DE69723663T2

DE69723663T2 - Wirbelelementkonstruktion für kühlkanäle einer Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE69723663T2
Application number: DE69723663T
Authority: DE
Inventors: Ching-Pang Cincinnati Lee; David Burton Cincinnati Knable
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-01-03
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: EP0852284A1; JPH10274001A; JP4063937B2; DE69723663D1; US5738493A; EP0852284B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Innenkühlung von Schaufeln in einem Gasturbinentriebwerk und insbesondere auf eine Turbulatorkonfiguration, die entlang der Innenfläche von wenigstens einer Wand angeordnet ist, die einen Kühlkanal in einem derartigen stromlinienförmigen Schaufelabschnitt bildet.
Gasturbinentriebwerke, wie beispielsweise Flugzeug-Strahltriebwerke, enthalten Komponenten (z. B. Turbinen, Verdichter, Bläser und ähnliches) mit stromlinienförmigen Abschnitten. Ein stromlinienförmiger Abschnitt für beispielsweise eine Rotorschaufel hat einen Schaftabschnitt, der an einer rotierenden Rotorscheibe der Turbine angebracht ist, und einen stromlinienförmigen Schaufelabschnitt, der verwendet wird, um nutzbare Arbeit aus den heißen Gasen zu ziehen, die den Triebwerksbrenner verlassen. Die stromlinienförmige Schaufel enthält einen Schaufelfuß, der an dem Schaft befestigt ist, und eine Schaufelspitze, die sich an dem freien Ende von der stromlinienförmigen Schaufel befindet. Moderne Flugzeug-Strahltriebwerke haben eine Innenkühlung von Turbinenrotorschaufeln verwendet, um die Temperaturen der stromlinienförmigen Schaufel innerhalb gewisser Auslegungsgrenzen zu halten. Üblicherweise wird der stromlinienförmige Schaufelabschnitt der Turbinenrotorschaufel durch Luft gekühlt (die normalerweise von dem Verdichter des Triebwerks abgezogen wird), die durch einen longitudinal verlaufenden Innenkanal strömt, wobei die Luft nahe dem Fuß der stromlinienförmigen Schaufel eintritt und nahe der Schaufelspitze austritt. Bekannte Turbinenschaufel-Kühlkanäle enthalten einen Kühlkreis, der mehrere unverbundene longitudinal orientierte Kanäle aufweist, wobei jeder Kanal Kühlluft nahe dem Schaufelfuß empfängt und die Luft longitudinal in Richtung auf die Schaufelspitze kanalisiert, und er enthält auch einen serpentinenförmigen Kühlkreis, der mehrere longitudinal orientierte Kanäle aufweist, die in Reihe miteinander verbunden sind, um eine serpentinenförmige Strömung zu erzeugen. Für jeden Kühlkreis verlässt ein Teil der Luft die stromlinienförmige Schaufel durch Filmkühllöcher nahe der Vorderkante der Schaufel und ein Teil der Luft verlässt die stromlinienförmige Schaufel durch Kühllöcher an der Hinterkante.
Turbulenzförderer oder Turbulatoren, wie sie in EP 0661414 gezeigt sind, sind Vorrichtungen, die üblicherweise in den Kühlströmungskanälen der Rotorschaufeln verwendet werden, um die thermische Grenzschicht aufzubrechen und nahe der Kühlkanalwand Turbulenz zu erzeugen. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Wand verstärkt. Es ist verständlich, dass die Höhe und Form der Turbulatoren (bisher rechteckige oder quadratische Rippen, die auf die Kühlkanalwand mit identischem Querschnitt und Abstand gegossen sind) kritisch sind für die Wirksamkeit der Erzeugung von Turbulenz. Insbesondere muss die Turbulatorhöhe größer sein als die Dicke der thermischen Grenzschicht, um sie auszulösen.
Es wurde gefunden, dass eine Schaufel, die mit einem keramischen Kern gegossen ist, der aus einer neuen Kerngesenk erzeugt ist, gewöhnlich Turbulatoren mit der gewünschten Höhe und scharfen Ecken hat, wie sie in 4 gezeigt sind. In diesem Fall kann die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kühlkanal um einen Faktor 2–3 erhöht sein, wenn er mit einer glatten Oberfläche ohne Turbulatoren verglichen wird. Die Höhe und Ecken der Turbulatoren, die auf der Kühlkanalwand geformt sind, werden jedoch erodiert, nachdem das Kerngesenk teilweise abgenutzt ist oder durch kontinuierlichen Aufprall von Teilchen, die in dem Kühlmittel enthalten sind (wie in 5 zu sehen), wodurch die Wirksamkeit dieser Turbulatoren nachteilig beeinflusst wird. Das Kerngesenk kann mehrere Male nachgearbeitet werden, bevor es durch ein neues Kerngesenk ersetzt wird, aber dies ist teuer in Bezug auf Kosten und Zeit.
Weiterhin können zwar die Turbulatoren so ausgestaltet werden, dass sie eine größere Höhe als diejenige haben, die zum Auslö sen der thermischen Grenzschicht erforderlich ist, und somit die Lebensdauer des Kerngesenkes verlängern, aber diese Turbulatoren können einen übermäßigen und unerwünschten Druckabfall in dem Kühlmittel erzeugen. Es ist wichtig, dass der Ausgangsdruck der Kühlluft an den Kühllöchern größer ist als der Druck der heißen Gase, die über die Schaufeln strömt (diese Druckdifferenz ist als die Rückströmungsgrenze bekannt). Wenn eine positive Rückströmungsgrenze nicht eingehalten wird, strömt. die Kühlluft nicht aus der Schaufel, und die heißen Gase können durch die Kühllöcher in die Schaufel eintreten und die Lebensdauer der Schaufel verkürzen. Da Turbulatoren den Druckabfall zwischen dem Einlass und Auslass des Kühlkanals erhöhen, während sie die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und Kühlkanalfläche erhöhen, ist es ausschlaggebend, dass eine Turbulatorkonfiguration entwickelt wird, die diese widerstreitenden Faktoren in einem richtigen Gleichgewicht hält.
Dementsprechend ist es wünschenswert, dass eine Turbulatorkonfiguration zur Integration mit Kühlkanälen in Rotorschaufeln von einem Gasturbinentriebwerk entwickelt wird, die die Dicke der thermischen Grenzschicht entlang der Innenfläche von wenigstens einer der Kühlkanalwände verkleinert, wodurch die Erzeugung von Turbulenz beibehalten werden kann, selbst wenn das Kerngesenk teilweise abgenutzt ist, ohne einen zu großen Druckabfall in einem derartigen Kühlkanal hervorzurufen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Turbulatorkonfiguration offenbart, die auf einer Innenfläche von wenigstens einer Wand von einem Kühlkanal für eine Rotorschaufel in einem Gasturbinentriebwerk ausgebildet ist, wobei der Kühlkanal ein stromaufwärtiges Ende, ein stromabwärtiges Ende und eine hindurchführende Längsachse hat. Eine Kühlmittelströmung tritt durch den Kühlkanal hindurch, um so einen Kernströmungsbereich, der im Allgemeinen in einem Mittelbereich von dem Kühlkanal angeordnet ist, und eine thermische Grenzschicht zu bilden, die im Allgemeinen neben der Innenfläche von den den Kühlkanal bildenden Wänden angeordnet ist. Die Turbulatorkonfiguration enthält einen ersten Satz von longitudinal im Abstand angeordneten Turbulatoren, die eine spezifizierte Höhe und Länge haben zum Auslösen der thermischen Grenzschicht entlang der Kühlkanalwand, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Wand zu verstärken, und auch einen zweiten Satz von longitudinal im Abstand angeordneten Turbulatoren, die eine spezifizierte Höhe und Länge haben zum Erzeugen von Turbulenz in dem Kernströmungsbereich des Kühlkanals, um die Dicke der thermischen Grenzschicht stromabwärts davon zu verkleinern. Dementsprechend werden die Höhe und Länge des zweiten Turbulatorsatzes größer sein als diejenigen des ersten Turbulatorsatzes. Weiterhin wird der Abstand des ersten und zweiten Turbulatorsatzes in Bezug zueinander optimiert. Die Form der ersten und zweiten Turbulatoren kann verändert werden und umfasst sowohl zweidimensionale als auch dreidimensionale Konfigurationen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk offenbart, die einen Schaftabschnitt und einen stromlinienförmigen Schaufelabschnitt aufweist. Der stromlinienförmige Schaufelabschnitt enthält ferner eine Druckseite, eine Saugseite, wobei die Druck- und Saugseiten miteinander verbunden sind zur Bildung einer Stromlinienform, einen Schaufelfuß, der an dem Schaftabschnitt befestigt ist, eine Schaufelspitze und eine Längsachse, die sich nach außen in Richtung auf die Schaufelspitze und nach innen in Richtung auf den Schaufelfuß erstreckt. Zusätzlich bilden eine oder mehrere Wände wenigstens einen im Allgemeinen longitudinal verlaufenden Kühlmittelkanal in dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt, wobei die Wände eine Anzahl von ersten und zweiten Turbulatoren aufweisen, die mit einer Innenfläche davon integriert sind. Die ersten Turbulatoren haben eine erste spezifizierte Höhe und die zweiten Turbulatoren haben eine zweite spezifizierte Höhe, die größer als die erste spezifizierte Turbulatorhöhe ist, so dass sich die zweiten Turbulatoren weiter ra dial nach innen in den Kühlkanal erstrecken als die ersten Turbulatoren.
Die Beschreibung endet zwar mit Ansprüchen, die die vorliegende Erfindung besonders hervorheben und genau beanspruchen, es wird aber angenommen, dass sie besser verständlich wird aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht von einer Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk ist;
2 ein Längsschnitt der in 1 gezeigten Rotorschaufel ist;
3 ein Querschnitt von dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt der in 1 gezeigten Rotorschaufel ist nach einem Schnitt entlang der Linie 3-3 in 2;
4 ein Teilschnitt der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel nach einem Schnitt entlang der Linie 4-4 ist, wobei eine bekannte Turbulatorkonfiguration, die aus einem neuen Kerngesenk geformt ist, gezeigt ist;
5 ein Teilschnitt von der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel nach einem Schnitt entlang der Linie 4-4 ist, wobei die bekannte Turbulatorkonfiguration gemäß 4 gezeigt ist, wenn sie aus einem abgenutzten Kerngesenk geformt wird oder durch Teilchen in dem Kühlmittel erodiert ist;
6 ein vergrößerter Teilschnitt der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel nach einem Schnitt entlang der Linie 4-4 ist, wobei die Turbulatorkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
7 ein vergrößerter Teilschnitt von der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel nach einem Schnitt entlang der Linie 7-7 in 6 ist;
8 ein vergrößerter Teilschnitt der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel nach einem Schnitt entlang der Linie 4-4 ist, wobei ein zweites Ausführungsbeispiel der Turbulatorkonfiguration gemäß der Erfindung gezeigt ist;
9 eine vergrößerte, perspektivische Teilseitenansicht von der in 8 gezeigten Turbulatorkonfiguration ist;
10 ein vergrößerter Teilschnitt von der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel nach einem Schnitt entlang der Linie 4-4 ist, wobei ein drittes Ausführungsbeispiel der Turbulatorkonfiguration gemäß der Erfindung gezeigt ist;
11 eine vergrößerte, perspektivische Teilseitenansicht von der in 10 gezeigten Turbulatorkonfiguration ist; 12 ist ein vergrößerter Teilschnitt von der in 3 gezeigten stromlinienförmigen Schaufel nach einem Schnitt. entlang der Linie 4-4, wobei ein viertes Ausführungsbeispiel. der Turbulatorkonfiguration gemäß der Erfindung gezeigt ist; und 13 ist eine vergrößerte perspektivische Teilseitenansicht von der in 12 gezeigten Turbulatorkonfiguration.
Es wird nun auf die Zeichnungen im Detail eingegangen, wobei gleiche Bezugszahlen die gleichen Elemente in den Figuren bezeichnen. 1 zeigt eine Gasturbinentriebwerks-Rotorschaufel 10 (z. B. eine Turbinenrotorschaufel von einem Flugzeug-Strahltriebwerk). Die Rotorschaufel 10 weist einen Schaft 12 und einen stromlinienförmigen Schaufelabschnitt 14 auf. Der Schaft 12 enthält ferner eine Schaufelplattform 16, die hilft, die Turbinenluftströmung radial einzuschließen, und einen Schwalbenschwanz 18, der an der Turbinenrotorscheibe (nicht gezeigt) befestigt ist. Die stromlinienförmige Schaufel 14 hat eine konkav geformte Druckseite 20 und eine konvex geformte Saugseite 22, die miteinander verbunden sind, um eine Stromlinienform zu bilden. Eine Längsachse 24 erstreckt sich radial nach außen in Richtung auf eine Schaufelspitze 26 und radial nach innen in Richtung auf einen Schaufelfuß 28, der an dem Schaft 12 befestigt ist. Die Rotorschaufel 10 rotiert in einer Richtung so, dass die Druckseite 20 der stromlinienförmigen Schaufel der Saugseite 22 folgt. Wie es in 1 gezeigt ist, würde sich die Rotorschaufel 10 also in die Seite bzw. das Blatt hinein drehen.
Wie in den 2 und 3 zu sehen ist, enthält die stromlinienförmige Schaufel 14 mehrere im Allgemeinen longitudinal verlaufende innere Kühlkanäle 30, die die Strömung von Kühlluft oder Kühlmittel 32 (ihre Richtung ist durch unbezeichnete Pfeile angegeben) hindurchleiten. Die Kühlkanäle 30 sind vorzugsweise in einer Reihe angeordnet, wobei benachbarte Kanäle miteinander verbunden sind, um wenigstens einen Abschnitt von einem serpentinenförmigen Kühlmittelkreis 34 zu bilden. Aus 3 ist ersichtlich, dass jeder Kanal 30a–30h einen einheitlichen Querschnitt hat, der in dem Bereich von im Wesentlichen rechteckig bis nahezu trapezförmig liegt, obwohl der Querschnitt von diesen Kühlkanälen 30 irgendeine Form haben kann. In der vorliegenden gezeigten und beschriebenen stromlinienförmigen Schaufel haben jedoch die Kühlkanäle 30 eine im Wesentlichen vierseitige Form mit zwei Paaren von gegenüberliegenden Wänden. Ein erstes Paar der gegenüberliegenden Wände 36 und 38 stimmen in der Richtung im Wesentlichen mit der Druckseite 20 bzw. der Saugseite 22 der stromlinienförmigen Schaufel 14 überein. Ein zweites Paar von gegenüberliegenden Wänden 40 und 42 verbindet die Wände 36 und 38, um so jeden Kanal 30 zu bilden. Es wird deutlich, dass die Kühlkanäle 30 des serpentinenförmigen Kühlmittelkreises 34 Kühlmittel aus einem Einlass 44 in dem Schaft 12 empfangen. Nach dem Hindurchleiten durch die Kühlkanäle 30 verlässt das Kühlmittel die stromlinienförmige Schaufel 14 durch Löcher 46 in der Schaufelspitze 26.
Wie in den 4 und 5 zu sehen ist, sind mehrere Turbulatoren üblicherweise auf einer oder mehreren Wänden 36, 38, 40 und 42 für jeden Kühlkanal 30 angeordnet. Ein weiteres Beispiel ist das US-Patent 4,514,144 für Lee, das eine Turbulatorkonfiguration beschreibt, bei der mehrere longitudinal im Abstand angeordnete Turbulatoren auf einem Paar gegenüberliegenden Wende in einem Kühlkanal von einer Rotorschaufel angeordnet und in Bezug auf eine Mittellinie durch den Kanal im Winkel angeordnet sind. Wie jedoch darin zu sehen ist, haben die Turbulatoren jeweils eine im Wesentlichen konstante Höhe, so dass sie sich eine im Wesentlichen konstante Strecke in den Kühlkanal hinein erstrecken. Weiterhin haben diese Turbulatoren eine im Wesentlichen konstante Form und Länge. Die im Winkel angeordneten Turbulatoren in dem Lee Patent sind zwar für ihre vorgesehenen Zwecke geeignet, es wurde aber gefunden, dass eine neue Turbulatorkonfiguration erforderlich ist, um die Lebensdauer des Kerngesenkes zu verlängern, das zum Formen der internen Konstruktion der stromlinienförmigen Schaufel 14 verwendet wird, und zum Kompensieren von irgendwelchen Erosionseffekten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine neuartige Turbulatorkonfiguration, die allgemein durch die Bezugszahl 48 bezeichnet ist, auf einer oder mehreren Wänden der Kühlkanäle 30a–h und vorzugsweise auf jeder der Wände 36, 38 ,40 und 42 vorgesehen (obwohl sie in den Figuren nur auf den Wänden 36 und 38 der Kanäle 30b–g gezeigt sind). Genauer gesagt und wie es in den 6 und 7 zu sehen ist, besteht die Turbulatorkonfiguration 48 aus wenigstens zwei Sätzen von longitudinal im Abstand angeordneten Turbulatoren 50 und 52 (obwohl zusätzliche Turbulatorsätze vorgesehen sein können, wenn dies gewünscht wird). Es seit darauf hingewiesen, dass die ersten Turbulatoren 50 vorzugsweise eine spezifizierte Höhe h₁ (in der Größenordnung von etwa 10–20 Mils) haben, die es ihnen ermöglicht, sich radial nach innen in den Kühlkanal 30 zu erstrecken, um um eine thermische Grenzschicht 24 auszulösen, die sich entlang der Innenfläche von jeder Kühlkanalwand erstreckt (die Innenflächen 56 und 58 der Wände 36 und 38 sind in 6 gezeigt). Somit muss die Höhe h₁ der ersten Turbulatoren 50 wenigstens so groß sein wie die Dicke der thermischen Grenzschicht 54 und vorzugsweise etwas größer, um die Wärmeübertragung zwischen der Kühlluft und der Kühlkanalwand zu verbessern. Die ersten Turbulatoren 50 haben vorzugsweise auch eine spezifizierte Länge l₁, die es ihnen ermöglicht, sich longitudinal entlang der Innenfläche von jeder Kühlkanalwand zu erstrecken. Wie in 7 zu sehen ist, können die ersten Turbulatoren 50 die Form von zweidimensionalen Rippen haben, die sich im Wesentlichen über die Innen fläche der verfügbaren Wand erstrecken (die Innenfläche 56 der Wand 36 ist gezeigt). Alternativ können die ersten Turbulatoren 50 aus einer Anzahl von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten zwei- oder dreidimensionalen Elementen bestehen (z. B. Rippen, die in 8 und 10 gezeigt sind, oder Zylinder, wie sie in 12 gezeigt sind).
Zweite Turbulatoren 52 haben in ähnlicher Weise vorzugsweise eine spezifizierte Höhe h₂ (in der Größenordnung von etwa 20-150 Mils), die es ihnen ermöglicht, sich nach innen in den Kühlkanal 30 zu erstrecken, um Turbulenz in einem Kernströmungsbereich 50 des hindurchtretenden Kühlmittels zu erzeugen. Verständlicherweise werden die Abmessungen für den Kernströmungsbereich 60 in Abhängigkeit von mehreren Faktoren (beispielsweise der Dicke der thermischen Grenzschicht 54) variieren, aber im Allgemeinen werden sie einen zentralen Bereich des Kühlkanals einnehmen. Nichtsdestoweniger, die Höhe h₂ der zweiten Turbulatoren 52 muss groß genug sein, damit sich die zweiten Turbulatoren 52 wenigstens teilweise in den Kernströmungsbereich 60 hinein erstrecken. Durch Erzeugung von Turbulenz: in dem Kernströmungsbereich 60 wird die Dicke der thermischen Grenzschicht 54 stromabwärts davon verringert. Diese Verriningerung in der Dicke der thermischen Grenzschicht 54 kompensiert dann ein gewisses Maß an Abnutzung auf dem Kerngesenk, das zum Formen der ersten Turbulatoren 50 verwendet wird, und auch einen gewissen Grad an anderer Erosion darauf.
Die zweiten Turbulatoren 52 haben auch vorzugsweise eine spezifizierte longitudinale Länge l₂, so dass sie sich longitudinal entlang der Wand des Kühlkanals 30 erstrecken. Wie die ersten Turbulatoren 50 können die zweiten Turbulatoren 52 eine zweidimensionale Rippenform haben, die sich im Wesentlichen über die innere Oberfläche von der Wand erstreckt (die Innenfläche 56 der Wand 36 ist in 7 gezeigt). Alternativ können die zweiten Turbulatoren 52 aus dreidimensionalen Formen bestehen (wie es in den 8–13 gezeigt ist), die vorzugsweise entlang der Innenfläche versetzt angeordnet sind.
Es ist weiterhin ersichtlich, dass die relative Höhe, Länge und der Abstand für die ersten und zweiten Turbulatoren 50 und 52 für eine gegebene Anwendung entscheidend sind. Zwar werden die Höhen h₁ und h₂ der ersten und zweiten Turbulatoren 50 und 52 primär durch die Dicke der thermischen Grenzschicht 54 und der Lage des Kernströmungsbereiches 60 bestimmt, es sei aber darauf hingewiesen, dass die Höhe h₂ im Allgemeinen etwa 2–4 Mal größer als die Höhe h₁ sein wird. In gleicher Weise haben die longitudinalen Längen l₁ und l₂ der ersten und zweiten Turbulatoren 50 und 52 eine ähnliche bevorzugte Relation, wobei die longitudinale Länge l₂ etwa 2–4 Mal größer als die longitudinale Länge l₁ ist.
Bezüglich des relativen Abstandes der ersten und zweiten Turbulatoren 50 und 52 ist auf der Innenfläche 58 der Wand 38 in 6 zu sehen, dass eine vorbestimmte Anzahl erster Turbulatoren 50 vorzugsweise zwischen benachbarten zweiten Turbulatoren 52 angeordnet ist. Wiederum wird zwar die Anzahl der ersten Turbulatoren 50, die zwischen benachbarten zweiten Turbulatoren 52 angeordnet sind, in Abhängigkeit von Bedingungen, wie beispielsweise der Geschwindigkeit der Kühlmittelströmung durch den Kühlkanal 30, variieren, aber sie wird im Allgemeiner in einem Bereich von 2–5 liegen. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die Positionierung der zweiten Turbulatoren 52 auf den Innenflächen 56 und 58 der gegenüberliegenden Wände 36 und 38 so ist, dass sie versetzt sind (d. h. im Wesentlichen 180° ungleichphasig).
Während dreidimensionale zweite Turbulatoren 52 mit zweidimensionalen ersten Turbulatoren 50 in den 8–11 gezeigt sind, ist eine alternative Anordnung von ersten und zweiten Turbulatoren 50 und 52 in den 12 und 13 gezeigt. Wie dort zu sehen ist, haben die zweiten Turbulatoren 52 eine drei dimensionale (z. B. zylindrisch) Form mit einer Gruppe 62 von dreidimensionalen ersten Turbulatoren 50, die stromabwärts von jedem zweiten Turbulator angeordnet sind. Aufgrund der relativen Höhen der ersten und zweiten Turbulatoren 50 und 52 ist es bevorzugt, dass die zweiten Turbulatoren 52 über der Innenfläche von der verfügbaren Kühlkanalwand versetzt sind, und die Gruppe 62 der ersten Turbulatoren 50, die jedem zweiten Turbulator 52 zugeordnet sind, so angeordnet ist, dass sie nicht direkt damit ausgerichtet sind. Anderenfalls ist die Wirkung, die die Gruppe 62 der ersten Turbulatoren 50 auf die thermische Grenzschicht 54 hat, minimiert.
Auch wenn es nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, so hat die Rotorschaufel 10 Hinterkanten- und Vorderkanten-Kühlkreise, wobei Kühlmittel in eine Hinterkantenleitung 64 eintritt und durch Hinterkantenlöcher 66 austritt und wobei Kühlmittel in eine Vorderkantenleitung 68 eintritt und durch Filmkühlungslöcher 70 in der Vorderkante austritt.

Claims

Turbulatoranordnung, die auf der inneren Oberfläche von wenigstens einem Kühlkanal (30) von einer Laufschaufel (10) ausgebildet ist, wobei die Laufschaufel ein stromaufwärtiges Ende, ein stromabwärtiges Ende und eine hindurchführende Längsachse (24) aufweist, wobei eine Kühlmittelströmung (32) durch den Kühlkanal (30) hindurchtritt, um einen Kernströmungsbereich (60), der im allgemeinen in einem Mittelbereich des Kühlkanals (30) angeordnet ist, und eine thermische Grenzschicht (54) zu bilden, die im allgemeinen neben einer inneren Oberfläche (56, 58) von jeder den Kühlkanal (30) bildenden Wand (36, 38) angeordnet ist, wobei die Turbulatoranordnung enthält: (a) einen ersten Satz von in Längsrichtung im Abstand angeordneten Turbulatoren (50), die alle eine spezifizierte Höhe und Länge haben zum Auslösen der thermischen Grenzschicht (54) entlang der inneren Oberfläche (56, 58) des Kühlkanals, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel (32) und der Kühlkanalwand (36, 38) zu verbessern, gekennzeichnet durch (b) einen zweiten Satz von in Längsrichtung im Abstand angeordneten Turbulatoren (52), die alle eine größere Höhe und Länge haben als die Turbulatoren (50) des ersten Satzes zum Erzeugen von Turbulenz in dem Kernströmungsbereich des Kühlkanals (30), um die Dicke der thermischen Grenzschicht (54) stromabwärts davon zu verringern.
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Höhe des zweiten Satzes von Turbulatoren (52) etwa 2–4 mal größer ist als die Höhe des ersten Satzes von Turbulatoren (50).
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Länge des zweiten Satzes von Turbulatoren (52) etwa 2–4 mal größer ist als die Länge des ersten Satzes von Turbulatoren (50).
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator (50) des ersten Satzes ferner eine Rippe aufweist, die eine zweidimensionale Oberfläche für die Kühlmittelströmung darstellt.
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator (52) des zweiten Satzes ferner eine Rippe aufweist, die eine zweidimensionale Oberfläche für die Kühlmittelströmung darstellt.
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator (50) des ersten Satzes ein Zylinder ist.
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator (50) des ersten Satzes ein dreieckförmiges Prisma ist.
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator (52) des zweiten Satzes ein Zylinder ist.
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Turbulator (52) des zweiten Satzes ein dreieckförmiges Prisma ist.
Turbulatoranordnung nach Anspruch 1, wobei etwa 2–5 Turbulatoren (50) des ersten Satzes zwischen benachbarten Turbulatoren (52) des zweiten Satzes angeordnet sind.