DE10336863A1

DE10336863A1 - Thermische Turbomaschine

Info

Publication number: DE10336863A1
Application number: DE2003136863
Authority: DE
Inventors: Jan Ehrhard; Michael Lötzerich
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Es ist eine thermische Turbomaschine mit zwei benachbarten Turbinenschaufeln (1, 1¶1¶, 1¶2¶) offenbart, welche an der Schaufelspitze (3) im mittleren Bereich des Schaufelblattes (2) ein sich senkrecht zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement (6) aufweist. Erfindungsgemäß erstreckt sich das Deckbandelement (6) zusätzlich im hinteren Teil der Turbinenschaufeln (1, 1¶1¶, 1¶2¶), derart, dass der Schaufelkanal bis zum engsten Querschnitt zwischen zwei benachbarten Turbinenschaufeln (1, 1¶1¶, 1¶2¶) abgedeckt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Turbomaschine mit mindestens zwei Turbinenschaufeln, welche an der Schaufelspitze ein sich senkrecht zur Schaufellängsachse erstreckendes, partielles Deckbandelement aufweisen.

STAND DER TECHNIK

US-A-5,460,486 offenbart eine Turbinenschaufel mit einem ganzen Deckband. Ein partielles Deckband ist aus EP-A2-1 013 884 bekannt. Die Verwendung eines partiellen Deckbands hat viele Vorteile in Bezug auf die mechanische Integrität vor allem bei den in der Gasturbine vorliegenden Temperaturen und bei den Anforderungen, die insbesondere an die Dichtrippen, welche sich am Deckbandelement befinden und welche sich in das gegenüberliegende Wärmeschutzschild einarbeiten, gestellt werden. Das Problem bei der Verwendung dieses partiellen Deckbandelements besteht allerdings darin, dass durch die partielle Abdeckung des Schaufelkanals insbesondere im Bereich der Hinterkante der Turbinenschaufel aerodynamische Verluste entstehen. Das partielle Deckband verändert den engsten Querschnitt und damit die Anströmwinkel der nächsten Schaufelreihe und somit das Stufendruckverhältnis. Ausserdem werden durch herkömmliche partielle Deckbänder Sekundärströmungen induziert wodurch Leistung und Wirkungsgrad der Turbinenstufe reduziert werden. Zudem erschwert die komplexe lokale Strömungsstruktur eine effiziente Filmkühlung von Deckband und Schaufelspitze.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine thermische Turbomaschine mit Turbinenschaufeln mit einem partiellen Deckband zu schaffen, in welcher aerodynamische Verluste minimiert werden, ohne auf die mechanischen Vorteile eines partiellen Deckbands zu verzichten.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine thermische Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, sich das Deckband im hinteren Teil der Turbinenschaufeln bis zu einem Bereich von maximal +/– 3% axialer Sehnenlänge um den engsten Querschnitt erstreckt.

Vorteilhaft wird durch diese Anordnung der engste Querschnitt des Haupströmungskanals nicht verändert und somit eine Anpassung des Anströmwinkels der nächsten Schaufelreihe und des Stufendruckverhältnisses ermöglicht. Ausserdem werden zusätzliche Leckage und die damit verbundene Entwicklung von verlustbehafteten Sekundärströmungen vermindert und somit die aerodynamischen Verluste gegenüber herkömmlichen partiellen Deckbändern reduziert. Gleichzeitig werden die günstigen Eigenschaften in bezug auf die mechanische Integrität des Deckbands durch das geringere Gewicht gegenüber vollen Deckbändern erhalten. Daher wird durch diese Anordnung eine Anwendung des Deckbandes in thermisch und mechanisch hochbelasteten Stufen ermöglicht, wo eine Verwendung voller Deckbänder nicht möglich ist. Der engste Querschnitt des Schaufelkanals ist auf diese Weise voll abgedeckt, ohne dass die Turbinenschaufel den hohen mechanischen Spannungen eines vollen Deckbandes ausgesetzt ist.

In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich das Deckband zusätzlich im vorderen Teil lokal bis zur Schaufelspitze der Turbinenschaufeln. Dabei kann sich der vordere Teil des Deckbands beispielsweise entweder nur im Bereich der Saugseite der Turbinenschaufeln oder über den ganzen Bereich der Vorderkante erstrecken.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform münden erste Kühlkanäle derart in weitere Kühlkanale, dass die seitliche Kante des Deckbandelements durch Prallkühlung kühlbar ist.

Ein Vorteil besteht darin, dass die erhöhte, seitliche Kante des Deckbandelementes durch Prallkühlung effizienter als bisher gekühlt werden kann. Es ist weiter vorteilhaft, wenn die weiteren Kühlkanale an der der Hinterkante der Turbinenschaufel zugewandten Aussenkante des Deckbandelements in den Aussenraum münden. Dies kann beispielsweise hinter einer letzten Dichtrippe, welche sich auf dem Deckbandelement befindet, sein. Daraus resultiert ein geringerer Gegendruck für die Kühlluftströmung im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen.

Die ersten Kühlkanäle können vorteilhaft zumindest annähernd parallel zur Bewegungsrichtung der Turbinenschaufel verlaufen, während die weiteren Kühlkanäle im wesentlichen annähernd parallel zu der die Turbinenschaufel umgebenden Heissgasströmung angeordnet sein können. Die weiteren Kühlkanäle können sich in den seitlichen Kanten des Deckbandelements befinden, so dass die seitliche Kanten neben der Prallkühlung auch durch Konvektion kühlbar sind. In diese Kavität ist durch eine sich in der Gehäusewand befindende Leitung ein Kühlmedium einbringbar. Mindestens eine Dichtrippe kann vorteilhaft auch geneigt sein.

Vorteilhaft kann die Kühlluft, welche durch das Deckbandelement strömt, in Richtung der Heissgasströmung in den die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum eingeblasen werden. Dadurch werden die Sekundärverluste reduziert, da eine Beschleunigung und eine Umlenkung in Richtung der Hauptströmung, wie bei tangentialen Austritten bekannt, entfällt.

Bei der Turbinenschaufel kann es sich um eine Leit- oder um eine Laufschaufel einer Gasturbine handeln.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen illustriert, wobei
1 eine Turbinenschaufel mit einem partiellen Deckbandelement gemäss dem Schnitt I-I in der 2b in einem Gehäuse zeigt, 2a eine Ansicht gemäss dem Schnitt II-II der 1 auf eine erste Ausführungsform einer Turbinenschaufel mit einem erfindungsgemässen Deckband darstellt,
2b eine Ansicht gemäss dem Schnitt II-II der 1 auf eine zweite Ausführungsform einer Turbinenschaufel mit einem erfindungsgemässen Deckband darstellt und
3 eine Ansicht gemäss dem Schnitt III-III der 2b auf eine Ausführungsform eines Kühlsystems innerhalb des erfindungsgemässen Deckbandelements darstellt.
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.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der 1 ist eine Turbinenschaufel 1, also eine Leit- oder Laufschaufel einer Gas- oder Dampfturbine dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 ist an einem (nicht dargestellten) Rotor oder Stator angeordnet und weist ein Schaufelblatt 2, mit einer Schaufelspitze 3, einer Vorderkante 4, einer Hinterkante 5 und einer Saug- und einer Druckseite 11, 12 auf. Diese Turbinenschaufel 1 ist einer Gehäusewand 9 gegenüberliegend angeordnet und ist an ihrer Schaufelspitze 3 mit einem sich quer zur Schaufelspitze 3 erstreckenden, partiellen Deckbandelement 6 ausgestattet. Sie wird von Heissgas 10 während des Betriebes angeströmt. Das Deckbandelement 6 bildet mit den anderen (nicht dargestellten) Turbinenschaufeln 1 ein durchgehendes, mechanisch stabilisiertes Deckband. Denkbar ist jedoch auch, das Deckband ohne Kopplung auszuführen. Die Turbinenschaufel 1 weist im Inneren einen Hohlraum 15 auf, der von einem oder mehreren Kühlluftkanälen durchzogen ist. Kühlluft 14 wird während des Betriebs der Turbinenschaufel 1 vom (nicht in der 1 dargestellten) Schaufelfuss bis in die Schaufelspitze 3 geleitet. Innerhalb des Deckbandelementes 6 befinden sich Kühlkanale 13, durch die die Kühlluft 14 weiter strömt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch zur Verringerung von Leckagen und Sekundärverlusten auch bei ungekühlten Turbinenschaufeln 1 eingesetzt werden. Das Deckbandelement 6 hat auf seiner Oberseite mindestens zwei parallel in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze 3 verlaufende Dichtrippen 7, die zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand 9 der Gasturbine eine durch Spalte mit der Umgebung verbundene Kavität 8 bilden. Wie in der 1 angedeutet, kann es zur weiteren Kühlung auch möglich sein, dass durch die Gehäusewand 9 ein Kühlmedium eingeblasen wird. Die gegenüberliegende Gehäusewand 9 ist üblicherweise mit einem leicht abreibbaren Belag wie zum Beispiel Honigwaben ausgeführt. Entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall sind jedoch auch eine, zwei oder mehrere Dichtrippen 7 denkbar. Die axiale Position der Dichtrippen 7 ist beliebig, d.h. die erste Dichtrippe 7 kann z. B. auch direkt an der Vorderkante 4 stehen. Die Dichtrippen 7 können auch, wie in der 1 angedeutet, geneigt sein, so zum Beispiel entgegen der Strömungsrichtung.
Wie aus der 2a, welche eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der Turbinenschaufeln 1₁ , 1₂ gemäss dem Schnitt II-II in der 1 zeigt, ersichtlich, erstreckt sich das Deckbandelement 6 zwischen den Dichtrippen 7 lediglich partiell auf einen mittleren Bereich des Schaufelblattes 2. Erfindungsgemäss erstreckt sich das Deckband zusätzlich im hinteren Teil der Turbinenschaufeln 1, 1₁ , 1₂ bis zum engsten Querschnitt (engl. throat) zwischen der Hinterkante 5 und Druckseite 12 der ersten Turbinenschaufel 1₁ und der zweiten, benachbarten Turbinenschaufel 1₂ . Vorteilhaft wie in der 2a schematisch angedeutet, kann das Deckband im hinteren Teil der Turbinenschaufeln 1, 1₁ , 1₂ bis zu einem Bereich y von maximal +/– 3% der axialer Sehnenlänge x vom engsten Querschnitt parallel zum engsten Querschnitt angeordnet sein.
Vorteilhaft wird durch diese Anordnung der engste Querschnitt nicht verändert und somit eine Anpassung des Anströmwinkel der nächsten Schaufelreihe des Stufendruckverhältnisses ermöglicht. Ausserdem werden Leckage und die damit verbundene Entwicklung von verlustbehafteten Sekundärströmungen vermindert und somit die aerodynamischen Verluste gegenüber herkömmlichen partiellen Deckbändern reduziert. Gleichzeitig werden die günstigen Eigenschaften in Bezug auf die mechanische Integrität des Deckbands durch das geringere Gewicht gegenüber vollen Deckbändern erhalten. Daher wird durch diese Anordnung auch eine Anwendung des Deckbandes in thermisch und mechanisch hochbelasteten Stufen ermöglicht, wo eine Verwendung voller Deckbänder nicht möglich ist.
Die 2b zeigt die Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Turbinenschaufel 1 gemäss dem Schnitt II-II in der 1. In dieser Ausführungsform erstreckt sich das Deckband zusätzlich zu dem hinteren Teil entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 2a im vorderen Teil bis zur Vorderkante 4 der Turbinenschaufeln 1₁ , 1₂ . Der vordere Teil des Deckbands kann sich entweder nur lokal z.B. im Bereich der Saugseite (2b, oben) der Turbinenschaufeln 1₁ , 1₂ oder über den ganzen Bereich (2b, unten) der Vorderkante erstrecken. Dies ist insbesondere bei passiver Kühlung des Deckbandelementes von Vorteil, weil ein Abfliessen der Kühlluft über die Saugseite der Schaufel verhindert werden soll. Wie aus der 2b ersichtlich, kann die Hinterkante des Deckbandes zwischen dem Turbinenschaufeln 1₁ , 1₂ gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung auch gekrümmt verlaufen. Es ist nicht notwendig, dass sie parallel zum engsten Querschnitt verläuft, sondern im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Hinterkante einen beliebigen Verlauf innerhalb des skizzierten Bereiches y annehmen.
Wie aus der 2b weiter ersichtlich, befindet sich der Hohlraum 15 in Verbindung mit den ersten Kühlkanälen 13. Diese ersten Kühlkanäle 13 sind in Rotationsrichtung der Turbinenschaufel 1 vom Hohlraum 6 zur einer seitlichen Kante 17 des Deckbandelements 6 hin angeordnet, wie dies auch in der 3, welche den Schnitt III-III in der 2b zeigt, sichtbar ist. Zur Einstellung der Kühlluftmenge befinden sich in den ersten Kühlkanälen 13 in unmittelbarer Nähe zum Hohlraum 15 Drosselstellen 19. Diese ersten Kühlkanäle 13 münden derart in den seitlichen Kanten 17 des Deckbandelements 6 in weitere Kühlkanäle 16, dass die üblicherweise verstärkt ausgeführten Kanten 17 durch (Prall-)Kühlung effizienter als bisher gekühlt werden können. Diese Aufdickung (engl. shroud rail, sichtbar in der 3) der seitlichen Kante 17 ist aus mechanischen Gründen besonders wichtig. Eine gute Kühlung ist deshalb wichtig, da die mechanische Festigkeit mit zunehmender Temperatur sinkt und so ein Versagen des ganzen Deckbandelements 6 auftreten kann.
Die weiteren Kühlkanäle 16 wiederum verlaufen in annähernd paralleler Richtung zu der die Turbinenschaufel 1 umgebenden Strömung des Heissgases 10 und münden an der der Hinterkante 5 der Turbinenschaufel 1 zugewandten Aussenkante 18 hinter der zweiten bzw. allgemein gesprochen hinter der letzten Dichtrippe 7 (gesehen in Richtung der Hinterkante 5 der Turbinenschaufel 1) in den Aussenraum. Dadurch steht der Kühlluft ein geringerer Gegendruck entgegen, wodurch eine Verringerung des Speisedrucks ermöglicht wird. Denkbar ist gemäss dieser Ausführungsform im Prinzip jeder beliebige Verlauf der weiteren Kühlluftkanäle 16, sofern der Austritt der Kühlluftbohrungen in den Aussenraum hinter der zweiten bzw. hinter der letzten Dichtrippe 7 angeordnet ist und dem Zweck der Kühlung dient. Die weiteren Kühlkanäle 16 können sich beispielsweise in den seitlichen Kanten 17 des Deckbandelements 6 befinden, so dass die seitliche Kanten 17 neben der Prallkühlung durch Konvektion kühlbar sind.
Vorteilhaft kann weiter durch diese Anordnung der weiteren Kühlkanälen 16 die Kühlluft 14, welche durch das Deckbandelement 6 strömt, in Richtung der Strömung des Heissgases 10 in den die Turbinenschaufel 1 umgebenden Aussenraum eingeblasen werden. Dadurch werden die Sekundärverluste reduziert, da eine Beschleunigung und eine Umlenkung in Richtung der Hauptströmung, wie bei tangentialen Austritten bekannt, entfällt.
Die Kühlkanäle 13, 16 sind in der 2b nur an einer Seite eines Deckbandelements 6 gezeigt. Dies geschieht jedoch nur beispielhaft. Auch die anderen Teile des Deckbandelements können selbstverständlich mit diesen Kühlkanäle 13, 16 durchzogen sein.

1, 1₁, 1₂: Turbinenschaufel
2: Schaufelblatt
3: Schaufelspitze
4: Vorderkante
5: Hinterkante
6: Deckbandelement
7: Dichtrippe
8: Kavität
9: Gehäusewand
10: Heissgas
11: Saugseite
12: Druckseite
13: Kühlkanal
14: Kühlluft
15: Hohlraum
16: Weiterer Kühlkanal
17: Kante des Deckbandelements 6, seitlich
18: Aussenkante des Deckbandelements 6, hinten
19: Drosselstelle
x: axiale Sehnenlänge der Turbinenschaufel 1
y: 3% der axialer Sehnenlänge x

Claims

Thermische Turbomaschine mit mindestens zwei benachbarten Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ), die in einem Heissgaskanal angeordnet sind, welche Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ) ein Schaufelblatt (2) mit einer Vorder- (4) und einer Hinterkante (5) und einer Saug- (11) und einer Druckseite (12) und einer Schaufelspitze (3) und in einem mittleren Bereich des Schaufelblatts (2) an der Schaufelspitze (3) ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement (6) aufweisen, wobei die Deckbandelemente der Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ) ein durchgängiges Deckband bilden, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Deckband im hinteren Teil der Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ) bis zu in einem Bereich (y) von maximal +/– 3% axialer Sehnenlänge (x) engsten Querschnitt erstreckt.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Deckbandes im hinteren Teil der Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ) im engsten Querschnitt gekrümmt ist.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Deckband in den vorderen Teil lokal bis zur Vorderkante (4) der Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ) erstreckt.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Deckband im vorderen Teil bis zur Vorderkante (4) der Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ) im Bereich von Saug- und Druckseite (11) erstreckt.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Deckbandelements (6) mindestens eine parallel zu einer Rotationsrichtung während des Betriebs der Turbinenschaufel (1) verlaufende Dichtrippe (7) vorgesehen ist.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Deckbandelements (6) mindestens zwei parallel zu einer Rotationsrichtung während des Betriebs der Turbinenschaufel (1) verlaufende, voneinander beabstandete Dichtrippen (7) vorgesehen sind, zwischen denen sich das Deckbandelement (6) erstreckt, wobei die Dichtrippen (7) im Zusammenwirken mit der der Turbinenschaufel (1) gegenüberliegenden Gehäusewand (9) eine Kavität (8) bilden.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dichtrippe (7) geneigt ist.
Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Turbinenschaufel (1, 1₁ , 1₂ ) durch eine Leitung in der Gehäusewand (9) ein Kühlmedium in den Heissgaskanal einbringbar ist.
Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband mit ersten Kühlkanälen (13) durchzogen ist, wobei die ersten Kühlkanäle (13) derart in weitere Kühlkanale (16) münden, dass eine seitliche Kante (17) des Deckbandelements (6) durch Prallkühlung kühlbar ist.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanale (16) an der der Hinterkante (5) der Turbinenschaufel (1) zugewandten Aussenkante (18) des Deckbandelements (8) in den Aussenraum münden.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kühlkanäle (13) zumindest annähernd parallel zur Bewegungsrichtung der Turbinenschaufel (1) verlaufen.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (16) im wesentlichen annähernd parallel zu der die Turbinenschaufel (1) umgebenden Heissgasströmung angeordnet sind.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (16) sich in den seitlichen Kanten (15) des Deckbandelements (8) befinden.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (16) in Richtung der Heissgasströmung der die Turbinenschaufel (1) umgebenden Heissgase (10) in den Aussenraum münden.
Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufeln (1, 1₁ , 1₂ ) Leit- oder Laufschaufel einer Gas- oder Dampfturbine sind.