DE69505407T2

DE69505407T2 - Gasturbinenschaufel mit gekühlter plattform

Info

Publication number: DE69505407T2
Application number: DE69505407T
Authority: DE
Inventors: Leroy D. Winter Springs Fl 32708 Mclaurin; Barton M. Orlando Fl 32817 Pepperman
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1994-08-24
Filing date: 1995-08-14
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2015-08-15
Also published as: US5639216A; DE69505407D1; JPH10507239A; EP0777818A1; EP0777818B1; CA2198225A1; WO1996006266A1; JP3811502B2; CA2198225C

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Laufschaufeln einer Gasturbine. Mehr im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung eine Maßname zum Kühlen der Fußplatte einer Gasturbinenschaufel.
Eine Gasturbine umfaßt typischerweise einen Verdichterabschnitt, der verdichtete Luft erzeugt. Sodann wird Brennstoff mit einem Teil dieser verdichteten Luft in einer oder mehreren Brennkammern vermischt und darin verbrannt, wodurch ein heißes verdichtetes Gas erzeugt wird. Das heiße verdichtete Gas wird dann in einem Turbinenabschnitt expandiert, um Leistung an einer drehenden Welle zu erzeugen.
Der Turbinenabschnitt weist typischerweise eine Mehrzahl von abwechselnden Leit- und Laufschaufelkränzen auf. Jede Laufschaufel weist einen Schaufelblatteil und einen Schaufelfußteil auf, mit welchem sie an einem Rotor befestigt ist. Der Schaufelfußteil hat eine Fußplatte, von welcher der Schaufelblatteil wegragt.
Da die Leit- und Laufschaufeln dem heißen Gas aus den Brennkammern ausgesetzt sind, ist eine Kühlung dieser Bauteile von äußerster Wichtigkeit. Herkömmlicherweise erfolgt die Kühlung dadurch, daß ein Teil der verdichteten Luft aus dem Verdichter abgezogen wird, die dann gegebenenfalls gekühlt wird und unter Umgehung der Brennkammern zum Turbinenabschnitt geleitet wird. Nach dem Einleiten in die Turbine strömt die Kühlluft durch radiale Kanäle, die in den Schaufelblatteilen der Leit- und Laufschaufeln gebildet sind. Typischerweise ist eine Anzahl kleiner Axialkanäle innerhalb der Leit- und Laufschaufelblatteilen gebildet, die mit einem oder mehreren der Radialkanäle in Verbindung stehen, so daß Kühlluft über die Schaufelblattoberflächen geleitet wird, beispielsweise an Vorderkanten- und Hinterkanten- oder den Saug- und Druckflächen. Nach dem Austritt der Kühlluft aus der Leit- oder Laufschaufel tritt sie in den Heißgasstrom durch den Turbinenabschnitt ein und vermischt sich mit diesem. Obwohl die oben erläuterte Maßname zur Schaufelkühlung eine ausreichende Kühlung für die Schaufelblatteile der Laufschaufeln bewirkt, ist herkömmlicherweise keine Kühlluft besonders zur Verwendung bei der Kühlung der Schaufelfußplatten vorgesehen, deren obere Oberflächen der Heißgasströmung aus den Brennkammern ausgesetzt sind. Obwohl ein Teil der Kühlluft, die aus den stromaufwärtigen Leitschaufeln austritt, über die oberen Oberflächen der Schaufelfußplatten strömt und ein gewisses Maß an Filmkühlung bildet, zeigt die Erfahrung, daß diese Filmkühlung zur ausreichenden Kühlung der Fußplatten unzureichend ist. Infolgedessen können bei den Fußplatten Oxidation und Rißbildung auftreten.
Eine mögliche Lösung besteht in der Verstärkung der Filmkühlung durch Steigerung der Kühlluftmenge, die aus dem stromaufwärtigen Leitschaufeln austritt. Da jedoch diese Kühlluft in die Heißgasströmung durch den Turbinenabschnitt eintritt, erhält man aus der Kühlluft wenig Nutzarbeit, da sie nicht im Brennkammerabschnitt einer Erhitzung unterzogen wurde. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es daher wichtig, daß die Verwendung von Kühlluft auf einem Minimum gehalten wird.
Die UK-Patentanmeldung 2,057,573 beschreibt eine Gasturbinenrotorbaugruppe mit einem Kühlmittelleitsystem, bei welchem Mittel zur Aufnahme von Kühlluft aus einem Bereich unmittelbar stromauf einer Turbinenstufe und einer Düse angrenzend an die oder im Rand der Rotorscheibe zum Ausleiten der Kühlluft auf die stromabwärtige Seite der Turbinenstufe unabhängig von der Gasströmung über die Laufschaufeln vorgesehen ist. Jede Rotorscheibe ist außerdem mit einer Mehrzahl von Schlitzen versehen, in welchen die Schaufelfüße befestigt sind, und die Schaufeln haben eine Fußplatte zwischen den Schaufelfußbefestigungsmitteln und dem Schaufelblatteil der Laufschaufel. Ein Teil der Kühlluft wird durch Kühlkanäle in der Rotorscheibe in das Innere der Laufschaufeln eingeleitet.
Es ist daher wünschenswert, eine Maßnahme zur Kühlung der Fußplattenteile der Laufschaufeln in einer Gasturbine unter Verwendung eines Minimums an Kühlluft zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Maßnahme zur Kühlung der Fußplattenteile der Laufschaufeln in einer Gasturbine unter Verwendung eines Minimums an Kühlluft zu schaffen.
Kurz zusammengefaßt werden dieses Ziel sowie andere Ziele der vorliegenden Erfindung bei einer Gasturbine bewerkstelligt, die (i) einen Verdichterabschnitt zum Erzeugen verdichteter Luft, (ii) einen Brennkammerabschnitt zur Erhitzung eines ersten Teils der verdichteten Luft und dadurch zur Erzeugung eines heißen verdichteten Gases, (iii) einen Turbinenabschnitt zum Expandieren des heißen verdichteten Gases mit einem Rotor umfaßt, der eine Vielzahl von daran befestigten Laufschaufeln aufweist, die jeweils einen Schaufelblatteil und einen Schaufelfußteil aufweisen, wobei der Schaufelfußteil eine Fußplatte hat, von welcher der Schaufelblatteil wegragt, und (iv) Mittel zur Kühlung der Schaufelfußplatte durch Richten eines zweiten Teils der verdichteten Luft aus dem Verdichterabschnitt durch die Fußplatte umfaßt, wie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen teilweise schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Turbinenabschnitts im Bereich des ersten Laufschaufelkranzes.
Fig. 3 zeigt eine isometrische Darstellung, in Strömungsrichtung gesehen, der in Fig. 2 dargestellten Schaufel des ersten Laufschaufelkranzes.
Fig. 4 zeigt eine Ansicht der in Fig. 2 dargestellten Schaufel des ersten Laufschaufelkranzes mit einem Querschnitt durch den Fußplattenteil der Schaufel.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 4.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Gemäß den Zeichnungen ist in Fig. 1 ein Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine dargestellt. Die Hauptkomponenten der Gasturbine sind ein Verdichterabschnitt 1, ein Brennkammerabschnitt 2, und ein Turbinenabschnitt 3. Wie man sieht, ist ein Rotor 4 mittig angeordnet und verläuft durch die drei Abschnitte. Der Verdichterabschnitt 1 besteht aus Trommeln 7 und 8, die miteinander abwechselnde Leitschaufelkränze 12 und Laufschaufelkränze 13 aufweisen. Die Leitschaufeln 12 sind an der Trommel 8 und die Laufschaufeln 13 an am Rotor 4 befestigten Rotorscheiben befestigt.
Der Brennkammerabschnitt 2 besteht aus einem etwa zylindrischen Gehäuse 9, das zusammen mit dem hinteren Ende der Trommel 8 und einem einen Teil des Rotors 4 umgebenden Gehäuse 22 eine Kammer 14 bildet. Eine Mehrzahl von Brennkammern 15 und Kanälen 16 sind innerhalb der Kammer 14 angeordnet. Die Kanäle 16 verbinden die Brennkammern 15 mit den Turbinenabschnitt 3. Brennstoff 35 in flüssiger Form oder in Gasform - beispielsweise Erdöldestillat oder Erdgas - tritt durch eine Brennstoffdüse 34 in jede Brennkammer 15 ein und wird darin zur Bildung von heißem verdichtetem Gas 30 verbrannt.
Der Turbinenabschnitt 3 besteht aus einer äußeren Trommel 10, die eine innere Trommel 11 umschließt. Die innere Trommel 11 umschließt Leitschaufelkränze 17 und Laufschaufelkränze 18. Die Leitschaufeln 17 sind an der inneren Trommel 11 befestigt, und die Laufschaufeln 18 sind an Rotorscheiben befestigt, die jeweils einen Teil des Turbinenabschnitts des Rotors 4 bilden.
Im Betrieb nimmt der Verdichterabschnitt 1 Umgebungsluft auf und verdichtet sie. Die verdichtete Luft 20 aus dem Verdichterabschnitt 1 tritt in die Kammer 14 ein und wird dann auf die einzelnen Brennkammern 15 verteilt. In den Brennkammern wird der Brennstoff 35 mit der verdichteten Luft vermischt und verbrannt, wodurch heißes verdichtetes Gas 30 gebildet wird. Das heiße verdichtete Gas 30 strömt durch die Kanäle 16 und dann durch die Leitschaufelkränze 17 und die Laufschaufelkränze 18 im Turbinenabschnitt 3 hindurch, wo das Gas expandiert und Arbeit zum Antrieb des Rotors 4 leistet. Das expandierte Gas 31 tritt dann als Abgas aus der Turbine 3 aus.
Ein Teil 19 der verdichteten Luft 20 aus dem Verdichter 1 wird durch eine mit dem Gehäuse 9 verbundene Leitung 39 aus der Kammer 14 abgezogen. Danach umgeht diese verdichtete Luft die Brennkammern 15 und dient als Kühlluft für den Rotor 4. Gewünschtenfalls kann die Kühlluft 19 durch einen externen Kühler 36 gekühlt werden. Aus dem Kühler 36 wird die abgekühlte Kühlluft 70 dann durch eine Leitung 41 in den Turbinenabschnitt 3 geleitet. Die Leitung 41 leitet die Kühlluft 70 zu Öffnungen 37, die im Gehäuse 22 gebildet sind, so daß sie in einen Kühlluftverteiler 24 eintritt, der den Rotor 4 umgibt.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, strömt das heiße verdichtete Gas 30 aus dem Brennkammerabschnitt 2 im Turbinenabschnitt 3 zunächst über die Schaufelblätter der Leitschaufeln 17 der ersten Stufe. Ein Teil der verdichteten Luft 20 aus dem Verdichter 1 strömt durch die Schaufelblätter der Leitschaufeln der ersten Stufe, um diese zu kühlen.
Eine Mehrzahl von (nicht dargestellten) Bohrungen in den Leitschaufelblättern der ersten Stufe leitet die Kühlluft 20 in Form einer Vielzahl kleiner Ströme 45 aus, die sich dann mit dem heißen Gas 30 vermischen. Das Gemisch aus der Kühlluft 45 und dem heißen Gas 30 strömt dann über die Schaufelblatteile der Laufschaufeln 18 der ersten Stufe.
Obwohl, wie vorstehend erörtert, die radial innersten Luftströme 45 aus den Leitschaufeln 17 der ersten Stufe ein gewisses Maß an Filmkühlung auf den Fußplatten 48 des ersten Laufschaufelkranzes bilden können, hat die Erfahrung gezeigt, daß diese Kühlung unzureichend ist. Infolgedessen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Maßnahme zur Schaffung einer zusätzlichen Kühlung der Fußplatten 48.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, tritt die Rotorkühlung 70 aus dem Hohlraum 24 durch umfangsmäßige Schlitze 38 im Gehäuse 22 aus, wonach sie in einen Ringkanal 65 eintritt, der zwischen dem Gehäuse 22 und einem Teil 26 des Rotors gebildet ist und der typischerweise als "Luftabscheider" bezeichnet wird. Aus dem Ringkanal 65 tritt der größte Teil 40 der Kühlluft 70 in den Luftabscheider 26 durch Bohrungen 63 ein und bildet die Kühlluft, die gegebenenfalls ihren Weg durch die Rotorscheibe und dann durch die verschiedenen Laufschaufelkränze findet.
Ein kleinerer Teil 32 der Kühlluft 70 strömt durch den Kanal 65 stromabwärts über eine Anzahl von Labyrinthdichtungen 64. Aus dem Kanal 65 strömt die Kühlluft 32 dann radial auswärts. Zwischen dem Gehäuse 22 und einer sich nach vorwärts erstreckenden Lippe der Laufschaufel 18 des ersten Laufschaufelkranzes ist eine Wabendichtung 66 gebildet. Die Dichtung 66 verhindert, daß die Kühlluft 32 direkt in den Heißgasströmungsweg austritt. Statt dessen strömt die Kühlluft 32 gemäß der Erfindung durch zwei Kanäle, wie unten noch erörtert wird, die in der Fußplatte 48 jeder Laufschaufel 18 des ersten Laufschaufelkranzes gebildet sind und kühlt dadurch die Fußplatte und verhindert deren Beeinträchtigung durch übermäßige Temperaturen, beispielsweise durch Oxidation und Rißbildung. Nach dem Austreten aus den Fußplattenkühlkanälen tritt die verbrauchte Kühlluft 33 in das Heißgas 30 ein und expandiert durch den Turbinenabschnitt 3.
Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, besteht jede Turbinenlaufschaufel 18 des ersten Kranzes aus einem Schaufelblattteil 42 und einem Fußteil 44. Das Schaufelblatt 42 weist eine Vorderkante 56 und eine Hinterkante 57 auf. Zwischen der Vorderkante 56 und der Hinterkante 57 verlaufen eine konkave Druckfläche 54 und eine konvexe Saugfläche 55 auf den entgegengesetzten Seiten des Schaufelblatt 42. Der Schaufelfuß 44 weist eine Mehrzahl von entlang seines unteren Abschnitts gebildeten Zähnen 59 auf, die in der Rotorscheibe 20 gebildete Nuten eingreifen und dadurch die Laufschaufel an der Rotorscheibe befestigen. Im oberen Bereich des Schaufelfußes 44 ist eine Fußplatte 46 gebildet. Das Schaufelblatt 42 ist mit der Fußplatte 46 verbunden und ragt radial auswärts von dieser weg. Ein radial verlaufender Schaftteil 58 verbindet den unteren gezahnten Teil des Schaufelfußes 44 mit der Fußplatte 46.
Wie in den, Fig. 3 bis 5 dargestellt ist, weist die Fußplatte 46 radial verlaufende stromaufseitige und stromabseitige Flächen 60 und 61 auf. Wie außerdem am besten in den Fig. 4 und 6 ersichtlich ist, verläuft ein erster Teil 67 der Fußplatte 46 in Querrichtung und überragt den Schaft 58 im Bereich der Saugfläche 55 des Schaufelblatt 42. Ein zweiter Zeil 68 der Fußplatte 46 verläuft in Querrichtung so, daß er den Schaft 58 im Bereich der Druckfläche 54 des Schaufelblatt 42 überragt. Wie in den Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, sind erste und zweite Kühlkanäle 48 und 49 in den überragenden Teilen 67 und 68 der Fußplatte 46 gerade unterhalb deren Oberseite gebildet, die dem heißen Gas 30 ausgesetzt ist.
Jeder Kühlkanal 48 und 49 weist einen radial verlaufenden Abschnitt auf, der mit einem axial verlaufenden Abschnitt verbunden ist. Der axial verlaufende Abschnitt jedes Kühlkanals 48 und 49 überspannt mindestens 50% der axialen Länge der Fußplatte 46 und vorzugsweise die gesamte axiale Länge der Fußplatte. Vorzugsweise ist der axiale Abschnitt der Kühlluftkanäle nicht mehr als 1,3 cm (0,5 Zoll) und höchst vorzugsweise nicht mehr als etwa 0,7 cm (0,27 Zoll) unterhalb der Oberseite der Fußplatte 46 angeordnet. Als Ergebnis der Form der Kanäle 48 und 49 macht die Kühlluft 32 eine 90º- Biegung aus ihrer anfänglich radial auswärts verlaufender Strömungsrichtung in eine axial stromabwärts verlaufende Strömungsrichtung. Dabei strömt die Kühlluft axial entlang fast der gesamten Länge der Fußplatte 46.
Wie man am besten in Fig. 6 sieht, weist jeder Kühlluftkanal 48 und 49 einen Einlaß 50 bzw. 51 auf, der in einer stromabweisenden Fläche der Fußplatte 46 gebildet ist. Die Einlässe 50 und 51 nehmen die radial auswärts strömende Kühlluft 32 aus dem Kanal 65 auf. Zusätzlich weist jeder der Kühlkanäle 48 und 49 einen Auslaß 52 bzw. 53 auf, der an der stromabseitigen Fläche 61 der Fußplatte 46 gebildet ist. Die Auslässe 52 und 53 lassen die verbrauchte Kühlluft 33 aus der Fußplatte in den Heißgasstrom austreten.
Wie man sieht, erzeugen die Kühlkanäle 48 und 49 eine starke Kühlung der Laufschaufelfußplatten 46 ohne Verwendung großer Luftmengen, wie das im Falle einer gesteigerten Kühlung bei Verstärkung der Filmkühlung durch Steigerung des Strömungsdurchsatzes der innersten Kühlluftströme 45 aus dem ersten Leitschaufelkranz 17 der Fall wäre.

Claims

1. Gasturbine mit

a) einem Verdichterabschnitt (1) zur Erzeugung verdichteter Luft (20),

b) einem Verbrennungsabschnitt (2) zum Erhitzen eines ersten Teils der verdichteten Luft, um so ein heißes verdichtetes Gas (30) zu erzeugen,

c) einem Turbinenabschnitt (3) zum Expandieren des heißen verdichteten Gases, wobei der Turbinenabschnitt einen darin angeordneten Rotor (4) aufweist, der eine Vielzahl von daran befestigten Schaufeln (18) aufweist, die jeweils einen Schaufelblatteil (42) und einen Fußteil (44) haben, wobei der Fußteil eine Fußplatte (46) aufweist, von welchem das Schaufelblatt wegragt, und

d) Mitteln (48, 49) zum Kühlen der Schaufelfußplatte durch Leiten eines zweiten Teils (32) der verdichteten Luft auf den Verdichterabschnitt durch die Fußplatte,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelfußplatten-Kühlmittel einen ersten, axial verlaufenden Kühlluftkanal (48), der in der Fußplatte (46) gebildet ist, und einen etwa radial verlaufenden Kühlluftkanal (48) umfassen, der mit dem ersten, axial verlaufenden Kühlluftkanal (48) verbunden ist.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei

a) jedes der Schaufelblatteile eine Saugfläche (55) und eine Druckfläche (54) aufweist,

b) der erste, axial verlaufende Kühlluftkanal (48) gegenüber der Saugfläche angeordnet ist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei

b) der erste, axial verlaufende Kühlluftkanal (49) gegenüber der Druckfläche angeordnet ist.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, wobei die Fußplattenkühlmittel einen zweiten, axial verlaufenden Kühlluftkanal (48) umfassen, der in der Schaufelfußplatte (46) gebildet und gegenüber der Saugfläche (55) angeordnet ist.

5. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei der Schaufelfuß einen radial verlaufenden Schaftteil (58) aufweist, der mit der Fußplatte (46) verbunden ist, wobei ein Teil (67) der Fußplatte quer verlaufend über den Schaftteil übersteht, und wobei der erste, axial verlaufende Kühlluftkanal (48) in dem querverlaufenden Teil der Fußplatte angeordnet ist.

6. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei die Schaufelfußplatte (46) eine stromaufwärtige (60) und eine stromabwärtige (61) Fläche aufweist, und wobei der erste, axial verlaufende Kühlluftkanal (48) einen Auslaß (52) aufweist, der in der stromabseitigen Fläche gebildet ist.

7. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei der radial verlaufende Kühlluftkanal einen Einlaß (50) zur Aufnahme des zweiten Teils (32) der verdichteten Luft aufweist.

8. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Kühlung der Schaufelfußplatte (46) außerdem Mittel (65) zum Leiten des zweiten Teils (32) der verdichteten Luft in den ersten, axial verlaufenden Kanal (48) aufweisen.

9. Gasturbine nach Anspruch 8, weiter mit einem Gehäuse (22), das mindestens einen Teil des Rotors (4) umschließt, und wobei die genannten Mittel zum Leiten des zweiten Teils (32) der verdichteten Luft in den ersten, axial verlaufenden Kanal (48) einen Ringkanal (65) aufweisen, der zwischen dem Gehäuse und dem Rotor gebildet ist.