EP1180578A1 - Anordnung von Turbinenschaufeln - Google Patents

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EP1180578A1
EP1180578A1 EP00117667A EP00117667A EP1180578A1 EP 1180578 A1 EP1180578 A1 EP 1180578A1 EP 00117667 A EP00117667 A EP 00117667A EP 00117667 A EP00117667 A EP 00117667A EP 1180578 A1 EP1180578 A1 EP 1180578A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling air
guide vane
duct
turbine guide
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00117667A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Dieter Dr. Bolms
Michael Dr. Strassberger
Peter Tiemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP00117667A priority Critical patent/EP1180578A1/de
Priority to DE50108476T priority patent/DE50108476D1/de
Priority to US10/344,730 priority patent/US7201564B2/en
Priority to EP01962905A priority patent/EP1309773B1/de
Priority to PCT/EP2001/009015 priority patent/WO2002014654A1/de
Priority to ES01962905T priority patent/ES2255567T3/es
Priority to JP2002519765A priority patent/JP4726389B2/ja
Publication of EP1180578A1 publication Critical patent/EP1180578A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of turbine guide vanes, in particular turbine guide blades of the rearmost stages, each with a radially outer foot area, a radially inner head area and one between Radial cooling air duct running at the top and bottom, into the cooling air in an inlet opening in the foot area can be introduced and through an outlet opening in the head area is at least partially reusable.
  • a hot gas stream driving a turbine is generated by the stationary Turbine guide vanes to the turbine blades, the disks rotating on a central turbine axis are attached, directed.
  • a circular arrangement of Turbine guide vanes with their radially outer root areas attached to a stationary turbine housing wall alternate with an arrangement of turbine blades on a rotating disc.
  • the radial inner head areas of the turbine guide vanes border on one U-shaped inner ring, one on its outside Has labyrinth seal against the flow around the U-ring sealed with hot gas.
  • the problem here is that the U-shaped ring is made of and cost reasons mostly from a little temperature resistant Material exists.
  • the cooling air When flowing through the turbine guide vane the cooling air usually heats up to the maximum permissible temperature of the turbine guide vane.
  • the cooling air therefore already has it when it flows into the U-ring a fairly high temperature and can with the low Amounts of cooling air required for cooling the turbine guide vane a rear stage compared to the other turbine guide vane stages not very warm, would be enough do not provide sufficient cooling of the U-ring.
  • This is also problematic because the in through the U-ring and the cavity formed in the turbine blade head region Cooling air is discharged after flowing through the cavity and towards the rear, largely uncooled, heat sensitive turbine blade disk flows.
  • the object of the present invention is therefore an arrangement of turbine guide vanes to create a lower Requires cooling air, while the U-shaped Ring is sufficiently cooled.
  • the cooling air duct has a has radial inner channel through which the cooling air from the foot area flows to the head area and one to the inner channel adjacent outer channel, which at least partially the inner channel surrounds the circumference, which communicates with the inner channel and which has an outlet opening in the foot area, a portion of cooling air in the direction through the outer duct Flows back foot area and flows out through the outlet opening.
  • cooling air duct By dividing the cooling air duct into the inner and outer duct it is achieved that the cooling air first through the inner duct flows and partially at the foot area to cool the U-shaped Ring flows out and partly again after the diversion flows back through the outer channel.
  • the inner channel will flowed through by the total amount of cooling air and less Flow of cooling air flows in the form of a counterflow.
  • the cooling air flowing back in a rapid flow isolates on the one hand the inner duct and allows the cooling air to the outflow point in the U-ring at the head area a low Has temperature without using large amounts of cooling air should be.
  • the cooling air flowing back cools the side walls of the cooling air duct and thus the surrounding ones Areas of the turbine guide vane that support the load Areas of the turbine guide vane are.
  • the walls of the Turbine blades that surround the cooling air duct are in accordance with the invention thicker than in the prior art and thus more stable.
  • the invention thus offers the advantage that with small amounts of cooling air both the turbine guide vane and the U-shaped ring are sufficiently cooled become.
  • the outer channel has the inner channel practically on all sides on the circumference surrounds the heat radiation through the inner channel guided cooling air from almost all sides of the part the cooling air, which can be conducted through the outer duct, is removed. Because of the large radiation area is a large one Heat transfer possible in a short time. The one arriving in the head area Cooling air thus has a very low temperature and can optimally cool the U-shaped ring.
  • the inner channel has at least one communication hole, can pass through the cooling air into the outer duct, the cooling air is accelerated very strongly at the drilling site. This improves the cooling properties of the cooling air in the Outer channel, because of the higher speed more heat can be included.
  • a long cooling air path inside the turbine guide vane and thus a good utilization of the cooling air is achieved if the inner channel at least at a head end area has a communication hole.
  • the cooling air can the cooling air pipe over almost the entire length between the head and shield the foot area from the hot shovel wall, see above that emerges in the head region of the turbine guide vane Cooling air even with a low cooling air flow in the inner duct has a sufficiently low temperature to make the U-shaped Ring cool well.
  • the cooling air flow flowing back in the outer duct cools the surrounding areas of the turbine guide vane at the same time.
  • the turbine guide vane at the foot area has an outlet opening in a trailing edge area, which is connected to the outer channel.
  • a trailing edge area which is connected to the outer channel.
  • the arrangement of the outlet opening in the rear edge area prevents penetration of inflowing hot gas that would cause damage.
  • the fact that the outlet openings for the cooling air flowing through the outer duct Base area of the turbine guide vane are housed the cooling air goes a very long way inside the turbine vane and can also be used with smaller amounts of cooling air absorb a lot of thermal energy from the turbine guide vane and lead to the outside without the air in the inner channel would be heated.
  • the speed is and the type of flow of cooling air flowing around the total channel length approximately the same size and thus also the Heat dissipation. This ensures an even cooling performance guaranteed.
  • the inner duct is a cooling air guide tube which can be inserted into the cooling air duct is that with a distance to the inner walls of the Cooling air duct is arranged and the outer duct through the Space between the cooling air guide tube and the inner walls of the cooling air duct is formed.
  • the production of the cooling channel is simplified.
  • the cooling air guide tube can after casting be used in the cooling air duct.
  • the outer channel exists then from that extending around the cooling air guide tube Gap.
  • the thickness of the space that the Distance of the cooling air guide tube from the side walls of the cooling air duct can be adjusted as required. The narrower the gap, the greater the speed the cooling air forced through. By a increasing cooling air speed increases their ability for heat dissipation.
  • the cross section of the outer channel is like this is chosen that the cooling air flows quickly through the duct and thus sufficient cooling is guaranteed.
  • the task also relates to a process for Production of a turbine guide vane.
  • the task is solved by a casting process for the production an arrangement of turbine guide vanes in which a Core is used which is the cooling air duct of the turbine guide vane generated, with the core having a smaller cross section has, as usual cores for the casting of turbine guide vanes, after casting in the cooling air duct with at least one Cooling air guide tube provided with communication hole at a distance to the inner walls of the cooling air duct, and into the wall in the rear edge area of the foot area of the Turbine guide vane up to the outer contour of the turbine guide vane through openings are introduced.
  • the shape of the blade core for the Casting can be reduced in size compared to conventional casting cores. Since the resulting cooling channel is therefore smaller, the wall thickness increases the turbine blade, in particular to the leading edge strongly towards. The cast is therefore uncritical in view Wall thicknesses considerably simplified.
  • a cooling air guide tube is used. Between the cooling air duct and the cooling channel inner wall is only a narrow one External channel that surrounds the cooling air guide tube in a ring.
  • the cooling air is thus not heated up as much. A smaller amount of cooling air is sufficient out.
  • the cooling of the turbine guide vane is with the relatively low temperatures especially in the rear Levels sufficient.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a turbine guide vane 1 of the last steps.
  • the foot area 2 which has retaining projections 24, becomes the turbine guide vane 1 on an inner wall, not shown cylindrical turbine casing attached.
  • the turbine guide vane 1 Extends from there the turbine guide vane 1 with its airfoil 18 radially in the direction of a central turbine axis 30 of the turbine housing.
  • the radially inner end of the turbine guide vane 1 forms the head area 3, which is a plateau 25 and a radially inner one with respect to the turbine axis 30 has arcuate recess 26.
  • At this head area 3 is a U-shaped by means of rail-like holding projections 27 Ring 19 coupled.
  • the holding projections 27 engage in Retaining grooves 28 of the U-shaped ring 19.
  • One is located radially on the inside of the U-shaped ring 19 Labyrinth seal 21. This seals the when the Turbine rotating about the central turbine axis 31, adjacent underlying turbine blade disc 22, the Turbine blades, not shown, is occupied against a direct flow of hot gas 17 from.
  • the airfoil 18 has a radial, cylindrical shape Cooling air duct 4, which is continuous from an inlet opening 36 of the cooling air 23 in the foot region 2 of the turbine guide vane 1 up to its outlet opening 35 of the cooling air Head region 3 of the turbine guide vane 1 runs. He has a cross-sectional contour 34 in the area of the airfoil 18 and the foot region 2 of the outer contour 16 of the airfoil 18 resembles. The cross-sectional contour 34 of the cooling air duct 4 remains when looking from the foot area 2 to before Main area 3 can get substantially in shape however decrease in size. When the cooling air duct enters 4 in the head region 3, the cross section 34 narrows Form of a circumferential step 33.
  • This narrowed cross section 34 is then up to the recess 26 in the head area 3, in the the outlet opening 35 of the cooling channel 4 into the cavity 20 approximately maintained.
  • the cooling air duct 4 is a cylindrical cooling air guide tube 13 inserted approximately in the center.
  • the cooling air guide tube 13 has an almost constant elliptical cross section 15.
  • the cooling air guide tube is held 13 at the head region 3 of the turbine guide vane 1 essentially in that it is up to the revolving stage 33 with a cross section 15 adapted to the transition is sufficient or even in the head region 3 in the narrowed cross section 34 of the cooling air duct 4 is used.
  • the cooling air guide tube 13 for example, by on side walls 8 of the cooling air duct 4 attached spacers 37 held in the middle.
  • the cooling air duct 4 can when casting the turbine blade 1 cast directly by inserting a casting core become.
  • the cooling air guide tube 13 is cast in the Cooling air duct 4 used.
  • the cooling air 23 enters the inlet opening 36 of the cooling air guide tube 13, which extends up to an upper side 32 of the foot region 2 of the turbine guide vane 1 is sufficient.
  • the cooling air 23 then flows through the cooling air guide tube 13 to a communication hole 10.
  • a cooling air flow component 42 continues to flow to the head region 3 of the turbine blade 1 and there through the outlet opening 35 in the Cavity 20.
  • Another cooling air flow portion 41 flows from Cooling air guide tube 13 through a communication hole 10 in an outer channel 9 between the cooling air guide tube 13 and the cooling air channel 4 and there in the opposite direction Foot area 2, as shown in Fig.2. Through the narrowed Bores 10 the cooling air portion 41 flows accelerated the cooling channel inner wall 8.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the turbine guide vane 1 according to Fig. 1.
  • the entire cooling air flow 23, the foot side End area 5 flows into the cooling air guide tube 13 split into two cooling air flow portions, the redirected Cooling air flow 41 through the holes 10 on the head side End region 6 flows into the outer channel 9 and at the outlet opening 12 flows out again, and that to the U-shaped ring 19 cooling air stream 42 flowing out.
  • FIG 3 shows the development of the temperature T of the cooling air flow components 41, 42, while the turbine guide vane 1 in the longitudinal direction 31 to an end length 1 of the cooling air duct Flow through 4.
  • the maximum temperature Tmax is from continuous current 42 is not reached, causing the U-shaped Ring can be cooled sufficiently.
  • the other part of the cooling air 41 takes the greater part of the heat with and conveys it out of the turbine blade without the heat can damage the temperature-sensitive areas.
  • the whole Cooling air volume 23, the sum of both electricity components 41, 42 is significantly lower than in the prior art.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel, insbesondere Turbinenleitschaufel (1) der hintersten Stufen, mit jeweils einem radial außen angeordneten Fußbereich (2), einem radial innen angeordneten Kopfbereich (3) und einem zwischen Kopfbereich und Fußbereich verlaufenden radialen Kühlluftkanal (4), in den Kühlluft (23) in eine Eintrittsöffnung (36) im Fußbereich einleitbar und durch eine Austrittsöffnung (35) im Kopfbereich zumindest teilweise ausleitbar ist. Dabei weist der Kühlluftkanal einen radialen Innenkanal (13) auf, durch den die Kühlluft vom Fußbereich zum Kopfbereich strömt und einen an den Innenkanal angrenzenden Außenkanal (9), der den Innenkanal zumindest teilweise umfangsseitig umgibt, der mit dem Innenkanal kommuniziert (10) und der eine Austrittsöffnung (12) im Fußbereich aufweist, wobei durch den Außenkanal ein Kühlluftanteil in Richtung Fußbereich zurückströmt und durch die Austrittsöffnung austritt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Turbinenleitschaufeln, insbesondere Turbinenleitschaufeln der hintersten Stufen, mit jeweils einem radial außen angeordneten Fußbereich, einem radial innen angeordneten Kopfbereich und einem zwischen Kopfbereich und Fußbereich verlaufenden radialen Kühlluftkanal, in den Kühlluft in eine Eintrittsöffnung im Fußbereich einleitbar und durch eine Austrittsöffnung im Kopfbereich zumindest teilweise ausleitbar ist.
Ein eine Turbine antreibender Heißgasstrom wird von den stationären Turbinenleitschaufeln zu den Turbinenlaufschaufeln, die auf sich um eine zentrale Turbinenachse drehenden Scheiben befestigt sind, geleitet. Eine kreisförmige Anordnung von Turbinenleitschaufeln, die mit ihren radial äußeren Fußbereichen auf einer stationären Turbinengehäusewand befestigt sind, wechselt sich dabei ab mit einer Anordnung von Turbinenlaufschaufeln auf einer sich drehenden Scheibe. Die radial inneren Kopfbereiche der Turbinenleitschaufeln grenzen an einen U-förmigen inneren Ring, der auf seiner Außenseite eine Labyrinthdichtung aufweist, die gegen Umströmung des U-Rings mit Heißgas abdichtet.
Zur Kühlung der durch das vorbeiströmende Heißgas aufgeheizten Turbinenschaufeln wird in der Regel Kühlluft eingesetzt. Bei Turbinenleitschaufeln strömt die Kühlluft beispielsweise durch einen in der Turbinenleitschaufel angebrachten radialen Kühlluftkanal vom radial äußeren Fußbereich der Turbinenleitschaufel bis zum radial inneren Kopfbereich. Aus dem Kopfbereich wird die Kühlluft in den angrenzenden U-förmigen Ring eingeleitet. Dieser wird durch die vorbeiströmende Kühlluft gekühlt. Durch einen Überdruck der Kühlluft soll zudem verhindert werden, daß Heißgas in den von dem Kopfbereich der Turbinenleitschaufeln und dem darunterliegenden U-förmigen Ring gebildeten Hohlraum eindringt.
Problematisch ist dabei, daß der U-förmige Ring aus Fertigungs- und Kostengründen zumeist aus einem wenig temperaturresistenten Material besteht. Beim Durchströmen der Turbinenleitschaufel heizt sich die Kühlluft in der Regel bis zur maximalen zulässigen Temperatur der Turbinenleitschaufel auf. Die Kühlluft besitzt somit beim Einströmen in den U-Ring bereits eine recht hohe Temperatur und kann bei den geringen Kühlluftmengen, die für eine Kühlung der Turbinenleitschaufel einer hinteren Stufe, die im Vergleich zu den anderen Turbinenleitschaufelstufen nicht sehr warm wird, ausreichen würden, keine genügende Kühlung des U-Rings liefern. Dies ist auch deswegen problematisch, weil die in den durch den U-Ring und den Turbinenschaufelkopfbereich gebildeten Hohlraum eingeleitete Kühlluft nach Durchströmen des Hohlraums ausgeleitet wird und in Richtung der hintersten, weitgehend ungekühlten, hitzeempfindlichen Turbinenlaufschaufelscheibe strömt.
Die bisherige Problemlösung besteht darin, sehr viel Kühlluft durch eine zentrale Bohrung einer Turbinenleitschaufel oder durch einen Kühlluftkanal einer weitgehend hohl gegossenen Turbinenleitschaufel zu leiten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung von Turbinenleitschaufeln zu schaffen, die einen geringeren Kühlluftbedarf aufweist, wobei zugleich der U-förmige Ring ausreichend gekühlt wird.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kühlluftkanal einen radialen Innenkanal aufweist, durch den die Kühlluft vom Fußbereich zum Kopfbereich strömt und einen an den Innenkanal angrenzenden Außenkanal, der den Innenkanal zumindest teilweise umfangsseitig umgibt, der mit dem Innenkanal kommuniziert und der eine Austrittsöffnung im Fußbereich aufweist, wobei durch den Außenkanal ein Kühlluftanteil in Richtung Fußbereich zurückströmt und durch die Austrittsöffnung ausströmt.
Durch die Aufteilung des Kühlluftkanals in Innen- und Außenkanal wird erreicht, daß die Kühlluft zuerst durch den Innenkanal strömt und am Fußbereich teilweise zur Kühlung des U-förmigen Rings ausströmt und teilweise wieder nach dem Umleiten durch den Außenkanal zurückströmt. Der Innenkanal wird von der Gesamtkühlluftmenge durchströmt und von einer geringeren Kühlluftmenge in Form einer Gegenströmung umströmt. Der Kühlluftstrom im den Innenkanal umgebenden Außenkanal ist dabei sehr schnell. Somit liefert er eine gute Kühlung der umgebenden Bereiche der Turbinenleitschaufel aufgrund der erhöhten Kühlleistung eines schnelles Kühlluftflusses. Die in einem schnellen Strom zurückströmende Kühlluft isoliert einerseits den Innenkanal und ermöglicht, daß die Kühlluft an der Ausströmstelle in den U-Ring am Kopfbereich eine niedrige Temperatur aufweist, ohne daß große Mengen Kühlluft eingesetzt werden müßten. Zugleich kühlt die zurückströmende Kühlluft die Seitenwände des Kühlluftkanals und somit die umgebenden Bereiche der Turbinenleitschaufel, die die lasttragenden Bereiche der Turbinenleitschaufel sind. Die Wände der Turbinenschaufel, die den Kühlluftkanal umgeben, sind erfindungsgemäß dicker ausgebildet als im Stand der Technik und somit stabiler. Durch die Umleitung eines Teils des Kühlluftstroms durch den Außenkanal und die schnellere Leitung der Kühlluft im Außenkanal wird somit die Gesamtkühlluftmenge reduziert und zugleich die Temperatur der im Kopfbereich aus der Turbinenleitschaufel zur Kühlung des U-Rings austretenden Kühlluft herabgesetzt. Die Erfindung bietet somit den Vorteil, daß mit geringen Kühlluftmengen sowohl die Turbinenleitschaufel als auch der U-förmige Ring ausreichend gekühlt werden.
Wenn die Turbinenleitschaufeln Turbinenleitschaufeln der hintersten Stufen sind, ist gegenüber der Verwendung üblicher Kühlluftkanäle eine verhältnismäßig große Einsparung von Kühlluft gegeben, weil sich das Heißgas bis zum Erreichen der letzten Stufen bereits wesentlich abgekühlt hat und deshalb die Turbinenleitschaufeln der hintersten Stufen grundsätzlich nicht so stark aufgeheizt sind. Gerade für diese Turbinenleitschaufeln ergibt sich somit durch die erfindungsgemäße Anordnung der Turbinenleitschaufeln eine wesentliche Einsparmöglichkeit der Kühlluft.
Wenn der Außenkanal den Innenkanal praktisch allseitig umfangsseitig umgibt, wird die Wärmestrahlung der durch den Innenkanal geleiteten Kühlluft nahezu allseitig von dem Teil der Kühlluft, die durch den Außenkanal leitbar ist, abgeführt. Aufgrund der großen Strahlungsfläche ist ein großer Wärmeübertrag in kurzer Zeit möglich. Die im Kopfbereich ankommende Kühlluft hat somit eine sehr niedrige Temperatur und kann den U-förmigen Ring optimal kühlen.
Wenn der Innenkanal zumindest eine Kommunikationsbohrung aufweist, durch die Kühlluft in den Außenkanal übertreten kann, wird die Kühlluft an der Bohrungsstelle sehr stark beschleunigt. Dies verbessert die Kühleigenschaften der Kühlluft im Außenkanal, da durch die höhere Geschwindigkeit mehr Wärme aufgenommen werden kann.
Einen langen Kühlluftweg innerhalb der Turbinenleitschaufel und somit eine gute Ausnutzung der Kühlluft wird erreicht, wenn der Innenkanal an einem kopfseitigen Endbereich zumindest eine Kommunikationsbohrung aufweist. Die Kühlluft kann das Kühlluftrohr auf nahezu der gesamten Länge zwischen Kopf- und Fußbereich von der heißen Schaufelwand abschirmen, so daß die im Kopfbereich der Turbinenleitschaufel austretende Kühlluft auch bei einem geringen Kühlluftstrom im Innenkanal eine ausreichend geringe Temperatur hat, um den U-förmigen Ring gut zu kühlen. Der im Außenkanal zurückströmende Kühlluftstrom kühlt zugleich die umgebenden Bereiche der Turbinenleitschaufel.
Vorteilhaft ist es, wenn die Turbinenleitschaufel am Fußbereich in einem Hinterkantenbereich eine Austrittsöffnung aufweist, die mit dem Außenkanal in Verbindung steht. Durch die Austrittsöffnung tritt umgeleitete Kühlluft, die am Innenkanal vorbeigestreift ist, aus der Turbinenleitschaufel aus, ohne daß es eine Vermischung mit der eingeleiteten Kühlluft gibt. Die Anordnung der Austrittsöffnung im Hinterkantenbereich verhindert ein Eindringen von anströmendem Heißgas, das zu Beschädigungen führen würde. Dadurch, daß die Austrittsöffnungen für die den Außenkanal durchströmende Kühlluft im Fußbereich der Turbinenleitschaufel untergebracht sind, hat die Kühlluft einen sehr langen Weg innerhalb der Turbinenleitschaufel und kann auch bei geringeren Kühlluftmengen entsprechend viel Wärmeenergie aus der Turbinenleitschaufel aufnehmen und nach außen abführen, ohne daß die Luft im Innenkanal aufgeheizt würde.
Wenn der Innenkanal zylindrisch ist, ist die Geschwindigkeit und die Art der Strömung der umströmenden Kühlluft auf der gesamten Kanallänge annähernd gleich groß und somit auch der Wärmeabtransport. Hierdurch ist eine gleichmäßige Kühlleistung gewährleistet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn der Innenkanal ein in den Kühlluftkanal einsetzbares Kühlluftleitrohr ist, das mit einem Abstand zu Innenwänden des Kühlluftkanals angeordnet ist und der Außenkanal durch den Zwischenraum zwischen Kühlluftleitrohr und den Innenwänden des Kühlluftkanals gebildet ist. Die Herstellung des Kühlkanals ist vereinfacht. Das Kühlluftleitrohr kann nach dem Guß in den Kühlluftkanal eingesetzt werden. Der Außenkanal besteht dann aus dem sich um das Kühlluftleitrohr herum erstreckenden Zwischenraum. Die Dicke des Zwischenraums, die dem Abstand des Kühlluftleitrohrs von den Seitenwänden des Kühlluftkanals entspricht, kann nach Bedarf eingestellt werden. Je schmaler der Zwischenraum ist, desto größer wird die Geschwindigkeit der hindurchgepreßten Kühlluft. Durch eine steigende Kühlluftgeschwindigkeit steigt wiederum ihre Fähigkeit zum Wärmeabtransport.
Vorteilhaft ist es, wenn der Querschnitt des Außenkanals so gewählt wird, daß die Kühlluft schnell durch den Kanal strömt und damit eine ausreichende Kühlung gewährleistet ist.
Die gestellte Aufgabe bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenleitschaufel.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gießverfahren zur Herstellung einer Anordnung von Turbinenleitschaufeln, bei dem ein Kern verwendet wird, der den Kühlluftkanal der Turbinenleitschaufel erzeugt, wobei der Kern einen geringeren Querschnitt hat, als übliche Kerne für den Guß von Turbinenleitschaufeln, wobei nach dem Guß in den Kühlluftkanal ein mit zumindest einer Kommunikationsbohrung versehenes Kühlluftleitrohr mit Abstand zu den Innenwänden des Kühlluftkanals eingesetzt wird, und in die Wand im Hinterkantenbereich des Fußbereichs der Turbinenleitschaufel bis zu der Außenkontur der Turbinenleitschaufel hindurchgehende Austrittsöffnungen eingebracht werden.
Bei der Herstellung kann die Form des Schaufelkerns für den Guß gegenüber üblichen Gußkernen verkleinert werden. Da der sich ergebende Kühlkanal somit kleiner ist nimmt die Wanddicke der Turbinenschaufel somit insbesondere zur Eintrittskante hin stark zu. Der Guß wird somit im Hinblick auf unkritische Wanddicken wesentlich vereinfacht. Nach dem Guß wird dann ein Kühlluftleitrohr eingesetzt. Zwischen Kühlluftleitrohr und Kühlkanalinnenwand entsteht lediglich ein schmaler Außenkanal, der das Kühlluftleitrohr ringförmig umgibt. Durch die Reduzierung der Größe des Gußkerns und somit der Fläche der Kühlkanalinnenwand wird die Strahlungsfläche für die Wärmestrahlung reduziert und somit die in den Kühlluftstrom pro Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge. Die Kühlluft wird somit nicht so stark aufgeheizt. Es reicht eine geringere Kühlluftmenge aus. Die Kühlung der Turbinenleitschaufel ist bei den relativ geringen Temperaturen insbesondere in den hinteren Stufen ausreichend.
Anhand der Figuren soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben werden. Es zeigen:
Fig. 1
eine Turbinenleitschaufel der hintersten Stufen,
Fig. 2
einen Längsschnitt durch eine Turbinenleitschaufel nach Fig.1 und
Fig.3
eine schematische Darstellung der Temperaturentwicklung der Kühlluftmassenströme.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Turbinenleitschaufel 1 der hintersten Stufen. Mit Hilfe des Fußbereichs 2, der Haltevorsprünge 24 aufweist, wird die Turbinenleitschaufel 1 an einer nicht dargestellten Innenwand eines zylinderförmigen Turbinengehäuses befestigt. Von dort aus erstreckt sich die Turbinenleitschaufel 1 mit ihrem Schaufelblatt 18 radial in Richtung einer zentralen Turbinenachse 30 des Turbinengehäuses. Den radial inneren Abschluß der Turbinenleitschaufel 1 bildet der Kopfbereich 3, der ein Plateau 25 und eine bezogen auf die Turbinenachse 30 radial innere bogenförmige Ausnehmung 26 aufweist. An diesen Kopfbereich 3 ist mittels schienenartiger Haltevorsprünge 27 ein U-förmiger Ring 19 angekoppelt. Die Haltevorsprünge 27 greifen dabei in Haltenuten 28 des Uförmigen Rings 19 ein. Die bogenförmige Ausnehmung 26 des Kopfbereichs 3 begrenzt zusammen mit dem U-förmigen Ring 19 einen Hohlraum 20, dessen Längsrichtung 29 quer zur Turbinenachse 30 und zu einer Schaufelachse 31 verläuft. Radial innen am U-förmigen Ring 19 befindet sich eine Labyrinthdichtung 21. Diese dichtet die sich bei Betrieb der Turbine um die zentrale Turbinenachse 31 drehende, angrenzend darunterliegende Turbinenlaufschaufelscheibe 22, die mit nicht dargestellten Turbinenlaufschaufeln besetzt ist, gegen ein direktes Durchströmen von Heißgas 17 ab.
Das Schaufelblatt 18 weist einen radialen, zylinderförmigen Kühlluftkanal 4 auf, der durchgehend von einer Eintrittsöffnung 36 der Kühlluft 23 im Fußbereich 2 der Turbinenleitschaufel 1 bis zu seiner Austrittsöffnung 35 der Kühlluft im Kopfbereich 3 der Turbinenleitschaufel 1 verläuft. Er hat eine Querschnittskontur 34, die im Bereich des Schaufelblatts 18 und des Fußbereichs 2 der Außenkontur 16 des Schaufelblatts 18 ähnelt. Die Querschnittskontur 34 des Kühlluftkanals 4 bleibt bei Betrachtung vom Fußbereich 2 bis vor den Kopfbereich 3 in ihrer Form im wesentlichen erhalten, kann jedoch in der Größe abnehmen. Bei Eintritt des Kühlluftkanals 4 in den Kopfbereich 3 verengt sich der Querschnitt 34 in Form einer umlaufenden Stufe 33. Dieser verengte Querschnitt 34 wird dann bis zur Ausnehmung 26 im Kopfbereich 3, in der die Austrittsöffnung 35 des Kühlkanals 4 in den Hohlraum 20 liegt, annähernd beibehalten. In den Kühlluftkanal 4 ist ein zylindrisches Kühlluftleitrohr 13 annähernd mittig eingesetzt. Das Kühlluftleitrohr 13 weist einen nahezu gleichbleibend elliptischen Querschnitt 15 auf. Gehalten wird das Kühlluftleitrohr 13 am Kopfbereich 3 der Turbinenleitschaufel 1 im wesentlichen dadurch, daß es bis an die umlaufende Stufe 33 mit einem an den Übergang angepaßten Querschnitt 15 reicht oder sogar in dem Kopfbereich 3 in den verengten Querschnitt 34 des Kühlluftkanals 4 eingesetzt ist. Im Fußbereich 2 wird das Kühlluftleitrohr 13 beispielsweise durch an Seitenwände 8 des Kühlluftkanals 4 angebrachte Abstandsstege 37 mittig gehalten. Der Kühlluftkanal 4 kann beim Gießen der Turbinenschaufel 1 durch Einsetzen eines Gießkerns direkt mitgegossen werden. Das Kühlluftleitrohr 13 wird nach dem Guß in den Kühlluftkanal 4 eingesetzt.
Im Fußbereich 2 wird die Kühlluft 23 in die Eintrittsöffnung 36 des Kühlluftleitrohrs 13, das bis zu einer Oberseite 32 des Fußbereichs 2 der Turbinenleitschaufel 1 reicht, eingeleitet. Die Kühlluft 23 durchströmt dann das Kühlluftleitrohr 13 bis zu einer Kommunikationsbohrung 10. Ein Kühlluftstromanteil 42 strömt weiter bis zum Kopfbereich 3 der Turbinenschaufel 1 und dort durch die Austrittsöffnung 35 in den Hohlraum 20. Ein anderer Kühlluftstromanteil 41 strömt vom Kühlluftleitrohr 13 durch eine Kommunikationsbohrung 10 in einen Außenkanal 9 zwischen Kühlluftleitrohr 13 und Kühlluftkanal 4 und dort in entgegengesetzter Richtung in Richtung Fußbereich 2, wie in Fig.2 dargestellt. Durch die verengten Bohrungen 10 strömt der Kühlluftanteil 41 beschleunigt auf die Kühlkanalinnenwand 8. Hierdurch entsteht aufgrund des geringeren Durchmessers der Bohrung 10 eine Beschleunigung der Kühlluftströmung 41 und somit ein sehr starker Kühleffekt an der Kühlkanalinnenwand 8. Da der Außenkanal 9 im Vergleich zum Kühlluftleitrohr 13 schmaler ist, strömt der Kühlluftstromanteil 41 dort schneller. Schließlich wird die erwärmte Kühlluft 41 durch eine Austrittsöffnung 12, die an dem Hinterkantenbereich 11 des Schaufelblatts 18 von dem Außenkanal 9 zur Schaufelaußenkontur 16 der Turbinenleitschaufel 1 reicht, ausgeleitet. Der durch die Austrittsöffnung 35 im Kopfbereich 3 ausströmende Kühlluftanteil 42 strömt zunächst in den Hohlraum 20 und kühlt den U-förmigen Ring 19, der den Hohlraum 20 radial innen begrenzt. Der Kühlluftstrom 42 kann dann durch eine Bohrung 38 in einer Wand 40 des U-förmigen Rings 19 austreten.
Fig.2 zeigt einen Längsschnitt durch die Turbinenleitschaufel 1 nach Fig.1. Der gesamte Kühlluftstrom 23, der am fußseitigen Endbereich 5 in das Kühlluftleitrohr 13 einströmt, wird in zwei Kühlluftstromanteile aufgespalten, den umgelenkten Kühlluftstrom 41, der durch die Bohrungen 10 am kopfseitigen Endbereich 6 in den Außenkanal 9 einströmt und an der Austrittsöffnung 12 wieder ausströmt, und den zum U-fömigen Ring 19 herausströmenden Kühlluftstrom 42.
Fig.3 zeigt die Entwicklung der Temperatur T der Kühlluftstromanteile 41, 42, während sie die Turbinenleitschaufel 1 in Längsrichtung 31 bis zu einer Endlänge 1 des Kühlluftkanals 4 durchströmen. Die maximale Temperatur Tmax wird vom durchgehenden Strom 42 nicht erreicht, wodurch der U-förmige Ring ausreichend gekühlt werden kann. Der andere Kühlluftanteil 41 nimmt hingegen den größeren Teil der Wärme mit und befördert ihn aus der Turbinenschaufel, ohne daß die Wärme die temperaturempfindlichen Bereiche schädigen kann. Die gesamte Kühlluftmenge 23, die Summe aus beiden Stromanteilen 41, 42 ist wesentlich niedriger als im Stand der Technik.

Claims (10)

  1. Turbinenleitschaufel (1), insbesondere Turbinenleitschaufel (1) der hintersten Stufen, mit jeweils einem radial außen angeordneten Fußbereich (2), einem radial innen angeordneten Kopfbereich (3) und einem zwischen Kopfbereich (3) und Fußbereich (2) verlaufenden radialen Kühlluftkanal (4), in den Kühlluft (23) in eine Eintrittsöffnung (36) im Fußbereich (2) einleitbar und durch eine Austrittsöffnung (35) im Kopfbereich (3) zumindest teilweise ausleitbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (4) einen radialen Innenkanal aufweist, durch den die Kühlluft (23) vom Fußbereich (2) zum Kopfbereich (3) strömt und einen an den Innenkanal angrenzenden Außenkanal (9), der den Innenkanal zumindest teilweise umfangsseitig umgibt, der mit dem Innenkanal kommuniziert und der eine Austrittsöffnung (12) im Fußbereich (2) aufweist, wobei durch den Außenkanal (9) ein Kühlluftanteil (41) in Richtung Fußbereich (2) zurückströmt und durch die Austrittsöffnung (12) ausströmt.
  2. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkanal (9) den Innenkanal praktisch vollständig umfangsseitig umgibt.
  3. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkanal zumindest eine Kommunikationsbohrung (10) aufweist, durch die der Kühlluftanteil (41) in den Außenkanal (9) übertreten kann.
  4. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsbohrung (10) in einem kopfseitigen Endbereich (6) angeordnet ist.
  5. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenleitschaufel (1) im Fußbereich (2) in einem Hinterkantenbereich (11) eine Austrittsöffnung (12) aufweist, die mit dem Außenkanal (9) kommuniziert.
  6. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkanal zylindrisch ist.
  7. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkanal ein in den Kühlluftkanal (4) einsetzbares Kühlluftleitrohr (13) ist, das mit einem Abstand (14) zu der Innenwandung (8) des Kühlluftkanals (4) angeordnet ist und der Außenkanal (9) durch den Zwischenraum zwischen Kühlluftleitrohr (13) und der Innenwandung (8) des Kühlluftkanals (4) gebildet ist.
  8. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (14) geringer als ein Querschnitt (15) des Kühlluftleitrohrs (13) ist.
  9. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Kühlluftanteils (41) im Außenkanal (9) schneller ist als im Innenkanal.
  10. Gießverfahren zur Herstellung einer Turbinenleitschaufel, insbesondere einer Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Kühlluftkanal (4) der Turbinenleitschaufel (1) durch einen Kern erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen geringeren Querschnitt hat als übliche Kerne für den Guß von Turbinenleitschaufeln, wobei nach dem Guß in den Kühlluftkanal (4) ein mit zumindest einer Kommunikationsbohrung (10) versehenes Kühlluftleitrohr (13) mit Abstand (14) zu den Innenwänden (8) des Kühlluftkanals (4) eingesetzt wird, und in die Innenwände (8) im Hinterkantenbereich (11) des Fußbereichs (2) der Turbinenleitschaufel (1) bis zu der Außenkontur (16) der Turbinenleitschaufel (1) hindurchgehende Austrittsöffnungen (12) eingebracht werden.
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