DE19713268B4

DE19713268B4 - Gekühlte Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE19713268B4
Application number: DE19713268A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr. Endres; Hans Dr. Wettstein
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1997-03-29
Filing date: 1997-03-29
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2017-03-30
Also published as: DE19713268A1; US5993155A

Abstract

Massiv gebaute, gekühlte Gasturbinenschaufel, mit in ihrem Inneren verlaufenden Kühlkanälen (20), durch welche ein Kühlmittel im wesentlichen vom Schaufelfuss (60) ausgehend durch die Gasturbinenschaufel strömt und diese konvektiv kühlt, diese Kühlkanäle [20] nahe an der Mantelfläche [100.1] der Gasturbinenschaufel [100] verlaufend angeordnet sind, wobei die Kühlmittelzu- und -abfuhr im Sockel der Gasturbinenschaufel [100] erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der verlauf der Kühlkanäle (20) aus U-förmigen Ästen aufgebaut ist und die Äste der Kühlkanäle [20] so ineinandergeschachtelt sind, dass jeder Ast eines Kühlkanals (20) Nachbar eines anderen Astes eines anderen Kühlkanals (20) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine massiv gebaute, gekühlte Gasturbinenschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus DE 3248161 ist es bekannt, gekühlte Gasturbinenschaufeln als Hohlschaufeln auszubilden, deren Aussenwände wenigstens einen grossräumigen Kühlkanal bilden, welcher infolge einer versetzten Anordnung innenliegender Rippen mäanderartig verläuft. In diesem grossräumigen Kühlkanal sind mehrere Strömungsumleitrippen und Strömungsablösewulste an den Wänden eingebaut, um eine turbulente Strömung zu schaffen und so die Kühlung zu fördern. Das Kühlmedium strömt durch Kühlbohrungen in den Schaufelwänden aus und vermischt sich mit dem Treibgas der Turbomaschine.

Eine solcherweise aufgebaute gekühlte Turbinenschaufel ist äusserst kompliziert herzustellen und erfordert eine sehr grosse Präzision bei der Herstellung. Die Herstellungskosten sind insbesondere auch deshalb sehr hoch, weil die Schaufeln räumlich verwundenen Tragflügeln ähneln. Ausserdem kann kein geschlossener Kühlkreislauf aufgebaut werden, weil das Kühlmedium via Treibgas der Turboanlage abgeleitet wird. Ausserdem ist die Kühlung in den diversen Ecken und Winkeln im Inneren der gekühlten Turbinenschaufel sehr schwierig, weil Strömungsumleitelemente eingebaut werden müssen, welche auch in diesen Ecken eine Gasströmung ermoeglichen. Solche Einbauten verteuern und verkomplizieren die Herstellung solcher Turbinenschaufeln ganz wesentlich. Dennoch können in derartigen Ecken Überhitzungen des Materials auftreten.

Bei der innengekühlten Tubinenschaufel gemäss DE 2414397 verlaufen die Kühlkanäle in einer Anzahl mäanderförmiger Kühlpfade entlang der Mantelfläche. Im Falle einer Verstopfung eines Kühlkanals werden grössere Bereiche der Blattoberfläche nicht mehr ausreichend gekühlt, was zu einem erhöhten Verschleiss und Beschädigungen führen kann.

Nach anderen Lösungsvorschlägen fördert eine Mehrzahl nebeneinanderliegender Kanäle das Kühlmedium entlang der Manteloberfläche zur Schaufelspitze hin und von dort in gemeinsame Rücklaufkanäle ( DE 2345038 , DE 2426924 ).

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine massiv gebaute Gasturbinenschaufel anzugeben, welche einfach herzustellen ist, bei der das Kühlmedium nicht ein verlorenes Kühlmedium ist und welche Sicherheit gegen örtliche Überhitzung aufweist.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine massiv gebaute, gekühlte Gasturbinenschaufel der in Anspruch 1 bezeichneten Art gelöst. Günstige Ausführungsarten einer solchen Gasturbinenschaufel sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche dargestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform anhand der Zeichnung. In dieser zeigen
1 schematisch eine Turbinenschaufel in der Ansicht auf die Anströmkante;
2 schematisch eine Ansicht auf eine Strömungsfläche der Turbinenschaufel;
3 schematisch einen Schnitt der Turbinenschaufel nach A-A in 2;
4 schematisch eine Ansicht in Richtung B der 2 auf eine Stirnseite der Turbinenschaufel;
5 schematisch ein Detail an der Stirnseite der Turbinenschaufel.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt; insbesondere ist nicht der an sich bekannte und unveränderte Teil der Turbinenschaufel dargestellt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Bei einer massiv gebauten Gasturbinenschaufel 100 sind Kühlkanäle 20 in ihrem Innern als dünne, runde Kanäle 20 ausgebildet, welche von einer gemeinsamen Anspeisung 50 im Sockel 60 der Gasturbinenschaufel 100 ausgehen und sehr nahe ihrer Mantelfläche 100.1 U-förmig verlaufen und in eine gemeinsame Ablauföffnung 80 im Sockel 60 münden. Dabei sind die Kühlkanäle 20 als eine Anzahl prallelgeschalteter, U-förmiger Kanäle ausgebildet, wobei jeder Kanal 20 einen Ast der Kühlkanäle 20 und jeder Schenkel eines solchen U-förmigen Astes einen Zweig bildet. Die Anordnung der Kanäle 20 ist nun so gewählt, dass jeweils immer Zweige zweier verschiedener Äste benachbart zu liegen kommen. D.h. dass beispielsweise einem Zuleitungszweig eines Astes, d.h. einem Schenkel eines U-förmigen Astes, in welchem das Kühlmedium zugeleitet wird, ein Zu- oder Ableitungszweig eines anderen Astes benachbart angeordnet ist. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass bei Verstopfung eines Astes durch eine im Kühlmedium mitgeführte Verunreinigung, z.B. eines Zunderpartikels etc., nicht eine grössere Fläche betroffen wird, weil der benachbarte Ast i.a. nicht auch verstopft ist und also die Turbinenschaufel kühlt. Wären Zuleitungs- und Ableitungszweig eines Astes unmittelbar nebeneinander angeordnet, dann würde sich insbesondere im Bereich zwischen den beiden Zweigen ein Wärmestau einstellen, was eine Beschädigung der Turbinenschaufel bewirken könnte. Bei der erfindungsgemässen Ausführung jedoch wird, insbesondere bei geeigneter Dimensionierung, der Bereich eines ausgefallenen Nachbarzweiges mitgekühlt. Wie die 4 zeigt, kann ein Ast mit einem seiner Zweige auf der einen Turbinenschaufelseite, z.B. der Saugseite 90.1 angeordnet und der andere Zweig desselben Astes auf der anderen Turbinenschaufelseite, der Druckseite 90.2 liegen. Dabei können auf jeder Turbinenschaufelseite je eine Anzahl der andern U-förmigen Äste ineinandergeschachtelt angeordnet sein. Noch besser kann es sein, wenn anstelle nur eines Astes, dessen Zweige benachbart zu verschiedenen Schaufelseiten liegen, zwei oder mehr Äste auf verschiedenen Schaufelseiten liegende Zweige aufweisen. Die Anspeisung mit Kühlmedium erfolgt bei dieser Ausführung in den Zweigen im Bereich der Anströmkante 100.2 über den Sockel 60 der Turbinenschaufel 100 und die Abfuhr des Kühlmediums erfolgt in den Zweigen der Abströmkante 100.3. Damit ist eine Gleichstromkühlung der Gasturbinenschaufel verwirklicht. Die einzelnen Äste bzw. deren Zweige können aber auch in komplexerer Form miteinander verschaltet sein, so dass eine Kombination aus einer Gleichstrom- und einer Gegenstromkühlung verwirklichbar ist.
Durch eine solche Kanalkühlung einer Gasturbinenschaufel ist es möglich, je nach den thermischen Verhältnissen im Verlauf einer Mantelfläche einer Turbinenschaufel gezielt frisches Kühlmedium zuzuführen und so Schaufelbereiche sehr selektiv zu kühlen. Beispielsweise könnte in der 4 anstelle des Ablaufkanals 12 ein Zulaufkanal angeordnet sein, um damit lokal die thermische Belastung besser zu beherrschen.
Damit der die beiden U-Schenkel verbindende Übergangszweig, welcher der Stirnseite der Turbinenschaufel unmittelbar benachbart liegt, bei einer eventuellen Statorberührung, z.B. durch temporäre Vibrationen etc., nicht beschädigt wird, ist eine Kollisionswulst 40 vorgesehen [5]. Wie aus 3 ersichtlich, weist auch der Sockel 60 der Turbinenschaufel 100 Kühlkanäle 20 auf.
Im Bereich des Sockels 60 der Gasturbinenschaufel 100 ist eine Bypass-Leitung 70 vorgesehen, um im Kühlmedium mitgeschleppte Partikel nicht in die Kühlkanäle 20 gelangen zu lassen.

100: Gasturbinenschaufel
100.1: Mantelflaeche
100.2: Anstroemkante
100.3: Abstroemkante
20: Kuehlkanaele
40: Kollisionswulst
50: Anspeisung
60: Sockel
70: Bypass-Leitung
80: Ablauföffnung
90.1: Saugseite
90.2: Druckseite

Claims

Massiv gebaute, gekühlte Gasturbinenschaufel, mit in ihrem Inneren verlaufenden Kühlkanälen (20), durch welche ein Kühlmittel im wesentlichen vom Schaufelfuss (60) ausgehend durch die Gasturbinenschaufel strömt und diese konvektiv kühlt, diese Kühlkanäle [20] nahe an der Mantelfläche [100.1] der Gasturbinenschaufel [100] verlaufend angeordnet sind, wobei die Kühlmittelzu- und -abfuhr im Sockel der Gasturbinenschaufel [100] erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der verlauf der Kühlkanäle (20) aus U-förmigen Ästen aufgebaut ist und die Äste der Kühlkanäle [20] so ineinandergeschachtelt sind, dass jeder Ast eines Kühlkanals (20) Nachbar eines anderen Astes eines anderen Kühlkanals (20) ist.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kühlkanäle [20] Abstände aufweiseen, welche im Bereich von einem Teil bis einigen wenigen Vielfachen des Kühlkanalquerschnitts liegen.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kopfes der Gasturbinenschaufel [100] eine Kollisionswulst [40] vorgesehen ist, um bei Statorberührung die Kühlkanäle [20] vor Zerstörung zu sichern.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Sockels [60] der Gasturbinenschaufel [100] eine Bypass-Leitung [70] vorgesehen ist, um im Kühlmedium mitgeschleppte Partikel nicht in die Kühlkanäle [20] gelangen zu lassen.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Wasserdampf mit einem erheblich höheren Druck als dem der Turbinenströmung verwendet wird.