EP1306521A1 - Laufschaufel für eine Gasturbine und Gasturbine mit einer Anzahl von Laufschaufeln - Google Patents
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- EP1306521A1 EP1306521A1 EP01123797A EP01123797A EP1306521A1 EP 1306521 A1 EP1306521 A1 EP 1306521A1 EP 01123797 A EP01123797 A EP 01123797A EP 01123797 A EP01123797 A EP 01123797A EP 1306521 A1 EP1306521 A1 EP 1306521A1
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
- F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling
Definitions
- the invention relates to a blade for a Gas turbine with a connectable to a turbine shaft Blade base that carries a profiled blade. she further relates to a gas turbine with a number of each combined into rows of blades, on a turbine shaft arranged blades.
- Gas turbines are used to drive generators in many areas or used by work machines.
- the fuel will To do this, burned in a combustion chamber, using an air compressor compressed air is supplied. That in the combustion chamber generated by the combustion of the fuel, under high pressure and working medium at high temperature is via a turbine unit downstream of the combustion chamber managed where it relaxes while working.
- the blades have usually for the appropriate management of the working medium a profiled one extending along a blade axis Airfoil on that of a connectable to the turbine shaft Bucket foot is worn.
- For guiding the working medium in the turbine unit are usually between neighboring rows of blades with the turbine housing connected rows of vanes arranged.
- the turbine blades are therefore usually designed to be coolable, being particularly effective and reliable Cooling seen in the flow direction of the working medium first rows of blades should be ensured.
- the respective turbine blade usually has one integrated into the airfoil or the airfoil Coolant channel from which a coolant is targeted especially the thermally stressed zones of the turbine blade is feedable.
- Cooling air is usually used as the coolant. This is usually the case for the respective turbine blade in the manner of open cooling via an integrated one Coolant channel supplied. Flowing through from this the cooling air in the branching ducts are provided Areas of the turbine blade. Are on the outlet side these channels left open so that the cooling air after the Flow through the turbine blade and exits with the working medium in the turbine unit mixed.
- the invention is therefore based on the object of a moving blade for a gas turbine of the type mentioned above, which is reliable with a comparatively simple design Feeding also with comparatively large quantities of cooling air can be ensured. Furthermore, a Gas turbine can be specified with such a blade.
- the stated object is achieved according to the invention solved by the blade in the blade root a plurality of inflow openings for cooling air are arranged are.
- the invention is based on the consideration that just for rotor blades that are subject to comparatively high thermal loads adequate feeding with comparatively large quantities of cooling air among other things due to the constructive Boundary conditions usually the lack of space in the Area of the blade root is limited. Because of this Due to lack of space, reliable feeding of the Blade over the entire base cross section problematic his. This is especially true when the cooling air within the blade root via an integrated therein Channel system directed to all areas of the blade root shall be. Turning away from a commonly provided one is only a single inflow opening for cooling air hence a plurality of inflow openings for the cooling air provided, in the manner of a parallel flow an application of a comparatively large Cross-sectional area in the blade root with cooling air on simple Way is achievable.
- the now provided plurality of inflow openings for the cooling air in the blade root of the blade also enables a management of the Total cooling air in the blade.
- a number of inflow openings each separate, through the blade of the blade Assigned sub-channel for cooling air.
- the subchannels are included preferably completely separated from one another on the cooling air side guided so that different areas of the blade completely independent of other areas of the blade are exposed to cooling air.
- the rotor blade is expediently designed such that that individual areas of the blade in terms of their operating pressure different partial flows can be supplied by cooling air. This can be particularly simple and an inexpensive way to adapt the cooling air supply system to the by positioning the blade predetermined along the flow path of the working medium specific requirements.
- the working medium flowing through the gas turbine relaxes namely, when flowing through the gas turbine continuously along its flow path.
- the operating pressure of the working medium is therefore dependent on the position along the Longitudinal axis of the gas turbine. So with an open cooling a blade the pressure that the cooling air when leaving the rotor blade and when feeding into the have working medium flowing through the gas turbine or must exceed, depending on the position of the blade inside the gas turbine. Beyond that, too one and the same blade the pressure that the cooling air have at their exit from the blade or must exceed, depending on whether the cooling air at the front edge of the respective blade and thus against the Flow direction of the working medium or rather at the Trailing edge of the respective blade and thus in the direction of flow of the working medium emerges.
- Subchannels for cooling air are arranged, one of which or some on the outlet side at the front edge of the respective blade discharge, and some or one of which is on the outlet side open at the rear edge of the respective blade.
- the feeding of the rotor blade is possible with comparatively high quality, under high pressure standing cooling air only required for those sub-areas, their assigned subchannels at the front edge the rotor blade open.
- those areas their assigned subchannels for cooling air on the outlet side open at the rear edge of the blade and thus comparatively lower pressure level requirements Cooling air points, a feed with comparatively lower quality Cooling air possible.
- a gas turbine with a number of rows of blades each summarized, arranged on a turbine shaft Blades of the type mentioned above can be used with a the overall efficiency of the system is particularly favorable designed cooling system.
- To keep the cooling air especially with regard to their operating conditions To be able to use it as needed is advantageous an action on the inflow openings of the rotor blades provided with cooling air, the operating pressure of which depends from the position of the respective blade along the Turbine shaft and depending on whether the selected assigned subchannel for cooling air on the outlet side at the front or opens at the rear edge of the respective blade.
- a plurality of the inlet openings of a moving blade in each case a separate cooling air supply integrated into the turbine shaft assigned.
- This can be one, for example have a suitable feed chamber integrated in the turbine shaft, the cooling air side expediently with the respective Inflow opening via a guided in the turbine shaft Hole is connected.
- the reference chamber can then with regard their operating parameters, preferably with regard to their Operating pressure, to the specific requirements of the assigned inlet opening connected subchannel for Cooling air must be adjusted.
- the reference chamber is expediently connected to one Provide a hole over which a cooling air side Established connection with the respectively assigned inflow opening is.
- the hole can be directly in the blade root of the respective blade open; but is alternative also a coupling of the respective inflow opening on the cooling air side seen through a in the longitudinal direction of the turbine shaft staggered sealing washer - also as "mini disc" designated - possible.
- the advantages achieved with the invention are in particular in that by a plurality of in the blade root the blade integrated inflow openings for cooling air a special one in the manner of a parallel flow enables the airfoil to be evenly supplied with cooling air is. In addition, it is just by the majority the inlet openings for cooling air also a targeted continuation from completely separated on the cooling air side Allows partial flows of the cooling air within the blade, whereby each partial flow is individually adapted to that of the adapted to the cooled space given the requirements can be.
- the outflow side can also be particularly effective of the respective subchannel, where for a particular one with regard to the achievable efficiency Favorable coolant flow especially the operating pressure the cooling air to the boundary conditions specified on the outlet side can be specifically adapted.
- the position of the moving blade can be along the turbine shaft and on the other hand the outflow direction of the Cooling air from the respective blade, namely either against the flow direction of the working medium or parallel to the direction of flow of the working medium his.
- the use of comparatively high quality cooling air with comparatively high operating pressure is only required for those subchannels that are on the outlet side the leading edge of the respective blade open.
- On the other hand can be used for those subchannels on the outlet side at the rear Edge of the respective blade open, comparatively inferior cooling air of comparatively lower Operating pressure are used.
- the gas turbine 1 has a compressor 2 for Combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine. To do this are the turbine 6 and the compressor 2 on a common, also as a turbine rotor designated turbine shaft 8 arranged with the the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
- the combustion chamber 4 is provided with a number of burners 10 Combustion of a liquid or gaseous fuel. It is still not closer to its inner wall provided heat shield elements.
- the turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8 connected, rotatable blades 12.
- the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades.
- the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are.
- the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by transfer of momentum from the turbine 6 working medium flowing through M.
- the guide vanes 14 serve in contrast to the flow of the working medium M between seen two in the flow direction of the working medium M. successive rows of blades or blade rings.
- a successive pair from a wreath of Guide vanes 14 or a row of guide vanes and from one Wreath of blades 12 or a row of blades is also referred to as the turbine stage.
- Each guide vane 14 has a vane root 19 which is also designated Platform 18 on which to fix the respective Guide vane 14 on the inner casing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
- the platform 18 is a thermal comparatively heavily loaded component that the outer boundary a hot gas duct for the one flowing through the turbine 6 Working medium M forms.
- Each blade 12 is in in an analogous manner via a platform 18 Blade root 19 attached to the turbine shaft 8, the Blade root 19 each extends along a blade axis profiled airfoil 20 carries.
- each guide ring 21 is also hot, flowing through the turbine 6 Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite to it 12 spaced by a gap.
- the one between neighboring Guide rings 21 arranged guide vane rows serve in particular as cover elements that cover the inner wall 16 or other housing installation parts before a thermal Overuse by the flowing through the turbine 6 protects hot working medium M.
- the gas turbine 1 for a comparatively high outlet temperature of the working medium emerging from the combustion chamber 4 M designed from about 1200 ° C to 1300 ° C.
- the blades 12 and Guide vanes 14 designed to be coolable as cooling medium by cooling air K.
- cooling air K is the area immediately following the combustion chamber 4
- Gas turbine 1 in Figure 2 is shown enlarged in detail. It can be seen that that flowing out of the combustion chamber 4 Working medium M first on a number of guide vanes 14 meets the so-called first row of guide vanes form and via their respective platform 18 into the combustion chamber 4 are attached. In the direction of flow of the working medium Seen M then follow the first row of blades forming blades 12 which are the second row of blades forming guide vanes 14 and the second row of blades forming blades 12.
- the blades 12 are for a particularly reliable feeding with cooling air K essentially over the whole Base cross section of their respective blade root 19 away educated.
- the blade root 19 of the respective moving blade is 12 each with a plurality of inflow openings 24 provided for cooling air K.
- the inflow openings 24 each Blade 12 are in the embodiment in the Seen in the longitudinal direction of the turbine shaft 8 arranged one behind the other.
- Each inflow opening 24 is one through the Blade 20 of the respective blade 12 guided Subchannel 26 and 28 assigned for cooling air K.
- the one in Direction of flow of the working medium M seen front inflow opening 24 assigned subchannel 26 of the respective moving blade 12 is here, starting from the assigned inflow opening 24, meandering through the front part of the respective blade 12 guided, like that in Figure 2 only is shown schematically.
- the subchannel 26 opens on the outlet side in a number of outlet openings 30 for the cooling air K, which at the in Direction of flow of the working medium M seen front edge 32 of the respective blade 12 are arranged.
- the communicates in the flow direction of the working medium M seen in each case rear inflow opening 24 of the respective Blade 12 with one in the rear part of each Blade 12 also meandering Subchannel 28.
- the subchannel 28 opens into an outlet Number of at the rear edge 36 of the respective blade 12 arranged outlet openings 38th
- each subchannel 26, 28 of each rotor blade 12 are on the cooling air side completely decoupled from each other. So that is Feeding of each subchannel 26, 28 with regard to their operating parameters adapted to the respective requirements Cooling air K enables.
- this can be taken into account be that the pressure level that the cooling air K in the range of Have outlet openings 30 or 38 or must exceed them, depends on the position of the respective moving blade 12 along the turbine shaft 8 and whether the exit of the Cooling air K against the flow direction of the working medium M or in the direction of flow of the working medium M. Therefore must in particular the supplied to the outlet openings 30 Cooling air K have a higher operating pressure than that Exhaust openings 38 supplied cooling air K.
- the cooling air supply system includes a first integrated in the turbine shaft 8 Presentation chamber 40, which in the exemplary embodiment according to FIG via a bore 42 guided in the turbine shaft 8 with the seen in the longitudinal direction of the turbine shaft 8 first inflow opening 24 each of the first row of blades Blades 12 is connected.
- This also includes Cooling air supply system, a second storage chamber 44 for cooling air K. This is seen in the longitudinal direction of the turbine shaft 8 arranged behind the first plenum 40 and also integrated into the turbine shaft 8.
- the second presentation chamber 44 is on the cooling air side via a bore 46 with the in Seen longitudinal direction of the turbine shaft 8 rear inflow 24 each of the first row of blades Blades 12 connected. Furthermore, the second reference chamber 44 via a bore 48 with the in the longitudinal direction of the Turbine shaft 8 seen front inflow opening 24 of each the blades 12 forming the second row of blades.
- Presentation chambers can be provided, which by the in the longitudinal direction the turbine shaft 8 seen rear inflow 24 of the blades forming the second row of blades 12 associated bore 50 is indicated.
- Cooling air routing ensures that each inflow opening 24 each blade 12 has a separate one in the turbine shaft integrated cooling air supply is assigned. Every inflow opening 24 and with it the downstream one Subchannel 26, 28 is thus independent of the other Subchannel 28 or 26 can be supplied with cooling air K. The thus Partial flows of cooling air K formed can therefore be related to the individual adapted conditions specified on the outlet side his.
- the subchannel 26 is also compared to the Subchannel 28 can be acted upon by cooling air K under higher pressure.
- the first plenum chamber 40 is used accordingly high-quality, under comparatively high pressure Cooling air K fed.
- the second submission chamber 44 from which the second subchannel 28 is the first Moving blades row forming blades 12 with cooling air K is supplied, with comparatively inferior, under cooling air K fed at a lower pressure.
- the total amount of high quality, under particularly high pressure Cooling air K can thus be kept relatively low and only on those areas of the respective blade 12, for which the supply with such high quality cooling air K is actually necessary is.
- the inflow openings are 24 of the blades 12 in the bottom area of the respective Blade root 19 arranged.
- the inflow openings 24, as shown in Figure 3, but also in lateral region of the respective blade root 19 is arranged his.
Landscapes
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Bei einer Gasturbine (1) mit einer Anzahl von jeweils zu Schaufelreihen zusammengefaßten Laufschaufeln (12) soll bei vergleichsweise einfacher Bauweise eine zuverlässige Bespeisung der Laufschaufeln (12) auch mit vergleichsweise großen Mengen an Kühlluft (K) sichergestellt sein. Dazu umfaßt eine Laufschaufel (12) für die Gasturbine (1) erfindungsgemäß einen mit einer Turbinenwelle (8) verbindbaren Schaufelfuß (19), der ein profiliertes Schaufelblatt (20) trägt, und in dem eine Mehrzahl von Einströmöffnungen (24) für Kühlluft (K) angeordnet sind. <IMAGE>
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Laufschaufel für eine
Gasturbine mit einem mit einer Turbinenwelle verbindbaren
Schaufelfuß, der ein profiliertes Schaufelblatt trägt. Sie
betrifft weiterhin eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils
zu Laufschaufelreihen zusammengefaßten, an einer Turbinenwelle
angeordneten Laufschaufeln.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren
oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der
Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung
einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird
dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter
verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer
durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter
hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium
wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit
geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind
dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen
oder Schaufelreihen zusammengefaßten Laufschaufeln
angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium
die Turbinenwelle antreiben. Die Laufschaufeln weisen
dabei üblicherweise zur geeigneten Führung des Arbeitsmediums
ein profiliertes, entlang einer Schaufelachse erstrecktes
Schaufelblatt auf, das von einem mit der Turbinenwelle verbindbaren
Schaufelfuß getragen ist. Zur Führung des Arbeitsmediums
in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen
benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse
verbundene Leitschaufelreihen angeordnet.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur
erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad
ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades
läßt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich
durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen,
mit dem das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die
Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa
1200 °C bis 1300 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und
auch erreicht.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch
die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen
thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher Zuverlässigkeit
eine vergleichsweise lange Lebensdauer der betroffenen
Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise
eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere von
Lauf- und/oder Leitschaufeln der Turbineneinheit, vorgesehen.
Die Turbinenschaufeln sind daher üblicherweise kühlbar ausgebildet,
wobei insbesondere eine wirksame und zuverlässige
Kühlung der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen
ersten Schaufelreihen sichergestellt sein soll. Zur Kühlung
weist die jeweilige Turbinenschaufel dabei üblicherweise
einen in das Schaufelblatt oder das Schaufelprofil integrierten
Kühlmittelkanal auf, von dem aus ein Kühlmittel gezielt
insbesondere den thermisch belasteten Zonen der Turbinenschaufel
zuleitbar ist.
Als Kühlmittel kommt dabei üblicherweise Kühlluft zum Einsatz.
Diese wird der jeweiligen Turbinenschaufel üblicherweise
in der Art einer offenen Kühlung über einen integrierten
Kühlmittelkanal zugeführt. Von diesem ausgehend durchströmt
die Kühlluft in abzweigenden Kanälen die jeweils vorgesehenen
Bereiche der Turbinenschaufel. Austrittsseitig sind
diese Kanäle offen gelassen, so daß die Kühlluft nach dem
Durchströmen der Turbinenschaufel aus dieser austritt und
sich dabei mit dem in der Turbineneinheit geführten Arbeitsmedium
vermischt.
Auf diese Weise ist mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein
zuverlässiges Kühlsystem für die Turbinenschaufel bereitstellbar,
wobei auch thermisch besonders belastete Zonen der
Turbinenschaufel geeignet mit Kühlmittel beaufschlagbar sind.
Andererseits ist jedoch bei der Einleitung der Kühlluft in
das in der Turbineneinheit geführte Arbeitsmedium darauf zu
achten, daß ihre charakteristischen Parameter wie Druck und
Temperatur mit den entsprechenden Parametern des Arbeitsmediums
vereinbar oder kompatibel sind. Darüber hinaus kann eine
zuverlässige Beaufschlagung gerade thermisch hoch belasteter
Bereiche der Turbinenschaufel eine vergleichsweise komplexe
Führung entsprechender Kühlluftkanäle im Schaufelinneren bedingen.
Gerade für thermisch vergleichsweise hoch belastete,
in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen vergleichsweise
weit vorne angeordnete Turbinenschaufeln können daher
Engpässe hinsichtlich einer ausreichenden Bespeisung mit
Kühlluft auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laufschaufel
für eine Gasturbine der oben genannten Art anzugeben,
bei der bei vergleichsweise einfacher Bauweise eine zuverlässige
Bespeisung auch mit vergleichsweise großen Mengen
an Kühlluft sichergestellt werden kann. Desweiteren soll eine
Gasturbine mit einer derartigen Laufschaufel angegeben werden.
Bezüglich der Laufschaufel wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß
gelöst, indem im Schaufelfuß der Laufschaufel
einer Mehrzahl von Einströmöffnungen für Kühlluft angeordnet
sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß gerade
für thermisch vergleichsweise hoch belastete Laufschaufeln
eine ausreichende Bespeisung mit vergleichsweise großen Mengen
von Kühlluft unter andrem durch den aufgrund konstruktiver
Randbedingungen üblicherweise herrschenden Platzmangel im
Bereich des Schaufelfußes begrenzt ist. Aufgrund dieses
Platzmangels kann gerade eine zuverlässige Bespeisung der
Laufschaufel über den gesamten Sockelquerschnitt hinweg problematisch
sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kühlluft
innerhalb des Schaufelfußes über ein darin integriertes
Kanalsystem zu sämtlichen Raumbereichen des Schaufelfußes geleitet
werden soll. In Abkehr von einer üblicherweise vorgesehenen
lediglich einzigen Einströmöffnung für Kühlluft ist
daher eine Mehrzahl von Einströmöffnungen für die Kühlluft
vorgesehen, über die in der Art einer parallelen Strömungsführung
eine Beaufschlagung eines vergleichsweise großen
Querschnittsbereichs im Schaufelfuß mit Kühlluft auf einfache
Weise erreichbar ist.
Die nunmehr vorgesehene Mehrzahl von Einströmöffnungen für
die Kühlluft im Schaufelfuß der Laufschaufel ermöglicht zudem
eine besonders situations- und bedarfsangepaßte Führung der
Kühlluft in der Laufschaufel insgesamt. Um dies in besonders
günstiger Weise nutzbar zu machen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung
einer Anzahl der Einströmöffnungen jeweils ein
separater, durch das Schaufelblatt der Laufschaufel geführter
Teilkanal für Kühlluft zugeordnet. Die Teilkanäle sind dabei
vorzugsweise kühlluftseitig voneinander vollständig getrennt
geführt, so daß unterschiedliche Bereiche der Laufschaufel
vollkommen unabhängig von weiteren Bereichen der Laufschaufel
mit Kühlluft beaufschlagbar sind. Durch eine derartig getrennte
Strömungsführung der Teilströme von Kühlluft ist insbesondere
eine Beaufschlagung einzelner Bereiche der Laufschaufel
mit hinsichtlich ihrer Betriebsparameter an die besonderen
Erfordernisse eben dieses Bereichs angepaßter Kühlluft
ermöglicht. Im jeweiligen Bereich kann dabei insbesondere
eine spezifisch angepaßte Menge an Kühlluft oder auch
hinsichtlich ihrer charakteristischen Parameter wie Temperatur
oder Betriebsdruck spezifisch angepaßte Kühlluft zugeführt
werden.
Die Laufschaufel ist dabei zweckmäßigerweise derart ausgestaltet,
daß einzelnen Raumbereichen der Laufschaufel hinsichtlich
ihres Betriebsdrucks unterschiedliche Teilströme
von Kühlluft zuführbar sind. Dadurch kann auf besonders einfache
und günstige Weise eine Anpassung des Kühlluftversorgungssystems
an die durch die Positionierung der Laufschaufel
entlang des Strömungswegs des Arbeitsmediums vorgegebenen
spezifischen Erfordernisse erfolgen.
Das die Gasturbine durchströmende Arbeitsmedium entspannt
sich nämlich beim Durchströmen der Gasturbine kontinuierlich
entlang seines Strömungswegs. Der Betriebsdruck des Arbeitsmediums
ist somit abhängig von der Position entlang der
Längsachse der Gasturbine. Somit ist bei einer offenen Kühlung
einer Laufschaufel derjenige Druck, den die Kühlluft
beim Austritt aus der Laufschaufel und beim Einspeisen in das
die Gasturbine durchströmende Arbeitsmedium aufweisen oder
übersteigen muß, abhängig von der Position der Laufschaufel
innerhalb der Gasturbine. Darüber hinaus ist aber auch bei
ein und derselben Laufschaufel derjenige Druck, den die Kühlluft
bei ihrem Austritt aus der Laufschaufel aufweisen oder
übersteigen muß, abhängig davon, ob die Kühlluft an der Vorderkante
der jeweiligen Laufschaufel und somit entgegen der
Strömungsrichtung des Arbeitsmediums oder vielmehr an der
Hinterkante der jeweiligen Laufschaufel und somit in Strömungsrichtung
des Arbeitsmediums austritt.
Dem kann vorliegend Rechnung getragen werden, indem innerhalb
der jeweiligen Laufschaufel vollständig voneinander getrennte
Teilkanäle für Kühlluft angeordnet sind, von denen einer oder
einige auslaßseitig an der Vorderkante der jeweiligen Laufschaufel
münden, und von denen einige oder einer auslaßseitig
an der Hinterkante der jeweiligen Laufschaufel münden. Durch
die Zuordnung getrennter Einströmöffnungen für die Kühlluft
zu denjenigen Teilkanälen einerseits, die auslaßseitig an der
Vorderkante der Laufschaufel münden, und zu denjenigen Teilkanälen
andererseits, die auslaßseitig an der Hinterkante der
jeweiligen Laufschaufel münden, ist somit eine Bespeisung mit
Kühlluft unterschiedlichen Druckes abhängig davon ermöglicht,
ob der jeweilige Teilkanal an der Vorder- oder an der Hinterkante
der Laufschaufel mündet.
Durch eine derartige Anordnung ist die Bespeisung der Laufschaufel
mit vergleichsweise hochwertiger, unter hohem Druck
stehender Kühlluft lediglich für diejenigen Teilbereiche erforderlich,
deren zugeordnete Teilkanäle an der Vorderkante
der Laufschaufel münden. Hingegen ist für diejenigen Bereiche,
deren zugeordnete Teilkanäle für Kühlluft auslaßseitig
an der Hinterkante der Laufschaufel münden und die somit vergleichsweise
geringere Anforderungen an das Druckniveau der
Kühlluftstellen, eine Bespeisung mit vergleichsweise minderwertigerer
Kühlluft möglich.
Insbesondere um eine derartige getrennte Führung von Teilkanälen,
bei der die Bespeisung der auslaßseitig an der Vorderkante
der Laufschaufel mündenden Teilkanäle strikt von der
der auslaßseitig an der Hinterkante der Laufschaufel mündenden
Teilkanäle getrennt ist, in besonders einfacher Bauweise
zu ermöglichen, sind eine Anzahl der Einströmöffnungen in
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in Längsrichtung der
Turbinenwelle gesehen hintereinander angeordnet. Durch eine
derartige Anordnung liegen bereits die Einströmöffnungen der
jeweiligen Teilkanäle in unterschiedlichen Druckbereichen
hinsichtlich der Strömungsmediums.
Eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen
zusammengefaßten, an einer Turbinenwelle angeordneten
Laufschaufeln der oben genannten Art kann mit einem hinsichtlich
des Gesamtwirkungsgrads der Anlage besonders günstig
ausgelegten Kühlungssystem versehen sein. Um dabei die Kühlluft
insbesondere hinsichtlich ihrer Betriebsbedingungen besonders
bedarfsangepaßt einsetzen zu können, ist vorteilhafterweise
eine Beaufschlagung der Einströmöffnungen der Laufschaufeln
mit Kühlluft vorgesehen, deren Betriebsdruck abhängig
von der Position der jeweiligen Laufschaufel entlang der
Turbinenwelle und abhängig davon gewählt ist, ob der jeweils
zugeordnete Teilkanal für Kühlluft auslaßseitig an der Vorder-
oder an der Hinterkante der jeweiligen Laufschaufel mündet.
Um dies zu ermöglichen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung
einer Mehrzahl der Einströmöffnungen einer Laufschaufel jeweils
eine separate, in die Turbinenwelle integrierte Kühlluftzufuhr
zugeordnet. Diese kann beispielsweise jeweils eine
geeignet in die Turbinenwelle integrierte Vorlagekammer aufweisen,
die kühlluftseitig zweckmäßigerweise mit der jeweiligen
Einströmöffnung über eine in der Turbinenwelle geführte
Bohrung verbunden ist. Die Vorlagekammer kann dann hinsichtlich
ihrer Betriebsparameter, vorzugsweise hinsichtlich ihres
Betriebsdrucks, an die spezifischen Erfordernisse des an die
zugeordnete Einströmöffnung angeschlossenen Teilkanals für
Kühlluft angepaßt sein.
Die Vorlagekammer ist dazu zweckmäßigerweise mit einer angeschlossenen
Bohrung versehen, über die eine kühlluftseitige
Verbindung mit der jeweils zugeordneten Einströmöffnung hergestellt
ist. Die Bohrung kann dabei direkt in den Schaufelfuß
der jeweiligen Laufschaufel münden; alternativ ist aber
auch eine kühlluftseitige Ankopplung der jeweiligen Einströmöffnung
durch eine in Längsrichtung der Turbinenwelle gesehen
versetzt angeordnete Dichtungsscheibe - auch als "Minidisk"
bezeichnet - möglich.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß durch eine Mehrzahl von in den Schaufelfuß
der Laufschaufel integrierten Einströmöffnungen für Kühlluft
in der Art einer parallelen Strömungsführung eine besonders
gleichmäßige Beaufschlagung der Laufschaufel mit Kühlluft ermöglicht
ist. Darüber hinaus ist gerade durch die Mehrzahl
der Einströmöffnungen für Kühlluft auch eine gezielte Weiterführung
von kühlluftseitig vollständig voneinander getrennten
Teilströmen der Kühlluft innerhalb der Laufschaufel ermöglicht,
wobei jeder Teilstrom individuell an die durch den von
ihm gekühlten Raumbereich gegebenen Erfordernisse angepaßt
sein kann. Dabei kann in besonderem Maße auch die Abströmseite
des jeweiligen Teilkanals berücksichtigt sein, wobei
für eine hinsichtlich des erreichbaren Wirkungsgrads besonders
günstige Kühlmittelführung insbesondere der Betriebsdruck
der Kühlluft an die auslaßseitig vorgegebenen Randbedingungen
spezifisch angepaßt sein kann.
Dabei kann einerseits die Position der Laufschaufel entlang
der Turbinenwelle und andererseits die Abströmrichtung der
Kühlluft aus der jeweiligen Laufschaufel, nämlich entweder
entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums oder parallel
zur Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, berücksichtigt
sein. Die Verwendung vergleichsweise hochwertiger Kühlluft
mit vergleichsweise hohem Betriebsdruck ist dabei lediglich
für diejenigen Teilkanäle erforderlich, die auslaßseitig an
der Vorderkante der jeweiligen Laufschaufel münden. Hingegen
kann für diejenigen Teilkanäle, die auslaßseitig an der hinteren
Kante der jeweiligen Laufschaufel münden, vergleichsweise
minderwertigere Kühlluft von vergleichsweise niedrigerem
Betriebsdruck zum Einsatz kommen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- Figur 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
- Figur 2
- einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt der Gasturbine nach Figur 1 mit der Darstellung von Kühlkanälen, und
- Figur 3
- ebenfalls einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt der Gasturbine nach Figur 1, jedoch mit alternativer Verschaltung der Kühlkanäle.
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit den selben Bezugszeichen
versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum
Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators
oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine
6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer
bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der
auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist,
und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist.
Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur
Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher
dargestellten Hitzeschildelementen versehen.
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8
verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln
12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet
und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin
umfaßt die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln
14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt
sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb
der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6
durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen
hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen
jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen
aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen.
Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von
Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem
Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird
dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß 19 bezeichnete
Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen
Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement
angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch
vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung
eines Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende
Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in
analoger Weise über einen auch als Plattform 18 bezeichneten
Schaufelfuß 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt, wobei der
Schaufelfuß 19 jeweils ein entlang einer Schaufelachse erstrecktes
profiliertes Schaufelblatt 20 trägt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen
18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der
Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings
21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung
vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel
12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten
Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21
dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand
16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen
Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende
heiße Arbeitsmedium M schützt.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist
die Gasturbine 1 für eine vergleichsweise hohe Austrittstemperatur
des aus der Brennkammer 4 austretenden Arbeitsmediums
M von etwa 1200 °C bis 1300 °C ausgelegt. Um dies zu ermöglichen,
sind zumindest einige der Laufschaufeln 12 und der
Leitschaufeln 14 durch Kühlluft K als Kühlmedium kühlbar ausgelegt.
Zur Verdeutlichung des Strömungsweges der Kühlluft K
ist der der Brennkammer 4 unmittelbar folgende Bereich der
Gasturbine 1 in Figur 2 im Ausschnitt vergrößert dargestellt.
Dabei ist erkennbar, daß das aus der Brennkammer 4 abströmende
Arbeitsmedium M zunächst auf eine Anzahl von Leitschaufeln
14 trifft, die die sogenannte erste Leitschaufelreihe
bilden und über ihre jeweilige Plattform 18 in die Brennkammer
4 eingehängt sind. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums
M gesehen folgen sodann die die erste Laufschaufelreihe
bildenden Laufschaufeln 12, die die zweite Laufschaufelreihe
bildenden Leitschaufeln 14, sowie die die zweite Laufschaufelreihe
bildenden Laufschaufeln 12.
Die Laufschaufeln 12 sind für eine besonders zuverlässige Bespeisung
mit Kühlluft K im wesentlichen über den gesamten
Sockelquerschnitt ihres jeweiligen Schaufelfußes 19 hinweg
ausgebildet. Dazu ist der Schaufelfuß 19 der jeweiligen Laufschaufel
12 jeweils mit einer Mehrzahl von Einströmöffnungen
24 für Kühlluft K versehen. Die Einströmöffnungen 24 jeder
Laufschaufel 12 sind dabei im Ausführungsbeispiel in der
Längsrichtung der Turbinenwelle 8 gesehen hintereinander angeordnet.
Jeder Einströmöffnung 24 ist jeweils ein durch das
Schaufelblatt 20 der jeweiligen Laufschaufel 12 geführter
Teilkanal 26 bzw. 28 für Kühlluft K zugeordnet. Der der in
Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen vorderen Einströmöffnung
24 zugeordnete Teilkanal 26 der jeweiligen Laufschaufel
12 ist dabei, ausgehend von der zugeordneten Einströmöffnung
24, mäanderförmig durch den vorderen Teil der
jeweiligen Laufschaufel 12 geführt, wie die in Figur 2 lediglich
schematisch dargestellt ist.
Der Teilkanal 26 mündet dabei auslaßseitig in einer Anzahl
von Auslaßöffnungen 30 für die Kühlluft K, die an der in
Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen vorderen Kante
32 der jeweiligen Laufschaufel 12 angeordnet sind. Im Gegensatz
dazu kommuniziert die in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums
M gesehen jeweils hintere Einströmöffnung 24 der jeweiligen
Laufschaufel 12 mit einem im hinteren Teil der jeweiligen
Laufschaufel 12 ebenfalls mäanderförmig geführten
Teilkanal 28. Der Teilkanal 28 mündet auslaßseitig in einer
Anzahl von an der hinteren Kante 36 der jeweiligen Laufschaufel
12 angeordneten Auslaßöffnungen 38.
Die Teilkanäle 26, 28 jeder Laufschaufel 12 sind kühlluftseitig
vollständig voneinander entkoppelt geführt. Somit ist die
Bespeisung jedes Teilkanals 26, 28 mit hinsichtlich ihrer Betriebsparameter
an die jeweiligen Erfordernisse angepaßter
Kühlluft K ermöglicht. Dabei kann insbesondere berücksichtigt
sein, daß das Druckniveau, das die Kühlluft K im Bereich der
Auslaßöffnungen 30 bzw. 38 aufweisen oder übersteigen muß,
abhängig ist von der Position der jeweiligen Laufschaufel 12
entlang der Turbinenwelle 8 und davon, ob der Austritt der
Kühlluft K entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums
M oder in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M erfolgt. Daher
muß insbesondere die den Auslaßöffnungen 30 zugeführte
Kühlluft K einen höheren Betriebsdruck aufweisen als die den
Auslaßöffnungen 38 zugeführte Kühlluft K.
Um eine getrennte Bespeisung der Teilkanäle 26, 28 mit Kühlluft
K zur Einhaltung dieser unterschiedlichen Randbedingungen
zu ermöglichen, ist das Kühlluftzufuhrsystem der Gasturbine
1 entsprechend angepaßt. Insbesondere umfaßt das Kühlluftzufuhrsystem
eine in die Turbinenwelle 8 integrierte erste
Vorlagekammer 40, die im Ausführungsbeispiel nach Figur 2
über eine in der Turbinenwelle 8 geführte Bohrung 42 mit der
in Längsrichtung der Turbinenwelle 8 gesehen ersten Einströmöffnung
24 jeder der die erste Laufschaufelreihe bildenden
Laufschaufeln 12 verbunden ist. Weiterhin umfaßt das
Kühlluftzufuhrsystem eine zweite Vorlagekammer 44 für Kühlluft
K. Diese ist in Längsrichtung der Turbinenwelle 8 gesehen
hinter der ersten Vorlagekammer 40 angeordnet und ebenfalls
in die Turbinenwelle 8 integriert. Die zweite Vorlagekammer
44 ist kühlluftseitig über eine Bohrung 46 mit der in
Längsrichtung der Turbinenwelle 8 gesehen hinteren Einströmöffnung
24 jeder der die erste Laufschaufelreihe bildenden
Laufschaufeln 12 verbunden. Weiterhin ist die zweite Vorlagekammer
44 über eine Bohrung 48 mit der in Längsrichtung der
Turbinenwelle 8 gesehen vorderen Einströmöffnung 24 jeder der
die zweite Laufschaufelreihe bildenden Laufschaufeln 12 verbunden.
Für die nachfolgenden Laufschaufelreihen können noch weitere
Vorlagekammern vorgesehen sein, was durch die der in Längsrichtung
der Turbinenwelle 8 gesehen hinteren Einströmöffnung
24 der die zweite Laufschaufelreihe bildenden Laufschaufeln
12 zugeordneten Bohrung 50 angedeutet ist.
Bezüglich jeder individuellen Laufschaufel 12 ist durch diese
Kühlluftführung gewährleistet, daß jeder Einströmöffnung 24
jeder Laufschaufel 12 jeweils eine separate, in die Turbinenwelle
integrierte Kühlluftzufuhr zugeordnet ist. Jede Einströmöffnung
24 und mit ihr auch der jeweils nachgeschaltete
Teilkanal 26, 28 ist somit unabhängig vom jeweils anderen
Teilkanal 28 bzw. 26 mit Kühlluft K beaufschlagbar. Die somit
gebildeten Teilströme an Kühlluft K können daher an die individuelle,
auslaßseitig vorgegebenen Bedingungen angepaßt
sein. Insbesondere ist der Teilkanal 26 mit im Vergleich zum
Teilkanal 28 unter höherem Druck stehender Kühlluft K beaufschlagbar.
Dazu wird die erste Vorlagekammer 40 mit entsprechend
hochwertiger, unter vergleichsweise hohem Druck stehender
Kühlluft K bespeist. Dem gegenüber wird die zweite Vorlagekammer
44, aus der der zweite Teilkanal 28 der die erste
Laufschaufelreihe bildenden Laufschaufeln 12 mit Kühlluft K
versorgt wird, mit vergleichsweise minderwertigerer, unter
niedrigerem Druck stehende Kühlluft K bespeist. Die Gesamtmenge
an hochwertiger, unter besonders hohem Druck stehende
Kühlluft K kann somit vergleichsweise gering gehalten und
ausschließlich auf diejenigen Bereiche der jeweiligen Laufschaufel
12 beschränkt werden, für die die Versorgung mit
derart hochwertiger Kühlluft K auch tatsächlich notwendig
ist.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die Einströmöffnungen
24 der Laufschaufeln 12 im Bodenbereich des jeweiligen
Schaufelfußes 19 angeordnet. Alternativ können die Einströmöffnungen
24, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, aber auch im
seitlichen Bereich des jeweiligen Schaufelfußes 19 angeordnet
sein. In diesem Fall kann anstelle der Bohrungen 42, 46, 48,
50 eine kühlmittelseitige Verbindung der Einströmöffnungen 24
mit der jeweiligen Vorlagekammer 40 bzw. 44 auch über an der
Turbinenwelle 8 angeordnete umlaufende Scheiben 52 (sogenannte
"Minidisks") hergestellt sein.
Claims (7)
- Laufschaufel (12) für eine Gasturbine (1) mit einem mit einer Turbinenwelle (8) verbindbaren Schaufelfuß (19), der ein profiliertes Schaufelblatt (20) trägt, und in dem eine Mehrzahl von Einströmöffnungen (24) für Kühlluft (K) angeordnet sind.
- Laufschaufel (12) nach Anspruch 1, bei der eine Anzahl der Einströmöffnungen (24) in Längsrichtung der Turbinenwelle (8) gesehen hintereinander angeordnet sind.
- Laufschaufel (12) nach Anspruch 1 oder 2, bei der einer Anzahl der Einströmöffnungen (24) jeweils ein separater, durch das Schaufelblatt (20) geführter Teilkanal (26, 28) für Kühlluft (K) zugeordnet ist.
- Gasturbine (1) mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefaßten, mit einem Turbinengehäuse (6) verbundenen Leitschaufeln (14) und mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefaßten, an einer Turbinenwelle (8) angeordneten Laufschaufeln (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
- Gasturbine (1) nach Anspruch 4, bei der einer Mehrzahl der Einströmöffnungen (24) einer Laufschaufel (12) jeweils eine separate, in die Turbinenwelle (8) integrierte Kühlluftzufuhr zugeordnet ist.
- Gasturbine (1) nach Anspruch 5, bei der die jeweilige Kühlluftzufuhr jeweils eine Vorlagekammer (40, 44) mit angeschlossener Bohrung (42, 46, 48, 50) umfaßt.
- Gasturbine (1) nach Anspruch 5 oder 6, bei der die jeweilige Kühlluftzufuhr jeweils über eine zugeordnete, an der Turbinenwelle (8) umlaufend angeordnete Dichtscheibe (52) in den Schaufelfuß (19) mündet.
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Publications (1)
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ID=8178848
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