder in den Hohlräumen öffnen und an der Abströmkante (20) der Schaufel einmünden, wobei die Schlitze entlang der Abströmkante zwischen dem Fuß und der Spitze der Schaufel auf eine im Wesentlichen senkrechte Weise zu einer Längsachse (X-X) der Schaufel angeordnet sind, wobei mindestens der Schlitz (28), der dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, eine Neigung in Richtung der Spitze der Schaufel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung im Verhältnis zu einer Drehachse der Schaufel zwischen 10° und 30° beträgt.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Schlitzes (28), der dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, ungefähr 20° beträgt.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein stromaufwärts liegendes Ende (28a) des Schlitzes (28), der dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, im Wesentlichen in einem Anschlußbereich (30) zwischen dem Fuß der Schaufel und einer Plattform (22) ausgebildet ist, die eine Wand für einen Ablaufstrom des Verbrennungsgases durch die Hochdruckturbine hindurch definiert.
Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die scharfen Winkel des stromaufwärts liegenden Endes (28a) des Schlitzes (28), der dem Fuß der Schaufel am nächsten liegt, geschliffen sind.
Hochdruckturbine einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von beweglichen Schaufeln (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.