DE102004011151B4

DE102004011151B4 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE102004011151B4
Application number: DE102004011151.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rathmann; Dr. Saxer-Felici Helene M.; Dr. Schulz Ingolf; Beat Von Arx
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: DE102004011151A1

Abstract

Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelblatt (4), einer Schaufelspitze (2), einem Schaufelfuss (3), wobei das Schaufelblatt (4) ein System von mindestens einem Kühlkanal (7) für die Strömung eines Kühlfluids (11) aufweist, im Bereich des Schaufelfusses (3) ein Kanal (9) vorhanden ist, in den mindestens eine Buchse (10) eingeführt ist, wobei die Buchse (10) derart mit Öffnungen (12) versehen ist, dass nach dem Einsetzen der Buchse (10) in den Kanal (9) ein in Abhängigkeit von Form und Anordnungen der Buchse (10) und der Öffnungen (12) verschiedenes System von Kühlkanälen (7) innerhalb des Schaufelblatts (4) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Buchse (10) eine zylindrische Form aufweist, und aus einer Buchse (101) besteht, in die eine weitere Buchse (102) eingeführt ist, wobei die Form der Öffnungen (12) der weiteren Buchse (102) unterschiedlich von der Form der Öffnungen (12) der mindestens einen Buchse (101) ist, und die Öffnungen (12) in beiden Buchsen (101, 102) teilweise überlappend angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung geht aus von einer Turbinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches.
STAND DER TECHNIK
Eine Steigerung der Effizienz einer Wärmekraftmaschine, z. B. einer Gasturbine, ist direkt abhängig von einer Steigerung der Arbeitstemperatur der thermisch belasteten Bauteile und somit bei einer Gasturbine abhängig von der Verbrennungsgastemperatur der Brennkammer und der darauffolgenden Turbine. Trotz verbesserter hochtemperaturbeständiger Werkstoffe muss auch die Kühltechnik verbessert werden, um die Werkstofftemperaturen beim Betrieb solcher thermisch belasteten Bauteile in einem sicheren Bereich zu halten. Dazu werden Kühlkanäle verwendet, welche z. B. aus dem Verdichter mit Kühlfluid gespeist werden. Dabei wird versucht, einen möglichst grossen Kühleffekt bei möglichst kleinen Verlusten bezüglich der Leistung des Gesamtsystems zu erzielen. Dazu werden spezielle verbesserte Wärmeübertragungstechniken, wie z. B. Rippen, in den Kühlkanälen verwendet.
Aus der GB-A-2,165,315 sind Schaufeln bekannt, bei welchen ein Kühlfluid über durch Trennwände gebildete Kühlkanäle vom Hinterkantenbereich der Schaufel zum Vorderkantenbereich geleitet und dann über Öffnungen im Schaufelkopf ausgeblasen wird. Um den Hinterkantenbereich der Schaufel ausreichend zu kühlen, bläst man Luft aus der Hinterkante der Schaufel aus. Um das Kühlfluid in die Kühlkanäle umzuleiten, sind Umlenkschaufeln angeordnet.
Die Druckschrift WO 99/47 792 A offenbart eine Einrichtung zur gezielten Verteilung der Kühlluft auf wenigstens zwei Kühlluftkanäle innerhalb des Schaufelblatts. Die Einrichtung umfasst einen unterhalb des Schaufelfußes angeschweißten und den Zwischenraum zwischen Schaufelfuß und Grund der Rotornut einnehmenden rohrähnlichen Kühlluftverteiler. Der Kühlluftverteiler besitzt wenigstens zwei innere, voneinander getrennte Kanäle zur Kühlluftführung, namentlich einen von einer Kühlluftquelle gespeisten Zuführkanal für Kühlluft und einen Abluftkanal zur Ableitung verbrauchter Kühlluft, und weiterhin umfassend, kompementär zu Öffnungen an der Unterseite des Schaufelfußes, wenigstens zwei Öffnungen zum Einspeisen von Kühlluft aus dem Zuluftkanal in zwei Kühlluftpfade innerhalb der Schaufel und wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme verbrauchter Kühlluft aus der Schaufel und deren Ableitung über den Abluftkanal.
US 4 805 398 A beschreibt eine Art Blende zur vorbestimmten Dosierung von Kühlluft in definierte Kühlluftpfade innerhalb einer Turbomaschine. Ringförmige Blechstreifen mit unterschiedlich ausgeformten Durchgangsöffnungen werden übereinander gelagert. Durch gegenseitiges Verschieben der Blechstreifen relativ zueinander verändert sich der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnungen zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert und damit der Kühlluftstrom zu den nachgeschalteten Verbrauchern.
Ziel des in US 3 834 831 A vorgestellten Kühlkonzepts ist es, die Kühlung von auf dem Rotor montierten Laufschaufeln im Bereich des Schaufelfußes zu verbessern. Zu diesem Zwecke werden perforierte Kühlluftrohre sowohl in den Schaufelfuß wie auch in Hohlräume zwischen benachbarten Laufschaufeln unterhalb der Plattform eingeführt. Die Öffnungen der perforierten Kühlluftrohre sind vorzugsweise derart ausgelegt, dass die austretenden Kühlluftstrahlen eine Prallkühlung der umgebenden Bauteile bewirken. Die verbrauchte Kühlluft tritt entweder über vorgesehene Spalte zwischen den Plattformen in den Heißgaskanal aus, oder sie wird zur weiteren Nutzung aus dem Schaufelfuß durch wandnahe Kanäle innerhalb des Schaufelblatts geleitet, um an der Schaufelspitze in den Heißgaskanal einzutreten.
Der Nachteil derartiger Schaufeln ist es, dass das Kühlsystem während des Gussverfahrens hergestellt wird und nachträglich nicht mehr verändert werden kann. Ist aber ein anderes Kühlsystem aufgrund einer anderen Betriebsart der Turbine gewünscht, müssen andersartige Schaufeln hergestellt werden. Dafür ist jedoch notwendig, dass diese mit einem neuen Gusskern hergestellt werden. Dies ist zum einen mit erheblichen Investitionskosten verbunden, zum anderen sind zusätzliche Entwicklungs- und Lieferzeiten in Kauf zu nehmen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermisch belastete Turbinenschaufel mit mindestens einem Kühlkanal der eingangs genannten Art derart zu gestalten, dass das Kühlsystem nach dem Gussverfahren ohne grossen Aufwand variiert und an die aktuellen Bedürfnisse angepasst werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass im Bereich des Schaufelfusses ein Kanal vorhanden ist, in den mindestens eine Buchse eingeführt ist, wobei die Buchse derart mit Öffnungen versehen ist, dass nach dem Einsetzen der Buchse in den Kanal ein in Abhängigkeit von Form und Anordnungen der Buchse und der Öffnungen verschiedenes System von Kühlkanälen innerhalb des Schaufelblatts vorhanden ist, wobei die mindestens eine Buchse eine zylindrische Form aufweist, und in die mindestens eine Buchse eine weitere Buchse eingeführt ist, wobei die Form der Öffnungen der weiteren Buchse unterschiedlich von der Form der Öffnungen der mindestens einen Buchse ist, und die Öffnungen in beiden Buchsen teilweise überlappend angeordnet sind.
Vorteilhaft kann man in der gezeigten Weise die Geometrie des Kühlsystems auf einfache Weise durch den Einbau von verschiedenen Buchsen ändern, ohne dass während des Gussverfahrens ein anderer Kern zur Schaufelherstellung verwendet werden muss. Die Menge an verwendeter Kühlluft kann individuell durch die Verwendung von verschiedenen Buchsen geschehen. Durch die vorliegende Erfindung ist es vorteilhaft möglich, eine ganze Familie von verschiedenen Turbinenschaufeln aus einem Gussteil abzuleiten und in verschiedenen Maschinen zu verwenden, was mit einer Kostenersparnis verbunden ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Teillängsschnitt durch eine Turbinenschaufel,
2a–c verschiedene Ausgestaltungsformen von Turbinenschaufeln mit jeweils einem unterschiedlichen Kühlsystem,
3a–c die erfindungsgemäße Ausführungsform mit der Verwendung von zwei Buchsen.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein Schnitt durch eine Turbinenschaufel 1, also eine Lauf- oder Leitschaufel, einer Gasturbine oder einer anderen thermischen Turbomaschine dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 besteht aus einem Schaufelblatt 4 mit einer Schaufelspitze 2 und einem Schaufelfuss 3, mit dem die Turbinenschaufel 1 auf einem nicht dargestellten Rotor oder Stator montiert werden kann. Zwischen Schaufelblatt 4 und Schaufelfuss 3 ist üblicherweise eine Plattform angeordnet, welche den Schaufelfuss 3 und damit den Rotor oder Stator von den das Schaufelblatt 4 umströmenden Fluiden abschirmt.
Das Schaufelblatt 3 weist eine Vorderkante 5, eine Hinterkante 6, eine saugseitige Wand und eine druckseitige Wand auf (ist in 1 nicht sichtbar), wobei die saugseitige und die druckseitige Wand im Bereich der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6 miteinander verbunden sind, wodurch ein Hohlraum mit Kühlkanälen 7 gebildet wird. Die Vorderkante 5 wird jeweils von den das Schaufelblatt 3 umströmenden Heissgasen während des Betriebes zuerst beaufschlagt.
Zur besseren Kühlung der Schaufel sind im Hohlraum im Wesentlichen radial verlaufende Trennwände 8 angeordnet, um die Kühlkanäle 7 zu erzeugen, die sich in Längsrichtung der Turbinenschaufel 1 erstrecken. Üblicherweise sind im Bereich des Schaufelfusses 3 Einlassöffnungen für das Kühlfluid 11 angeordnet. An der Hinterkante 6 und an anderen definierten Stellen an der Wand des Schaufelblatts 4 sind Öffnungen angebracht, an denen das Kühlfluid 11 das interne Kühlsystem wieder verlassen kann.
Wie in der 1 sichtbar ist, weist die Turbinenschaufel 1 im Bereich des Schaufelfusses 3 einen Kanal 9 auf. Der Kanal 9 erstreckt sich über die ganze Länge des Schaufelfusses 3. In den Kanal 9 sind eine oder mehrere Buchsen 10 eingeführt. In der oder den vorgefertigten Buchsen 10 sind Öffnungen 12 vorhanden. Die Buchsen 10 werden mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren (Stanzen o. ä.) hergestellt. In Abhängigkeit von Form und Anordnungen der Buchse(n) 10 und der Öffnungen 12 entsteht nach dem Einsetzen der Buchse(n) 10 in den Kanal 9 ein System von Kühlkanälen 7 innerhalb des Schaufelblatts 4. Die Form des Kanals 9 ist in der 1 zylindrisch dargestellt. Die Buchsen 10 sind als Gegenstück mit entsprechender Form auszuführen.
2a bis c zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Turbinenschaufel 1. Wie der 2a dargestellt, weist die Turbinenschaufel 1 nach der Einführung von mehreren Buchsen 10 einen kontinuierlichen Kühlkanal 7 innerhalb des Schaufelblatts 4 auf. Die Kühlluft 11 wird über eine Buchse 10 im Bereich der Vorderkante 5 der Turbinenschaufel 1 eingeleitet und strömt innerhalb des kontinuierlichen Kühlkanals 7 über eine zweite Buchse 10 zur Hinterkante 6 der Turbinenschaufel 1, wo sie in die Umgebung geleitet wird.
In der 2b ist ein Ausführungsbeispiel illustriert, in dem die Turbinenschaufel 1 nach der Einführung von verschiedenen Buchsen 10 mehrere parallele Kühlkanäle 7 aufweist. Die Kühlluft kann entweder über eine Buchse 10 dem Kühlsystem seitlich oder durch Einlassöffnungen im Bereich des Schaufelfusses 3 zugeführt werden. Die 2c zeigt eine Kombination der Ausführungsform der 2a und 2b. Hier existiert ein einzelner Kanal 7 im Bereich der Vorderkante 5 und ein kontinuierlicher Kanal 7 in hinteren Bereich des Hohlraums. In allen in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen der 2a–c werden die Buchsen 10 mechanisch an dem Kanal 9 oder an der Turbinenschaufel 1 befestigt. Dies kann beispielsweise durch Schweissen, Löten oder auf eine andere Art geschehen.
Die 3 zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform der Buchsen 10. In der gezeigten Ausführungsform ist die Buchse 10 zylindrisch mit einem Durchmesser d₁ ausgeführt. In der Regel wird eine Buchse 10 eine bis maximal acht Öffnungen 12 aufweisen.
Erfindungsgemäß sind zwei Buchsen 10 ₁, 10 ₂ ineinander gesteckt. Die äussere der beiden Buchsen 10 ₁ weist dabei Öffnungen 12 auf, die eine quadratische Form haben. Die Innere der beiden Buchsen weist Öffnungen 12 auf, die eine dreieckige Form haben. Die Öffnungen 12 in beiden Buchsen 10 ₁, 10 ₂ sind teilweise überlappend angeordnet. Die überlappende Fläche ist mit A₁ bzw. A₂ gekennzeichnet und schraffiert dargestellt. Durch diese Fläche A₁ bzw. A₂ strömt die Kühlluft 11. Durch Verdrehung oder axiale Verschiebung der beiden Buchsen 10 ₁, 10 ₂ ist der Massenfluss des Kühlfluids 11 durch die verschiedenen sich überlappenden Öffnungen 12 einstellbar (siehe 3b im Vergleich mit 3c).
Vorteilhaft kann man in der gezeigten Weise die Geometrie des Kühlsystems auf einfache Weise durch den Einbau von verschiedenen Buchsen 10 ändern, ohne dass während des Gussverfahrens ein anderen Kern zur Schaufelherstellung verwendet werden muss. Die Menge an verwendeter Kühlluft kann individuell durch die Verwendung von verschiedenen Buchsen nachträglich eingestellt werden. Durch die vorliegende Erfindung ist es vorteilhaft möglich, eine ganze Familie von verschiedenen Turbinenschaufeln aus einem Gussteil abzuleiten und in verschiedenen Maschinen zu verwenden, was mit einer Kostenersparnis verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenschaufel
2: Schaufelspitze
3: Schaufelfuss
4: Schaufelblatt
5: Vorderkante
6: Hinterkante
7: Kühlkanal
8: Trennwand
9: Kanal
10: Buchse
10₁, 10₂: erste, zweite Buchse
11: Kühlfluid
12: Öffnungen
13: Vertiefungen
A₁, A₂: Fläche
d₁: Durchmesser der Buchse 10
d_A: Durchmesser einer runden Öffnung 12
b, s: Länge und Breite einer quadratischen Öffnung 12

Claims

Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelblatt (4), einer Schaufelspitze (2), einem Schaufelfuss (3), wobei das Schaufelblatt (4) ein System von mindestens einem Kühlkanal (7) für die Strömung eines Kühlfluids (11) aufweist, im Bereich des Schaufelfusses (3) ein Kanal (9) vorhanden ist, in den mindestens eine Buchse (10) eingeführt ist, wobei die Buchse (10) derart mit Öffnungen (12) versehen ist, dass nach dem Einsetzen der Buchse (10) in den Kanal (9) ein in Abhängigkeit von Form und Anordnungen der Buchse (10) und der Öffnungen (12) verschiedenes System von Kühlkanälen (7) innerhalb des Schaufelblatts (4) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Buchse (10) eine zylindrische Form aufweist, und aus einer Buchse (10 ₁) besteht, in die eine weitere Buchse (10 ₂) eingeführt ist, wobei die Form der Öffnungen (12) der weiteren Buchse (10 ₂) unterschiedlich von der Form der Öffnungen (12) der mindestens einen Buchse (10 ₁) ist, und die Öffnungen (12) in beiden Buchsen (10 ₁, 10 ₂) teilweise überlappend angeordnet sind.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Buchse (10) Öffnungen (12) in runder, quadratischer, rechteckiger, dreieckiger oder nierenförmiger Form oder in Form des mindestens einen Kühlkanals (7) aufweist.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Buchse (10) eine bis acht Öffnungen (12) aufweist.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Buchse (10 ₁, 10 ₂) Öffnungen (12) in dreieckiger Form und die andere Buchse (10 ₂, 10 ₁) Öffnungen (12) in quadratischer oder rechteckiger Form aufweist.
Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehung oder axiale Verschiebung der beiden Buchsen (10 ₁, 10 ₂) der Massenfluss des Kühlfluids (11) durch die verschiedenen, sich überlappenden Öffnungen (12) einstellbar ist.
Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mindestens eine Buchse (10) das Kühlfluid (11) in den mindestens einen Kühlkanal (7) einleitbar ist.
Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Buchse (10) an dem Kanal (9) und/oder an der Turbinenschaufel (1) mechanisch befestigt ist.
Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) eine Reihe von in Schaufellängsrichtung ausgerichteten Kühlkanälen (7) aufweist, die nach der Einführung der mindestens einen Buchse (10) zu einem kontinuierlichen Kühlkanal (7) verbunden sind.
Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) in Schaufellängsrichtung ausgerichtete Kühlkanäle (7) aufweist, die nach der Einführung der mindestens einen Buchse (10) mehrere parallele Kühlkanäle (7) bilden, die nach der Einführung der mindestens einen Buchse (10) zu einem kontinuierlichen Kühlkanal (7) verbunden sind.
Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) nach der Einführung der mindestens einen Buchse (10) mindestens einen in Schaufellängsrichtung ausgerichteten Kühlkanal (7) und mindestens einen kontinuierlichen Kühlkanal (7) aufweist.
Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) eine Lauf- oder Leitschaufel einer thermischen Turbomaschine ist.