DE102004002327A1

DE102004002327A1 - Gekühlte Schaufel für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102004002327A1
Application number: DE102004002327A
Authority: DE
Inventors: Shailendra Dr. Naik; Sacha Dr. Parneix; Ulrich Rathmann; Helene Dr. Saxer-Felici; Stefan Dr. Schlechtriem; Beat Von Arx
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-08-04
Also published as: EP1709298A1; CN100408812C; US20060292006A1; US7520724B2; TW200532096A; TWI356870B; EP1709298B1; WO2005068783A1; CN1910343A

Abstract

Eine gekühlte Schaufel (10) für eine Gasturbine weist ein von einem Schaufelfuß (12) und einem Schaufelschaft (25) ausgehendes Schaufelblatt (11) mit eienr Vorderkante (19) und einer Hinterkante (20) sowie innerhalb des Schaufelblatts (11) eine Mehrzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden, strömungsmäßig hintereinandergeschalteten Kühlkanälen (13, 14, 15) auf, von denen ein erster Kühlkanal (13) entlang der Vorderkante (19) und ein zweiter Kühlkanal (15) entlang der Hinterkante (20) vom Schaufelfuß (12) zur Spitze des Schaufelblattes (11) von einem Hauptstrom eines Kühlmediums durchströmt werden, und der Eingang des ersten Kühlkanals (13) mit einem Hauptkühleinlass (16) in Verbindung steht und der Ausgang des ersten Kühlkanals (13) über einen ersten Umlenkbereich (17), einen zwischen dem ersten und zweiten Kühlkanal (13, 15) angeordneten dritten Kühlkanal (14), und einen zweiten Umlenkbereich (18) mit dem Eingang des zweiten Kühlkanals (15) in Verbindung steht. Es sind erste Mittel (23) vorgesehen, durch welche dem vom dritten Kühlkanal (14) in den zweiten Kühlkanal (15) strömenden, aufgewärmten Hauptstrom des Kühlmediums von außen ein Zusatzstrom kühleren Kühlmediums zugesetzt wird. DOLLAR A Eine besonders einfache Realisierung ergibt sich dadurch, dass die ersten Mittel eine vom Hauptkühleinlass (16) zum zweiten Umlenkbereich (18) verlaufende Bohrung (23) umfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schaufel ist z.B. aus der Druckschrift US-A-4,278,400 bekannt.

Bei modernen Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad werden mit einem Deckband versehene Schaufeln eingesetzt, die während des Betriebes Heissgasen mit Temperaturen von mehr als 1200 K und Drücken von mehr als 6 bar ausgesetzt sind.

In 1 ist eine grundlegende Konfiguration einer solchen Schaufel mit Deckband dargestellt. Die Schaufel 10 umfasst ein Schaufelblatt 11, dass nach unten zu über einen Schaufelschaft 25 in einen Schaufelfuss 12 übergeht. Am oberen Ende geht das Schaufelblatt 11 in einen Deckbandabschnitt 21 über, der bei einem vollständigen Schaufelkranz zusammen mit den Deckbandabschnitten der anderen Schaufeln ein geschlossenes, ringförmiges Deckband bildet. Das Schaufelblatt 11 hat eine Vorderkante 19, die von dem Heissgas angeströmt wird, und eine Hinterkante 20. Im Inneren des Schaufelblattes 11 sind mehrere radiale Kühlkanäle 13, 14 und 15 angeordnet, die durch Umlenkbereiche 17, 18 untereinander strömungsmässig verbunden sind und eine Serpentine mit mehreren Windungen bilden (siehe die Strömungspfeile in den Kühlkanälen 13, 14, 15 der 1).

Aufgrund des Einmaldurchlaufs des Kühlmediums durch die serpentinenartig hintereinandergeschalteten Kühlkanäle 13, 14, 15 strömt das Kühlmedium mit zunehmender Temperatur durch die Kühlkanäle und erreicht die höchste Temperatur im letzten Kühlkanal 15 der Hinterkante 20. Die Hinterkante 20 der Schaufel 10 kann daher unter bestimmten Betriebsbedingungen übermässig hohe Temperaturen des Kühlmediums und des Schaufelmaterials bzw. -metalls erreichen. Die sich daraus ergebende Fehlanpassung der Metalltemperatur über die axiale Länge der Schaufel kann zum Hochtemperaturkriechen und folglich zur Deformation der Hinterkante 20 führen. Für eine Schaufel mit Deckband, wie sie in 1 gezeigt ist, ergibt sich als sekundärer Effekt der Hinterkantendeformation eine Verkippung der Deckbandsegmente 21 in axialer, radialer und Umfangsrichtung. Die Verkippung der Deckbandsegmente 21 kann dazu führen, dass sich die Spalte zwischen einzelnen Deckbandsegmenten öffnen und den Eintritt von Hochtemperatur-Heissgas in den Deckband-Hohlraum ermöglichen. Infolge davon können sich die Temperaturen des Deckband-Metalls signifikant erhöhen und schnell ein Kriechen des Deckbandes einleiten und schliesslich zum Hochtemperaturausfall des Deckbandes führen.

In der eingangs genannten Druckschrift US-A-4,278,400 ist für Schaufeln mit gekühlter Spitze und fein verteilten Kühlöffnungen an der Vorderkante (Filmkühlung) bereits eine Mehrfachversorgung bei der Kühlung der Schaufel vorgeschlagen worden. Am Ende einer 90°-Umlenkung des Hauptkühlstromes ist quer zur Strömungsrichtung des Hauptkühlstromes ein Ejektor angeordnet, durch den ein zusätzlicher Strom kühleren Kühlmediums in den an der Hinterkante entlanglaufenden Kühlkanal injiziert wird. Der Ejektor wird über einen radial durch den Fuss laufenden Kanal mit Kühlmedium versorgt. Das aus der Düse des Ejektors mit erhöhter Geschwindigkeit ausströmende Kühlmedium erzeugt einen Unterdruck, der das erwärmte Kühlmedium aus dem Kühlkanal der Vorderkante in den Kühlkanal der Hinterkante zieht. Etwa 45% des an der Vorderkante entlangströmenden Kühlmediums treten durch die Kühlöffnungen an der Vorderkante aus. 40% werden durch den Injektor angesaugt. Der Rest tritt durch Kühlöffnungen an der Schaufelspitze aus.

Diese bekannte Art der Mehrfachversorgung mit Kühlmedium hat verschiedene Nachteile: Durch den Injektor werden die Druckverhältnisse und Strömungsverhältnisse in den Kühlkanälen gegenüber der Konfiguration mit Einfachversorgung durch den Eingang des Kühlkanals an der Vorderkante massiv verändert. Insbesondere muss ein Gleichgewicht zwischen dem an der Vorderkante zur Filmkühlung ausströmenden Kühlmedium und dem durch den Injektor angesaugten Kühlmedium gefunden und eingestellt werden. Dies bedingt eine völlig neue konstruktive Auslegung der Schaufelkühlung, die nur schwer an sich ändernde Anforderungen angepasst werden kann. Das Injektorprinzip und die damit verbundene Unterdruckerzeugung sind nicht geeignet für Schaufeln ohne Filmkühlung der Vorderkante und Schaufeln mit gekühltem Deckband.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Schaufel für Gasturbinen mit Mehrfachversorgung des Kühlmediums zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Schaufeln vermeidet, auf Schaufeln mit gekühltem Deckband und ohne Filmkühlung der Vorderkante anwendbar ist, und sich auch bei vorhandenen Schaufelkonfigurationen leicht und ohne grossen zusätzlichen Aufwand verwirklichen lässt.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Zusatzstrom direkt vom Hauptkühleinlass abgezweigt und über eine zwischen dem Hauptkühleinlass und dem zweiten Umlenkbereich verlaufende Bohrung in den an der Hinterkante entlanglaufenden Kühlkanal eingespeist wird. Da der Strom des Kühlmediums durch die Bypassbohrung vom Hauptkühlstrom abgezweigt und später wieder zugefügt wird, bleibt der Kühlmediumstrom insgesamt unverändert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bohrung so ausgebildet und angeordnet ist, dass das durch die Bohrung strömende Kühlmedium durch den zweiten Umlenkbereich direkt in den zweiten Kühlkanal einströmt. Hierdurch ergibt sich eine besonders effiziente Temperaturabsenkung durch den Bypassstrom im Kühlkanal der Hinterkante.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 im Längsschnitt die Konfiguration einer gekühlten Gasturbinenschaufel mit Mehrfachversorgung des Kühlmediums und gekühltem Deckband gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 den Fussbereich der Schaufel aus 1 in einer vergrösserten Darstellung mit der Bypassbohrung zwischen dem Hauptkühleinlass und dem zweiten Umlenkbereich;
3 in der Draufsicht von oben den Deckbandabschnitt der Schaufel aus 1, 2; und
4-6 verschiedene Schnitte durch den Deckbandbereich der Schaufel aus 1, 2 entlang der in 5 eingezeichneten parallelen Schnittebenen A–A, B–B und C–C.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer gekühlten Gasturbinenschaufel mit Mehrfachzuführung des Kühlmediums gemäss der Erfindung ist in den 1 und 2 wiedergegeben. Der Hauptstrom des Kühlmediums tritt im Bereich des Schaufelschaftes 25 durch einen Hauptkühleinlass 16 von unten in den Kühlkanal 13 ein und tritt teilweise durch Öffnungen im Deckbandabschnitt 21 (Bohrungen 27, .., 29 in 3 bis 6) und teilweise entlang der Hinterkante 20 wieder aus (siehe die in 1 eingezeichneten Pfeile am Deckbandabschnitt 21 und an der Hinterkante 20).
Ein Teil des in den Hauptkühleinlass 16 einströmenden Kühlmediums wird durch eine Bohrung 23 abgezweigt und über den zweiten Umlenkbereich 18 dem Kühlkanal 15 an der Hinterkante zugeführt. Die Bohrung 23 ist dabei vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet (d.h., im vorliegenden Fall schräg nach oben führend), dass der durch sie strömende Kühlmediumstrom ohne Umwege direkt in den Kühlkanal 15 gelenkt wird. Der Zweck der Bypassbohrung 23 besteht darin, kühleres Kühlmedium direkt in den Hinterkantenbereich der Schaufel 10 einzuführen.
Zusätzlich sind im Deckbandabschnitt 21 der Schaufel 10 weitere Bohrungen 27, 28, 29 vorgesehen (3 bis 6). Das durch die Bohrungen 27, 28, 29 austretende Kühlmedium dient dazu, den Deckbandabschnitt 21 aktiv zu kühlen. Die Kühlbohrungen 27, 28, 29 im Deckbandabschnitt 21 haben vorzugsweise einen Innendurchmesser im Bereich zwischen 0,6 mm und 4 mm. Alle drei Bohrungen 27, 28, 29 sind am Deckbandabschnitt 21 so positioniert und dimensioniert, dass eine ungleichmässige Strahldurchdringung in den Hauptstrom des Deckbandhohlraums stattfindet.

10: Schaufel
11: Schaufelblatt
12: Schaufelfuss
13, 14, 15: Kühlkanal
16: Hauptkühleinlass
17, 18: Umlenkbereich
19: Vorderkante
20: Hinterkante
21: Deckbandabschnitt
23: Bohrung
24: Kernöffnung
25: Schaufelschaft
27, .., 29: Bohrung

Claims

Gekühlte Schaufel (10) für eine Gasturbine, welche Schaufel (10) ein von einem Schaufelfuss (12) und einem Schaufelschaft (25) ausgehendes Schaufelblatt (11) mit einer Vorderkante (19) und einer Hinterkante (20) sowie innerhalb des Schaufelblatts (11) eine Mehrzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden, strömungsmässig hintereinandergeschalteten Kühlkanälen (13, 14, 15) aufweist, von denen ein erster Kühlkanal (13) entlang der Vorderkante (19) und ein zweiter Kühlkanal (15) entlang der Hinterkante (20) vom Schaufelfuss (12) zur Spitze des Schaufelblattes (11) von einem Hauptstrom eines Kühlmediums durchströmt werden, und der Eingang des ersten Kühlkanals (13) mit einem Hauptkühleinlass (16) in Verbindung steht und Ausgang des ersten Kühlkanals (13) über einen ersten Umlenkbereich (17), einen zwischen dem ersten und zweiten Kühlkanal (13, 15) angeordneten dritten Kühlkanal (14), und einen zweiten Umlenkbereich (18) mit dem Eingang des zweiten Kühlkanals (15) in Verbindung steht, und wobei erste Mittel (23) vorgesehen sind, durch welche dem vom dritten Kühlkanal (14) in den zweiten Kühlkanal (15) strömenden, aufgewärmten Hauptstrom des Kühlmediums von aussen ein Zusatzstrom kühleren Kühlmediums zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine vom Hauptkühleinlass (16) zum zweiten Umlenkbereich (18) verlaufende Bohrung (23) umfassen.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (23) so ausgebildet und angeordnet ist, dass das durch die Bohrung (23) strömende Kühlmedium durch den zweiten Umlenkbereich (18) direkt in den zweiten Kühlkanal (15) einströmt.
Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Auslassöffnungen (27, .., 29) vorgesehen sind, welche zwischen dem Hauptkühleinlass (16) und dem zweiten Umlenkbereich (18) angeordnet sind, und durch welche ein Teilstrom des Hauptstroms des Kühlmediums austritt.
Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (10) am oberen Ende einen Deckbandabschnitt (21) aufweist, und dass die zusätzlichen Auslassöffnungen im Deckbandabschnitt (21) angeordnete Bohrungen (27, .., 29) sind.
Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Deckbandabschnitt wenigstens drei Bohrungen (27, .., 29) vorgesehen sind, welche einen Innendurchmesser im Bereich zwischen 0,6 mm und 4 mm aufweisen.