DE19921644B4

DE19921644B4 - Kühlbare Schaufel für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE19921644B4
Application number: DE19921644A
Authority: DE
Inventors: Klaus Semmler; Dr. Weigand Bernhard
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: GB2349920A; US6347923B1; GB0009923D0; DE19921644A1; GB2349920B

Abstract

Kühlbare Schaufel (1) für eine Gasturbine oder dergleichen, mit einem Schaufelblatt (10) und einem Schaufelfuß (30), wobei das Schaufelblatt (10) aus einer saugseitigen Wand (12) und einer druckseitigen Wand (14) aufgebaut ist, welche unter Bildung eines Hohlraumes (22) über eine Vorderkante (16), zumindest teilweise über eine Hinterkante (18) sowie eine Schaufelspitze (20) verbunden sind, der Hohlraum (22) durch im Wesentlichen radial verlaufende Trennstege (32, 34) in Kanäle (24, 26, 28) unterteilt ist, welche einen durchgehenden, mehrfach umgelenkten Strömungspfad für ein Kühlmedium (K) bilden, wenigstens eine Ausblaseöffnung für das Kühlmedium (K) vorgesehen ist, und der der Hinterkante (18) benachbarte Trennsteg (34) nahe der Schaufelspitze (20) einen oder mehrere Durchgangskanäle (36) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine kühlbare Schaufel für eine Gasturbine oder dergleichen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die US 4 775 296 A beschreibt ein kühlbare Schaufel mit einen Durchgangskanal, der unmittelbar in den der Hinterkante zugeordneten Kanal mündet.
Die US 5 403 159 A beschreibt ein kühlbare Schaufel, die in der Schaufelspitze im Wesentlichen radiale Austrittskanäle aufweist.
Die US 4 278 400 A beschreibt eine kühlbare Schaufel, die einen Leitsteg mit einen gekrümmten Konturabschnitt aufweist.
Eine derartige Schaufel ist beispielsweise auch aus der deutschen Patentanmeldung DE 198 60 788 A1 bekannt, von der die Erfindung ausgeht. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß mit einem integrierten Kühlsystem. Das Schaufelblatt ist aus einer saugseitigen Wand und einer druckseitigen Wand aufgebaut, welche unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine Schaufelspitze verbunden sind. Die Wände definieren die Profilform und schließen innerhalb den Hohlraum ein, der zu Kühlzwecken genutzt wird. Hierzu ist der Hohlraum durch im Wesentlichen radial verlaufende Trennstege in Kanäle unterteilt. Bei dem dort beschriebenen Tripelpass-Kühlsystem verläuft ein erster Trennsteg ausgehend vom Schaufelfuß radial auswärts bis in die Nähe der Schaufelspitze und ein zweiter Trennsteg ausgehend von der Schaufelspitze bis in die Nähe des Schaufelfußbereiches. Auf diese Weise wird der Hohlraum in drei radial verlaufende Kanäle unterteilt, die einen durchgehenden, zweifach umgelenkten Strömungspfad bilden, welcher von einem Kühl medium durchströmbar ist. Die Zufuhr eines Kühlmediums erfolgt in der Regel durch den Schaufelfuß, beispielsweise in einer Ebene korrespondierend zur Vorderkante. Beim Durchströmen der Kanäle nimmt das Kühlmedium von außen eingetragene Wärme auf und verlässt die Schaufel im Bereich der Hinterkante. Hierzu sind zum Beispiel eine Reihe von Ausblaseöffnungen vorgesehen, auch kann ein in radialer Richtung weitgehend durchgängiger Ausblasschlitz vorhanden sein.
Obwohl sich ein derartiges Kühlkonzept dem Grunde nach bewährt hat, sind teilweise Probleme aufgetreten, die weitere Verbesserungen erforderlich machen.
Ein erster Problemkreis liegt darin, dass das Kühlmedium beim Übergang von einem Kanal zum Nachbarkanal eine Umlenkung von etwa 180° erfährt, wodurch die Gefahr einer Strömungsablösung gegeben ist. Eine derartige Strömungsablösung ist unerwünscht, da in dem betroffenen Bereich ein erhöhter Strömungsverlust zu verzeichnen ist und die Durchflussmenge an Kühlmedium reduziert wird. Weiterhin sind solche Strömungsablösegebiete hochgradig instationär, so dass kein konstanter Durchsatz an Kühlmedium erzeugt werden kann. Als Folge hiervon sind lokale oder auch vollständige Überhitzungen der Schaufel zu beobachten, die im ungünstigsten Falle zum Totalverlust führen.
Zur Vermeidung solcher Strömungsablösungen sind beispielsweise Umlenkbleche im Einsatz, auch wird versucht, durch lokale Konturierung (Aufdickung) der Trennstege die Kanalgeometrie gezielt zu beeinflussen. Dies führt jedoch zu einem erhöhten konstruktiven bzw. fertigungsbedingten Aufwand.
Ein weiteres Problem stellt der Bereich der Schaufelspitze, insbesondere in der Nähe der Schaufelhinterkante, dar. Dieser Bereich korrespondiert mit dem in Strömungsrichtung betrachtet hinteren Kanal, der von einem Kühlmedium durchströmt ist, welches bereits stark erwärmt ist. Das zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zur Wand hin hat gegenüber dem Eintrittsbereich sehr stark abgenommen. Darüber hinaus ist die zur Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende Menge des Kühlmediums in Folge der über die Hinterkante ausgeblasenen Kühlluft bereits stark verringert, so dass insgesamt speziell im Bereich der Schaufelspitze an der Hinterkante eine ausreichende Kühlung äußerst problematisch ist.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine kühlbare Schaufel für eine Gasturbine oder dergleichen der eingangs genannten Art anzugeben, bei der es gelingt, die Kühlwirkung im Bereich der Schaufelspitze und/oder der Hinterkante zu erhöhen und dadurch die Lebensdauer zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei einer kühlbaren Schaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der Trennsteg, der der Hinterkante benachbart ist, nahe der Schaufelspitze mit wenigstens einem Durchgangskanal versehen ist. Dies hat zur Folge, dass ein Teil des Kühlmediums bei der Umlenkung von dem der Vorderkante zugeordneten Kanal in den mittleren Kanal abgezweigt und unmittelbar dem der Hinterkante zugeordneten dritten Kanal zugeführt wird. Somit gelangt Kühlmedium, welches eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist, in den besonders überhitzungsgefährdeten Bereich. Da im Hinterkantenbereich – und damit im hinteren Kanal – ein niedrigerer Druck als im mittleren Kanal herrscht, wird das Kühlmedium mit hoher Geschwindigkeit durch den Durchgangskanal hindurch abgezogen. Auch dieser Effekt trägt erheblich zur Verbesserung der Kühlwirkung bei.
Zusätzlich verhindert das Abziehen von Kühlmedium durch den Durchgangskanal hindurch eine Strömungsablösung in diesem Bereich in Folge der Umlenkung beim Übertritt von dem vorderen zum mittleren Kanal. Die bislang praktizierte Aufdickung des Trennsteges in diesem Abschnitt kann entfallen.
Ausgehend von diesem Grundkonzept lässt sich durch die nachstehend beschriebenen Varianten eine gezielte Einstellung des Bypasses der Kühlmittelübertritt so vornehmen, dass die erforderliche Wärmeabfuhr exakt erreicht wird.
Zur Optimierung der Stromungsverhaltnisse in dem angesprochenen Bereich können nicht nur Anzahl und Anordnung der Durchgangskanäle, sondern auch der Querschnittsverlauf der Durchgangskanäle variiert werden. Zur Einstellung einer vorbestimmten Eintrittsgeschwindigkeit des Kühlmediums in den hinteren Kanal kann der Querschnitt in Strömungsrichtung divergent oder konvergent ausgeführt sein.
Für eine Reihe von Anwendungsfällen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dem bzw. den Durchgangskanälen einen Leitsteg zuzuordnen, wodurch ein im Wesentlichen axial verlaufender Spitzenkühlkanal entsteht. Speziell bei besonders hohen thermischen Belastungen in diesem Bereich, wie sie bei frei endenden Schaufeln und Schaufeln mit einer Krone zu beobachten sind, ist diese Konfiguration von besonderer Bedeutung. Je nach Erfordernis kann der Leitsteg durchgehend zwischen dem Trennsteg und der Hinterkante angeordnet sein, so dass eine Vermengung des abgezogenen Teilstromes mit dem umgelenkten Hauptstrom vollständig verhindert wird. Alternativ kann der Leitsteg mit im Wesentlichen radial verlaufenden Durchgangsbohrungen versehen oder aber aus einzelnen, beabstandet zueinander angeordneten Segmenten aufgebaut sein, so dass eine teilweise Vermischung beider Teilkühlströme zugelassen wird.
Ferner kann der Leitsteg einen gekrümmten Konturabschnitt aufweisen, so dass eine Strömungsablösung des Kühlmediums nach dem Eintritt in den hinteren Kanal vermieden wird. Der Leitsteg hat damit die Funktion eines Umlenkbleches oder einer Umlenkrippe. Weiterhin können Austrittskanäle im Bereich der Schaufelspitze vorgesehen sein, um gezielt die Kühlung der Schaufel lokal zu unterstützen.
Schließlich können im hinteren Kanal und/oder im Spitzenkanal im Bereich der Schaufelspitze und/oder der Hinterkante zusätzliche Kühlelemente an der Innenseite der Wandung oder durchgehend zwischen der saugseitigen und der druckseitigen Wand angebracht sein. Derartige Kühlelemente sind Einbauten, die die zur Wärmeübertragung erforderliche Oberfläche vergrößern und den Wärmeübergang intensivieren. Besonders effektiv sind Kühlelemente in Form von Halbzylindern, Kugelabschnitten, Rippen oder Zylindern.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 Schaufel in Schnittdarstellung, Grundkonzeption;
2 Schaufel gemäß 1 mit Umlenkrippe;
3 Schaufel gemäß 1 mit segmentförmigen Leitsteg;
4 Schaufel gemäß 1 mit durchgängigem Leitsteg.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Übereinstimmende Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Das der Erfindung zugrundeliegende Ausgangskonzept ergibt sich aus den 1 bis 4.
Eine kühlbare Schaufel 1 besteht aus zwei Hauptbauteilen, einem Schaufelblatt 10 und einem Schaufelfuß 30. Das Schaufelblatt 10 ist aus einer saugseitigen Wand 12 und einer (aufgrund der Schnittführung nicht dargestellten) druckseitigen Wand 14 aufgebaut, welche jeweils gegenüberliegend über eine Vorderkante 16 und eine Hinterkante 18 miteinander verbunden sind. Nach oben hin ist als Abschluss eine Schaufelspitze 20 vorhanden, wodurch ein Hohlraum 22 entsteht, der sich im Wesentlichen durchgehend in radialer Richtung r von Schaufelfuß 30 ausgehend bis zur Schaufelspitze 20 erstreckt. Im Bereich der Hinterkante 18 besteht zwischen der saugseitigen Wand 12 und der (nicht dargestellten) druckseitigen Wand 14 lediglich im Bereich der Schaufelspitze 20 und am Übergang zum Schaufelfuß 30 eine Verbindung, so dass ein im Übrigen radial durchgehender Schlitz entsteht.
Im Hohlraum 22 ist ein erster Trennsteg 32 vorhanden, der ausgehend von einem Bereich des Schaufelfußes 30 radial auswärts verläuft und bis dicht an die Schaufelspitze herangeführt ist, ohne diese zu berühren. In Gegenrichtung verlaufend ist ein zweiter Trennsteg 34 vorhanden, der vom Bereich der Schaufelspitze 20 ausgehend radial einwärts gerichtet bis in den Bereich des Schaufelfußes 30 hineingeführt ist, ohne diesen zu berühren. Auf diese Weise ist der Hohlraum 22 in drei, im Wesentlichen radial verlaufende Kanäle 24, 26, 28 unterteilt, wobei ein durchgehender, zweifach umgelenkter Strömungspfad für ein Kühlmedium K entsteht.
Das Kühlmedium K wird im Bereich des Schaufelfußes 30 dem der Vorderkante 16 zugeordneten Kanal 24 zugeführt und strömt zunächst in radialer Richtung aufwärts zur Schaufelspitze 20. Dort wird er umgelenkt, wobei ein erster Teilstrom K1 durch ein Umlenkblech 38 radial einwärts in den mittleren Kanal 26 gezwungen wird und nach erneuter Umlenkung im Bereich des Schaufelfußes 30 in den der Hinterkante 18 zugeordneten Kanal 28 eintritt und von dort aus der Schaufel austritt. Der Kanal 28 weist in seiner oberen, der Schaufelspitze 20 zugeordneten Hälfte Kühlelemente in Form von Pins 56 auf, die der Oberflächenvergrößerung dienen. Damit wird dem Effekt Rechnung getragen, dass das Kühlmedium K durch stetige Wärmeaufnahme eine vergleichsweise hohe Temperatur angenommen und seine Geschwindigkeit in Folge der Ausblasung entlang der Hinterkante verringert hat. Um eine ausreichende Kühlung des angesprochenen Bereichs sicherzustellen, muss deshalb die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert sein oder die Wärmeübertragung stark intensiviert werden.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Konzeptes besteht nun darin, dass der Trennsteg 34 im Bereich der Schaufelspitze 20 Durchgangskanäle 36 aufweist. In Folge der Druckdifferenz zwischen dem Kanal 28 und dem Kanal 26 wird ein Teilstrom K2 vom Übergangsbereich zwischen dem Kanal 24 und dem Kanal 26 zwischen dem Umlenkblech 38 und der Schaufelspitze 20 abgezogen und tritt mit hoher Geschwindigkeit in den Kanal 28 ein. Der Teilstrom K2 wird über die Durchgangskanäle gezielt in ein Gebiet mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten und geringem Wärmeübergang geführt. Die Temperatur des Teilstroms K2 liegt erheblich niedriger als diejenige des Teilstromes K1 im oberen Bereich des Kanals 28, so dass eine besonders effektive Kühlung in diesem Bereich ermöglicht wird. Zusätzliche Rippen 52 an der Innenseite der Schaufelspitze 20 dienen ebenso wie die vorstehend beschriebenen Pins 56 der gezielten Erhöhung des Wärmeübergangs.
Im konkret vorliegenden Fall sind zwei Durchgangskanäle 36 vorgesehen, die einen konstanten Querschnitt aufweisen. Sie lassen sich somit einfach und kostengünstig in den Trennsteg 34 einbringen. Der obere der beiden Durchgangskanäle 36 verläuft dicht an der Innenseite der Schaufelspitze 20, so dass sich am Übergang von der Innenseite der Schaufelspitze 20 zum Trennsteg 34 kein Totwassergebiet bzw. keine Strömungsablösung einstellen kann.
Es versteht sich von selbst, dass durch eine geeignete Wahl der Anzahl, Anordnung und geometrischer Ausgestaltung der Durchgangskanäle 36 der Teilstrom K2 in weiten Grenzen variiert werden kann, wodurch eine optimale Abstimmung auf die abzuführende Wärmemenge ermöglicht wird.
Die in der 2 dargestellte Schaufel 1 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen hauptsächlich durch die Anbringung eines Leitsteges 40 im Kanal 28. Der Leitsteg 40 weist einen gekrümmten Konturabschnitt 40e auf, so dass eine Art Umlenkrippe gebildet ist. Der Leitsteg 40 ist dem Durchgangskanal 36 in der Weise zugeordnet, dass der in den Kanal 28 eintretende Teilstrom K2 unmittelbar in einen Spitzenkühlkanal 42 hineingeleitet wird, der zwischen der Schaufelspitze 20 und dem Leitsteg 40 gebildet ist. Zwischen dem Konturabschnitt 40e und dem Trennsteg 34 entsteht ein Zwischenraum, durch den Teile des Teilstromes K1 hindurchtreten und somit eine Strömungsablösung des aus dem Durchgangskanal 36 austretenden Teilstromes K2 verhindern.
Der Leitsteg 40 weist zwei im Wesentlichen radial verlaufende Durchgangsbohrungen 44 auf, durch die weitere Anteile des Teilstromes K1 hindurchtreten und den Teilstrom K2 etwas in Richtung auf Kühlelemente in Form von Halbzylindern 54 hin ablenken.
3 zeigt eine Variante, bei der der Leitsteg aus Segmenten 40a, 40b, 40c, 40d aufgebaut ist, die unter Bildung von Durchbrüchen 46 beabstandet zueinander angeordnet sind. Wiederum entsteht ein Spitzenkühlkanal 42 zwischen dem Leitsteg 40 und der Schaufelspitze 20, wobei Pins 56 insbesondere die saugseitige Wand 12 und die druckseitige Wand 14 lokal verstärkt kühlen.
Es sind insgesamt drei Durchgangskanäle 36 vorgesehen, wovon zwei dem Spitzenkühlkanal 42 und der Dritte dem Kanal 28 zugeordnet sind.
Bei der Variante gemäß 4 ist der Leitsteg 40 durchgehend zwischen dem Trennsteg 34 und der Hinterkante 18 angeordnet. Somit entsteht ein im Wesentlichen gegenüber dem Kanal 28 abgeschlossener Spitzenkühlkanal 42, in den einer von zwei Durchgangskanälen 36 mündet. Der zweite Durchgangskanal 36 mündet unmittelbar benachbart zum Leitsteg 40 in den Kanal 28. Radial verlaufende Durchgangsbohrungen 44 im Leitsteg 40 sorgen dafür, dass der in den Spitzenkanal 42 eintretende Teilstrom K2 teilweise in Richtung auf die Schaufelspitze 20 hin umgelenkt wird und dort durch Austrittskanäle 48 die Schaufel 1 im Bereich der Schaufelspitze 20 verlässt. Somit findet dort eine unmittelbare, zusätzliche Kühlung statt.
Das vorstehend beschriebene Kühlkonzept kann auf einfache Art und Weise den konkreten Erfordernissen angepasst werden und eignet sich gleichermaßen für Leit- und Laufschaufeln.
Bezugszeichenliste

1: Schaufel
10: Schaufelblatt
12: saugseitige Wand
14: druckseitige Wand
16: Vorderkante
18: Hinterkante
20: Schaufelspitze
22: Hohlraum
24, 26, 28: Kanal
30: Schaufelfuß
32, 34: Trennsteg
36: Durchgangskanal
38: Umlenkblech
40: Leitsteg
40a, 40b, 40c, 40d: Segment
40e: Konturabschnitt
42: Spitzenkühlkanal
44: Durchgangsbohrung
46: Durchbruch
48: Austrittskanal
52: Kühlelement, Rippe
54: Kühlelement, Halbzylinder
56: Kühlelement, Pin
K: Kühlmediumstrom
K1, K2: Teilstrom

Claims

Kühlbare Schaufel für eine Gasturbine, mit einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, wobei – das Schaufelblatt aus einer saugseitigen Wand und einer druckseitigen Wand aufgebaut ist, welche unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante, zumindest teilweise über eine Hinterkante sowie eine Schaufelspitze verbunden sind, – der Hohlraum durch in radialer Richtung verlaufende Trennstege in Kanäle unterteilt ist, welche einen durchgehenden, mehrfach umgelenkten Strömungspfad für ein Kühlmedium bilden dass der der Hinterkante (18) benachbarte Trennsteg (34) von der Schaufelspitze (20) ausgehend radial einwärts verläuft, und – wenigstens eine Ausblaseöffnung für das Kühlmedium vorgesehen ist, – der der Hinterkante (18) benachbarte Trennsteg (34) nahe der Schaufelspitze (20) einen oder mehrere Durchgangskanäle (36) aufweist, die unmittelbar in den der Hinterkante zugeordneten Kanal (28) münden dadurch gekennzeichnet, dass Kühlelemente (50, 52, 54, 56) an der radial innen liegenden Wand der Schaufelspitze (20) integriert sind und die Schaufelspitze in radialer Richtung Austrittskanäle aufweist.
Schaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dass die Durchgangskanäle (36) einen in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K2) variierenden Querschnittsverlauf aufweisen
Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen den Durchgangskanälen (36) zugeordneten Leitsteg (40) zur Bildung eines Spitzenkühlkanals (42).
Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitsteg (40) durchgehend zwischen dem Trennsteg (34) und der Hinterkante (18) angeordnet ist.
Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitsteg (40) einen gekrümmten Konturabschnitt (40e) aufweist.
Schaufel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitsteg (40) in radialer Richtung verlaufende Durchgangsbohrungen (44) aufweist.
Schaufel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitsteg (40) aus beabstandet zueinander angeordneten Segmenten (40a, 40b, 40c, 40d) aufgebaut ist.
Schaufel nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Kühlelemente in Form von Halbzylindern (54), Kugelabschnitten, Rippen (52) oder Pins (56).