EP3263838A1

EP3263838A1 - Turbinenschaufel mit innerem kühlkanal

Info

Publication number: EP3263838A1
Application number: EP16177523.4A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad; Radan RADULOVIC
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2018-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelblatt (2), aufweisend wenigstens einen im Wesentlichen radial verlaufenden Kühlkanal (6, 206, 306), welcher eine Mehrzahl von entlang einer radialen Erstreckung (R) des Schaufelblatts nacheinander angeordneten Kühlräumen (28, 30, 32) aufweist, wobei radial benachbarte Kühlräume jeweils mittels einer Trennwand (16) getrennt sind, die eine oder mehr Kühlfluidöffnungen (18, 20) zum Durchlass von Kühlfluid aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine mit wenigstens einem im Wesentlichen radial verlaufenden Kühlkanal.
Die Leistungserwartungen an Gasturbinen sind in den letzten Jahren immer weiter angestiegen. Die Erwartungen werden bedient, indem man die entscheidenden Faktoren beim Betrieb von Gasturbinen, nämlich die Anströmtemperatur und den Anströmdruck des Arbeitsfluids immer weiter steigert. Dies ist nur mit Hilfe immer weiter optimierter Technologien zur Kühlung der einzelnen Turbinenschaufeln der Gasturbine möglich.
Ein häufig in Gasturbinen eingesetztes Kühlmedium ist Luft. Ein Teil der verdichteten Luft wird dem Verdichter entnommen und unter Umgehung der Brennkammer den Gasturbinenschaufeln zugeführt. Mit der zugeführten Luft können beispielsweise bei Turbinenschaufeln mit einer Anprallkühlung Kühlkanäle im Inneren der Turbinenschaufeln mit Kühlluft versorgt werden, die der aerodynamisch angepassten Außenform des Schaufelblatts nachgeformt sind und durch entsprechende Umlenkung für ein Anprallen der Kühlluft an eine Innenwand des Schaufelblattes sorgen, wodurch diese gekühlt wird.
Bei einer bekannten Turbinenschaufel werden die Schaufelspitze und das restliche Schaufelblatt getrennt hergestellt und an der Schaufelspitze sind kühlungstechnische Mittel zum Umlenken eines Kühlungsstroms an eine Schaufelinnenwand vorgesehen. Durch die weiter steigenden Anforderungen an die Turbinenschaufeln aus dem Hochtemperatur- und Hochdruckbetrieb reicht eine solche Maßnahme jedoch nicht mehr in allen Anwendungsfällen für eine Kühlung aus, die eine zufriedenstellende Kriech-Lebensdauer der Turbinenschaufel ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Turbinenschaufel anzugeben, die eine verbesserte Anprallkühlung für Turbinenschaufeln mit im Inneren der Schaufel verlaufenden Kühlkanälen ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt weist wenigstens einen im Wesentlichen radial verlaufenden Kühlkanal auf, welcher eine Mehrzahl von entlang einer radialen Erstreckung des Schaufelblatts nacheinander angeordneten Kühlräumen aufweist, wobei radial benachbarte Kühlräume jeweils mittels einer Trennwand getrennt sind, die eine oder mehrere Kühlfluidöffnungen zum Durchlass von Kühlfluid aufweist.
Der Erfindung liegt unter anderem die Idee zugrunde, dass durch das Einziehen einer Trennwand in den Kühlkanal und das gleichzeitige Vorsehen einer Kühlfluidöffnung in der Trennwand, die mit einen wesentlich kleineren Querschnitt ausgebildet ist als die Kühlräume, eine deutliche Beschleunigung des Kühlfluids nach sich zieht, was wiederum die Anprallwirkung für die Prallkühlung verstärkt, und somit eine höhere Kühlleistung ermöglicht.
Vorzugsweise erstreckt sich ein Kühlkanal im Sinne der Erfindung von einer Kühlfluidschnittstelle in einem Schaufelfuß der Turbinenschaufel radial bis in eine Schaufelspitze der Turbinenschaufel. Die einzelnen Kühlräume sind vorzugsweise verteilt entlang der radialen Erstreckung des Schaufelfußes, des Schaufelblatts und/oder der Schaufelspitze angeordnet.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine Kühlfluidöffnung (insbesondere jeder Trennwand) eine Hauptrichtung auf, die eine Schrägstellung hin zu einer Innenwand des Schaufelblattes aufweist. Unter einer Hauptrichtung der Kühlfluidöffnung ist insbesondere diejenige Achse zu verstehen, entlang derer Kühlfluid, welches die Öffnung passiert hat, aus dieser austritt. Beispielsweise kann bei einer gebohrten Kühlfluidöffnung die Längsachse der Bohrung die Hauptrichtung darstellen.
Durch die Schrägstellung hin zu einer Innenwand des Schaufelblattes kann die Anprallwirkung des Kühlfluids auf die Innenwand des Schaufelblattes verstärkt werden. Je stärker dabei die Schrägstellung ist - je größer also ein Winkel zwischen einer Radialachse der Turbinenschaufel oder einer Innenwand des Schaufelblatts einerseits und der Hauptrichtung andererseits ist - umso mehr wird die Anprallwirkung und die damit verbundene Kühlung der Innenwand verstärkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die wenigstens eine Trennwand, vorzugsweise alle Trennwände, eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von Kühlfluidöffnungen auf, wobei diese erste Gruppe und diese zweite Gruppe unterschiedliche Hauptrichtungen aufweisen. Die Trennwand ist in dieser Ausführung so ausgeführt, dass die erste Gruppe Kühlfluid an einen anderen Bereich zur Kühlung einer Innenwand des Schaufelblattes führt als die zweite Gruppe.
Vorzugsweise ist dabei eine Hauptrichtung der ersten Gruppe von Kühlfluidöffnungen schräg auf eine vordere Innenwand des Schaufelblattes gerichtet und eine Hauptrichtung der zweiten Gruppe von Kühlfluidöffnungen schräg auf eine hintere Innenwand des Schaufelblattes gerichtet. Dies ermöglicht es, mit einer einzigen Trennwand, die an einer bestimmten Position einer Radialachse der Turbinenschaufel angeordnet ist, beide Seitenwände des Schaufelblattes - also eine vordere Wand und eine hintere Wand - zu kühlen. Wenn beispielsweise die vordere Wand einer stärkeren Kühlung bedarf, kann dem durch eine unterschiedliche Gestaltung und/oder eine unterschiedliche Anzahl von Kühlfluidöffnungen der ersten und der zweiten Gruppe Rechnung getragen werden.
Gemäß verschiedenen bevorzugten Ausführungen ist die wenigstens eine Trennwand (vorzugsweise mehrere oder alle Trennwände) als gerade Rippe, oder als schräge Rippe und/oder als dachförmige Rippe ausgebildet. Die unterschiedlich ausgebildeten Trennwände können in unterschiedlichen Turbinenschaufeln im Sinne der Erfindung eingesetzt werden, je nach Anwendungsfall-bezogenen Erfordernissen der Anprallkühlung.
Unter "gerade" im Sinne dieser Ausführung ist vorzugsweise zu verstehen, dass die Rippe sich im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Radialachse der Turbinenschaufel im Kühlkanal erstreckt. Unter "schräg" im Sinne dieser Ausführung ist vorzugsweise eine Schrägstellung hin zu einer Innenwand des Schaufelblattes zu verstehen, analog der oben beschriebenen Schrägstellung der Hauptrichtung der Kühlfluidöffnungen. Unter "dachförmig" ist vorzugsweise eine doppelte Schrägstellung in dem Sinne zu verstehen, dass eine Schrägstellung einerseits hin zu einer vorderen Innenwand des Schaufelblattes und andererseits hin zu einer hinteren Innenwand des Schaufelblattes mittels der Trennwand verwirklicht ist, die dann gleichsam einen Giebel bildet.
In Bereichen des Schaufelblattes, die aufgrund ihrer Radialposition und/oder aufgrund ihrer Axialposition entlang der Turbinenschaufel einen vergleichsweise geringen Kühlbeitrag leisten müssen, kann eine gerade Trennwand mit geraden Kühlfluidöffnungen vorgesehen sein. Bei erhöhtem Kühlbedarf kann eine gerade Trennwand auch mit Kühlfluidöffnungen mit einer Schrägstellung ihrer Hauptrichtung hin zu einer Innenwand des Schaufelblattes ausgebildet sein. Im Vergleich dazu sind jedoch schräge oder dachförmige Rippen, bei denen die Hauptrichtungen ihrer Kühlfluidöffnungen rechtwinklig zu einer Oberfläche der Rippe stehen, deutlich günstiger und/oder einfacher zu fertigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die Turbinenschaufel einen Kühlkanal im Bereich einer Schaufelfront des Schaufelblattes auf, sprich - bezüglich einer Axialrichtung der Turbinenschaufel - dem vom Arbeitsfluid angeströmten axialen Ende des Schaufelblattes zugewandt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung, die insbesondere Einsatz findet, wenn sehr hohe Anforderungen an die Kühlleistung bestehen, weist die Turbinenschaufel zwei oder mehr Kühlkanäle auf, die entlang einer axialen Erstreckung der Turbinenschaufel, ausgehend von der Schaufelfront des Schaufelblattes, nacheinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführung ist eine wirkungsvolle Anprallkühlung entlang eines größeren Bereichs der axialen Erstreckung der Turbinenschaufel möglich.
Eine solche Turbinenschaufel kann beispielsweise als ummantelte Turbinenschaufel ausgebildet sein, wobei dann vorzugsweise alle Kühlkanäle dieselbe radiale Strömungsrichtung aufweisen, und insbesondere am Turbinenfuß das Kühlfluid in die Kühlkanäle eingeführt wird und insbesondere an der Schaufelummantelung das Kühlfluid aus den Kühlkanälen abgeführt wird.
Eine Turbinenschaufel im Sinne der Erfindung kann aber auch als freie Turbinenschaufel ausgebildet sein, wobei dann vorzugsweise benachbarte Kühlkanäle derart miteinander verbunden sind, dass sich eine entgegengesetzte radiale Strömungsrichtung ergibt. Die einzelnen Kühlkanäle sind dabei an ihren Enden zur Kühlmittelleitung miteinander verbunden, so dass das Kühlmittel am Schaufelfuß sowohl eingeleitet als auch an einem später im Kühlmittelfluss angeordneten Kühlkanal wieder ausgeleitet wird.
Um an unterschiedlich thermisch belasteten radialen Positionen des Schaufelblattes unterschiedliche Kühlleistung bereitstellen zu können, kann die Entfernung benachbarter Trennwände eine Kühlkanals ebenso variiert werden wie die Schrägstellung der Hauptrichtungen der Kühlmittelöffnungen.
Vorzugsweise weist die Turbinenschaufel dabei eine Mehrzahl von Kühlräumen in einem Kühlkanal auf. Dabei können abhängig von einer radialen Position eines Kühlraums am Schaufelblatt unterschiedliche Entfernungen zwischen zwei Trennwänden vorgesehen sein und/oder unterschiedliche Schrägstellungen der Hauptrichtungen der Kühlmittelöffnungen vorgesehen sein.
Insbesondere kann im Bereich einer mittleren radialen Erstreckung des Schaufelblatts eine geringere Entfernung der Trennwände und/oder eine stärkere Schrägstellung hin zu der Innenwand des Schaufelblattes vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführung wird ein Kern der Turbinenschaufel, in welchem der oder die Kühlkanäle angeordnet sind, aus verschiedenen Segmenten gefertigt, die miteinander mittels Quarzpins verbunden sind. Vorzugsweise stellen die Quarzpins auch die Form der Kühlfluidöffnungen bereit. Die Kühlfluidöffnungen sind vorzugsweise mit einem kreiszylinderförmigen Loch in einer als Rippe ausgebildeten Trennwand ausgebildet. Eine Stärke der Rippen beträgt vorzugsweise zwischen 3 und 6 mm. Wenn dachförmige und/oder Schrägrippen verwendet werden, ist vorzugsweise ein Schrägstellungs-Winkel zu der zugeordneten Innenwand des Schaufelblattes von 45° bis 75° vorgesehen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei zeigt:

Figur 1:: in einer Schnittansicht, in Strömungsrichtung des Arbeitfluides betrachtet, eine Turbinenschaufel nach einer Ausführung der Erfindung; und
Figur 2:: die Turbinenschaufel gemäß Figur 1 entlang dem in Figur 1 eingezeichneten Schnitt II-II.

In Figur 1 ist eine Turbinenschaufel 1 dargestellt, aufweisend ein Schaufelblatt 2 zur Anströmung durch ein Arbeitsfluid einer Gasturbine, in der die Turbinenschaufel verbaut ist, und aufweisend einen Schaufelfuß 4, mittels dem die Turbinenschaufel an der Rotorwelle der Gasturbine befestigt ist.
Entlang der gesamten dargestellten radialen Erstreckung der Turbinenschaufel ist ein erster Kühlkanal 6 angeordnet, der - bezogen auf den Kühlluftstrom 12 - zuerst durch Innenwände des Schaufelfußes 4 und dann durch eine vordere Innenwand 8 und eine hintere Innenwand 10 der Turbinenschaufel 2 begrenzt ist. Der Kühlkanal 6 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Radialachse R der Turbinenschaufel.
Im Kühlkanal 6 sind - radial voneinander beabstandet - exemplarisch zwei als dachförmige Rippen 14 ausgebildete Trennwände 16 angeordnet, wobei in einem Ausführungsbeispiel mehr als die zwei dargestellten Rippen vorgesehen sind.
Die Trennwände 16 grenzen Kühlräume 28, 30 und 32 voneinander ab, die bezüglich des Kühlmittelstroms 12 nur über Kühlfluidöffnungen 18 und 20 miteinander verbunden sind. An jeder der Trennwände 16 ist eine Mehrzahl von Kühlfluidöffnungen 18, 20 angeordnet.
Die Kühlfluidöffnungen 18 weisen eine Hauptrichtung H₁₈ auf, die eine Schrägstellung hin zu einer vorderen Innenwand 8 des Schaufelblattes in einem Winkel α₁₈ aufweist. Die Kühlfluidöffnungen 20 weisen eine Hauptrichtung H₂₀ auf, die eine Schrägstellung hin zu einer hinteren Innenwand 10 des Schaufelblattes 2 in einem Winkel α₂₀ aufweisen.
Im ersten Kühlkanal 6 sind beispielsweise an der Trennwand 16.1 drei Kühlfluidöffnungen 18 und drei Kühlfluidöffnungen 20 vorgesehen. Die Kühlfluidöffnungen 18 weisen eine einander entsprechende Hauptrichtung H₁₈ auf und sind einer ersten Gruppe 118 von Kühlfluidöffnungen 18 zugeordnet. Die Kühlfluidöffnungen 20 weisen ihrerseits eine einander entsprechende Hauptrichtung H₂₀ auf und sind einer zweiten Gruppe 120 von Kühlfluidöffnungen 20 zugeordnet.
Nachfolgend ist die Funktionsweise einer Anprallkühlung gemäß der in Figur 1 beschriebenen Ausführung der Erfindung erläutert. Das Arbeitsfluid der Gasturbine, in welcher die Turbinenschaufel 1 verbaut ist, strömt dieses aus einer Richtung senkrecht zur Darstellung hin zur Darstellung der Figur 1 an. An einer Schaufelfront 22 (vgl. Figur 2) wird der Strom des Arbeitsfluids (siehe dicker Pfeil in Figur 2) durch die Turbinenschaufel aufgespalten, wobei die Energie des Arbeitsfluidstroms in eine Vorderseite 24 und eine Rückseite 26 der Turbinenschaufel 2 eingebracht wird und diese erhitzt.
Zur Kühlung des Schaufelblattes 2 wird die Anprallkühlung gemäß der in Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführung der Erfindung verwendet. Dabei wird ein Kühlfluid in den Kühlkanal 6 entsprechend dem dargestellten Kühlmittelstrom 12 am Schaufelfuß 4 eingeführt, strömt durch den ersten Kühlraum 28, durch die Kühlfluidöffnungen 18 und 20 in den zweiten Kühlraum 30 und durch weitere Kühlfluidöffnungen der Trennwand 16.2 in den dritten Kühlraum 32. Durch die Schrägstellung der Kühlfluidöffnungen 18 im Winkel α₁₈ entsprechend der Hauptrichtung H₁₈ und der Kühlfluidöffnungen 20 im Winkel α₂₀ entsprechend der Hauptrichtung H₂₀, jeweils in Bezug auf die vordere Innenwand 8 bzw. die hintere Innenwand 10 geschieht zweierlei:

Erstens wird das Kühlfluid gezwungen, einen engeren Querschnitt zu passieren, wodurch es sich beschleunigt. Zweitens wird das Kühlfluid entlang der Hauptrichtungen H auf die entsprechende Seitenwand 8 bzw. 10 (zusätzlich beschleunigt) hingeführt. Durch diese zwei Effekte verstärkt sich die Anprallwirkung des Kühlfluids auf die jeweilige Innenwand. Dies hat zur Folge, dass das relativ kalte Kühlfluid eine größere Wärmemenge der relativ heißen Innenwand 8 bzw. 10 des Schaufelblattes 2 mit abführen kann, weil der Kontakt zwischen Kühlfluid und Seitenwand durch die Beschleunigung und durch die Richtungsauslenkung enger ist.

Im dargestellten Beispiel findet dieser Vorgang zuerst an der Trennwand 16.1 an einer ersten Radialposition des Schaufelblatts statt und anschließend erneut an der Trennwand 16.2 an einer zweiten Radialposition des Schaufelrads.
Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass in axialer Richtung entlang der Längsachse L der Turbinenschaufel nicht nur der erste Kühlkanal 6 angeordnet ist, sondern an weiter von der Schaufelfront 22 entfernten Positionen noch weitere Kühlkanäle 206 und 306. In jedem dieser Kühlkanäle sind mehrere Trennwände 16 angeordnet, die jeweils mehrere dachförmige Rippen 14 aufweisen, in denen wiederum jeweils eine erste Gruppe 118, 218, 318 von Kühlfluidöffnungen und eine zweit Gruppe 120, 220, 320 von Kühlfluidöffnungen angeordnet ist.
Je nach Ausführung der Turbinenschaufel als freie Turbinenschaufel oder als ummantelte Turbinenschaufel kann vorgesehen sein, dass alle drei Kühlkanäle 6, 206 und 306 in gleicher Richtung von dem Schaufelfuß hin zur Schaufelummantelung durchströmt werden oder, dass der Kühlmittelstrom im ersten Kühlkanal 6 und im dritten Kühlkanal 306 radial nach außen strömt, und mit dem zweiten radialen Kühlkanal 206 geeignet verbunden ist, damit das radial nach außen geförderte Kühlfluid in diesem wieder zum Schaufelfuß 4 geführt werden kann.

Claims

Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelblatt (2), aufweisend wenigstens einen im Wesentlichen radial verlaufenden Kühlkanal (6, 206, 306), welcher eine Mehrzahl von entlang einer radialen Erstreckung (R) des Schaufelblatts nacheinander angeordneten Kühlräumen (28, 30 ,32) aufweist, wobei radial benachbarte Kühlräume jeweils mittels einer Trennwand (16) getrennt sind, die eine oder mehr Kühlfluidöffnungen (18, 20) zum Durchlass von Kühlfluid aufweist.
Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1,
wobei die wenigstens eine Kühlfluidöffnung eine Hauptrichtung (H) aufweist, die eine Schrägstellung (α) hin zu einer Innenwand des Schaufelblattes aufweist.
Turbinenschaufel gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die wenigstens eine Trennwand eine erste Gruppe (118, 218, 318) und eine zweite Gruppe (120, 220, 320) von Kühlfluidöffnungen mit unterschiedlichen Hauptrichtungen (H₁₈, H₂₀) aufweist.
Turbinenschaufel gemäß Anspruch 3,
wobei eine Hauptrichtung (H₁₈) der ersten Gruppe von Kühlfluidöffnungen schräg auf eine vordere Innenwand (8) des Schaufelblattes gerichtet ist und eine Hauptrichtung (H₂₀) der zweiten Gruppe von Kühlfluidöffnungen schräg auf eine hintere Innenwand (10) des Schaufelblattes gerichtet ist.
Turbinenschaufel gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die wenigstens eine Trennwand als gerade, schräge oder dachförmige Rippe (14) ausgebildet ist.
Turbinenschaufel gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend zwei oder mehr Kühlkanäle,
die entlang einer axialen Erstreckung (L) der Turbinenschaufel, ausgehend von einer Schaufelfront (22) des Schaufelblattes, nacheinander angeordnet sind.
Turbinenschaufel gemäß Anspruch 6,
wobei alle Kühlkanäle dieselbe radiale Strömungsrichtung aufweisen.
Turbinenschaufel gemäß Anspruch 6,
wobei benachbarte Kühlkanäle derart miteinander verbunden sind, dass sich eine entgegengesetzte radiale Strömungsrichtung ergibt.
Turbinenschaufel gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend eine Mehrzahl von Kühlräumen in einem Kühlkanal, wobei abhängig von deren radialer Position am Schaufelblatt unterschiedliche Entfernungen zwischen zwei Trennwänden vorgesehen sind, insbesondere eine geringere Entfernung im Bereich einer mittleren radialen Erstreckung.
Turbinenschaufel gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend eine Mehrzahl von Kühlräumen in einem Kühlkanal, wobei abhängig von deren radialer Position am Schaufelblatt unterschiedliche Schrägstellungen der Hauptrichtungen der Kühlmittelöffnungen vorgesehen sind, insbesondere eine stärkere Schrägstellung hin zu der Innenwand im Bereich einer mittleren radialen Erstreckung.