DE10225264A1 - Air-cooled turbine blade has cover band component at its point and extending vertically to blade longitudinal axis and provided with at least one through bore for cooling air - Google Patents
Air-cooled turbine blade has cover band component at its point and extending vertically to blade longitudinal axis and provided with at least one through bore for cooling airInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftgekühlte Turbinenschaufel, welche an der Schaufelspitze ein sich senkrecht zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement aufweist. The invention relates to an air-cooled turbine blade, which the blade tip extends perpendicular to the blade longitudinal axis Has shroud element.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Turbinenschaufeln von Gasturbinen müssen aufgrund der Temperaturen von den sie umgebenden Heissgasen gekühlt werden. Kühlbare Schaufeln für Gasturbinen mit einem internen Kühlsystem sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE-A1-198 60 788, aus EP-A1-0 534 586 oder aus EP-A1-1 094 200 bekannt geworden. Turbine blades of gas turbines have to be operated due to the temperatures of the surrounding hot gases are cooled. Coolable blades for Gas turbines with an internal cooling system are, for example, from the Publication DE-A1-198 60 788, from EP-A1-0 534 586 or from EP-A1-1 094 200 become known.
Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, exponierte Bereiche der Schaufel zuverlässig zu kühlen. Einer dieser speziellen Bereiche ist das Deckband bzw. die Deckbandelemente der Schaufel und die Kavität, welche sich zwischen Rippen des Deckbandelements bildet. Hier muss intensiv gekühlt werden, um einer Überhitzung sicher vorzubeugen. Kühlsysteme dieser Deckbandelemente sind zahlreich im Stand der Technik beschrieben worden. Den Druckschriften DE-A1-198 13 173, EP-A2-1 083 299, US-A-5,785,496, US-A-5,482,435, EP-A1-0 928 880, EP-A1-0 927 814, US-A-5,460,486, US-A-6,146,098, US-A-6,152,695, US-A1-2001/0006600 oder EP-A2-1,013,884 sind verschiedene Ausführungsformen zu entnehmen. A particular difficulty is exposed areas of the scoop to cool reliably. One of these special areas is the shroud or the shroud elements of the blade and the cavity, which are forms between ribs of the shroud element. Here has to be intensively chilled to safely prevent overheating. Cooling systems this Shroud elements have been described extensively in the prior art. The Documents DE-A1-198 13 173, EP-A2-1 083 299, US-A-5,785,496, US-A-5,482,435, EP-A1-0 928 880, EP-A1-0 927 814, US-A-5,460,486, US-A-6,146,098, US-A-6,152,695, US-A1-2001 / 0006600 or EP-A2-1,013,884 various embodiments can be seen.
Eine Überhitzung an dieser Stelle führt zu Oxidation und zu einer Deformation des Deckbandelements und somit zu einem grösseren Spalt zwischen dem der Turbinenschaufel gegenüberliegenden Wärmeschutzschild und der Turbinenschaufel selbst. Ein vergrösserter Spalt führt zu einer grösseren Menge an Heissgas, welches in die Kavität strömt, und somit zu einer weiteren Überhitzung, mit fatalen Folgen für die Gasturbine. Auf der anderen Seite muss aus Effizienzgründen die Menge an Kühlluft aber auf ein notwendiges Mass beschränkt werden, um unnötige Kühlung zu vermeiden. Overheating at this point leads to oxidation and deformation of the shroud element and thus to a larger gap between the the heat shield opposite the turbine blade and the Turbine blade itself. An enlarged gap leads to a larger amount Hot gas that flows into the cavity and thus to another Overheating, with fatal consequences for the gas turbine. On the other hand it has to go out For reasons of efficiency, however, the amount of cooling air to a necessary level be limited to avoid unnecessary cooling.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine luftgekühlte Turbinenschaufel mit einem Deckbandelement zu schaffen, in welcher eine Überhitzung des Aussenraumes oberhalb des Deckbandelementes und somit eine Überhitzung der Spitze der Turbinenschaufel selbst gezielt verhindert wird, ohne die Effizienz durch ein Übermass an Kühlluft zu beeinträchtigen. The aim of the invention is to avoid the disadvantages mentioned. The The invention is based on the object of having an air-cooled turbine blade to create a shroud element in which an overheating of the Outside space above the shroud element and thus overheating the tip of the turbine blade itself is specifically prevented without the Impair efficiency by excessive cooling air.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine luftgekühlte Turbinenschaufeln gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass sich in der Kühlluftbohrung ein Ventil befindet, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur des umgebenden Aussenraums öffnet. According to the invention, the task is performed by an air-cooled Turbine blades according to the preamble of claim 1 solved in that in the cooling air bore is a valve, which is depending on the The temperature of the surrounding outside space opens.
Das Ventil öffnet sich, sobald eine bestimmte Temperatur in dem die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum erreicht wird. Hierdurch wird erreicht, dass bei normalen Betrieb der Turbinenschaufel das Ventil geschlossen bleibt. Vorteilhaft wird es erst geöffnet, wenn die Spitze der Turbinenschaufel zu überhitzen droht, d. h. in Situationen, in denen eine aussergewöhnlich grosse thermische Belastung vorliegt. The valve opens as soon as a certain temperature in which the Turbine blade surrounding outside space is reached. This ensures that the valve is closed during normal operation of the turbine blade remains. It is advantageously only opened when the tip of the turbine blade threatens to overheat, d. H. in situations where an exceptional there is a high thermal load.
Das Ventil ist in einem ersten Ausführungsbeispiel ein Bimetallstreifen, welcher an einer oder beiden Seiten an dem Deckbandelement oder der mindestens einen Kühlluftbohrung angebracht ist. Mit Vorteil ist der Bimetallstreifen an einer Drosselstelle, welche sich in der Kühlluftbohrung befindet, angeordnet. In a first exemplary embodiment, the valve is a bimetal strip, which on one or both sides of the shroud element or the at least one cooling air hole is attached. The bimetal strip is an advantage at a throttle point, which is located in the cooling air hole, arranged.
Das Ventil ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel elektromechanisch betrieben und mit einem Sensor verbunden, welcher die Temperatur in dem die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum misst. In a second exemplary embodiment, the valve is electromechanical operated and connected to a sensor, which the temperature in which the Turbine blade surrounding outside space measures.
Sofern das Ventil normal zur Rotationsrichtung angeordnet ist, ist das Öffnen und das Schliessen des Ventils vorteilhaft unabhängig von den Zentrifugalkräften. If the valve is arranged normal to the direction of rotation, the opening is and closing the valve advantageously regardless of the Centrifugal forces.
Das Ventil ist in einem dritten Ausführungsbeispiel ein Stopfen, welcher aus einem Material besteht, welches schmilzt, sofern eine bestimmte Temperatur erreicht ist. In a third exemplary embodiment, the valve is a plug, which is made of a material that melts, provided a certain temperature is reached.
In einer Ausführungsform der luftgekühlten Turbinenschaufel befinden sich auf der Oberseite des Deckbandelements mindestens zwei parallel zur Rotationsrichtung verlaufende, voneinander beabstandete Dichtrippen, welche im Zusammenwirken mit der gegenüberliegenden Gehäusewand eine Kavität bilden. Diese Kavität ist mit der mindestens einen Kühlluftbohrung verbunden, so dass im Falle einer Öffnung des Ventils die Kühlluft in diese Kavität eingeblasen wird. Dies ist vorteilhaft, da mit dem erfindungsgemässen, temperaturabhängigen Ventil eine Überhitzung und die damit verbundenen Nachteile vermieden werden, ohne ein Übermass an Kühlluft zu verwenden. In one embodiment, the air-cooled turbine blade is located on the top of the shroud element at least two parallel to Rotating direction, spaced sealing ribs, which in the A cavity interacts with the opposite housing wall form. This cavity is connected to the at least one cooling air hole, so that if the valve opens, the cooling air enters this cavity is blown in. This is advantageous because with the inventive temperature-dependent valve overheating and the associated disadvantages can be avoided without using excessive cooling air.
Bei der Turbinenschaufel kann es sich um eine Leit- oder um einer Laufschaufel einer Gasturbine handeln. The turbine blade can be a guide or one Acting blade of a gas turbine.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen illustriert, wobei The invention is illustrated with reference to the accompanying drawings, in which
Fig. 1 eine luftgekühlte Turbinenschaufel mit einem Deckbandelement zeigt, Fig. 1 is an air-cooled turbine blade shows a shroud element,
Fig. 2a, b den Ausschnitt II der Fig. 1 mit einem Bimetallstreifen als Ventil in jeweils verschiedenen Temperaturzuständen darstellt, FIG. 2a, b the detail II of Fig. 1 with a bimetallic strip as the valve is in each case different temperature conditions,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Ausschnittes II bei einer ersten Temperatur darstellt, Fig represents. 3 shows a second embodiment of the detail II at a first temperature,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Ausschnittes II bei einer zweiten Temperatur darstellt, Fig. 4 illustrates a second embodiment of the detail II at a second temperature,
Fig. 5 den Schnitt V-V der Fig. 3 zeigt, Figure 5 VV of Fig. 3. Fig. The cut,
Fig. 6 den Schnitt VI-VI der Fig. 4 zeigt, Fig. 6 shows the section VI-VI of Fig. 4,
Fig. 7 einen Schnitt durch eine luftgekühlte Turbinenschaufel mit einem Ventil, welches normal zur Rotationsrichtung angeordnet ist, zeigt, Fig. 7 is a section through an air-cooled turbine blade with a valve which is arranged normal to the direction of rotation, showing
Fig. 8 einen Schnitt durch eine luftgekühlte Turbinenschaufel mit einem Stopfen als Ventil zeigt und Fig. 8 shows a section through an air-cooled turbine blade with a plug as a valve and
Fig. 9 eine luftgekühlte Turbinenschaufel mit einem Deckbandelement gemäss der Fig. 1 mit einem elektromechanischen Ventil und einem Temperatursensor darstellt. Fig. 9 illustrates an air-cooled turbine blade with a shroud element according to FIG. 1 with an electro-mechanical valve and a temperature sensor.
Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente werden in unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Strömungsrichtungen werden mit Pfeilen angegeben. Only the elements essential to the invention are shown. The same elements are the same in different figures Provide reference numerals. Flow directions are indicated with arrows.
In der Fig. 1 ist eine Turbinenschaufel 1, also eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine dargestellt. Diese Turbinenschaufel 1 ist einem Gehäuse 7 gegenüberliegend angeordnet und ist an Ihrer Schaufelspitze 2 mit einem sich quer zur Schaufelspitze 2 erstreckenden Deckbandelement 3 ausgestattet. Sie wird von Heissgas 9 während des Betriebes angeströmt. Das Deckbandelement 3 bildet mit den anderen (nicht dargestellten) Turbinenschaufeln 1ein durchgehendes, mechanisch stabilisiertes Deckband. Die Turbinenschaufel 1 ist im Inneren teilweise hohl und von einem oder mehreren Kühlluftkanälen 10 durchzogen, die Kühlluft 11 vom (nicht in der Fig. 1 dargestellten) Schaufelfuss bis in die Schaufelspitze 2 leiten. Das Deckbandelement 3 hat auf seiner Oberseite zwei parallel in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze 2 verlaufende Dichtrippen 4, die zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand 7 der Gasturbine eine durch Spalte mit der Umgebung verbundene Kavität 5 bilden. Die gegenüberliegende Gehäusewand 7 ist üblicherweise mit einem leicht abreibbaren Belag wie zum Beispiel Honigwaben ausgeführt. In dem Deckbandelement 3 befindet sich eine Kühlluftbohrung 6, welche den Kühlluftkanal 10 mit der Kavität 5 verbindet. In der Kühlluftbohrung 6 ist ein Ventil 8 angeordnet, welches sich temperaturabhängig öffnet und schliesst. Während des normalen Betriebes der Gasturbine bleibt das Ventil 8 geschlossen, so dass keine Kühlluft 11 von dem Kühlluftkanal 10 in die Kavität 5 strömt und dieser Bereich nicht gesondert gekühlt wird. Das Ventil 8 öffnet sich erfindungsgemäss erst, sobald eine bestimmte Temperatur in der Kavität 5 überschritten wird, d. h. erst, wenn eine Überhitzung des Deckbandelements 3 droht. Dies wird in Fällen vorkommen, in denen eine besondere thermische Belastung durch einen Betrieb der Gasturbine oberhalb des Auslegungspunkts vorliegt. Ein Ausblasen von Kühlluft 10 führt zu einer Erhöhung des Drucks in der Kavität 5 und trägt damit zu einer Verkleinerung des in die Kavität 5 eindringenden Massenstromes an Heissgas 9 bei. Weiterhin wird natürlich auch die Mischtemperatur in diesem Bereich gesenkt, wodurch die thermische Belastung des Deckbandelements 3 von der Oberseite her verringert wird. In FIG. 1, a turbine blade 1, that is a guide or moving blade of a gas turbine is shown. This turbine blade 1 is arranged opposite a housing 7 and is equipped on its blade tip 2 with a shroud element 3 extending transversely to the blade tip 2 . Hot gas 9 flows against it during operation. The shroud element 3 forms with the other (not shown) turbine blades 1 a continuous, mechanically stabilized shroud. The turbine blade 1 is partially hollow on the inside and is traversed by one or more cooling air channels 10 , which guide the cooling air 11 from the blade root (not shown in FIG. 1) into the blade tip 2 . The shroud element 3 has, on its upper side which form two extending in the direction of movement of the blade tip 2 parallel sealing fins 4 together with the opposite casing wall 7 of the gas turbine 5, a cavity connected by gaps with the environment. The opposite housing wall 7 is usually designed with an easily abradable coating such as honeycombs. In the cover band element 3 there is a cooling air bore 6 , which connects the cooling air duct 10 to the cavity 5 . A valve 8 is arranged in the cooling air bore 6 , which opens and closes depending on the temperature. During normal operation of the gas turbine, the valve 8 remains closed, so that no cooling air 11 flows from the cooling air duct 10 into the cavity 5 and this area is not cooled separately. According to the invention, the valve 8 only opens as soon as a certain temperature in the cavity 5 is exceeded, ie only when the shroud element 3 threatens to overheat. This will occur in cases where there is a particular thermal load from operating the gas turbine above the design point. Blowing out cooling air 10 leads to an increase in the pressure in the cavity 5 and thus contributes to a reduction in the mass flow of hot gas 9 entering the cavity 5 . Furthermore, the mixing temperature is naturally also reduced in this area, as a result of which the thermal load on the shroud element 3 is reduced from the top.
Die Fig. 2a, b zeigen den Ausschnitt II der Fig. 1 jeweils bei unterschiedlichen Temperaturen. Das Ventil 8 besteht aus einem Bimetallstreifen 8a, welcher an einer Seite der Kühlluftbohrung 6 befestigt ist. In der Fig. 2a ist das Ventil 8 geschlossen, während das Ventil 8 der Fig. 2b durch eine erhöhte Temperatur in der Kavität 5 geöffnet ist, so dass Kühlluft 11 durch die Kühlluftbohrung 6 hindurchtritt. Der Bimetallstreifen 8a liegt im geschlossenen Zustand an einer Drosselstelle 12 auf, welche sich in der Kühlluftbohrung 6 befindet, und auf diese Weise die Kühlluftbohrung 6 schliesst. Die Drosselstelle 12 begrenzt den Kühlluftmassenstrom gezielt, was zu einer deutlich effizienteren Kühlung beiträgt. , B, Figs. 2a to detail II of FIG. 1 respectively at different temperatures. The valve 8 consists of a bimetallic strip 8 a, which is attached to one side of the cooling air bore 6 . In FIG. 2a, the valve 8 is closed, while the valve 8 in FIG. 2b is opened by an increased temperature in the cavity 5 , so that cooling air 11 passes through the cooling air bore 6 . The bimetallic strip 8 a lies in the closed state on a throttle point 12 , which is located in the cooling air bore 6 , and in this way closes the cooling air bore 6 . The throttle point 12 limits the cooling air mass flow in a targeted manner, which contributes to significantly more efficient cooling.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Ventils 8 an der Kühlluftbohrung 6. Der Bimetallstreifen ist im Gegensatz zu den Fig. 2a und 2b an zwei Seiten an der Kühlluftbohrung 6 angebracht. Die Verformung des Bimetallstreifen 8a bei erhöhter Temperatur bewirkt, dass sich der Streifen von der Drosselstelle 12 wegbewegt, so dass Kühlluft 11 an dem Bimetallstreifen 8a vorbei in die Kavität 5 strömen kann. FIGS. 3 and 4 show a further embodiment of the inventive valve 8 on the cooling air bore 6. In contrast to FIGS. 2a and 2b, the bimetal strip is attached to the cooling air bore 6 on two sides. The deformation of the bimetallic strip 8 a at elevated temperature causes the strip to move away from the throttle point 12 , so that cooling air 11 can flow past the bimetallic strip 8 a into the cavity 5 .
Die Fig. 5 und 6 zeigen die Schnitte V-V bzw. VI-VI der Fig. 3 und 4. In geschlossenen Zustand (Fig. 5) liegt der Bimetallstreifen 8a an der Drosselstelle 12 an, während in geöffnetem Zustand (Fig. 6) die Kühlluft 11 seitlich vorbei an dem Bimetallstreifen 8a in die Kavität 5 strömt. FIGS. 5 and 6 show the sections VV and VI-VI of Fig. 3 and 4. In the closed state (Fig. 5), the bimetal strip 8 a at the throttle point 12, while in the open state (Fig. 6) the cooling air 11 flows laterally past the bimetallic strip 8 a into the cavity 5 .
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist das Ventil 8 aussen an dem Deckbandelement 3 beispielsweise durch eine Punktschweissung befestigt. Das Ventil 8 ist normal zur Rotationsrichtung 13 angebracht, so dass vorteilhaft der Öffnungs- und Schliessungsvorgang unabhängig von den Zentrifugalkräften ist. Dies entspricht dem Konstruktionsprinzip der Funktionstrennung und ermöglicht eine Reduktion der Auslegungstoleranzen. In the exemplary embodiment in FIG. 7, the valve 8 is fastened to the outside of the shroud element 3, for example by spot welding. The valve 8 is mounted normal to the direction of rotation 13 , so that the opening and closing process is advantageously independent of the centrifugal forces. This corresponds to the design principle of the separation of functions and enables a reduction of the design tolerances.
In der Ausführungsform der Fig. 8 ist das Ventil 8 als Stopfen 14 ausgestaltet. Dieser Stopfen 14 besteht aus einem Material, welches oberhalb eines bestimmten Temperaturwertes schmilzt und die Kühlluftbohrung 6 freigibt. Dies stellt quasi eine Minimallösung der erfindungsgemässen Turbinenschaufel 1 dar, welche in jeden Fall eine Überhitzung verhindert. Als Materialien sind beispielsweise Legierungen mit Nickel und Bor oder Nickel und Silizium als wesentliche Bestandteile geeignet. In the embodiment of FIG. 8, the valve 8 is designed as a plug 14 . This stopper 14 consists of a material which melts above a certain temperature value and releases the cooling air bore 6 . This represents a minimal solution of the turbine blade 1 according to the invention, which in any case prevents overheating. Alloys with nickel and boron or nickel and silicon are, for example, suitable as materials as essential components.
Die Fig. 9 stellt eine weitere Ausführungsform dar, welche im wesentlichen
der Fig. 1 entspricht. Jedoch wird ein elektromechanisches Ventil 8
verwendet. Dieses Ventil 8 ist über eine nicht dargestellte Steuereinrichtung mit
einem Sensor 15 verbunden, welche sich in der Gehäusewand 7 befindet. Der
Sensor 15 misst die Temperatur in der Kavität 5. Oberhalb einer bestimmten
Temperatur, bei der Überhitzung droht, öffnet sich das Ventil 8, so dass die
Kühlluft 11 in die Kavität 5 einströmt kann und dort zur Kühlung dient.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Turbinenschaufel
2 Schaufelspitze
3 Deckbandelement
4 Dichtrippe
5 Kavität
6 Kühlluftbohrung
7 Gehäusewand
8 Ventil
8a Bimetallstreifen
9 Heissgas
10 Kühlluftkanal
11 Kühlluft
12 Drosselstelle
13 Rotationsrichtung
14 Stopfen
15 Sensor
FIG. 9 shows a further embodiment which essentially corresponds to FIG. 1. However, an electromechanical valve 8 is used. This valve 8 is connected via a control device, not shown, to a sensor 15 , which is located in the housing wall 7 . The sensor 15 measures the temperature in the cavity 5 . Above a certain temperature at which there is a risk of overheating, the valve 8 opens, so that the cooling air 11 can flow into the cavity 5 and serve there for cooling. REFERENCE SIGN LIST 1 turbine blade
2 blade tip
3 shroud element
4 sealing rib
5 cavity
6 cooling air hole
7 housing wall
8 valve
8 a bimetal strip
9 hot gas
10 cooling air duct
11 cooling air
12 throttling point
13 direction of rotation
14 plugs
15 sensor
Claims (10)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CH17042001 | 2001-09-17 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE2002125264 Ceased DE10225264A1 (en) | 2001-09-17 | 2002-06-07 | Air-cooled turbine blade has cover band component at its point and extending vertically to blade longitudinal axis and provided with at least one through bore for cooling air |
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Owner name: ALSTOM TECHNOLOGY LTD, BADEN, CH |
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