DE69915786T2

DE69915786T2 - Turbinenschaufel mit gekühlter Plattform

Info

Publication number: DE69915786T2
Application number: DE69915786T
Authority: DE
Inventors: George P. Palm City Liang
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2019-12-09
Also published as: EP1013880B1; US6210111B1; EP1013880A2; KR100567693B1; JP2000186503A; KR20000048214A; DE69915786D1; EP1013880A3

Description

Die Erfindung betrifft Laufschaufeln zur Verwendung in Gasturbinenmaschinen und insbesondere gekühlte Laufschaufeln, die in dem Turbinenabschnitt derartiger Maschinen verwendet werden.
Konstrukteure von Gasturbinenmaschinen für Fluggeräte sind konstant damit befasst, das Schub-zu-Gewicht-Verhältnis von ihren Maschinen zu erhöhen. Das führt häufig zu höheren Maschinen-Betriebstemperaturen und höheren Belastungen in bestimmten Maschinenbauteilen, insbesondere bei den Turbinenlaufschaufeln. Die Brennkammertemperaturen von Hochleistungs-Gasturbinenmaschinen überschreiten häufig die Schmelztemperatur des Materials, aus dem die Turbinenlaufschaufeln hergestellt sind.
Um ein Versagen von Turbinenlaufschaufeln bei Hochleistungs-Gasturbinenmaschinen zu verhindern, beinhalten die Turbinenlaufschaufeln unmittelbar strömungsabwärts der Brennkammereinrichtung interne Kühlpassagen, durch welche relativ kühle Luft geleitet wird, um die Laufschaufel zu kühlen, um zu vermeiden, dass die Laufschaufeltemperaturen auf die Brennkammertemperatur ansteigen. Obwohl das Kühlen auf diese Weise effizient ist, ein Laufschaufelversagen zu verhindern, kann ein unangemessenes Kühlen an bestimmten Hochbelastungsbereichen der Turbinenlaufschaufel Risse verursachen, die schließlich zu einem Laufschaufelversagen führen können. Ein derartiger Bereich hoher Belastung ist dort, wo die Hinterkante des Strömungsprofils in die Laufschaufelplattform übergeht.
Kühlluft für die Turbinenlaufschaufel wird in die Turbinenlaufschaufel von unterhalb der Laufschaufelplattform durch Kühlpassagen in der Laufschaufelwurzel geführt. Eine Lösung für das Problem der Rissbildung an dem Übergang der Hinterkante und der Laufschaufelplattform wäre das Bereitstellen von Kühlöffnungen in der Plattform unmittelbar der Hinterkante benachbart und dann das Bereitstellen einer Quer-Kühlversorgungspassage durch die Laufschaufelwur zel, um die Kühlöffnungen mit den Kühlpassagen in der Laufschaufelwurzel zu verbinden. Leider würde das Vorsehen einer derartigen Quer-Kühlpassage in der Laufschaufelwurzel die Laufschaufel schwächen und dabei die Belastung in einem Teil der Laufschaufel erhöhen, das bereits hoch belastet ist.
Benötigt wird eine Turbinenlaufschaufel, bei der der Übergang der Strömungsprofilhinterkante zur Laufschaufelplattform gekühlt wird, ohne signifikant die Belastung in der Laufschaufel während des Maschinenbetriebs zu erhöhen.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenlaufschaufel bereitzustellen, bei der der Übergang von Strömungsprofilhinterkante zu Laufschaufelplattform gekühlt wird, ohne signifikant die Belastung in der Laufschaufel während des Maschinenbetriebs zu erhöhen.
Ein Beispiel einer Laufschaufel mit einer gekühlten Plattform ist in US-A-4 017 213 beschrieben, welches die Basis des Oberbegriffs von Anspruch 1 bildet.
Gemäß der Erfindung wird eine Laufschaufel bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine gekühlte Laufschaufel beschrieben mit einer Laufschaufelwurzel, einem Strömungsprofil, aufweisend eine Vorderkante und eine Hinterkante, eine Laufschaufelplattform mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche, einer ersten Seite und einer zweiten Seite, die entgegengesetzt ist und relativ zu der ersten Seite beabstandet ist, einem Platiformkühlzuführkanal, einer Mehrzahl von Kühlöffnungen in der zweiten Oberfläche und einer Mehrzahl von Kühlpassagen. Die zweite Oberfläche ist zu der ersten Oberfläche entgegengesetzt und in beabstandeter Relation zu dieser, wobei sich beide Seiten von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstrecken, und die Laufschaufelwurzel ist mit der ersten Oberfläche verbunden. Das Strömungsprofil ist mit der zweiten Oberfläche verbunden, und der Plattformkühlzuführkanal erstreckt sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite durch die Laufschaufelplatiform. Jede der Kühlöffnungen kommuniziert mit dem Plattformkühlzuführkanal durch eine der Kühlpassagen, und der Plattformkühlzuführkanal ist im wesentlichen parallel zu der zweiten Oberfläche.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine Ansicht einer Laufschaufel, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet.
2 ist eine Endansicht einer Laufschaufel, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet, die entlang der Linie 2-2 von 1 genommen ist.
Wie in 1 gezeigt, weist eine die vorliegende Erfindung beinhaltende gekühlte Turbinenlaufschaufel 10 eine Laufschaufelwurzel 12 und ein Strömungsprofil 14 auf. Das Strömungsprofil 14 hat ein erstes Ende 16 in der Nähe der Laufschaufelwurzel 12 und ein zweites Ende 18 entgegengesetzt zu dem ersten Ende 16. Das Strömungsprofil 14 hat eine Vorderkante 20 und ein Hinterkante 22, welche sich von dem ersten Ende 16 zu dem zweiten Ende 18 erstrecken, und die Hinterkante 22 befindet sich in einer beabstandeten Relation zu der Vorderkante 20.
Eine Laufschaufelplatiform 24 verbindet die Laufschaufelwurzel 12 mit dem Strömungsprofil 14. Die Laufschaufelplattform 24 hat eine erste Oberfläche 26 und eine zweite Oberfläche 28, und die erste Oberfläche 26 ist relativ zu der zweiten Oberfläche 28 entgegengesetzt und in beabstandeter Relation zu dieser. Wie in den 1 und 2 gezeigt, erstreckt sich eine erste Seite 30 von der ersten Oberfläche 26 zu der zweiten Oberfläche 28, und eine zweite Seite 32 entgegengesetzt und in beabstandeter Relation zu der ersten Seite 30 erstreckt sich in ähnlicher Weise von der ersten Oberfläche 26 zu der zweiten Oberfläche 28.
Die Laufschaufelwurzel 12 ist mit der ersten Oberfläche 26 der Laufschaufelplattform 24 verbunden, und das erste Ende 16 des Strömungsprofils 14 ist mit der zweiten Oberfläche 28 der Laufschaufelplatiform 24 verbunden. Ein Plattformkühlzuführkanal 34 erstreckt sich von der ersten Seite 30 zu der zweiten Seite 32 durch die Laufschaufelplattform 24. Eine Mehrzahl von Kühlöffnungen 36 ist in die zweite Oberfläche 28 inkorporiert, und jede dieser Kühlöffnungen 36 ist mit dem Platiformkühlzuführkanal 34 durch eine aus einer Mehrzahl von Kühlpassagen 38 verbunden. Folglich kommuniziert jede der Kühlöffnungen 36 mit dem Plattformkühlzuführkanal 34 durch eine der Kühlpassagen 38. Ein oder mehrere Strömungsprofilkühl-Zuführkanäle 40 erstreckt sich von der Laufschaufelwurzel 12 nach oben in das Strömungsprofil 14, um dem Strömungsprofil 14 während des Maschinenbetriebs Kühlluft zu liefern. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass das Zuführen von Kühlluft von den Strömungsprofil 14 Kühlzuführkanälen 40 zu den Kühlöffnungen 6 durch eine Querpassage gleichzeitig die Wurzel schwächen und die Belastung darin erhöhen würde.
Es wird wieder auf die 1 und 2 Bezug genommen. Der Plattformkühlzuführkanal 34 ist im wesentlichen parallel zur zweiten Oberfläche 28. Die Kühlöffnungen 36 sind der Hinterkante 22 unmittelbar benachbart angeordnet, und die Hinterkante 22 ist wiederum der ersten Seite 30 unmittelbar benachbart. Die erste und die zweite Seite 30, 32 weisen jeweils einen Schlitz 44 zum Aufnehmen einer Federdichtung (nicht gezeigt) auf, und der Plattformkühlzuführkanal 34 kommuniziert mit jedem der Schlitze 42, 44. Diese Schlitze 42, 44, der Plattformkühlzuführkanal 34, die Kühlöffnungen 36 und die Kühlpassagen 38 können in die Laufschaufelplattform 24 gegossen sein, oder sie können in die Laufschaufelplattform 24 und unter Verwendung von Bearbeitung durch Elektroentladung inkorporiert werden.
Wenn die Laufschaufeln 10 an dem Rand einer Scheibe in einer Gasturbinenmaschine angebracht werden, kontaktieren Laufschaufelplattformen 24 benachbarter Laufschaufeln 10 einander entlang der ersten und zweiten Seite 30, 32 davon, so dass die erste Seite 30 einer jeden Laufschaufelplattform 24 einer zweiten Seite 32 der Laufschaufelplattform 24 einer unmittelbar benachbarten Laufschaufel 10 unmittelbar benachbart ist. Eine Federdichtung des im Technikgebiet bekannten Typs ist in den Schlitzen 42, 44 von unmittelbar benachbarten ersten und zweiten Plattformseiten 30, 32 aufgenommen und erstreckt sich zwischen diesen und minimiert so eine Kühlluftleckage durch den Spalt zwischen unmittelbar benachbarten Laufschaufelplattformen 24. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass während des Maschinenbetriebs dem Rand zugeführte Kühlluft nach oben zu den Federdichtungen strömt und in den Plattformkühlzuführkanal 34 einer jeden Laufschaufel 10 gelenkt wird.
Die Kühlluft strömt durch die Plattformkühl-Zuführkanäle 34 und in die Kühlpassagen 38. Die Kühlluft gelangt weiter durch die Kühlpassagen 38 und die Kühlöffnungen 36 in der zweiten Oberfläche 28. Von dort strömt die Kühlluft nach außen auf die zweite Oberfläche 28, wo sie der Laufschaufelplattform 24 der Hinterkante 22 des Strömungsprofils 14 benachbart eine Filmkühlung verschafft. Die Kühlöffnungen 36 sind vorzugsweise so geformt, dass sie die Geschwindigkeit der an der zweiten Oberfläche 28 austretenden Kühlluft verlangsamt, so dass ein Vermischen der Kühlluft mit dem Arbeitsfluid der Maschine minimiert ist, und das Filmkühlen der Laufschaufelplattform 24 der Hinterkante 22 benachbart maximiert ist. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass, obwohl die Kühlöffnungen 36 strömungsabwärts von der Hinterkante 22 angeordnet sind, das Arbeitsfluid, welches um das Strömungsprofil 14 strömt, einen Wirbel bzw. Drall erzeugt, der den Film aus Kühlluft von den Kühlöffnungen 36 in Richtung zur Hinterkante 23 des Strömungsprofils 14 trägt. Das wiederum liefert eine Kühlung für die Hinterkante 22 des Strömungsprofils, wo sie in die zweite Oberfläche 28 der Laufschaufelplattform 24 übergeht.
Die gekühlte Laufschaufel 10 schafft eine Kühlung der Hinterkante 2 des Strömungsprofils 14, wo diese in die Laufschaufelplattform 24 übergeht, ohne eine signifikante Erhöhung der Belastung in der Laufschaufel 10 während des Maschinenbetriebs. Zusätzlich verringert der Plattformkühlzuführkanal 34 das Gesamtgewicht der Laufschaufel 10 und reduziert gleichzeitig die Wärmegradienten in der Laufschaufelplattform 24, indem er eine zusätzliche konvektive Kühlung der Laufschaufelplattform 24 schafft.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich einer detaillierten Ausführungsform davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschie dene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

Laufschaufel für eine Gasturbinenmaschine, aufweisend: ein Strömungsprofil (14); eine Laufschaufelplattform (24), wobei die Plattform eine erste Seite (30), eine zweite Seite (32), die der ersten Seite (30) entgegengesetzt und von dieser beabstandet ist, wobei die erste und die zweite Seite derart orientiert sind, dass sie, im installierten Zustand in der Maschine entsprechenden Seiten von benachbarten Laufschaufelplattformen gegenüber sind, und eine Oberfläche (28), die in Richtung zu dem Strömungsprofil (14) gerichtet ist; und mindestens eine Kühlöffnung (36) aufweist, die in der Oberfläche (28) der Plattform (24) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel ferner eine Kühlzuführpassage (34) aufweist, die sich über und durch die Plattform (24) von der ersten Seite (30) zu der zweiten Seite (32) erstreckt, wobei die Kühlöffnung (36) in Fluidverbindung mit der Passage (34) ist.
Laufschaufel nach Anspruch 1, aufweisend: eine Laufschaufelwurzel (12); und wobei gilt: das Strömungsprofil (14) hat ein erstes Ende (16) und ein zweites Ende (18), das dem ersten Ende (16) entgegengesetzt ist und sich in beabstandeter Relation zu diesem befindet, eine Vorderkante (20) und eine Hinterkante (22) in beabstandeter Relation zu der Vorderkante (20), wobei die Vorderkante und die Hinterkante (20, 22) sich von dem ersten Ende (16) zu dem zweiten Ende (18) erstrecken, die Laufschaufelplattform (24) eine weitere Oberfläche (26), die von der Oberfläche (28) beabstandet und entgegengesetzt zu dieser ist, eine Mehrzahl von Kühlöffnungen (36) in der zweiten Oberfläche (28), und eine Mehrzahl von Kühlpassagen (38) hat, wobei sich die Seiten (30, 32) von der ersten Oberfläche (26) zu der zweiten Oberfläche (28) erstrecken, wobei die Laufschaufelwurzel (12) mit der weiteren Oberfläche (26) verbunden ist, und wobei das erste Ende des Strömungsprofils (14) mit der Oberfläche (28) verbunden ist, und wobei jede der Kühlöffnungen (36) mit dem Plattformkühlzuführkanal (34) durch eine der Kühlpassagen (38) kommuniziert; und der Plattformkühlzuführkanal (34) ist im wesentlichen parallel zu der Oberfläche (28).
Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlöffnungen) (36) der Hinterkante (22) der Laufschaufel unmittelbar benachbart positioniert ist (sind).
Laufschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Hinterkante (22) der Laufschaufel unmittelbar der ersten Seite (30) benachbart angeordnet ist.
Laufschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Seite (30, 32) jeweils einen Schlitz (42, 44) zum Aufnehmen einer Federdichtung aufweisen, und wobei der Plattformkühlzuführkanal (34) mit den Schlitzen (42, 44) kommuniziert.