EP1869291B1

EP1869291B1 - Konvektiv gekühlte gasturbinenschaufel

Info

Publication number: EP1869291B1
Application number: EP06725419.3A
Authority: EP
Inventors: Arkadi Fokine; Alexander Trishkin; Vladimir Vassiliev; Dmitry Vinogradov
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: US7766619B2; WO2006108764A1; RU2425982C2; US20080181784A1; RU2005110990A; EP1869291A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Gasturbinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, bei gekühlten Schaufeln von Gasturbinen Kühlluft am Schaufelkopf auszublasen, was beispielsweise zu einer verbesserten Kühlung der dort angeordneten Dichtungen beiträgt. Aus US 2003/156943 ist eine Turbinenschaufel bekannt geworden, welche mit einem in der Schaufelblatt-Vorderkante verlaufenden Kühlkanal mit Austrittsöffnungen im Bereich des Schaufelkopf versehen ist. Die Wanddicke der Schaufel ändert sich im Austrittsbereich nicht und damit ist die Kontur im Austrittsbereich ähnlich der Kanalkontur.
Im allgemeinen werden die Querschnitte dieser Austrittsöffnungen kleiner dimensioniert als die der Kühlluftkanäle. Sie dienen damit als Drosselstellen und begrenzen den Massenstrom des ausgeblasenen Kühlfluids, wie z.B. in der US 5 993156 offenbart.
Die Austrittsöffnungen weisen üblicherweise kreisförmige oder elliptische Querschnitte auf, und stimmen nicht mit der Querschnittsform des Kühlkanals überein, welcher die Kühlluft zu der Austrittsöffnung führt. Der damit vorliegende abrupte Querschnittswechsel resultiert in ungünstigen Strömungsmustern, welche unter anderem zu erhöhten Druckverlusten und lokal erhöhten Materialtemperaturen führen.

Darstellung der Erfindung

Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung soll eine Gasturbinenschaufel der eingangs genannten Art so angegeben werden, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Spezifischer soll die Gasturbinenschaufel derart angegeben werden, dass der Wärmeübergang auf der Kühlungsseite vergleichmässigt wird und auf diese Weise ungleichmässige Temperaturvorteilungen mit lebensdauerverkürzenden Thermospannungen vermieden werden.
Dies, neben anderen vorteilhaften Wirkungen, vermag die im Anspruch 1 beschriebene Gasturbinenschaufel zu leisten. Bei der im Anspruch 1 angegebenen Schaufel ist die Kontur der Austrittsöffnung des entlang der Vorderkante verlaufenden Kühlluftkanals dem Querschnitt des Kühlluftkanals geometrisch ähnlich gestaltet. Daraus resultiert, dass die Querschnittsübergänge beim Durchströmen der Kühlluft aus dem Kühlluftkanal in die Austrittsöffnung minimiert werden. Totwasserzonen der Kühlluft und Abweichungen der Strömungsrichtung der ausgeblasenen Kühlluft mit ihren negativen Auswirkungen werden damit vermieden.
In einer Weiterbildung der Schaufel ist die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung kleiner als die Querschnittsfläche des Kühlluftkanals. Damit kann die Austrittsöffnung als Drosselstelle wirken und somit zur Begrenzung des Massenstroms dienen. Das heisst, im Bereich der Austrittsöffnung ist ein Steg angeordnet. In einer Ausführungsform der Erfindung nimmt der Abstand der Konturlinie der Austrittsöffnung von der Schaufelblattaussenkontur im Bereich der Schaufelblatt-Vorderkante Werte zwischen 138% und 162% der lokalen Wanddicke der Schaufelblattwand an. Das heisst; die Höhe des Steges beträgt im Bereich der Schaufelblattvorderkante 38% bis 62% der lokalen Wanddicke. Im Bereich der saugseitigen Wand und/oder der druckseitigen Wand des Schaufelblattes nimmt der Abstand der Konturlinie der Austrittsöffnung von der Schaufelblatt-Aussenkontur Werte von 113% bis 138% der lokalen Wanddicke der Schaufelblattwand an. Die Höhe des Steges beträgt also in diesem Bereich 13% bis 38% der lokalen Wanddicke. Im Bereich der schaufelinneren Trennwand, welche beispielsweise den entlang der Vorderkante verlaufenden Kühlluftkanal von anderen Kühlluftkanälen abtrennt, liegt die Höhe des Steges in einer Ausführungsform im Bereich von 0% bis 225% der Wanddicke der Schaufelblattwand. Diese geometrischen Spezifikationen können selbstverständlich unabhängig voneinander oder in Kombination Anwendung finden. Die Wanddicke der Schaufelblattwand kann dabei in Umströmungsrichtung des Schaufelblattes variieren; in einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wanddicke der Schaufelbfattwand im Bereich der Austrittsöffnung konstant.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kühlluftkanal eine am Schaufelfuss angeordnete Einlassöffnung auf. Dabei wird in einer Ausführungsform frische Kühlluft am Schaufelfuss zugeführt, welche entlang der Schaufelblattvorderkante im Schaufelblattinneren zum Schaufelkopf strömt, und dort durch die Austrittsöffnung ausströmt. Insbesondere ist in einer Weiterbildung der hier spezifizierten Schaufeln die Schaufel im Bereich des Kühlkanals rein konvektiv gekühlt ausgeführt. Das heisst, es liegen keine Öffnungen vor, durch welche Kühlluft beispielsweise als Filmkühlluft zur Schaufelblatt-Aussenseite gelangen kann. Der gesamte in den Kühlluftkanal einströmende Kühlluftmassenstrom strömt also wieder durch die Austrittsöffnung ab.
Schaufeln der vorstehend beschriebenen Art finden bevorzugt in Gasturbinen, als Bestandteile eines Rotors und/oder eines Stators, Verwendung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Einzelnen zeigen

Figur 1 eine Gasturbogruppe;
Figur 2 eine Gasturbinenschaufel;
Figur 3 einen Austrittsbereich eines Kühlluftkanals einer Gasturbinenschaufel.

Alle Figuren sind stark vereinfacht und dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung; sie sollen nicht zur Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In der Figur 1 ist beispielhaft eine Gasturbogruppe dargestellt. Diese umfasst auf an sich bekannte Weise einen Verdichter 1, eine Brennkammer 2, sowie die Turbine 3. Die Turbine 3 ist im Schnitt dargestellt. Ein Turbinenstator umfasst ein Gehäuse 4 sowie Leitschaufeln 61, 62, 63 und 64. Ein Turbinenrotor umfasst eine Welle 5 sowie Laufschaufeln 65, 66, 67 und 68.
In modernen Gasturbogruppen mit hohen Heissgastemperaturen werden die Turbinenschaufeln wenigstens der ersten Turbinenstufen gekühlt ausgeführt. Ein Beispiel für eine derartige gekühlte Turbinenschaufel 6 ist in der Figur 2 dargestellt. Figur 2a zeigt dabei eine Seitenansicht einer beispielhaften Turbinenschaufel in einer Schnittdarstellung, welche die interne Kühlungskonfiguration der Schaufel erkennen lässt. Die Schaufel 6 umfasst einen Schaufelfuss 601, ein Schaufelblatt 602, sowie einen Schaufelkopf 603. Ein Querschnitt des Schaufelblattes, welcher das Schaufelblattprofil erkennen lässt, ist in der Figur 2b dargestellt. Das Profil des Schaufelblattes weist eine Vorderkante 604, eine Hinterkante 605, eine Druckseite 606 sowie eine Saugseite 607 auf. Innerhalb des Schaufelblattes verläuft entlang der Schaufelblattvorderkante 604 ein Kühlluftkanal 609. Wie in der Darstellung der Figur 2b zu erkennen ist, wird dieser Kanal einerseits von der Wand des Schaufelblattes im Bereich der Vorderkante 604, im Bereich der Druckseite 606, im Bereich der Saugseite 607, sowie von einer von der saugseitigen Schaufelblattwand zur druckseitigen Schaufelblattwand verlaufenden Trennwand 614 begrenzt. Der Kühlluftkanal 609 weist im fusseitigen Bereich des Schaufelblattes eine Eintrittsöffnung 610 für Kühlluft auf, und weist im Bereich des Schaufelkopfes eine Austrittsöffnung 611 für Kühlluft auf. Innerhalb des Schaufelblattes ist ein weiterer serpentinenförmig verlaufender Kühlluftkanal 608 angeordnet, wobei die diesen durchströmende Kühlluft im Bereich der Schaufelblatthinterkante ausgeblasen wird. Das Schaufelblatt wird im Bereich der Hinterkante durch die ausgeblasene Kühlluft gekühlt; in den weiteren Bereichen des Schaufelblattes wird das Schaufelblatt rein konvektiv gekühlt. Zur Verbesserung der konvektiven Kühlwirkung sind innerhalb der Kühlluftkanäle Rippen 613 angeordnet, welche dort den Wärmeübergang von der Schaufelblattwand zur Kühlluft intensivieren. Die Kühlluft des Vorderkanten-Kühlluftkanals 609 wird an der Einlassöffnung 610 zugeführt und im Schaufelkopfbereich an der Austrittsöffnung 611 wieder ausgeblasen, und dient dort zur Kühlung des Schaufelkopfes und der nicht dargestellten Dichtungen. Im Bereich des Schaufelkopfes ist ein Steg 612 angeordnet, welcher vermeidet, dass die Kühlluft vorschnell mit Heissgas vermischt wird.
Der Bereich der Austrittsöffnung 611 ist in den Figuren 3a und 3b vergrössert dargestellt. In der Draufsicht der Figur 3a ist zu erkennen, dass die Kontur der Austrittsöffnung 611 eine dem Querschnitt des Kühlluftkanals 609 im Wesentlichen geometrisch ähnliche Form aufweist, diesem gegenüber aber im Querschnitt verkleinert ist. Der vorderkantenseitig verlaufende Kühlluftkanal ist gestrichelt angedeutet. Im Bereich der Schaufelblatt-Vorderkante 604 beträgt der Abstand der Kontur der Austrittsöffnung von der Schaufelblatt-Aussenkontur das Mass A. Im Bereich der druckseitigen Wand 606 und der saugseitigen Wand Schaufelblattes 607 beträgt der Abstand der Kontur der Austrittsöffnung von der Schaufelblatt-Aussenkontur das Maß B. Im Bereich der Trennwand 614 beträgt der Abstand der Kontur der Austrittsöffnung von der Trennwand das Mass C. Die Dicke der Schaufelblattaussenwand ist mit δ bezeichnet. Dabei beträgt A bevorzugt A=δ (1,5±0,12). B beträgt B=δ ·(1,25±0,12). C beträgt 0<C<δ ·(2±0,25).
Obschon die Erfindung vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wurde, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass dieses Ausführungsbeispiel die Erfindung nicht einschränkt. Im Lichte der vorstehenden Beschreibung eröffnen sich für einen Fachmann weitere im Umfang der Patentansprüche enthaltene Ausführungsformen der Erfindung.

Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Brennkammer
3: Turbine
4: Gehäuse
5: Welle
6: Turbinenschaufel
61, 62, 63, 64: Leitschaufeln, Statorschaufeln
65, 66, 67, 68: Laufschaufeln, Rotorschaufeln
601: Schaufelfuss
602: Schaufelblatt
603: Schaufelkopf
604: Schaufelblatt-Vorderkante
605: Schaufellbaltt-Hinterkante
606: druckseitige Schaufelblattwand
607: Saugseitige Schaufelblattwand
608: Kühlluftkanal
609: vorderkantenseitiger Kühlluftkanal
610: Kühllufteinlass
611: Austrittsöffnung
612: Steg
613: Kühlkanalrippen
614: Trennwand

Claims

Gasturbinenschaufel (6), mit einem Schaufelblatt (602), welches sich von einem Schaufelfuss (601) zu einem Schaufelkopf (603) erstreckt, wobei das Schaufelblatt eine Schaufelblatt-Vorderkante (604) und einen entlang der Schaufelblatt-Vorderkante im Schaufelblattinneren verlaufenden Kühlluftkanal (609) umfasst, welcher Kühlluftkanal an der Vorderkante (604) sowie an der Saugseite (607) und der Druckseite (606) des Schaufelblattes von der Schaufelblattwand begrenzt ist, und der weiterhin von einer im Schaufelblattinneren von der druckseitigen Wand zu der saugseitigen Wand verlaufenden Trennwand (614) begrenzt ist, und welcher Kühlluftkanal (609) eine im Bereich des Schaufelkopfes angeordnete Austrittsöffnung (611) aufweist, wobei die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung (611) geometrisch ähnlich der Querschnittsfläche des Kühlkanals (609) ist, wobei gekennzeichnet, dass das die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung (611) kleiner als die Querschnittsfläche des Kühlkanals (609) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen der Austrittsöffnung (611) und des Kühlkanals (609) konturgleich zueinander ausgerichtet sind.
Gasturbinenschaufel gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) der Kontur der Austrittsöffnung (611) gegenüber der Aussenkontur des Schaufelblattes im Bereich der Vorderkante im Bereich von 138% und 162% der lokalen Wanddicke (δ) der Schaufelblattwand beträgt.
Gasturbinenschaufel gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (B) der Kontur der Austrittsöffnung gegenüber der Aussenkontur des Schaufelblattes im Bereich der druckseitigen Wand und/oder der saugseitigen Wand im Bereich von 113% und 138% der lokalen Wanddicke (δ) der Schaufelblattwand beträgt.
Gasturbinenschaufel gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Trennwand (614) der Abstand (C) der Kontur der Austrittsöffnung von der Trennwand im Bereich von 0% bis 225% der Wanddicke (δ) der Schaufelblattwand beträgt.
Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Austrittsöffnung die Wanddicke der Schaufelblattwand konstant ist.
Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (609) eine im Bereich des Schaufelfusses (601) angeordnet Einlassöffnung (610) aufweist.
Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel im Bereich des Kühlkanals rein konvektionsgekühlt ausgeführt ist.
Gasturbinenbaugruppe, insbesondere Rotor oder Stator einer Gasturbine, umfassend wenigstens eine Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche.
Gasturbine, umfassend wenigstens eine Gasturbinenschaufel gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7.