DE102004029696A1

DE102004029696A1 - Plattformkühlanordnung für den Leitschaufelkranz einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102004029696A1
Application number: DE102004029696A
Authority: DE
Inventors: Robert Benton
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-05
Also published as: EP1607580A2; EP1607580A3; US7637716B2; US20060078417A1

Abstract

Bei einer Plattformkühlanordnung für den der Brennkammer nachgeschalteten Leitschaufelkranz einer Gasturbine sind am Umfang eine oder mehrere parallele Reihe(n) von kontinuierlich oder in Gruppen angeordneten Kühlluftausblaskanälen (10) angeordnet. Die Kühlluftausblaskanäle sind, bezogen auf die Umfangsrichtung (15), in einem Winkel (alpha) winklig angeordnet, um an der Oberfläche der Plattform (2) eine Wirbelstruktur zu erzeugen, die zum einen die Vermischung der Kühlluftstrahlen (11) mit dem Heißgasstrom (8) vermindert und zum anderen auch die vollständige Kühlung des stromabwärts einer Grenzschichttrennlinie (13) liegenden Bereichs der Grenzschichtablösung (12) bis hin zur Saugseite (14) der benachbarten Leitschaufel (1) gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plattformkühlanordnung für den der Brennkammer nachgeschalteten Leitschaufelkranz einer Gasturbine, mit am Umfang der Wand der Brennkammer, der Plattformen und/oder der Wand eines zwischen diesen angeordneten Zwischenstücks die jeweilige Wand in mindestens einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Reihe oder anderen beliebigen Anordnung durchdringenden Kühlluftausblaskanälen, über die vom Verdichter der Gasturbine abgezweigte Kühlluft zur Filmkühlung zu den Hauptgasstromflächen der Plattformen geleitet wird.

Die oben erwähnte Art der Kühlung der Plattformen von hinter der ringförmigen Gasaustrittsöffnung der Brennkammer einer Gasturbine angeordneten Leitschaufeln, die – begrenzt von inneren und äußeren Plattformen – einen Leitschaufelkranz bilden, ist beispielsweise aus der DE 198 13 779 A1 bekannt. Dabei wird über Kühlluftbohrungen, die im Bereich der Austrittsöffnung in die Brennkammerwand oder unmittelbar in die Plattformen oder auch in ein dazwischengeschaltetes Zwischenstück eingebracht sind, vom Verdichter abgezweigte Kühlluft in die Randschicht des Heißgasstroms eingeblasen. Das Einblasen der Kühlluft dient der Absenkung der Temperatur des aus der Brennkammer ausgetragenen Heißgasstroms in einer die Innenflächen der Plattformen kontaktierenden Strömungsschicht, um das Plattformmaterial gegenüber dem verbleibenden ungekühlten Heißgasstrom abzuschirmen. In ungeschütztem Zustand wäre das Plattformmaterial einer derart hohen Wärmebelastung ausgesetzt, dass sich die Lebensdauer der Plattformen der Leitschaufeln deutlich verkürzt. Die üblicherweise im Bereich der ringförmigen Austrittsöffnung der Brennkammer bzw. nahe der Vorderkante der ringförmig angeordneten Plattformen am Umfang verteilt angeordneten Kühlluftausblasöffnungen sind jedoch aufgrund der komplizierten Strömungsverhältnisse im wandnahen Bereich, und zwar auch aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Heißgasstrom und der eingeblasenen Kühlluft, nicht in der Lage, die gesamten Innenfläche der Plattformen wirksam gegenüber dem Heißgasstrom abzuschirmen bzw. zu kühlen. Verantwortlich dafür ist eine dreidimensionale Eintrittsgrenzschichtablösung entlang einer bestimmten – veränderlichen – Linie auf der Oberfläche der Plattformen. Um nun eine Kühlwirkung in einem möglichst großen Bereich der Plattformoberflächen, das heißt, auch im Bereich der dreidimensionalen Sekundärströmung zu erzielen, geht die DE 198 13 779 von einer als ballistische Kühlung bezeichneten Kühlluftausblasung in einer dem Radius entsprechenden Richtung, das heißt, in einer von der Turbinenachse und dem Radius begrenzten Ebene, unter einem relativ steilen Ausblaswinkel zur Turbinenachse mit hohen Impulsverhältnissen aus, bei der die mindestens eine Reihe bildenden Kühlluftausblasöffnungen in Turbinenumfangsrichtung in voneinander beabstandeten Gruppen angeordnet sind, die jeweils auf einen Bereich von der Leitschaufelvorderkante bis zur deren jeweiliger Druckseite hin begrenzt sind. Mit der sogenannten „ballistischen Kühlung" in einem jeweils auf die Druckseite der Leitschaufeln beschränkten Bereich sollen somit auch die im Bereich hinter der dreidimensionalen Eintrittsgrenzschichtablösung liegenden Plattformflächen von dem Kühlmedium erreicht und ausreichend gekühlt werden.

Die EP 0 615 055 A1 , deren technische Lehre ebenfalls auf dem oben erwähnten Prinzip der Filmkühlung oder ballistischen Kühlung der Plattformen beruht, geht von mindestens einer, im Unterschied zu der in der DE 198 13 779 A1 beschriebenen Lösung in Umfangsrichtung nicht unterbrochenen Reihe von Ausblaskanälen aus, die jedoch zur Erzielung einer bestimmten Massenstromverteilung in Umfangsrichtung unterschiedliche Durchmesser aufweisen, um dadurch eine möglichst vollflächige Kühlung der Plattformoberfläche zu bewirken. Auch bei dieser Kühlanordnung stimmt die Richtung der Ausblaskanäle, abgesehen von einem bestimmten, zum Durchdringen der Plattform oder der Brennkammerwand erforderlichen Anstellwinkel, mit der von der Turbinenachse und dem Radius gebildeten Ebene überein.

Tatsächlich gelingt es mit den oben beschriebenen Kühlanordnungen jedoch nicht, die eingeblasene Kühlluft aufgrund eines hohen Mischungsgrades mit dem Heißgasstrom und einer zu hohen Entfernung der Kühlluft von der Plattform effizient zu nutzen und darüber hinaus die Filmkühlung auch in allen Oberflächenbereichen der Plattformen, das heißt, auch in dem stromabwärts befindlichen Grenzschichtablösebereich, in ausreichendem Maße zu gewährleisten. Um dennoch eine bestimmte Heißgasabschirmung der Plattformen zu erreichen, ist es erforderlich, einen relativ hohen Kühlluftanteil zu verwenden und/oder eine Wärmeschutzbeschichtung vorzusehen bzw. diese effizienter und damit kostenintensiver auszubilden. In bestimmten Fällen kann auch ein komplexes Kühlsystem für die nicht im Heißgasstrom liegenden Flächen erforderlich sein, das ebenso zu einer Erhöhung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und der Kosten führt wie eine Filmkühlung in der Leitschaufelpassage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plattformkühlanordnung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die eine effektive Kühlung aller Hauptgasstromflächen der Plattform gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Plattformkühlanordnung gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Der Kern der Erfindung besteht in besteht in der Anordnung mindestens eines Teils der Kühlluftausblaskanäle in einer von der durch die Turbinenachse und den Radius gebildeten Ebene um einen Winkel α abweichenden Richtung. Das heißt mit anderen Worten, dass die Kühlluftausblaskanäle mit Bezug auf die Umfangsrichtung schräg gestellt sind. Durch diese von der üblicherweise geraden Ausrichtung der Kühlluftausblaskanäle abweichende winklige Anordnung und die dementsprechende Kühlluftstrahlrichtung zu den Plattformen wird überraschenderweise eine verminderte Durchmischung mit dem Heißgasstrom sowie eine höhere Konzentration der Kühlluft im Endwandbereich und daraus resultierend eine wirksamere Kühlung bzw. ein verminderter Kühlluftbedarf erreicht. Die schräge Ausrichtung der Kühlluftstrahlen erzeugt eine Wirbelstruktur, in der ein verringerter Heißgasanteil aufgenommen wird und die zudem in der Lage ist, auch den Plattformbereich hinter der dreidimensionalen Grenzschichtablösung effektiv und in allen Bereichen zwischen der Druckseite und der Saugseite der benachbarten Leitschaufeln zu kühlen. Durch den verminderten Kühlluftbedarf und die verbesserte Kühlwirkung können sowohl der Aufwand für gegebenenfalls erforderliche zusätzliche Kühlmaßnahmen als auch der Kraftstoffverbrauch gesenkt und das Emissionsverhalten verbessert werden.

Gemäß der Erfindung ist zumindest ein Teil der Kühlluftausblaskanäle schräg zur Umfangsrichtung angestellt. Das heißt, die Größe des Winkels, in dem die benachbarten Kühlluftausblaskanäle ausgerichtet sind, kann unterschiedlich sein und zum Teil auch 0° betragen.

Die am Umfang von Kühlluftausblaskanälen in einer oder mehreren diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Reihen oder auch in regelmäßigen oder unregelmäßigen Gruppen oder auch jeweils einzeln sowie auch in variabler Form und Größe ausgebildet sein. Zwischen den benachbarten Reihen oder in der selben Reihe oder Gruppe von Kühlluftausblaskanälen kann die Schräglage der Kühlluftausblaskanäle unterschiedlich sein.

Zudem können die Kühlluftausblaskanäle in ein und derselben Reihe oder mit Bezug auf die jeweils benachbarte Reihe zueinander versetzt sein.

Die Größe und/oder die Form des Querschnitts in ein und derselben Reihe oder in Bezug auf die benachbarten Reihen oder in einer beliebigen anderen Anordnung von Kühlluftausblaskanälen kann unterschiedlich sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Teilansicht der Brennkammer einer Gasturbine mit an die Gasaustrittsöffnung unmittelbar angeschlossenem Leitschaufelsystem;
2 eine Teilansicht der Brennkammer mit einem zwischen der Gasaustrittsöffnung und dem Leitschaufelsystem angeordneten Zwischenstück;
3 eine Schnittansicht von jeweils zwei benachbarten, auf einer Plattform angebrachten Leitschaufeln mit einer Gruppe von jeder Leitschaufel zugeordneten, in unterschiedlicher Winkellage in der Plattform verlaufenden Kühlluftausblaskanälen; und
4 eine geometrische Darstellung der in Bezug auf die Umfangsrichtung winkligen Anordnung der Kühlluftausblaskanäle.
Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Leitschaufel 1, die zwischen einer äußeren Plattform 2 und einer inneren Plattform 3 angeordnet ist. Eine Mehrzahl Leitschaufeln 1 mit Plattformen 2, 3 bildet einen Leitschaufelkranz, der der ringförmigen Gasaustrittsöffnung 5 einer Brennkammer 6 nachgeschaltet ist. Die äußeren Plattformen 2 und die inneren Plattformen 3 sind gemäß 1 unmittelbar und gemäß 2 über ein Zwischenstück 7 mit der Wand 4 der Brennkammer 6 verbunden bzw. an deren Gasaustrittsöffnung 5 angeschlossen. Ein aus der Gasaustrittsöffnung 5 austretender Heißgasstrom (Pfeil 8) wird zwischen den benachbarten Leitschaufeln 1 und den Plattformen 2, 3 weitergeleitet. Um die durch die hohe Gastemperatur bedingte thermische Belastung des Schaufel- und Plattformmaterials zu verringern, werden die Leitschaufeln 1 und die Plattformen 2, 3 gekühlt. Die Kühlung der Plattformen, die Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist, erfolgt mit einem Teil der vom Verdichter (nicht dargestellt) abgezweigten, nicht für den Verbrennungsprozess benutzten, Kühlluft (Pfeil 9). Zu diesem Zweck sind nahe der Gasaustrittsöffnung 5, wie 1 zeigt, in den äußeren Plattformen 2 und in der inneren Wand 4 der Brennkammer 6 am Umfang verteilt Kühlluftausblaskanäle 10 angeordnet. Gemäß 2 sind die Kühlluftausblaskanäle 10 in der äußeren Wand 4 der Brennkammer 6 und in einem zwischen der inneren Plattform 3 und der inneren Wand der Brennkammer 6 angeordneten Zwischenstück 7 ausgebildet. Bezüglich der jeweiligen Anordnung der Kühlluftausblas-kanäle 10 in den Plattformen, der Brennkammerwand oder dem Zwischenstück sind auch andere Kombinationen denkbar.
Die Kühlluftausblaskanäle 10 sind am Umfang der inneren oder äußeren Wand 4, der Plattformen 2, 3 oder des Zwischenstücks 7 in mindestens einer – kontinuierlichen oder diskontinuierlichen – Reihe (nicht dargestellt) angeordnet und können – bei mehreren Reihen – in einer Linie oder versetzt zueinander angeordnet sein. Die Querschnittsfläche der Kühlluftausblaskanäle 10 ist rund oder oval, kann aber auch eine andere Form haben.
Aus den 1 und 2 ist ersichtlich, dass die Kühlluftausblaskanäle 10 – gemäß dem Stand der Technik in üblicher Weise – in einer von der Turbinenachse x und dem Radius r (4) gebildeten Ebene schräg angestellt sind. Die 3 macht deutlich, dass die Kühlluftausblaskanäle 10 darüber hinaus aber auch in einer weiteren, von der r,x-Ebene abweichenden Ebene (Θ-Ebene gemäß 5) schräg ausgerichtet sind, so dass die aus den Kühlluftausblaskanälen 10 austretenden Kühlluftstrahlen (Pfeil 11) in einer von der r,x-Ebene um den Winkel α abweichenden Richtung auf der Oberfläche der Plattformen 2, 3 verlaufen, das heißt, mit Bezug auf die Umfangsrichtung (Pfeil 15) winklig ausgerichtet sind. Aufgrund dieser Kühlluftstrahlrichtung 11 wird im Zusammenwirken mit dem Heißgasstrom 8 aus der Brennkammer eine Wirbelstruktur ausgebildet, die zum einen das Vermischen der Kühlluftstrahlen 11 mit dem Heißgasstrom 8 minimiert und zum anderen das Abdecken der gesamten Plattformfläche mit Kühlluft, das heißt, auch im Bereich 12 der dreidimensionalen Grenzschichtablösung stromabwärts der Grenzschichttrennlinie 13 und insbesondere auch in dem der Saugseite 14 der Leitschaufeln 1 benachbarten Bereich gewährleistet. Damit in Verbindung steht eine Reduzierung des Kühlluftbedarfs und somit eine Verbesserung der Emissionswer te, da eine größere Luftmenge für die Verbrennung zur Verfügung steht. Gegebenenfalls kann auch die Wärmeschutzbeschichtung auf den Plattformoberflächen entfallen, so dass die entsprechenden Kosten reduziert werden. Gegebenfalls kann auch auf ein komplexes Kühlsystem für die von dem Heißgasstrom beaufschlagten Flächen verzichtet werden oder die Kühlung des Durchgangs durch das Leitschaufelwerk kann vermieden werden, so dass letztlich der spezifische Kraftstoffverbrauch und die Kosten gesenkt werden können.
Die Winkellage der Kühlluftausblaskanäle 10 kann in jeweils benachbarten Reihen von Kühlluftausblaskanälen gleich oder unterschiedlich sein. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Kühlluftausblaskanäle 10, wie in 3 angedeutet, in ein und derselben – kontinuierlichen oder diskontinuierlichen – Reihe (oder Anordnung) in einem auf die Umfangsrichtung 15 der Plattformen 1, 2, des Zwischenstücks 7 oder der Wand 4 der Brennkammer 6 bezogenen unterschiedlichen Winkel α1, α2 bis hin zu einem Winkel α = 0 angeordnet sind.

1: Leitschaufel
2: äußere Plattform
3: innere Plattform
4: innere/äußere Wand von 6
5: Gasaustrittsöffnung
6: Brennkammer
7: Zwischenstück
8: Heißgasstrom
9: Kühlluft
10: Kühlluftausblaskanal
11: Kühlluftstrahl
12: Bereich der Grenzschichtablösung
13: Grenzschichttrennlinie
14: Saugseite v. 1
15: Umfangsrichtung
X: Turbinenachse
r: Radius
α1, α2: Ausblaswinkel in Umfangsricht. (zur r,x-Ebene)

Claims

Plattformkühlanordnung für den der Brennkammer nachgeschalteten Leitschaufelkranz einer Gasturbine, mit am Umfang der Wand der Brennkammer, der Plattformen oder eines zwischen diesen angeordneten Zwischenstücks die jeweilige Wand in mindestens einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Reihe oder anderen beliebigen Anordnung durchdringenden Kühlluftausblaskanälen, über die vom Verdichter der Gasturbine abgezweigte Kühlluft zur Filmkühlung zu den Hauptgasstromflächen der Plattform geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftausblaskanäle (10) bezogen auf die Umfangsrichtung (15) mindestens zu einem Teil in einer um einen bestimmten Winkel (α₁, α₂) abgewinkelten Richtung angeordnet sind.
Plattformkühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage der Kühlluftausblaskanäle (10) in benachbarten Reihen von Kühlluftausblaskanälen gleich oder unterschiedlich ist.
Plattformkühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage der Kühlluftausblaskanäle (10) in ein und derselben Reihe gleich oder unterschiedlich ist.
Plattformkühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage der Kühlluftausblaskanäle (10) in der beliebigen Anordnung von Kühlluftausblaskanälen (10) gleich oder unterschiedlich ist.
Plattformkühlanordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschiedlichen Win kellagen der Winkel α in ein und derselben Reihe teilweise oder in einer von mehreren Reihen insgesamt 0° beträgt.
Plattformkühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftausblaskanäle (10) in ein und derselben Reihe oder in Bezug auf jeweils benachbarte Reihen versetzt zueinander angeordnet sind.
Plattformkühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftausblaskanäle (10) variable Querschnittsformen und/oder – -größen haben.
Plattformkühlanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftausblaskanäle (10) in ein und derselben Reihe bzw. Anordnung oder mit Bezug auf benachbarte Reihen voneinander unterschiedliche Querschnittsformen und/oder -größen haben.
Plattformkühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hauptgasstromflächen der Plattformen ein einziger Kühlluftausblaskanal (10) vorgesehen ist.