DE69815735T2

DE69815735T2 - Gekühlte Gasturbinenlaufschaufel

Info

Publication number: DE69815735T2
Application number: DE69815735T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Arai-cho Fukuno; Yasuoki Arai-cho Tomita; Kenichi Arai-cho Arase; Toshiaki Arai-cho Sano
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2018-03-14
Also published as: CA2232128A1; EP0866214A3; EP0866214A2; DE69815735D1; CA2232128C; EP0866214B1; US6132173A; JP3457831B2; JPH10252406A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND ERKLÄRUNG ZUM STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Plattform für eine Gasturbinenlaufschaufel, bei der der periphere Abschnitt der Plattform wirksam mit Dampf gekühlt wird.
4 zeigt das Innere einer herkömmlichen Gasturbinenlaufschaufel, die ein typisches Luftkühlungssystem verwendet. In dieser Figur bezeichnet Bezugszeichen 11 eine Laufschaufel, 12 bezeichnet eine Plattform für die Laufschaufel 11, und 13A, 13B, 13C, 13D und 13E bezeichnen Luftkanäle in der Schaufel.
Verwirbelungsglieder 14 sind an der Innenwand jedes der Luftkanäle vorgesehen, um den Luftstrom zu verwirbeln und die Wärmeübertragung zu vergrößern. Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Schaufelansatzabschnitt. Kühlluft 18-1, 18-2 und 18-3 strömt vom unteren Teil des Schaufelansatzabschnittes 15 in die Schaufel ein.
In der wie zuvor beschrieben ausgebildeten Laufschaufel 11 tritt Kühlluft 18-1 in den Luftkanal 13A ein und strömt durch (nicht gezeigte) Luftlöcher an der Hinterkante aus, um eine Schlitzkühlung 17 durchzuführen. Kühlluft 18-2 tritt in den Luftkanal 13C ein, strömt vom Spitzenendabschnitt her in den Luftkanal 13C ein, fließt weiter vom unteren Abschnitt in den Luftkanal 13B, wobei sie bei diesem Vorgang durch (nicht gezeigte) Luftlöcher ausströmt, und wird am Spitzenendabschnitt ausgestoßen, während sie eine Filmkühlung durchführt. Kühlluft 18-3 tritt am Vorderkantenabschnitt ein in den Luftkanal 13E und strömt durch (nicht gezeigte) Luftlöcher an der Vorderkante aus, während sie zum Spitzenendabschnitt strömt, um eine Sprüh-Kopfkühlung 16 durchzuführen. Damit ist eine große Luftmenge erforderlich, um die Schaufel zu kühlen, so daß ein Teil der Luft in dem Rotorkühlsystem zugeführt wird, um die Kühlung zu bewirken.
Andererseits wird die Plattform 12 in den meisten Fällen nicht eigens gekühlt. Wenn die Plattform 12 gekühlt wird, werden in der Plattform Löcher ausgebildet, und ein Teil der Kühlluft zum Kühlen der Schaufel wird in diese Löcher eingeführt, darin strömen gelassen, und vom Endabschnitt der Plattform aus zur Außenseite hin ausgestoßen. 5, die eine Draufsicht auf die Plattform 12 für die in 4 gezeigte Laufschaufel 11 ist, zeigt ein Beispiel für eine gekühlte Plattform.
Wie in 5 gezeigt, ist die Laufschaufel 11 mit den vorgenannten Luftkanälen 13A, 13B, 13C, 13D und 13E versehen, und Kühlluft strömt in diesen Luftkanälen. Die Plattform 12 ist mit Luftöffnungen 20 und 22 zur Aufnahme eines Teils der in den Kühlkanal 13E einströmenden Kühlluft versehen. Zudem ist die Plattform 12 mit Luftlöchern 21 und 23 versehen, die in Verbindung mit den Luftlöcher 20 bzw. 22 stehen und sich zur Hinterkante hin erstrecken. Die Luftlöcher 21 und 23 sind zur Hinterkantenseite hin offen. Die aus dem Luftkanal 13E am Vorderkantenabschnitt aufgenommene Kühlluft strömt durch die Luftlöcher 20 und 21 sowie 22 und 23, fließt zu beiden Seiten der Plattform 12, um die Plattform 12 zu kühlen, und wird zur Hinterkantenseite hin abgegeben.
Wie zuvor beschrieben, kann bei der herkömmlichen Gasturbinenlaufschaufel stets eine große Menge Kühlluft zum Kühlen der Schaufel fließen. Daher wird eine beträchtliche Leistung verbraucht, um einen Verdichter zum Bereitstellen eines hohen Luftdruckes und einen Kühler zu betreiben, was zu einer Verringerung der Gasturbinenleistung führt.
In den vergangenen Jahren wurde ein kombiniertes System verwirklicht, das den Wirkungsgrad der Stromerzeugung erhöht, indem es eine Gasturbine mit einer Dampfturbine kombiniert, und es ist denkbar, ein System zu verwenden, bei dem statt der für die Kühlung der Schaufel verwendeten Luft ein Teil des in der Dampfturbine erzeugten Dampfes abgezogen und in die Schaufel eingebracht wird. Derzeit ist dieses Dampfkühlsystem jedoch noch nicht in der Praxis eingesetzt worden.
ZIEL UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gekühlte Plattform für eine Gasturbinenlaufschaufel bereitzustellen, bei der, wenn ein Dampfkühlsystem anstelle des herkömmlichen Luftkühlsystems zum Kühlen der Schaufel verwendet wird und die Schaufel eine für eine Dampfkühlung geeignete Kühlungskonstruktion aufweist, die Plattform ebenfalls eine Konstruktion hat, die dampfgekühlt werden kann, und niemals Luft zum Kühlen der Laufschaufel verwendet wird, wodurch die Gasturbinenleistung erhöht werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt eine gekühlte Plattform für eine Gasturbinenlaufschauel bereit, bei der ein Dampfkanal um einen Abschnitt der Plattform herum gebildet ist, an dem sich die Schaufel befindet, und bei Betrieb mit einem Dampfkanal in der Schaufel verbunden ist, so daß Dampf zwischen dem Dampfkanal in der Plattform und dem Dampfkanal in der Schaufel fließen kann, um die Schaufel zu kühlen, wobei die Plattform dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dampfkanal in der Plattform mindestens einen auf der ventralen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal, dessen beide Enden mit Dampfkanälen am Vorderkanten- und am Hinterkantenabschnitt der Schaufel verbunden sind, und mindestens einen auf der dorsalen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal aufweist, dessen beide Enden bei Gebrauch mit den Dampfkanälen am Vorderkanten- und am Hinterkantenabschnitt verbunden sind.
Zudem stellt die Erfindung eine Gasturbinenlaufschaufel mit einer gekühlten Plattform bereit, bei der ein Dampfkanal um einen Abschnitt der Plattform herum gebildet ist, an dem sich die Schaufel befindet, und mit einem Dampfkanal in der Schaufel verbunden ist, so daß bei Gebrauch Dampf zwischen dem Dampfkanal in der Plattform und dem Dampfkanal in der Schaufel fließen kann, um die Schaufel zu kühlen, wobei die Gasturbinenlaufschaufel dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dampfkanal in der Plattform mindestens einen auf der ventralen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal, der zwischen verschiedenen Abschnitten des Dampfdurchlasses in der Schaufel verläuft, und mindestens einen auf der dorsalen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal aufweist, der zwischen verschiedenen Abschnitten des Dampfdurchlasses in der Schaufel eine Verbindung herstellt.
Wenn bei Gebrauch der Erfindung ein Dampfkühlsystem anstelle eines Luftkühlsystems zum Kühlen der Schaufel verwendet wird, kann die Plattform für die Laufschaufel ebenfalls durch Dampf gekühlt werden, der aus dem unteren Abschnitt der Laufschaufel in die in der Plattform gebildeten Dampfkanäle fließt, um den peripheren Abschnitt der Plattform zu kühlen. Da zum Kühlen der Schaufel keine Luft benötigt wird, kann eine Erhöhung der Turbinenleistung erreicht werden.
Das US-Patent Nr. 4 312 625 (Pinaire) beschreibt und beansprucht einen Schaufelrotor für eine Turbine, bei der eine gekühlte Plattform vorgesehen ist, in der ein Wasserstoffkanal um einen Abschnitt der Plattform herum, an dem die Schaufel angeordnet ist, ausgebildet und mit einem Wasserstoffkanal in der Schaufel so verbunden ist, daß bei Gebrauch Dampf zwischen dem Kanal in der Plattform und dem Kanal in der Schaufel fließen kann, um die Schaufel zu kühlen. Die Bereitstellung der zuvor genannten Seitenkanäle, durch die der periphere Abschnitt der Plattform gekühlt werden kann, ist dort jedoch nicht beschrieben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Studium der beigefügten Ansprüche, auf die der Leser verwiesen wird, und aus einer Berücksichtigung der folgenden, detaillierteren Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung des Inneren einer Laufschaufel, bei der eine gekühlte Plattform für eine Gasturbinenlaufschaufel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz kommt;
2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1;
3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 2;
4 eine Schnittdarstellung, welche das Innere einer herkömmlichen Gasturbinenlaufschaufel zeigt, und
5 eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C in 4.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. 1 ist eine Schnittdarstellung des Inneren einer Laufschaufel, bei der eine gekühlte Plattform für eine Gasturbinenlaufschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, 2 ist eine Schnittdarstellung längs Linie A-A in 1, die eine Kühlkonstruktion für die Plattform zeigt, und 3 ist eine Schnittdarstellung längs Linie B-B in 2.
1 zeigt einen Fall, in dem ein Dampfkühlsystem zum Kühlen der Laufschaufel 1 verwendet wird. Die Laufschaufel 1 ist mit Dampfkanälen 3A, 3B, 3C und 3D versehen, die sich vom Basisabschnitt bis zum Spitzenendabschnitt erstrecken, und diese Dampfkanäle 3A bis 3D bilden einen serpentinenförmigen Kühlkanal. Verwirbelungsglieder 14 sind nach Bedarf an der Innenwand jedes der Dampfkanäle 3A bis 3D vorgesehen, um den Dampfstrom zu verwirbeln und die Wärmeübertragung zu vergrößern.
Bei der wie zuvor beschrieben ausgebildeten Laufschaufel 1 fließt Dampf 30 in den Dampfkanal 3A am Hinterkantenabschnitt durch einen (nicht gezeigten) Dampfeinlaß am unteren Teil eines Schaufelansatzabschnittes und tritt vom Spitzenendabschnitt her beim Zwischenabschnitt der Hinterkantenseite in den Dampfkanal 3B ein. Dann tritt der Dampf 30 in den Dampfkanal 3C am Zwischenabschnitt der Vorderkantenseite vom Basisabschnitt des Dampfkanals 3B her ein, und strömt weiter vom Spitzenendabschnitt her in den Dampfkanal 3D am Vorderkantenabschnitt, und fließt zum Basisabschnitt. Der Dampf 30, der die Schaufel auf diese Weise kühlt, wird durch einen (nicht gezeigten) Dampfauslaß am Schaufelansatzabschnitt wiedergewonnen und zu einer Dampfzuführquelle zurückgeführt. Am Einlaßabschnitt des Dampfkanals 3A strömt ein Teil des Dampfes in Dampfkanäle in einer Plattform 2, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
2 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1, welche die Dampfkanäle in der Plattform 2 zeigt. In 2 stehen erste und zweite Dampfkanäle 4 und 7 mit dem Dampfkanal 3A am Hinterkantenabschnitt in Verbindung. Der erste Dampfkanal 4 ist mit dem dritten und vierten Dampfkanal 5 und 6, und der zweite Dampfkanal 7 mit einem fünften Dampfkanal 8 verbunden. Weiter ist der fünfte Dampfkanal 8 mit einem sechsten Dampfkanal 9 verbunden. Diese Dampfkanäle 5, 6 und 8, 9 stehen am Basisabschnitt mit dem Dampfkanal 3D am Vorderkantenabschnitt in Verbindung.
Bei der auf diese Weise gebauten Plattform 2 strömt ein Teil des Dampfes 30, der aus dem Basisabschnitt des Dampfkanals 3A am Hinterkantenabschnitt ausströmt, in den ersten und zweiten Dampfkanal 4 und 7 und fließt durch den dritten, vierten und fünften Dampfkanal 5, 6 und 8 zum Vorderkantenabschnitt. Damit kühlt der Dampf 30 den peripheren Abschnitt der Plattform 2 und strömt aus dem Basisabschnitt des Dampfkanals 3D am Vorderkantenabschnitt aus, wobei er zusammen mit dem Kühldampf, der die Schaufel gekühlt hat, wiedergewonnen wird.
Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind als ein Beispiel zwei Dampfkanäle 5 und 6 auf einer Seite (der ventralen Seite der Schaufel) der Plattform 2 und ein Dampfkanal 8 auf der anderen Seite (der dorsalen Seite der Schaufel) vorgesehen. Die Anzahl der Dampfkanäle ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und es können nach Bedarf ein oder mehrere Dampfkanäle vorgesehen sein, was vom Platz in der Plattform 2 abhängt. Diese Dampfkanäle können dadurch gebildet werden, daß in der Platform kreisrunde Löcher ausgebildet werden. Zudem kann der Strömungseinlaß für den Dampf 30, der an der Hinterkantenseite in 1 vorgesehen ist, auch an der Vorderkantenseite vorgesehen sein, was vom Dampfkühlungsweg für die Schaufel abhängt.
Bei der wie zuvor beschrieben dampfgekühlten Laufschaufel 1 muß die Wärmekapazität auf ein Höchstmaß verringert werden, um die Kühlwirkung zu erhöhen. Aus diesem Grunde ist es bevorzugt, die Dicke der Plattform 2 an den mit gestrichelten Linien in 3 angezeigten Abschnitten zu verringern.
Entsprechend der gekühlten Plattform für eine Gasturbinenlaufschaufel der obigen Ausführungsform kann in einer Gasturbine, bei der die Laufschaufel mit Dampf anstelle von Luft gekühlt wird, dann, wenn die Plattform für die Laufschaufel wie in 2 ausgebildet ist, die Plattform für die Laufschaufel auch durch Dampf gekühlt werden, so daß die Gasturbinenleistung dadurch erhöht werden kann, daß keine Luft verwendet wird.
Die Endung ist auf Bauarten, bei denen die Plattform und die Turbinenlaufschaufel einstückig sind, ebenso anwendbar wie bei solchen bei denen die Plattform und die Schaufel getrennt ausgebildet sind.

Claims

Gekühlte Plattform (2) für eine Gasturbinenlaufschaufel (1), bei der ein Dampfkanal um einen Abschnitt der Plattform herum gebildet ist, an dem sich die Schaufel befindet, und bei Gebrauch mit einem Dampfkanal (3A, 3B, 3C, 3D) in der Schaufel verbunden ist, so daß Dampf (30) zwischen dem Dampfkanal in der Plattform und dem Dampfkanal in der Schaufel fließen kann, um die Schaufel zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfkanal in der Plattform mindestens, einen auf der ventralen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal (5, 6), dessen beide Enden mit Dampfkanälen (3D, 3A) am Vorderkanten- und, am Hinterkantenabschnitt der Schaufel verbunden sind, und mindestens einen auf der dorsalen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal (8) aufweist, dessen beide Enden bei Betrieb mit den Dampfkanälen am Vorderkanten- und am Hinterkantenabschnitt verbunden sind.
Gekühlte Plattform für eine Gasturbinenlaufschaufel nach Anspruch 1, bei welcher der Dampfkanal in der Plattform nicht an die Atmosphäre außerhalb der Plattform angeschlossen ist.
Gasturbinenlaufschaufel (1) mit einer gekühlten Plattform (2), bei der ein Dampfkanal um einen Abschnitt der Plattform herum gebildet ist, an dem sich die Schaufel befindet, und mit einem Dampfkanal (3A, 3B, 3C, 3D) in der Schaufel verbunden ist, so daß bei Betrieb Dampf (30) zwischen dem Dampfkanal in der Plattform und dem Dampfkanal in der Schaufel fließen kann, um die Schaufel zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfkanal in der Plattform mindestens einen auf der ventralen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal (5, 6), der zwischen verschiedenen Abschnitten des Dampfdurchlasses in der Schaufel verläuft, und mindestens einen auf der dorsalen Seite der Schaufel angeordneten Dampfkanal (8) umfaßt, der zwischen verschiedenen Abschnitten des Dampfdurchlasses in der Schaufel eine Verbindung herstellt.
Gasturbinenlaufschaufel mit einer gekühlten Plattform nach Anspruch 3, bei welcher der Dampfkanal in der Schaufel einen Fließabschnitt (3A) zur Aufnahme von Dampf aus einer Quelle und einen Rücklaufabschnitt (3D) zur Rückführung von Dampf, der durch den Dampfkanal in der Schaufel geströmt ist, umfaßt.
Gasturbinenlaufschaufel mit einer gekühlten Plattform nach Anspruch 4, bei der der Fließ- und Rücklaufabschnitt in Längsrichtung der Schaufel verlaufen.
Gasturbinenlaufschaufel mit einer gekühlten Plattform nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei welcher der Fließ- und der Rücklaufabschnitt zwischen Bereichen verlaufen, die benachbart dem Schaufelansatz und der Schaufelspitze angeordnet sind.
Gasturbinenlaufschaufel mit einer gekühlten Plattform nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welcher der Strömungskanal in der Schaufel sinus- oder serpentinenförmig ausgebildet ist und weitere Abschnitte (3B, 3C) zwischen dem Fließ- und dem Rücklaufabschnitt umfaßt.
Gasturbinenlaufschaufel mit einer gekühlten Plattform nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die verschiedenen Abschnitte der Fließ- und der Rücklaufabschnitt sind, die sich benachbart dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenabschnitt der Schaufel befinden.