DE69817533T2

DE69817533T2 - Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE69817533T2
Application number: DE69817533T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Arai-cho Suenaga; Sunao Arai-cho Aoki; Kazuo Arai-cho Uematsu
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: US6079946A; EP0955449A1; CA2231988C; EP0955449B1; DE69817533D1; CA2231988A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND ERKLÄRUNG ZUM STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenschaufel, die unter gleichzeitiger Verwendung zweier verschiedener Kühlmittelarten, d. h. mittels Dampf und aus einem Verdichter abgezogener Luft, gekühlt wird.
Gekühlte Schaufeln, die in einer Hochtemperatur-Gasturbine verwendet werden, weisen einen Kühlluftkanal im Inneren der Schaufeln auf. Die Schaufeln werden mit Luft mit niedriger Temperatur gekühlt, die durch den Kanal in der Schaufel strömt, und die Temperatur der Schaufel wird auf ein annehmbares Temperaturniveau herabgesetzt, das niedriger als die Temperatur des Brenngases ist.
Beim herkömmlichen Luftkühlsystem, wie es im Vertikalschnitt der 4(a) und in der längs der Linie B-B in 4(b) geschnittenen Ansicht gezeigt ist, strömt die der Schaufel zugeführte Külluft durch den inneren Kühlkanal vom Ansatzteil der Schaufel zum inneren Teil der Schaufel und wird als in einer Richtung fließender Strom aus den Öffnungen in der Schaufel, die sich zum Hauptstrom hin öffnen, in den Hauptgasstrom abgezogen.
Da es bei dem herkömmlichen System eine Obergrenze für den Wärmewirkungsgrad gibt, wurde in den letzten Jahren die Verwendung von Dampf an Stelle von Luft vorgeschlagen, um den Wärmewirkungsgrad des herkömmlichen Systems weiter zu verbessern.
Wenn die Dampfkühlung angewendet wird, wird der Dampf nicht in den Hauptstrom abgezogen und wiedergewonnen, und aus diesem wiedergewonnenen Dampf wird durch Sammeln der Wärme, die bei der Kühlung der Gasturbinen unter Verwendung einer Dampfturbine erhalten wurde, Wärme wiedergewonnen. Dabei kann der Wirkungsgrad der Anlage insgesamt beibehalten und der Turbinen-Wirkungsgrad verbessert werden, indem die Menge von in die Gasturbine ausgeblasenem Kühlmedium verringert wird.
Wenn der Dampf durch die Dampfturbine wiedergewonnen wird, kann eine Verringerung des Wirkungsgrades minimiert werden, wenn Druckverluste, die durch die Kühlung der Gasturbine verursacht sind, verringert werden können und die Wärme bei einer höheren Druckstufe der Dampfturbine wiedergewonnen wird.
Wie jedoch ohne weiteres aus 4 ersichtlich ist, die ein Beispiel für Luftkühlung zeigt, ist der Hinterkantenteil einer Laufschaufel in einer Gasturbine so dünn ausgebildet, daß Aerodynamikverluste verringert werden. Es wäre schwierig, Konvektionskühlungsstrukturen, wie z. B. eine Serpentinenkühlung oder eine Aufprallkühlung, im Inneren dieses dünnen Abschnitts bereitzustellen.
Eine Gasturbinen-Rotorschaufel mit einer kombinierten Dampf- und Luftkühlung ist im Dokument GB-A-2 307 520 beschrieben.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Gasturbinenschaufel gemäß Anspruch 1 bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorgenannten Probleme zu lösen, und stellt eine Gasturbinenlaufschaufel bereit, die folgendes umfaßt: ein Schaufelteil, ein Plattformteil, ein Wurzelteil, eine Dampfkühlungsstruktur, die im Vorderkantenieil und im Mittelteil der Schaufel zur Dampfkühlung mittels Wärmerückgewinnung vorgesehen ist, und eine Konvektions- und Filmkühlungsstruktur, die von einem Verdichter ausgestoßene Luft in das Hinterkantenteil der Schaufel einführt. Dies bedeutet, daß am Vorderkantenteil und am Mittelteil, an denen die Schaufeldicke groß ist, Dampf zur Kühlung einem solchen Kühlkanal, wie z. B. einem serpentinenförmigen Strömungskanal, zugeführt und Wärme wiedergewonnen wird. Einerseits wird die aus dem Verdichter abgezogene Luft am Hinterkantenteil, an dem die Dicke der Schaufel klein ist, als Kühlluft aus einer Kühlkanal-Einlaßöffnung eingeführt, die am Schaftteil und dgl. der Schaufel ausgebildet ist, dann werden eine Konvektionskühlung und eine anschließende Filmkühlung durchgeführt. Durch Einsatz einer solchen Kühlstruktur mit einer Kombination aus Luft- und Dampfkühlung wird die wirksame Kühlung ohne ein Auftreten von Schwierigkeiten bei der spanenden Bearbeitung erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun sei eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch näher beschrieben, in denen:
1 eine Schnittansicht zeigt, welche die Kühlungsstruktur des Gasturbinen-Schaufelteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
2 eine Draufsicht darstellt, welche die Kühlungsstruktur der Plattform der Gasturbinenschaufel aus 1 zeigt,
3 eine Schnittdarstellung längs Linie A-A in 2 ist, und
4 die herkömmliche Schaufelkühlungsstruktur zeigt, wobei 4(a) eine Vertikalschnittdarstellung und 4(b) eine Schnittansicht längs Linie B-B in 4(a) zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun sei eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. 1 zeigt eine Vertikalschnittdarstellung der Gasturbinenlaufschaufel, 2 stellt die Kühlungsstruktur der Plattform dar, und 3 zeigt eine Schnittdarstellung der Plattform-Konvektionskühlungsöffnungen.
In den Figuren sind ein Schaufelteil 1, eine Plattform 2, ein serpentinenförmiger Kühlkanal 3, der vom Vorderkantenteil bis zum Mittelteil der Schaufel hin ausgebildet ist, eine Zuführöffnung 4 für den Kühldampf, eine Wiedergewinnungsöffnung 5 für den Kühldampf, ein Kühlkanal 6 mit mehreren Öffnungen, der an der Plattform 2 ausgebildet ist, ein Kühlluftkanal 7, der im Hinterkantenteil der Schaufel vorgesehen ist, Konvektionskühlungsöffnungen 8, die im Hinterkantenteil der Schaufel, in Fortsetzung des Kühlluftkanals 7 des Hinterkantenteiles der Schaufel, vorgesehen sind, ein Kühlluftkanaleinlaß 10, ein Wurzelteil 11 der Schaufel und ein Pfeil 12, der den Zustrom der aus einem Verdichter abgezogenen Luft darstellt, gezeigt. Die Zuführöffnung 4 für den Kühldampf und die Wiedergewinnungsöffnung 5 für den Kühldampf sind im Wurzelteil 11 der Schaufel vorgesehen und stehen in Verbindung mit dem serpentinenförmigen Kühlkanal 3.
Bei der Ausführungsform mit dem obigen Aufbau wird der Schaufelkühldampf von einem Rotorsystem über die Zuführöffnung 4 für den Kühldampf des Schaufel-Wurzelteiles 11 zugeführt. Zudem wird dieser Schaufelkühldampf, nach der Kühlung beim Durchströmen des inneren, serpentinenförmigen Kühlkanals 3 in der Schaufel 1 entlang dem Pfeil, durch die Wiedergewinnungsöffnung 5 für den Kühldampf im Schaufel-Wurzelteil 11 des Rotorsystems wiedergewonnen.
Gleichzeitig weist die Plattform 2 einen abgezweigten Dampfstrom auf der stromabwärts der Zuführöffnung 4 für den Kühldampf gelegenen Seite auf. Nach der Durchführung einer Konvektionskühlung mit dem Dampf, der in dem mehrere Öffnungen aufweisenden Konvektionskühlkanal 6 fließt, wird der abgezweigte Dampfstrom mit dem Schaufelkühldampf auf der stromaufwärts der Wiedergewinnungsöffnung 5 für den Kühldampf gelegenen Seite vermischt und dann wiedergewonnen.
Andererseits wird die aus dem Verdichter abgezogene Luft 12 im Hinterkantenteil der Schaufel vom Luftkühlkanaleinlaß 10 zugeführt, und die Luft 12 strömt durch den Luftkühlkanal 7. Nach dem Durchführen einer Kühlung durch die Konvektionskühlöffnungen 8 im Hinterkantenteil der Schaufel wird die Luft 12 in den Hauptstrom abgezogen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird vom Rotorsystem zugeführter Kühldampf zum Kühlen der Plattform 2 sowie des Vorderkantenteiles und des Mittelteiles des Schaufelteils 1 verwendet, während er in den inneren Konvektionskühlkanal eingeführt wird und durch den mehrere Öffnungen aufweisenden Kühlkanal 6 und den serpentinenförmigen Kanal 3 strömt. Nach dem Dampfkühlen durch den serpentinenförmigen Kanal 3 und den mehrere Öffnungen aufweisenden Kanal 6 wird der Kühldampf, zusammen mit der Wärme, die infolge der Kühlung abgezogen wurde, wieder in das Rotorsystem zurückgeführt. Die gesammelte Wärme wird dann außerhalb des Schaufelsystems wiedergewonnen.
Die nach dem Kühlen der Schaufel aus dem Dampf gewonnene Wärme wird über eine (nicht gezeigte) Dampfturbine wiedergewonnen. Eine Verschlechterung der Gasturbinenleistung wird verhindert, und eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine kann erzielt werden, indem nicht zugelassen wird, daß das Kühlmittel in die Gasturbine eintritt. Der Wirkungsgrad der Anlage insgesamt kann in Kombination mit diesen Effekten erhöht werden.
Im Zusammenhang mit dem Hinterkantenteil der Schaufel wird die aus dem Verdichter abgezogene Luft 12 dem Luftkühlkanaleinlaß 10 zugeführt, der an einem Schaftteil vorgesehen ist, und durch den Luftkühlkanal 7, der sich von der Schaufelwurzel zum Schaufelende hin erstreckt, hindurchgeführt. Die Luft 12 strömt durch die Konvektionskühlöffnungen 8, die im Hinterkantenteil der Schaufel vorgesehen sind, und durch die Filmkühlöffnungen, die an der Schaufeloberfläche ausgebildet sind, um die Kühlung zu bewirken. Da dieser Kühlluftkanal 7 und die Konvektionskühlöffnungen 8, im Gegensatz zum serpentinenförmigen Kanal 3, kein großes Volumen aufweisen, ist die Herstellung eines solchen Kanals und solcher Öffnungen nicht schwierig. Die Temperatur des Metalls kann durch die Filmkühlung auf eine Temperatur unterhalb des tolerierbaren Temperaturwertes herabgesetzt werden.
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform, wie sie in den vorstehenden Abschnitten dargelegt wurde, beschrieben wurde, ist doch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen zu ihrer spezifischen Bauweise im Bereich der vorliegenden Erfindung hinzugefügt werden können.

Claims

Gasturbinenlaufschaufel mit: einem Schaufelteil (1), einem Plattformteil (2), einem Wurzelteil (11), einer Dampfkühlungsstruktur zur Durchführung einer Dampfkühlung mit Wärmerückgewinnung an einem Vorderkantenteil und einem Mittelteil des Schaufelteils mit Dampf, wobei die Dampfkühlungsstruktur einen Kühlkanal (3) zum Zuführen des Kühldampfes zum Vorderkantenteil und zum Mittelteil der Schaufel (1) umfaßt; einer Luftkühlungsstruktur zum Einführen von aus einem Verdichter abgezogener Luft (12) zum Kühlen eines Hinterkantenteils der Schaufel, wobei die Luftkühlungsstruktur einen Kühlluftkanal (7) zum Einführen der aus dem Verdichter abgezogenen Luft (12) in das Hinterkantenteil der Schaufel (1) und Löcher (8) umfaßt, die in einer Wand des Schaufelteils so vorgesehen sind, daß der Luftstrom aus dem Kühlluftkanal (7) zur Außenseite des Schaufelteils strömen kann, und gekennzeichnet durch eine Dampfkühlungsstruktur für das Plattformteil, wobei das Plattformteil (2) der Schaufel mindestens einen Kanal (6) zum Durchleiten eines vom Kühldampf zum Kühlen des Schaufelteils abgezweigten Kühldampfstromes aufweist.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, bei welcher der Dampfkühlkanal (3) zum Kühlen des Vorderkantenteils und des Mittelteils des Schaufelteils (1) serpentinenförmig ausgebildet ist.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher der Kühlkanal (6) in dem Plattformteil (2) ein Kanal der Art mit mehreren Öffnungen ist.
Gasturbinenschaufel nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der sowohl eine Zuführöffnung (4) für den Kühldampf als auch eine Wiedergewinnungsöffnung (5) für den Kühldampf im Wurzelteil (11) der Schaufel vorgesehen sind und in Verbindung mit dem Dampfkühlkanal (3) stehen.
Gasturbinenschaufel nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der im Wurzelteil (11) ein Einlaß (10) für die Kühlluft (12) vorgesehen ist.
Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, bei welcher das Hinterkantenteil der Schaufel durch Konvektions- und Filmkühlung gekühlt ist.
Gasturbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, bei der die Kühlkanäle (6) zur Dampfkühlung der Plattform (2) mit der Dampfeinlaßöffnung (4) an einer Vorderkantenseite der Schaufel und mit einer Dampfauslaßöffnung (5) an einem Mittelteil der Schaufel an der Wurzel (11) in Verbindung stehen.