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2. GEBIET
DER ERFINDUNG UND ERKLÄRUNG ZUM
STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Leitschaufel für
eine Gasturbine, bei der die Kühlung
unter Verwendung sowohl von Dampf als auch von Luft als Kühlmitteln
erfolgt.
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Der Stand der Technik wird nun unter
Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 ist eine Schnittansicht
einer herkömmlichen
gekühlten
Gasturbinenleitschaufel.
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Eine gekühlte Leitschaufel 51 ist
mittels Präzisionsguß einstückig mit
(nicht gezeigten) äußeren und
inneren Abdeckungen ausgebildet. In die gekühlte Leitschaufel 51 werden
Einsätze 54A und 54B,
die zahlreiche Kühlöffnungen 53 aufweisen,
eingesetzt und den Einsätzen 54A und 54B wird
durch die äußere Abdeckung
Kühlluft
zugeführt.
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Die Kühlluft strömt, wie dies mittels Pfeilen gezeigt
ist, durch die Kühlöffnungen 53 aus
und fließt in
eine hohle Kammer A, nachdem eine Aufprallkühlung durch Aufprall auf die
Innenwand der gekühlten Leitschaufel 51 erfolgt
ist. Anschließend
kühlt die Kühlluft die
gekühlte
Leitschaufel 51, während
sie zur Hinterkante der Schaufel strömt. Ein Teil der Kühlluft bildet
einen Kühlfilm
an der Schaufeloberfläche,
indem sie durch Filmkühlungsöffnungen 52 und 55 herausströmt und am
Schaufelprofil entlangfließt,
wodurch eine Filmkühlung
erfolgt.
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Die durch einen Schlitz 56 an
der Schaufelhinterkante ausströmende
Kühlluft
kühlt durch
Konvektionskühlung
die Schaufelhinterkante einschließlich Nadelrippen 57.
Zudem bewirkt die durch eine Kühlöffnung 58 an
der Schaufelvorderkante ausströmende
Kühlluft
eine Sprühkühlung der
Schaufelvorderkante.
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Obwohl dies nicht in der Figur gezeigt
ist, sind die äußere und
die innere Abdeckung mit einer Auftreffplatte und Nadelrippen versehen,
und es werden durch die Kühlluft,
bevor diese den Einsätzen 54A und 54B zugeführt wird,
eine Aufprallkühlung und
eine Nadelrippen-Kühlung
bewirkt.
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Mit dem in jüngster Zeit erhöhten Wirkungsgrad
von Gasturbinen ist auch die Einlaßtemperatur gestiegen. Eine
Einlaßtemperatur
von etwa 1500°C kann
nicht ausschließlich
mittels Luftkühlung
bewältigt
werden, da Luft eine geringe Wärmekapazität aufweist
und die Luftkühlung
eine große
Luftmenge erfordert. Aus diesem Grunde wurde damit begonnen, Dampf
als Kühlmedium
zu verwenden, da Dampf eine höhere
Wärmekapazität als Luft
aufweist und nur eine geringere Menge davon erforderlich ist.
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Während
des Entwicklungsprozesses einer Technologie, die solchen veränderten
Anforderungen Rechnung trägt,
wurde gedacht, daß die
Leitschaufelabschnitte, die luftgekühlt werden können, mittels Luft
gekühlt
werden, und daß andererseits
die Leitschaufelabschnitte, die schwierig mit Luft zu kühlen sind,
mittels Dampf gekühlt
werden.
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Wenn jedoch eine Dampfkühlung in
einer solchen Weise durchgeführt
wird, werden Extraktionsdampf einer Dampfturbine, die einen kombinierten
Zyklus bildet, Abwärme-Boilerdampf
und dergleichen verwendet, so daß die vollständige Beseitigung einer
Dampfleckage in die Gasturbine im Hinblick auf die Wirksamkeit des
Dampfzyklus erforderlich ist.
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Daher muß der Kühlmittelkanal zur Außenseite
hin geschlossen sein und Dampfzuführ- und Dampfwiedergewinnungsöffnungen
aufweisen.
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Da sowohl Dampf als auch Luft als
Kühlmedien
verwendet werden, muß das
gesamte System, einschließlich
der äußeren und
inneren Abdeckungen, ganz zu schweigen von der Schaufel selbst,
im Hinblick auf das Steuer-Gleichgewicht des gesamten Systems usw.,
unter Verwendung beider Kühlmedien gekühlt werden,
ohne sich ausschließlich
auf eines der beiden Kühlmedien
zu stützen.
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Die EP-0 392 664 A beschreibt Turbinenschaufeln
in verschiedenen Bauweisen und hauptsächlich mittels Dampf gekühlt, von
dem in vielen Fällen
ein Teil in die Gasströmungsbahn
der Turbine ausgestoßen
wird. Der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert auf 13 der
EP-0 392 664 A.
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3. AUFGABE
UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser
Situation gemacht, und daher besteht ein Ziel derselben darin, eine
Gasturbinenleitschaufel bereitzustellen, bei der jede notwendige
Stelle wirksam, unter ausgewogener Verwendung beider Kühlmedien,
d. h. Dampf und Luft, gekühlt
und der Kühldampf ohne
Leckage verwendet wird.
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Daher stellt die vorliegende Erfindung
zur Lösung
der vorgenannten Probleme eine Gasturbinenenleitschaufel bereit,
die mit folgendem versehen ist: mit einem Dampfkühlungsabschnitt hinter der Vorderkante
der Schaufel und mit einem zweiten Kühlungsabschnitt an der Hinterkante
der Schaufel, wobei dieser Dampfkühlungsabschnitt einen Kühldampf-Zuführabschnitt
mit einer Auftreffplatte umfaßt,
die in eineren äußeren Abdeckung
ausgebildet ist; mit einer serpentinenförmigen Strömungsbahn, die in Schaufellängsrichtung
vom Kühldampf-Zuführabschnitt aus
verläuft
und mehrere Male wendet; mit einer inneren Auftreffplatte, die in
einer inneren Abdeckung am letzten Wendeabschnitt der serpentinenförmigen Strömungsbahn
vorgesehen ist; und mit einer Dampfrückgewinnungsöffnung,
die in der äußeren Abdeckung
an einer Position stromabwärtig
der serpentinenförmigen
Strömungsbahn,
die an der inneren Auftreffplatte wendet, ausgebildet ist, und mit einem
zweiten Kühlungsabschnitt
mit einer Strömungsbahn,
die an der Rückseite
des Dampfkühlungsabschnittes
von der Außenkante
der äußeren Abdeckung
zur Außenkante
der inneren Abdeckung hin verläuft;
und mit Fluidauslaßöffnungen,
die an der Hinterkante der Schaufel vorgesehen sind; sowie mit einem
Kühlfluid-Zuführabschnitt
zum Zuführen
des Kühlfluids
an die Fluidauslaßöffnungen,
wobei die Gasturbinenleitschaufel dadurch gekennzeichnet ist, daß die serpentinenförmige Strömungsbahn
zahlreiche Verwirbelungsglieder aufweist, die so an der Innenwand
der serpentinenförmigen
Strömungsbahn angeordnet
sind, daß sie
relativ zur Strömung
schräg verlaufen,
daß der
zweite Fluidkühlungsabschnitt
ein Luftkühlungsabschnitt
ist und zahlreiche Verwirbelungsglieder aufweist, die so an der
Innenwand angeordnet sind, daß sie
relativ zur Strömung
schräg
verlaufen, und daß die
zweite Kühlungsströmungsbahn einen
Auslaß in
der Innenabdeckung aufweist.
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Vorzugsweise sind die an der Schaufelhinterkante
vorgesehenen Luftauslaßöffnungen
schlitzförmige Öffnungen.
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Der Kühldampf kühlt den Abschnitt hinter der Schaufelvorderkante
mit einer höheren
Temperatur. Zuerst kühlt
der Kühldampf
die äußere Abdeckung durch
Aufprallkühlung,
und dann kühlt
er die Schaufel, während
er in der serpentinenförmigen
Strömungsbahn
in Längsrichtung
in einem turbulenten Fließzustand
fließt,
indem er gewendet wird. Während
des Strömens
kühlt er
die innere Abdeckung mittels Aufprallkühlung und wird schließlich von
der äußeren Abdeckung
aus an ein vorbestimmtes Wiedergewinnungssystem weitergeleitet.
Andererseits kühlt
die Kühlluft
den Schaufelhinterkantenabschnitt. Die Kühlluft fließt in der Luftströmungsbahn
in Längsrichtung
zur Schaufel in einem turbulentem Fließzustand, um die Schaufel zu
kühlen,
und bewirkt eine Schlitzkühlung,
bei der die Kühlluft
durch die schlitzförmigen Öffnungen
in die Gasströmungsbahn
an der Schaufelhinterkante strömt.
Eine erwünschte
Schaufelkühlung
wird durch das Zusammenwirken von Dampfkühlung und Luftkühlung bewirkt,
und bei der Dampfkühlung
wird der Kühldampf
ohne Leckage während
des Kühlungsvorgangs
geführt
und in einer vorbestimmten Weise sicher wiedergewonnen, wodurch
der Wirkungsgrad auf verschiedene Weisen verbessert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Gasturbinenleitschaufel mit einem Dampfkühlungsabschnitt hinter der
Vorderkante der Schaufel und mit einem Luftkühlungsabschnitt an der Hinterkante
der Schaufel versehen. Der Dampfkühlungsabschnitt umfaßt einen
Kühldampfzuführabschnitt
mit einer Auftreffplatte, die am Ende einer äußeren Abdeckung ausgebildet
ist, mit einer serpentinenförmigen
Strömungsbahn,
die in Längsrichtung
der Schaufel vom Kühldampfzuführabschnitt
aus verläuft
und mehrere Male wendet, mit zahlreichen Verwirbelungsgliedern, die
so an der Innenwand der serpentinenförmigen Strömungsbahn angeordnet sind,
daß sie
relativ zur Strömung
schräg
verlaufen, mit einer inneren Auftreffplatte, die in einer inneren
Abdeckung am letzten Wendeabschnitt der serpentinenförmigen Strömungsbahn
vorgesehen ist, und einer Dampfwiedergewinnungsöffnung, die in der äußeren Abdeckung an
einer stromabwärtigen
Position der serpentinenförmigen
Strömungsbahn
ausgebildet ist, welche an der inneren Auftreffplatte wendet. Der
Luftkühlabschnitt
umfaßt
eine Luftströmungsbahn,
die hinter dem Dampfkühlungsabschnitt
von der Außenkante der äußeren Abdeckung
bis zur Außenkante
der inneren Abdeckung verläuft
und zahlreiche Verwirbelungsglieder aufweist, die so an der Innenwand
angeordnet sind, daß sie
relativ zur Strömung
schräg
verlaufen, ferner mit schlitzförmigen Öffnungen,
die an der Hinterkante der Schaufel vorgesehen sind, und mit einem
Kühlluft-Zuführabschnitt
zum Zuführen
der Kühlluft
an die schlitzförmigen Öffnungen.
Die Gasturbinenleitschaufel, die in der vorgenannten Art ausgebildet
ist, hat die nachfolgenden Wirkungen:
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Die Gasturbinenleitschaufel, die
beim Betrieb eine hohe Temperatur aufweist, wird sowohl durch den
Dampfkühlungsabschnitt
als auch durch den Luftkühlungsabschnitt
gekühlt.
Im Dampfkühlungsabschnitt
fließt
der Kühldampf
in der serpentinenförmigen
Strömungsbahn
in der Schaufel hinter der Vorderkante, während er die äußere und
die innere Abdeckung mittels Aufprallkühlung kühlt. Im Luftkühlungsabschnitt
werden die Luftströmungsbahn-Kühlung und
die Schlitzkühlung
an der Hinterkante kombiniert. Zudem wird bei der Dampfkühlung der
erhitzte Kühldampf
sicher wiedergewonnen und wiederverwendet. Da Dampf eine hohe Wärmekapazität aufweist,
ist außerdem
der gesamte Fluidstrom von Dampf plus Luft im Vergleich zu dem Fall,
in dem die Kühlung
nur mittels Luft erfolgt, merklich verringert. Weiter bietet eine
große
Verringerung der Verwendung von Luft als Kühlmedium einen Spielraum für Verbrennungsluft,
was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine führt.
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4. KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Längsschnittdarstellung,
die eine Ausführungsform
einer gekühlten
Leitschaufel für
eine Gasturbine gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Draufsicht auf eine äußere Abdeckung,
die ein Teil aus 1 ist;
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3 ist
eine Draufsicht auf eine innere Abdeckung, die ein Teil aus 1 ist, und
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4 ist
eine Querschnittdarstellung einer herkömmlichen Gasturbinenleitschaufel.
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5. DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine Schnittdarstellung
einer gekühlten
Gasturbinenleitschaufel, 2 eine
Draufsicht auf eine äußere Abdeckung
und 3 eine Draufsicht
auf eine innere Abdeckung.
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Das Bezugszeichen 1 bezeichnet
eine Gasturbinenleitschaufel, und 3 bezeichnet eine serpentinenförmige Strömungsbahn,
die in der Leitschaufel 1 ausgebildet ist. Die serpentinenförmige Strömungsbahn 3 ist
so genannt, da sie in Längsrichtung
zur Leitschaufel 1 verläuft
und in einer Zickzacklinie liegt, wobei sie an den Außen- und
Innenumfangsseiten wendet.
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Zahlreiche Verwirbelungsglieder 2,
die von der Innenwand der serpentinenförmigen Strömungsbahn 3 vorstehen,
sind in vorbestimmten Abständen über nahezu
den gesamten Bereich der serpentinenfönnigen Strömungsbahn 3 vorgesehen.
Die Verwirbelungsglieder 2 verlaufen in einer Richtung,
in der sie die Strömungsrichtung
des in der serpentinenförmigen
Strömungsbahn 3 fließenden Fluids
schräg schneiden,
und sind im wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
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Daher trifft das Fluid, das in der
serpentinenförmigen
Strömungsbahn 3 fließt, auf
die Verwirbelungsglieder 2 an der Innenumfangsfläche, so
daß eine
Wirbelströmung
erzeugt wird, welche die Bildung eines laminaren Strömungszustandes
mit einem schlechten Wärmetransfer
verhindert.
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Eine äußere Abdeckung 4 ist
einstückig
mit dem Endabschnitt der Leitschaufel 1 an der Außenseite
gebildet, wobei die Turbinendrehwelle den Mittelpunkt darstellt.
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Eine Auftreffplatte 5, die
mit zahlreichen (nicht gezeigten) Öffnungen versehen ist, ist
in der äußeren Abdeckung 4 vorgesehen,
um den Kühldampf,
welcher der äußeren Abdeckung 4 durch
eine Dampfzuführöffnung 20 zugeführt wird,
mittels Aufprallkühlung
zu kühlen.
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Eine innere Abdeckung 6 ist
einstückig
an der Innenseite in radialer Richtung zur Leitschaufel 1 so
ausgebildet, daß sie
der äußeren Abdeckung 4 gegenüberliegt.
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Eine innere Auftreffplatte 7 ist
in der inneren Abdeckung 6 vorgesehen, um die innere Abdeckung 6 durch
Zuführen
des Kühldampfes
am letzten Wendeabschnitt der serpentinenförmigen Strömungsbahn 3 mittels
Aufprallkühlung
zu kühlen,
und den Kühldampf
durch zahlreiche (nicht gezeigte) Öffnungen auszustoßen.
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Eine Dampfwiedergewinnungsöffnung 21 ist in
der äußeren Abdeckung 4 vorgesehen,
um einen Auslaß zur
Abgabe des Kühldampfes
zu bilden, der aus dem Ende der serpentinenförmigen Strömungsbahne 3 in ein
externes (nicht gezeigtes) Wiedergewinnungssystem ausströmt.
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Dies bedeutet, daß ein Dampfkühlungsabschnitt
durch eine Reihe von zueinander in Beziehung stehenden Strukturen
gebildet wird, die von der vorgenannten Dampfzuführöffnung 20 bis zu dieser Dampfwiedergewinnungsöffnung 21 reichen.
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Eine Hinterkante 8 der Leitschaufel 1 ist
mit zahlreichen schlitzförmigen Öffnungen 9 versehen, die über die
Schaufellängsrichtung
verteilt sind, wobei dies jedoch in der Figur nicht deutlich gezeigt
ist.
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Eine Luftströmungsbahn 10 zum Zuführen der
Kühlluft
ist hinter der serpentinenförmigen
Strömungsbahn 3 des
Dampfkühlungsabschnittes
und vor den schlitzförmigen Öffnungen 9 vorgesehen.
Die Innenwand der Luftströmungsbahn 10 ist
mit zahlreichen Verwirbelungsgliedern 2a versehen, die
relativ zur Strömung
der Kühlluft
schräg
verlaufen. Eine Luftzuführöffnung 22 der
Luftströmungsbahn 10 ist an
der Außenkante
der äußeren Abdeckung 4 ausgebildet,
und die Luftströmungsbahn 10 erstreckt
sich zur Außenkante
der inneren Abdeckung 6 hin.
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In der äußeren Abdeckung 4 und
der inneren Abdeckung 6 sind Luftströmungsbahnen 13 bzw. 16 so
angeordnet, daß sie
den Außenumfang
der Abdeckung umgeben, um die Kühlluft
strömen
zu lassen. Die Luftströmungsbahn 13 der äußeren Abdeckung 4 ist
mit einem Lufteinlaß 11 und
einem Luftauslaß 12 versehen,
während
die Luftströmungsbahn 16 der
inneren Abdeckung 6 mit einem Lufteinlaß 14 und einem Luftauslaß 15 versehen
ist, durch die eine Konstruktion zur Durchführung einer Luftkühlung bereitgestellt
wird.
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Bei dieser Ausführungsform, die in der zuvor beschriebenen
Weise ausgebildet ist, sind zahlreiche Verwirbelungsglieder 2a im
Inneren der Gasturbinenleitschaufel 1 schräg angeordnet,
ist die mehrmals wendende, serpentinenförmige Strömungsbahn 3 vorgesehen,
und wird der Kühldampf
durch die Dampfkühlungsauftreffplatte 5 zugeführt, die
in der äußeren Abdeckung 4 vorgesehen
ist.
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Der Kühldampf fließt in der
serpentinenfönnigen
Strömungsbahn 3 entlang
deren Anordnung, indem er gewendet wird, kühlt die innere Abdeckung 6 durch
die innere Auftreffplatte 7 der inneren Abdeckung 6,
und wird dann erneut gewendet und fließt in der serpentinenförmigen Strömungsbahn 3.
Schließlich
wird der Kühldampf
durch die in der äußeren Abdeckung 4 vorgesehene
Dampfwiedergewinnungsöffnung 21 wiedergewonnen.
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Andererseits ist die Luftströmungsbahn 10, die
mit zahlreichen schlitzförmigen Öffnungen 9 versehen
ist, an der Hinterkante 8 der Leitschaufel 1 und benachbart
der Hinterkante 8 so ausgebildet, daß die Luftzuführöffnung 22 in
Verbindung mit der Luftströmungsbahn 13 steht,
die an der Außenkante
der äußeren Abdeckung 4 vorgesehen
ist, und der gegenüberliegende
Auslaß steht
mit der Luftströmungsbahn 16 in
Verbindung, die an der Außenkante
der inneren Abdeckung 6 vorgesehen ist. Daher fließt in dieser Bahn
die Kühlluft,
wodurch eine vorbestimmte Kühlung
erfolgt.
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Diese Ausführungsform hat daher verschiedene
Effekte: Die Leitschaufel 1 wird mit zwei Arten von Kühlmedien,
nämlich
Dampf und Luft, getrennt gekühlt,
so daß in
dem Dampfkühlsystem
der zur Kühlung
verwendete Dampf sicher wiedergewonnen und der erwärmte Dampf
wieder verwendet wird. Zudem verringert die Verwendung von Dampf,
der eine höhere
Wärmekapazität als Luft
aufweist, merklich die Gesamtfluidströmung von Dampf plus Luft im
Vergleich zu dem Fall, bei dem eine Kühlung nur mittels Luft erfolgt.
Weiter verbessert die Verminderung der Verwendung von Kühlluft den
Wirkungsgrad der Gasturbine, indem ein Spielraum für Verbrennungsluft geschaffen
wird.
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Vorstehend ist eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung
nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Selbstverständlich
kann diese spezifische Bauweise innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung in verschiedener Weise modifiziert werden.