WO2010037659A1 - Schaufel für eine gasturbine - Google Patents

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Christoph Nagler
Erich Kreiselmaier
Jose Mcfeat Anguisola
Sergei Riazantsev
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Alstom Technology Ltd.
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/24—Three-dimensional ellipsoidal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a blade for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • the blade 10 of FIG. 1 extends in the manner of a wing profile transversely to its longitudinal direction between a rounded front edge 15 and a comparatively tapered trailing edge 16
  • the blade 10 has a (concave) pressure side 13 and a (convex) suction side 14 with corresponding walls 13 'and 14'.
  • a gaseous coolant or cooling medium is supplied and ejected inter alia by a formed on the trailing edge 16 coolant outlet into the environment.
  • a particularly tapered, slim trailing edge 16 is thereby achieved in that the coolant outlet 18 is arranged completely on the pressure side 13 of the blade 10, and the two walls 13 'and 14' are made particularly thin in the region of the trailing edge 16.
  • the blade 11 at the end of its extension in the longitudinal direction in a transverse to the longitudinal direction of the platform 12 and is bounded by this platform 12, the transition of the airfoil 11 to this platform 12 in the region of the trailing edge 16 a typical, the life of a gas turbine component limiting factor because it is with a superposition of high thermal stress caused by the thermo-mechanical mismatch between platform 12 and blade 11, and mechanical stress peaks, caused by the load of the blades by the gas flow, is applied.
  • the reduction in the thickness of the trailing edge 16 causes an increase in the stress in this critical area, so that in the design of the blade measures must be considered in order to achieve a sufficiently long life and to ensure.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to develop a blade of the type mentioned for a gas turbine so that despite a small thickness at the trailing edge of the airfoil sufficient life is achieved.
  • the transition from the blade to the platform at the trailing edge has a transition thickness profile in which the thickness increases disproportionately with increasing approach to the underside of the platform, and that the coolant outlet to reduce the temperature in the transition from Blade sheet is extended to the platform into the platform.
  • the mechanical stress in the transition area is safely reduced.
  • the extension of the coolant outlet into the platform leads there to improved cooling, so that thermally induced stresses are also significantly reduced.
  • An embodiment of the invention is characterized in that the transition thickness profile has a substantially exponential shape, which resembles an upside down very slender truncated pyramid or an inverted quasi pyramid. This achieves a particularly "soft" transition between the trailing edge and the platform.
  • Another embodiment is characterized in that the transition from the blade to the platform has an approximately elliptical transition edge profile, which also reduces the stresses.
  • the trailing edge at the transition from the blade to the platform is pulled up to the edge of the platform.
  • a further embodiment of the invention is characterized in that the coolant outlet is formed between a pressure-side wall of the airfoil and a suction-side wall of the airfoil, and that the pressure-side wall has a curved transition edge profile in the transition from the airfoil to the platform, such that the wall thickness of the pressure-side wall in the region of the transition from the blade to the platform is approximately equal to the wall thickness in the remaining region of the airfoil.
  • Fig. 1 is a greatly simplified cross-section through an exemplary
  • a gas turbine blade having a narrow trailing edge and a pressure side disposed coolant outlet at the trailing edge as appropriate for the practice of the invention
  • FIG. 2 shows a blade according to FIG. 1 showing the previously used abrupt transition between the blade leaf and the platform
  • FIG. and Fig. 3 shows the low-voltage transition between the blade and the platform according to an embodiment of the invention.
  • a blade 20 for a gas turbine with a low-voltage transition between the blade 11 and platform 12 is shown according to an embodiment of the invention.
  • the bucket 20 of the exemplary embodiment comprises a longitudinally extending airfoil 11, which extends in the manner of a wing transversely to the longitudinal direction between a front edge 15 and a trailing edge 16 and has a pressure side 13 and a suction side 14.
  • the airfoil 11 merges into a transverse to the longitudinal direction platform 12, the laterally projecting beyond the blade cross-section.
  • a slot-shaped coolant outlet 18 extending along the trailing edge 16, through which a coolant supplied via the (hollow) interior 17 of the blade 20, e.g. Cooling air, is ejected.
  • the trailing edge 16 is designed with its thin walls 13 'and 14' is very narrow.
  • the transition according to the invention has a transitional thickness profile 21, in which the thickness D increases disproportionately with increasing approach to the bottom 12 'of the platform 12.
  • the coolant outlet 18 is extended to reduce the local temperature in the region of the transition from the blade 11 to the platform 12 into the platform 12 (extension 19).
  • the transition thickness profile 21 has a substantially exponential shape and thus resembles an upside-down Eiffel tower. It is particularly favorable with regard to the stress distribution if the transition from the blade 11 to the platform 12 has an approximately elliptical transition edge profile 22. While in the conventional blade of FIG. 2, the trailing edge 16 of the airfoil 11 terminates within the platform 12 and does not extend to the edge of the platform 12, in the embodiment of FIG the trailing edge 16 at the transition from the blade 11 to the platform 12 to the edge 12 "of the platform 12 is pulled forward.
  • the coolant outlet 18 is delimited by the pressure-side wall 13 'and the suction-side wall 14' of the airfoil 11.
  • the pressure-side wall 13 ' has in the transition from the blade 11 to the platform 12 a curved transition edge profile 23, such that the wall thickness of the pressure-side wall 13' in the region of the transition from the blade 11 to the platform 12 is approximately equal to the wall thickness in the remaining area of Blade sheet 11 is.
  • the invention achieves a significant improvement in service life at the transition between the airfoil trailing edge and the gas turbine blade platform by: (1) extending the coolant outlet (cooling slot) into the platform to move in the critical area by bringing Coolant to reduce the metal temperature, with a convective cooling of the walls takes place on both sides.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Eine Schaufel (20) für eine Gasturbine umfasst ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (11), das sich quer zur Längsrichtung zwischen einer Vorderkante (15) und einer Hinterkante (16) ausdehnt und eine Druckseite (13) und eine Saugseite (14) aufweist, und am einen Ende in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform (12) übergeht, wobei an der Hinterkante (16) ein sich entlang der Hinterkante (16) erstreckender, schlitzförmiger Kühlmittelauslass (18) vorgesehen ist, durch welchen ein über den Innenraum (17) der Schaufel (20) zugeführtes Kühlmittel ausgestossen wird. Bei einer solchen Schaufel (20) wird eine Erhöhung der Lebensdauer dadurch erreicht, dass der Übergang vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) an der Hinterkante (16) ein Übergangsdickenprofil (21 ) aufweist, bei dem die Dicke (D) mit zunehmender Annäherung an die Unterseite (12') der Plattform (12) überproportional zunimmt, und dass der Kühlmittelauslass (18) zur Reduzierung der Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) bis in die Plattform (12) hinein verlängert ist (19).

Description

SCHAUFEL FÜR EINE GASTURBINE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die Forderungen nach einer Erhöhung des Wirkungsgrades von Gasturbinen füh- ren dazu, dass die Dicke an den Hinterkanten der Schaufelblätter der in den Gasturbinen eingesetzten Schaufeln immer weiter reduziert werden muss. Dies hat eine Geometrie der Schaufel zur Folge, wie sie in Fig. 1 im Querschnitt beispielhaft dargestellt ist: Die Schaufel 10 der Fig. 1 erstreckt sich nach Art eines Flügelprofils quer zu ihrer Längsrichtung zwischen einer gerundeten Vorderkante 15 und einer vergleichsweise spitz zulaufenden Hinterkante 16. Die Schaufel 10 weist eine (konkave) Druckseite 13 und eine (konvexe) Saugseite 14 mit entsprechenden Wänden 13' und 14' auf. Im hohlen Innenraum 17 wird ein gasförmiges Kühlmittel bzw. Kühlmedium zugeführt und unter anderem durch einen an der Hinterkante 16 ausgebildeten Kühlmittelauslass in die Umgebung ausgestossen. Eine besonders spitz zulaufende, schlanke Hinterkante 16 wird dabei dadurch erreicht, dass der Kühlmittelauslass 18 vollständig auf der Druckseite 13 der Schaufel 10 angeordnet ist, und die beiden Wände 13' und 14' im Bereich der Hinterkante 16 besonders dünn ausgeführt sind.
Wenn, wie dies in der perspektivischen Ansicht der Fig. 2 angedeutet ist, das Schaufelblatt 11 am Ende seiner Erstreckung in Längsrichtung in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform 12 übergeht und von dieser Plattform 12 begrenzt wird, stellt der Übergang des Schaufelblattes 11 zu dieser Plattform 12 im Bereich der Hinterkante 16 einen typischen, die Lebensdauer eines Gasturbinen- bauteils begrenzenden Faktor dar, weil er mit einer Überlagerung von hoher thermischer Spannung, hervorgerufen durch die thermo-mechanische Fehlanpassung zwischen Plattform 12 und Schaufelblatt 11 , und mechanischen Spannungsspitzen, hervorgerufen durch die Belastung der Schaufeln durch die Gasströmung, beaufschlagt wird. Die Reduzierung der Dicke der Hinterkante 16 verursacht ein Erhöhung der Spannung in diesem kritischen Bereich, so dass bei der Auslegung der Schaufel Massnahmen erwogen werden müssen, um eine hinreichend grosse Lebensdauer zu erreichen und zu gewährleisten.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaufel der eingangs genannten Art für eine Gasturbine so weiterzuentwickeln, dass trotz einer geringen Dicke an der Hinterkante des Schaufelblattes eine ausreichende Lebensdauer erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Übergang vom Schaufelblatt zur Platt- form an der Hinterkante ein Übergangsdickenprofil aufweist, bei dem die Dicke mit zunehmender Annäherung an die Unterseite der Plattform überproportional zunimmt, und dass der Kühlmittelauslass zur Reduzierung der Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt zur Plattform bis in die Plattform hinein verlängert ist. Durch die Ausweitung der Dicke der Hinterkante zur Plattform hin wird die mechanische Spannung im Übergangsbereich sicher abgebaut. Die Verlängerung des Kühlmittelauslasses bis in die Plattform hinein führt dort zu einer verbesserten Kühlung, so dass thermisch bedingte Spannungen ebenfalls deutlich reduziert werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Übergangsdickenprofil eine im wesentlichen exponentielle Gestalt aufweist, die einem auf dem Kopf stehenden sehr schlanken Pyramidenstumpf oder einer auf den Kopf stehenden quasi Pyramiden ähnelt. Hierdurch wird ein besonders „weicher" Übergang zwischen Hinterkante und Plattform erzielt. Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Schaufelblatt zur Plattform ein näherungsweise elliptisches Übergangsrandprofil aufweist, welches ebenfalls die Spannungen reduziert.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung die Hinterkante am Übergang vom Schaufelblatt zur Plattform bis an die Kante der Plattform vorgezogen ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlmittelauslass zwischen einer druckseitigen Wand des Schaufelblattes und einer saugseitigen Wand des Schaufelblattes ausgebildet ist, und dass die druckseitige Wand im Übergang vom Schaufelblatt zur Plattform ein gekrümmtes Übergangskantenprofil aufweist, derart, dass die Wanddicke der druckseitigen Wand im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt zur Plattform in etwa gleich der Wanddicke im übrigen Bereich des Schaufelblattes ist.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszei- chen versehen. Es zeigen
Fig. 1 einen stark vereinfachten Querschnitt durch eine beispielhafte
Gasturbinenschaufel mit schmaler Hinterkante und einem auf der Druckseite angeordneten Kühlmittelauslass an der Hinterkante, wie sie für die Anwendung der Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 bei einer Schaufel gemäss Fig. 1 den bisher verwendeten abrupten Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform; und Fig. 3 den spannungsarmen Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 3 ist eine Schaufel 20 für eine Gasturbine mit einem spannungsarmen Übergang zwischen Schaufelblatt 11 und Plattform 12 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Schaufel 20 des Ausführungsbei- spiels umfasst ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 11 , das sich nach Art eines Flügels quer zur Längsrichtung zwischen einer Vorderkante 15 und einer Hinterkante 16 ausdehnt und eine Druckseite 13 und eine Saugseite 14 aufweist. Am oberen (oder unteren) Ende geht das Schaufelblatt 11 in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform 12 über, die seitlich über den Schaufelquer- schnitt hinausragt. An der Hinterkante 16 des Schaufelblattes 11 ist ein sich entlang der Hinterkante 16 erstreckender, schlitzförmiger Kühlmittelauslass 18 vorgesehen, durch welchen ein über den (hohlen) Innenraum 17 der Schaufel 20 zugeführtes Kühlmittel, z.B. Kühlluft, ausgestossen wird. Die Hinterkante 16 ist mit ihren dünnen Wänden 13' und 14' ist sehr schmal ausgeführt. Um am Übergang zwischen der schmalen Hinterkante 16 und der massiven Plattform 12 die thermischen Spannungen zu reduzieren, weist der Übergang erfindungsgemäss ein Übergangsdickenprofil 21 auf, bei dem die Dicke D mit zunehmender Annäherung an die Unterseite 12' der Plattform 12 überproportional zunimmt. Gleichzeitig ist der Kühlmittelauslass 18 zur Reduzierung der lokalen Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 bis in die Plattform 12 hinein verlängert (Verlängerung 19).
Das Übergangsdickenprofil 21 weist eine im wesentlichen exponentielle Gestalt auf und ähnelt damit einem auf dem Kopf stehenden Eiffelturm. Besonders günstig hinsichtlich der Spannungsverteilung ist es dabei, wenn der Übergang vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 ein näherungsweise elliptisches Übergangsrandprofil 22 aufweist. Während bei der herkömmlichen Schaufel gemäss Fig. 2 die Hinterkante 16 des Schaufelblattes 11 innerhalb der Plattform 12 endet und sich nicht bis zum Rand der Plattform 12 erstreckt, ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Hinterkante 16 am Übergang vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 bis an die Kante 12" der Plattform 12 vorgezogen.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, wird der Kühlmittelauslass 18 von der druckseitigen Wand 13' und der saugseitigen Wand 14' des Schaufelblattes 11 begrenzt. Die druckseitige Wand 13' weist dabei im Übergang vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 ein gekrümmtes Übergangskantenprofil 23 auf, derart, dass die Wanddicke der druckseitigen Wand 13' im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 in etwa gleich der Wanddicke im übrigen Bereich des Schaufel- blattes 11 ist.
Insgesamt wird mit der Erfindung eine erhebliche Verbesserung der Lebensdauer am Übergang zwischen der Schaufelblatt-Hinterkante und der Plattform einer Gasturbinenschaufel durch folgende Massnahmen erreicht: (1 ) Die Verlängerung des Kühlmittelauslasses (Kühlungsschlitzes) in die Plattform hinein, um in dem kritischen Bereich durch Heranführen von Kühlmittel die Metalltemperatur zu verringern, wobei eine konvektive Kühlung der Wände auf beiden Seiten stattfindet.
(2) Verlagerung der Schaufelblatt-Hinterkante an den Rand der Plattform, um die Spannung zu erniedrigen und die Gestaltung der Schaufel unabhängig von Abweichungen in der radialen Position des Gusskerns zu machen.
(3) Einführen eines Übergangs-Dickenprofils von „Eiffelturm"-Typ durch Erhöhen der Grosse und Einführen einer speziellen elliptischen Kontur der Kehlung am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform im Bereich der Hinterkante.
(4) Einführen eines speziell gekrümmten Übergangskantenprofils zur Druckseite des Schaufelblattes an der Kehlung am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform im Bereich der Hinterkante, um im Übergangsbereich eine Wandstärke zu erreichen die der Wandstärke des Schaufelblattes ent- spricht, wodurch Spannung und Metalltemperatur verringert und die Lebensdauer am Übergang erhöht werden. Bezugszeichenliste
10,20 Schaufel (Gasturbine)
11 Schaufelblatt
12 Plattform
12' Unterseite (Plattform)
12" Kante (Plattform)
13 Druckseite
13' Wand (Druckseite)
14 Saugseite
14' Wand (Saugseite)
15 Vorderkante
16 Hinterkante
17 Innenraum
18 Kühlmittelauslass (schlitzförmig)
19 Verlängerung (Kühlmittelauslass)
21 Übergangsdickenprofil
22 Übergangsrandprofil
23 Übergangskantenprofil
D Dicke (Übergangsdickenprofil)

Claims

Patentansprüche
1. Schaufel (20) für eine Gasturbine, welche Schaufel (20) ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (11 ) umfasst, das sich quer zur
Längsrichtung zwischen einer Vorderkante (15) und einer Hinterkante (16) ausdehnt und eine Druckseite (13) und eine Saugseite (14) aufweist, und am einen Ende in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform (12) übergeht, wobei an der Hinterkante (16) ein sich entlang der Hinterkante (16) erstreckender, schlitzförmiger Kühlmittelauslass (18) vorgesehen ist, durch welchen ein über den Innenraum (17) der Schaufel (20) zugeführtes Kühlmittel ausgestossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Schaufelblatt (11 ) zur Plattform (12) an der Hinterkante (16) ein Übergangsdickenprofil (21 ) aufweist, dessen Dicke (D) mit zunehmender Annä- herung an die Unterseite (12') der Plattform (12) überproportional zunimmt, und dass der Kühlmittelauslass (18) zur Reduzierung der Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt (11 ) zur Plattform (12) bis in die Plattform (12) hinein verlängert ist (19).
2. Schaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsdickenprofil (21 ) eine im wesentlichen exponentielle Gestalt aufweist, die einem auf dem Kopf stehenden Eiffelturm ähnelt.
3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Über- gang vom Schaufelblatt (11 ) zur Plattform (12) ein näherungsweise elliptisches Übergangsrandprofil (22) aufweist.
4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (16) am Übergang vom Schaufelblatt (11 ) zur Plattform (12) bis an die Kante (12") der Plattform (12) vorgezogen ist.
5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelauslass (18) zwischen einer druckseitigen Wand (13') des Schaufelblattes (11 ) und einer saugseitigen Wand (14') des Schaufelblattes (11 ) ausgebildet ist, und dass die druckseitige Wand (13') im Übergang vom Schaufelblatt (11 ) zur Plattform (12) ein gekrümmtes Übergangskantenprofil (23) aufweist, derart, dass die Wanddicke der druckseitigen Wand (13') im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt (11 ) zur Plattform (12) in etwa gleich der Wanddicke im übrigen Bereich des Schaufelblattes (11 ) ist.
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