DE19940556B4 - Device for cooling guide vanes or rotor blades in a gas turbine - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Kühlen von Leit- oder Laufschaufeln im Bereich ihres Schaufelschaftes innerhalb einer Gasturbine, der jeweils einen flächigen Abschnitt senkrecht zur radialen Erstreckung der Schaufel vorsieht und das Schaufelblatt vom Schaufelfuß trennt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen zwei benachbarten Leit- oder Laufschaufeln ein flächiges Zwischenstück im Bereich der Schaufelschafte einbringbar ist, mit einer Oberfläche, die sich seitlich weitgehend bündig an die flächigen Abschnitte der benachbarten Leit- oder Laufschaufeln anschließt und eine räumliche und weitgehend gasdichte Abtrennung zwischen dem, den Schaufelblättern zugewandten sowie dem, den Schaufelblättern abgewandten Bereich innerhalb der Gasturbine bewirkt.A device is described for cooling guide vanes or rotor blades in the region of their blade shaft within a gas turbine, which in each case provides a flat section perpendicular to the radial extent of the blade and separates the blade from the blade root. The invention is characterized in that a flat intermediate piece can be introduced between two adjacent guide vanes or rotor blades in the region of the blade shafts, with a surface that is laterally largely flush with the flat sections of the adjacent guide or rotor blades and a spatial and largely causes gas-tight separation between the area facing the blades and the area facing away from the blades within the gas turbine.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen von Leit- oder Laufschaufeln im Bereich ihres Schaufelschaftes innerhalb einer Gasturbine, der jeweils einen flächigen Abschnitt senkrecht zur radialen Erstreckung der Schaufel vorsieht und das Schaufelblatt vom Schaufelfuss trennt, wodurch der Heissgaspfad im Inneren der Gasturbine rotorseitig begrenzt wird.The invention relates to a device for cooling vanes or blades in the region of their blade shank within a gas turbine, each of which provides a flat portion perpendicular to the radial extent of the blade and separates the blade from the blade root, whereby the hot gas path inside the gas turbine rotorseitig limits becomes.
Stand der TechnikState of the art
Laufschaufeln, wie auch Leitschaufeln für den Einsatz in Gasturbinen weisen in den Strömungskanal der Gasturbine hineinragende Schaufeiblätter auf, die üblicherweise in ihrem Schaftbereich einen flächigen Abschnitt, die so genannte Schaufelptattform oder Basisplatte vorsehen, an der sich, dem Schaufelblatt abgewandt, der Schaufelfuss zur Befestigung in einer entsprechenden Gegenkontur innerhalb des Statorgehäuses, sofern es sich um eine Leitschaufel handelt, oder innerhalb der Rotoranordnung, sofern es sich um eine Laufschaufel handelt, anschliesst. Ebenso wie die Schaufeiblätter unterliegen die Oberflächen der einzelnen Plattformen einer sehr hohen thermischen Belastung, da sie den Strömungskanal, durch den heisse Verbrennungsgase strömen, wenigstens teilweise unmittelbar begrenzen. Da sie neben der sehr hohen thermischen Belastung auch überaus hohen mechanischen Beanspruchungen unterliegen, die durch die unmittelbare, feste Anlenkung der zum Teil weit über die Plattformen erhabenen Schaufelblätter herrühren, kommt es oft zu Materialschäden, die sich in Brüchen oder Spaltbildungen innerhalb der Plattformen auswirken. Aufgrund der, für eine direkte Kühlung ungünstig liegende Bereich des Schaufelschaftes werden die Plattformen grösstenteils nicht oder nur unzureichend gekühlt, wodurch sich ungleichmässige Temperaturverteilungen innerhalb des Schaufelschaftes ausbilden, die verstärkt zu den erwähnten Materialbrüchen führen. Bisherige Bemühungen, den Schaufelschaftbereich um die Schaufelplattform herum zu kühlen, waren stets mit sehr komplexen Kühlvorkehrungen verbunden, die ein Höchstmass an konstruktiven Anstrengungen bedürfen, die überdies mit hohen Kosten verbunden sind.Blades, as well as vanes for use in gas turbines have in the flow channel of the gas turbine in projecting blade blades, which usually provide in their shank area a flat portion, the so-called Schaufelptattform or base plate, facing away from the blade, the blade root for mounting in a corresponding mating contour within the stator housing, if it is a guide vane, or within the rotor assembly, if it is a blade, followed. Like the blade blades, the surfaces of the individual platforms are subject to a very high thermal load because they at least partially immediately limit the flow channel through which hot combustion gases flow. Since, in addition to the very high thermal load, they are also subject to extremely high mechanical stresses, which result from the direct, fixed articulation of the blades, which are sometimes raised far above the platforms, material damage often results, which results in fractures or fissures within the platforms. Due to the, for a direct cooling unfavorable lying region of the blade shank, the platforms are largely not or insufficiently cooled, which forms uneven temperature distributions within the blade shank, which leads to the aforementioned material fractures reinforced. Previous efforts to cool the vane shank area around the vane platform have always involved very complex cooling provisions which require the highest level of design effort, which is also associated with high costs.
Um ein möglichst gleichmässiges Temperaturprofil innerhalb der Schaufelplattform zu erzielen wird die Oberflächen der in der Regel rechteckförmig ausgebildeten Plattform so klein wie nur möglich gehalten. Zusätzlich werden die Nase und die Abrisskante im Wurzelbereich des Schaufelblattes derart relativ zur rechteckförmigen Plattform angeordnet, dass sich Nase und Abrisskante in zwei gegenüberliegenden Ecken der Plattform befinden. Durch diese Anordnung kann die Plattform verhältnismässig einfach mit nur geringem Aufwand und geringem Bedarf an Kühlluft gekühlt werden.In order to achieve the most uniform temperature profile within the blade platform, the surfaces of the generally rectangular-shaped platform is kept as small as possible. In addition, the nose and the spoiler lip in the root region of the airfoil are positioned relative to the rectangular platform such that the nose and spoiler lip are in two opposite corners of the platform. By this arrangement, the platform can be relatively easily cooled with little effort and low demand for cooling air.
Diese Massnahme, der nur kleinflächigen Ausbildung der Plattform läuft jedoch der konstruktiven Forderung entgegen, die zwischen zwei in einer Schaufelreihe unmittelbar benachbarten Schaufeln vorhandenen Zwischenspalte, die sich zwischen zwei gegenüberstehenden Plattformen ausbilden, so gering wie nur möglich zu halten. Dies zum einen, da sich die in einer Schaufelreihe nebeneinander angeordneten Schaufeln durch unmittelbare gegenseitige Berührung über entsprechende Verbindungskanten ihrer Plattformen mechanisch stabilisieren, wodurch auf diese Weise Vibrationserscheinungen weitgehend unterdrückt werden können; zum anderen bewirkt das unmittelbare Aneinandergrenzen zweier benachbarter Plattformen eine Raumtrennung, die den Raumbereich des Strömungskanals, durch den die heissen Verbrennungsgase strömen, von einem sich unterhalb der Plattformen ausbildenden Zwischenraum abgrenzt, der sich zwischen zwei benachbarten Schaufelfüssen erstreckt und der mit Kühlluft gespeist werden kann.However, this measure, the small-area design of the platform runs counter to the constructive demand to keep as small as possible between two existing in a row of blades blade immediately adjacent intermediate gaps that form between two opposing platforms. This on the one hand, since the blades arranged side by side in a row of blades mechanically stabilize by direct mutual contact via corresponding connecting edges of their platforms, whereby vibration phenomena can be largely suppressed in this way; on the other hand, the immediate juxtaposition of two adjacent platforms causes a separation of the space defining the space region of the flow channel through which the hot combustion gases flow from a gap forming below the platforms, which extends between two adjacent blade roots and which can be supplied with cooling air.
Ein weiteres Problem, das mit der Ausbildung grossflächiger Plattformen verbunden ist, ist ihre schwierige und sehr aufwendige Herstellung im Rahmen von Giessverfahren unter Verwendung von gerichtet erstarrenden Materialien oder Einkristallmaterialien. Durch die Schwierigkeit dieses Herstellverfahrens sind zudem nur sehr geringe Fertigungsraten beim Giessen zu erzielen, wodurch wiederum der Kostenaufwand stark zu Buche schlägt.Another problem associated with the formation of large-area platforms is their difficult and very expensive manufacture in the context of casting processes using directionally solidifying materials or single-crystal materials. Due to the difficulty of this manufacturing process also only very low production rates in casting can be achieved, which in turn beats the cost to a great extent.
In der
Die
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung legt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Kühlen von Leit- oder Laufschaufeln im Bereich ihres Schaufelschaftes innerhalb einer Gasturbine, der jeweils einen flächigen Abschnitt, die so genannte Schaufelplattform, senkrecht zur radialen Erstreckung der Schaufel vorsieht und das Schaufelblatt vom Schaufelfuss trennt, derart auszubilden, dass zum einen die mit der hohen Temperaturbelastung verbundene Gefahr von Materialbruch und Materialermüdung weitgehend ausgeschlossen werden kann und ferner eine gezielte Kühlung der Schaufelptattform ohne die Notwendigkeit aufwendiger konstruktiver Massnahmen möglich ist. Möglicherweise auftretende, mechanische Vibrationen während des Betriebes der Gasturbine sollen durch die erfindungsgemässe Massnahme unterdrückt und weitgehend ausgeschlossen werden.The invention has for its object, a device for cooling guide vanes or blades in the region of their blade shank within a gas turbine, each of which a flat portion, the so-called blade platform, perpendicular to the radial extent of the blade and separates the blade from the blade root, so form, that on the one hand the risk of material failure and fatigue associated with the high temperature load can be largely excluded and also a targeted cooling of the blade platform without the need for complex constructive measures is possible. Possibly occurring, mechanical vibrations during operation of the gas turbine to be suppressed by the inventive measure and largely excluded.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Massnahmen sind in den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.The solution of the problem underlying the invention is specified in
Erfindungsgemäss wird die Vorrichtung zum Kühlen von Leit- oder Laufschaufeln im Bereich ihres Schaufelschaftes innerhalb einer Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass zwischen zwei in einer Schaufelreihe benachbarten Leit- oder Laufschaufeln ein flächiges Zwischenstück im Bereich der Schaufelschafte einbringbar ist, das eine vorzugsweise glatt ausgebildete Oberfläche aufweist, die sich seitlich, weitgehend bündig an die flächigen Abschnitte der benachbarten Leit- oder Laufschaufeln anschliesst und eine räumlich und weitgehend gasdichte Abtrennung zwischen dem, den Schaufeiblättern zugewandten, sowie dem, den Schaufelblättern abgewandten Bereich innerhalb der Gasturbine bewirkt.According to the invention, the device for cooling guide vanes or rotor blades in the region of their blade shank within a gas turbine, according to the preamble of
Das brückenartig ausgebildete Zwischenstück, das gezielt zwischen zwei benachbarten Schaufeln jeweils in ihren Schaufelschaftbereichen eingebracht ist, bewirkt zum einen, einen direkten mechanischen Kontakt zu beiden Schaufeln, wodurch das Zwischenstück für eine mechanische Stabilisierung, beider in einer Schaufelreihe angeordneter Schaufeln beiträgt, und zum anderen für eine räumliche Abtrennung des Strömungskanals von einem, sich zwischen den Schaufelfüssen ausbildenden Zwischenraum, der gezielt mit Kühlluft gespeist werden kann.The bridge-like intermediate piece, which is introduced specifically between two adjacent blades in each case in their blade shank areas, on the one hand, causes a direct mechanical contact with the two blades, whereby the intermediate piece contributes to a mechanical stabilization, both arranged in a row of blades blades, and on the other a spatial separation of the flow channel of a, between the blade roots forming gap, which can be selectively fed with cooling air.
Das brückenartig ausgebildete Zwischenstück weist hierzu zwei Verbindungskanten auf, entlang denen, das Zwischenstück mit zwei benachbarten Schaufelschaften verbunden werden kann. Die Verbindung zwischen dem Zwischenstück und dem Schaufelschaft sollte zum einen möglichst gasdicht und zum anderen lagestabil aus gebildet sein, um den vorstehend genannten Anforderungen zu entsprechen. Hierzu weisen die Verbindungskanten des Zwischenstückes eine speziell ausgebildete Verbindungskontur auf, die in eine, entsprechend gegenkonturierte Aufnehmung inner halb jedes Schaufelschaftes axial fügbar ist. Grundsätzlich kann die Verbindungskontur am Zwischenstück beliebig ausgebildet sein, so lange sie eine formschlüssige Verbindung mit der entsprechenden Gegenkontur innerhalb des Schaufelschaftes gewährleistet. Bevorzugte Konturformen der Verbindungskontur ist eine keilförmige, schwalbenschwanzartige, Steg- oder zapfenartige Ausgestaltung der Verbindungskontur.For this purpose, the bridge-like intermediate piece has two connecting edges along which the intermediate piece can be connected to two adjacent blade shafts. The connection between the intermediate piece and the Shovel shank should be as gas-tight as possible and on the other hand stable formed from, to meet the above requirements. For this purpose, the connecting edges of the intermediate piece on a specially designed connection contour, which is axially fügbar in a, according counter-contoured Aufnehmung inner half of each blade shank. In principle, the connection contour can be formed as desired on the intermediate piece, as long as it ensures a form-fitting connection with the corresponding counter-contour within the blade shank. Preferred contour shapes of the connection contour is a wedge-shaped, dovetailed, web or pin-like configuration of the connection contour.
Um den Grad der Gasdichtheit zu verbessern, ist zwischen dem Zwischenstück und dem Schaufelschaft der jeweils benachbarten Schaufeln wenigstens ein elastisches Dichtungselement vorgesehen, das sich orthogonal zu dem, zwischen dem Zwischenstück und dem Schaufelschaft verlaufenden Zwischenspalt erstreckt. Das elastische Dichtungselement ist zum einen aus einem Material hoher Temperaturbeständigkeit und zum anderen mit einer ausreichenden Materialdicke ausgebildet, so dass das Dichtungselement zugleich eine schwingungsdämpfende Wirkung auf die aneinandergrenzenden Anlagenkomponenten, das heisst Schaufelschacht und Zwischenstück, ausübt. Das Zwischenstück weist vorzugsweise eine, zwischen den benachbarten Schaufelschäften axiale Erstreckung auf, die grösser ist als ihre Dicke, d. h. ihre radiale Erstreckung. Ein derart geformtes Zwischenstück kann verhältnismässig einfach und sicher gekühlt werden, indem Kühlluft durch den Zwischenraum der von beiden Schaufelfüssen eingegrenzt ist, zugeführt wird.In order to improve the degree of gas-tightness, at least one elastic sealing element is provided between the intermediate piece and the blade shank of the respective adjacent blades, which extends orthogonal to the intermediate gap extending between the intermediate piece and the blade shank. The elastic sealing element is formed, on the one hand, from a material of high temperature resistance and, on the other hand, with a sufficient material thickness, so that the sealing element at the same time exerts a vibration-damping effect on the adjoining plant components, that is to say the shovel shaft and intermediate piece. The intermediate piece preferably has an axial extension, which is greater than its thickness, between the adjacent blade stems. H. its radial extent. Such a molded intermediate piece can be relatively easily and safely cooled by cooling air is supplied through the gap which is bounded by two blade roots.
Im Falle zweier benachbarter Laufschaufeln, die in ein und derselben Laufschaufelreihe angebracht sind, wird zur Kühlung des Schaufelschaftbereiches Kühlluft von Seiten der Rotorachse zugeführt, die radialseitig vor einem ungehinderten Einströmen in den Strämungskanal der Gasturbine durch das brückenartige Zwischenstück gehindert wird. Die Kühlung des Zwischenstücks erfolgt somit von der Unterseite, so dass sich ein weitgehend homogenes Temperaturfeld innerhalb des Zwischenstücks sowohl axial, wie auch entlang des Umfangsrandes der Schaufelreihe ausbildet. Ein hoher Temperaturgradient bildet sich lediglich radial innerhalb des Zwischenstückes aus, der maximal dem Temperatursprung zwischen der Kühllufttemperatur von der Unterseite her und der Temperatur der Verbrennungsgase innerhalb des Strömungskanals der Gasturbine entspricht.In the case of two adjacent blades, which are mounted in one and the same blade row, cooling air from the rotor axis is supplied to cool the blade shank region, which is prevented from flowing unimpeded in the flow channel of the gas turbine by the bridge-like intermediate piece on the radial side. The cooling of the intermediate piece thus takes place from the underside, so that a substantially homogeneous temperature field within the intermediate piece forms both axially, as well as along the peripheral edge of the blade row. A high temperature gradient forms only radially within the intermediate piece, which corresponds at most to the temperature jump between the cooling air temperature from the underside and the temperature of the combustion gases within the flow channel of the gas turbine.
Aufgrund der sich einstellenden Temperaturbedingungen innerhalb des brückenartig ausgebildeten Zwischenstückes ist somit weniger Kühlluft erforderlich, als es mit bis her bekannten Kühlvorkehrungen der Fall ist, um die geforderte Lebensdauer zu er reichen.Due to the adjusting temperature conditions within the bridge-like intermediate piece thus less cooling air is required, as is the case with heretofore known cooling arrangements in order to reach the required service life.
Auch ist es möglich eine gezielte Schwingungsdämpfung von Leitschaufeln zu bewirken, indem Federelemente mit dem Zwischenstück in Wirkverbindung treten, die an der Unterseite des Zwischenstückes, das heisst dem gekühlten Bereich vorgesehen sind. Die so entstehenden Anpresskräfte bewirken im Betrieb Reibungskräfte, wenn die Leitschaufeln schwingen, wobei die Reibungskräfte die Leitschaufelschwingungen dämpfen.It is also possible to effect a targeted vibration damping of vanes by spring elements with the intermediate piece in operative connection, which are provided on the underside of the intermediate piece, that is, the cooled area. The resulting contact forces cause frictional forces during operation as the vanes vibrate, with the frictional forces dampening the vane vibrations.
Durch das Einbringen von Zwischenstücken in den Zwischenbereich zweier benachbarter Schaufelschafte können die Plattformen jeder einzelnen Schaufel so klein wie nur konstruktiv möglich ausgebildet werden, so dass die Gussausbringrate für gerichtet erstarrte oder einkristalline Materialien wesentlich erhöht werden kannBy introducing intermediate pieces into the intermediate region of two adjacent blade shafts, the platforms of each individual blade can be designed to be as small as possible, so that the casting discharge rate for directionally solidified or monocrystalline materials can be substantially increased
Andererseits kann das Material, aus dem die brückenartigen Zwischenstücke gefertigt werden, aus günstigen und einfach zu giessenden Materialgruppen gewählt werden, wodurch die Herstellung der Schaufelkomponenten für eine Gasturbine hinsichtlich ihrer Fertigungsrate und Herstellungskosten optimiert werden kann. Besondere Beachtung bedarf es jedoch bei der Auswahl der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der eingesetzten Materialien, was bei den Überlegungen zur Ausgestaltung und Formgebung des Zwischenstückes sowie dessen Verbindungskonturen zu berücksichtigen ist.On the other hand, the material from which the bridge-type spacers are made can be selected from inexpensive and easy-to-pour material groups, whereby the manufacture of the blade components for a gas turbine can be optimized in terms of manufacturing rate and manufacturing cost. However, special attention is needed in the selection of the different thermal expansion behavior of the materials used, which is to be considered in the considerations of the design and shape of the intermediate piece and its connection contours.
Durch die gezielte Kühlung des brückenartigen Zwischenstückes durch Kühlluftzufuhr an dessen Unterseite ist auch eine effektive Kühlung des unteren Bereiches der Schaufelblätter und möglich, die den heissen Verbrennungsgasen unmittelbar ausgesetzt sind. Um den Kühleffekt noch weiter zu steigern sind innerhalb des Zwischenstückes Durchgangskanäle vorgesehen, durch die Kühlluft an die Oberseite der Plattform sowie auch den damit unmittelbar verbundenen Schaufelblattbereichen gerichtet wird. Alternativ oder in Kombination zu den, in das brückenartige Zwischen-stück eingebrachten Durchgangskanälen kann der unmittelbare Fügebereich zwischen dem Zwischenstück und den Schaufelschaftbereichen gezielt „undicht” ausgeführt werden, wodurch Kühlluft durch die Fügeverbindung von der Unterseite des Zwischenstückes an die Oberseite, das heisst in den Strömungskanal der Gasturbine gelangen kann und dort, wie vorstehend beschrieben, die Oberfläche der Plattform sowie die daran angrenzenden Bereiche der Schaufelblätter gezielt zu kühlen.By the targeted cooling of the bridge-like intermediate piece by cooling air supply to the underside and an effective cooling of the lower portion of the airfoils and is possible, which are directly exposed to the hot combustion gases. In order to increase the cooling effect even further through channels are provided within the intermediate piece, is directed by the cooling air to the top of the platform as well as the thus directly connected blade airfoils. Alternatively, or in combination with, introduced into the bridge-like intermediate piece passageways of the immediate joining region between the intermediate piece and the blade shank areas targeted "leaky" running, whereby cooling air through the joint connection from the bottom of the intermediate piece to the top, that is in the Can flow channel of the gas turbine and there, as described above, to cool the surface of the platform and the adjoining areas of the airfoils targeted.
Kurze Beschreibung der Erfindung Brief description of the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawing. Show it:
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to carry out the invention, industrial usability
In
Zusätzlich zur formschlüssigen Verbindung zwischen dem Zwischenstück
Zu Kühlzwecken wird in den Zwischenraum
In
Die Darstellungen der
Die
Um die Kühlwirkung der in den Zwischenraum
Eine alternative Anordnung der Kühlluftkanäle
Eine bevorzugte Austrittsstelle der durch die Kühlkanäle austretenden Kühlluft liegt unmittelbar im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Zwischenstück
Eine konvektiv gekühlte Ausführungsform des Zwischenstücks
Aus Gründen einer verbesserten Steifigkeit des Zwischenstückes
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 21, 2
- Schaufelblätterairfoils
- 3, 43, 4
- Plattformplatform
- 55
- Strömungskanalflow channel
- 6, 76, 7
- Schaufelfussblade root
- 88th
- Zwischenraumgap
- 99
- Zwischenstückconnecting piece
- 1010
- Oberflächesurface
- 11, 1211, 12
- Verbindungskanteconnecting edge
- 1313
- schräge Flankeoblique flank
- 1414
- ÜbergangsbereichTransition area
- 1515
- Unterseitebottom
- 16, 1716, 17
- Gegenkonturmating contour
- 18, 1918, 19
- Fügestellejoint
- 2020
- Dichtungselementsealing element
- 2121
- Rillegroove
- 2222
- stegartiger Fortsatzridge-like extension
- 2323
- Hohlraumcavity
- 2424
- perforierte Deckplatteperforated cover plate
- 2525
- DurchgangskanalThrough channel
- 2626
- mäanderförmige Kühlkanälemeandering cooling channels
- 2727
- RippenzugRippenzug
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