CH699998A1

CH699998A1 - Leitschaufel für eine Gasturbine.

Info

Publication number: CH699998A1
Application number: CH01845/08A
Authority: CH
Inventors: Brian Kenneth Wardle; Andre Dr Saxer; Beat Von Arx; Dr Igor Tsypkaykin
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-05-31
Also published as: EP2350441A1; WO2010060823A1; US20110286834A1; EP2350441B1

Abstract

Eine Leitschaufel (20) für eine Gasturbine, insbesondere für die Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, weist ein sich in radialer Richtung zwischen einem Schaufelkopf (23) und einer Deckplatte (21) erstreckendes Schaufelblatt (22) auf, wobei sich das Schaufelblatt (22) quer zur Richtung des Heissgasstromes (30) zwischen einer Vorderkante (27) und einer Hinterkante (28) erstreckt und eine Druckseite (31) und eine Saugseite aufweist, und wobei auf der Druckseite (31) vor der Hinterkante (28) ein parallel zur Hinterkante (28) verlaufender Kühlschlitz (29) vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmedium über die gesamte Länge der Leitschaufel (20) aus der Leitschaufel (20) austreten und die Hinterkante (28) der Leitschaufel (20) kühlen kann. Bei einer solchen Leitschaufel wird die Lebensdauer dadurch verlängert, dass unterhalb der Hinterkante (28) und des Kühlschlitzes (29) an dem Schaufelkopf (23) Mittel (33) zum Reduzieren von thermischen Spannungen vorgesehen sind.

Description


  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine Leitschaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

  

[0002]    Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung sind bekannt und haben sich im industriellen Einsatz bewährt.
Eine solche Gasturbine, welche in Fachkreisen als GT24/26 bekannt geworden ist, geht beispielsweise aus einem Aufsatz von Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24/GT26 Gasturbine Family", IGTI/ASME 98-GT-220, 1998 Stockholm. Die dortige Fig. 1zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Gasturbine, wobei die dortige Fig. 1in der vorliegenden Anmeldung als Fig. 1 wiedergegeben ist. Des Weiteren geht eine solche Gasturbine aus EP-B1-0620 362 hervor.

  

[0003]    Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 10 mit sequentieller Verbrennung, bei der entlang einer Achse 19 ein Verdichter 11, eine erste Brennkammer 14, eine Hochdruckturbine (HDT) 15, eine zweite Brennkammer 17 und eine Niederdruckturbine (NDT) 18 angeordnet sind. Der Verdichter 11 und die beiden Turbinen 15, 18 sind Teil eines Rotors, der um die Achse 19 dreht. Der Verdichter 11 saugt Luft an und verdichtet sie. Die verdichtete Luft strömt in ein Plenum ein und strömt von dort in Vormischbrenner, wo diese Luft mit mindestens einem Brennstoff, mindestens über die Brennstoffzufuhr 12 herangeführten Brennstoff vermischt wird. Solche Vormischbrenner gehen grundsätzlich aus EP-A1-0 321 809 oder EP-A2-0 704 657 hervor.
Die verdichtete Luft strömt in die Vormischbrenner, wo die Vermischung, wie oben ausgeführt, mit mindestens einem Brennstoff stattfindet.

   Dieses Brennstoff/Luft-Gemisch strömt dann in die erste Brennkammer 14 ein, in welche dieses Gemisch unter Bildung einer stabilen Flammenfront zur Verbrennung gelangt. Das so entstehende Heissgas wird in der anschliessenden Hochdruckturbine 15 unter Arbeitsleistung teilweise entspannt und strömt sodann in die zweite Brennkammer 17 ein, wo eine weitere Brennstoffzufuhr 16 stattfindet. Durch die hohen Temperaturen, welche das in der Hochdruckturbine 15 teilentspannte Heissgas immer noch aufweist, findet in der zweiten Brennkammer 17 eine Verbrennung statt, welche auf Selbstzündung beruht. Das in der zweiten Brennkammer 17 nacherhitzte Heissgas wird dann in einer mehrstufigen Niederdruckturbine 18 entspannt.

  

[0004]    Die Niederdruckturbine 18 umfasst in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet mehrere Reihen von Laufschaufeln und Leitschaufeln, die alternierend angeordnet sind. Die Leitschaufeln der in Strömungsrichtung dritten Leitschaufelreihe sind in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 20 versehen.

  

[0005]    Bei den hohen Heissgastemperaturen in Gasturbinen der neuen Generationen ist es unabdingbar geworden, die Leit- und Laufschaufeln der Turbine nachhaltig zu kühlen. Dazu wird ein gasförmiges Kühlmedium (z.B. verdichtete Luft vom Verdichter der Gasturbine abgezeigt oder Dampf zugeführt. Bei allen Fällen wird das Kühlmedium durch in der Schaufelgebildete (häufig in Serpentinen verlaufende) Kühlkanäle geschickt und/oder an verschiedenen Stellen der Schaufel durch entsprechende Öffnungen (Bohrungen, Schlitze) nach aussen geleitet, um insbesondere auf der Aussenseite der Schaufel einen kühlenden Film auszubilden (Filmkühlung). Ein Beispiel für eine derartige gekühlte Schaufel ist in der Druckschrift US-A-5,813,835 beschrieben und dargestellt.

  

[0006]    Im Rahmen der Schaufelkühlung wird häufig auch die Hinterkante der Schaufel gekühlt, indem Kühlmedium durch eine auf der Druckseite der Schaufel vor der Hinterkante angeordnete, im wesentlichen parallel zur Hinterkante verlaufende schlitzförmige Öffnung (Kühlschlitz) ausgestossen wird und über die Hinterkante und den zwischen Öffnung und Hinterkante liegenden Bereich der Schaufeloberfläche streicht. Eine solche Kühlung der Hinterkante ist in Fig. 3der US-A-5,813,835 mit den Bezugszeichen 208 und 210 dargestellt.

  

[0007]    Die Leitschaufel 20 gemäss Fig. 1weist ein sich in radialer Richtung zwischen einem Schaufelkopf und einer Deckplatte erstreckendes Schaufelblatt auf, wobei sich das Schaufelblatt quer zur Richtung des Heissgasstromes mit einer Druckseite und einer Saugseite zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstreckt und auf der Druckseite vor der Hinterkante ein parallel zur Hinterkante verlaufender Kühlschlitz der oben beschriebenen Art vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmedium über die gesamte Länge der Leitschaufel aus der Leitschaufel austreten und die Hinterkante der Leitschaufel kühlen kann.

  

[0008]    Durch den in das Schaufelblatt integrierten, insbesondere gusstechnisch erzeugten Kühlschlitz muss die Hinterkante der Leitschaufel vergleichsweise dünn ausgeführt werden. Wenn sich im Betrieb der an den Rotor dichtungsbedingt anstossende Schaufelkopf der Leitschaufel aufgrund der auftretenden Belastung ausgesetzt wird, werden dadurch erhebliche mechanische Kräfte auf die Hinterkante des Schaufelblattes ausgeübt, die aufgrund der geringen Dicke der Hinterkante zu Rissen an der Verbindungsstelle zwischen Hinterkante und innerer Plattform und damit einer unerwünschten Begrenzung der Lebensdauer führen kann.

Darstellung der Erfindung

  

[0009]    Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leitschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Nachteile der bisherigen Lösung vermieden werden, und die sich gesamthaft durch eine aufgrund der dünnen Hinterkante nicht beeinträchtigte Lebensdauer auszeichnet.

  

[0010]    Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die erfindungsgemässe Lösung ist, dass unterhalb der Hinterkante und des Kühlschlitzes an der inneren Plattform Mittel zum Reduzieren der thermischen Spannungen vorgesehen sind. Durch diese Mittel wird sichergestellt, dass ohne Änderung der Schaufelgeometrie, insbesondere ohne Erhöhung der Wand- bzw. Materialstärken, allein durch eine "Entkopplung" zwischen Schaufelkopf und Schaufelhinterkante, die Lebensdauer der Leitschaufel günstig beeinflusst werden kann.

  

[0011]    Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zum Reduzieren der thermischen Spannungen einen durch die innere Plattform verlaufenden Schlitz, der insbesondere im Wesentlichen parallel zur Ebene der inneren Plattform orientiert ist und ein Querschnittsprofil von der Form eines Schlüsselloches aufweist, mit einem Wandabschnitt mit parallelen Seiten und einem am Boden des Schlitzes angeordneten, runden, insbesondere kreisförmigen, Endabschnitt.

  

[0012]    Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schaufelkopf eine viereckige Grundfläche aufweist, dass die Hinterkante mit dem davor angeordneten Kühlschlitz an einer der vier Ecken in den Schaufelkopf einmündet, und dass der Schlitz diese Ecke schneidet. Vorzugsweise schliesst dabei der Endabschnitt des Schlitzes mit den Seitenwänden der inneren Plattform einen spitzen Winkel, insbesondere einen solchen zwischen 30[deg.] und 40[deg.], ein.

  

[0013]    Der Schlitz weist im Bereich des Wandabschnitts eine Breite von weniger als 1 mm auf, und der Endabschnitt ist kreisrund mit einem Radius grösser 1 mm ausgebildet. Insbesondere weist der Schlitz Bereich des Wandabschnitts eine Breite von etwa 0,4 mm auf, und der Endabschnitt ist kreisrund mit einem Radius von etwa 1,25 mm ausgebildet.

  

[0014]    Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Kühlschlitz in der Leitschaufel gusstechnisch hergestellt.

  

[0015]    Die erfindungsgemässe Leitschaufel wird mit Vorteil in einer Gasturbine eingesetzt, wobei die Leitschaufel in einer Turbine der Gasturbine angeordnet ist.

  

[0016]    Die Gasturbine ist dabei vorzugsweise eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, die eine erste Brennkammer mit einer nachgeschalteten Hochdruckturbine und eine zweite Brennkammer mit einer nachgeschalteten Niederdruckturbine aufweist, wobei die Leitschaufel in der Niederdruckturbine angeordnet ist. Insbesondere weist die Niederdruckturbine in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Reihen von Leitschaufeln auf, und die Leitschaufel ist in einer mittleren Leitschaufelreihe angeordnet.

Kurze Erläuterung der Figuren

  

[0017]    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 fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>den prinzipiellen Aufbau einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach dem Stand der Technik;


  <tb>Fig. 2<sep>in einer perspektivischen Seitenansicht eine Leitschaufel für die dritte Leitschaufelreihe in der Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach Fig. 1 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;


  <tb>Fig. 3<sep>eine andere perspektivische Seitenansicht der Schaufel aus Fig. 2;


  <tb>Fig. 4<sep>in einem Ausschnitt den Blick auf die innere Plattform entgegen der Strömungsrichtung (IV in Fig. 2);


  <tb>Fig. 5<sep>den Schnitt durch die innere Plattform in der Ebene V-V in Fig. 4 und


  <tb>Fig. 5a<sep>das prinzipielle Querschnittsprofil des Schlitzes in der inneren Plattform.

Wege zur Ausführung der Erfindung

  

[0018]    In Fig. 2 und 3 sind in unterschiedlichen perspektivischen seitlichen Ansichten eine Leitschaufel für die dritte Leitschaufelreihe in der Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach Fig. 1 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Leitschaufel 20 umfasst ein im Raum gekrümmtes Schaufelblatt 22, dass sich in Längsrichtung (in radialer Richtung der Gasturbine) zwischen einem Schaufelkopf 23 und einer Deckplatte 21 erstreckt und in Richtung des Heissgasstromes 30 von einer Vorderkante 27 bis zu einer Hinterkante 28 reicht. Zwischen den beiden Kanten 27 und 28 ist das Schaufelblatt 22 nach aussen durch eine Druckseite 31 (in Fig. 2dem Betrachter zugewandt) und eine (gegenüberliegende) Saugseite 32 (in Fig. 3dem Betrachter zugewandt) begrenzt.

   Auf der Druckseite 31 ist kurz vor der Hinterkante 28 ein parallel zur Hinterkante 28 verlaufender Kühlschlitz 29 angeordnet, durch welchen Kühlluft aus dem Schaufelinneren nach aussen tritt und den Schaufelbereich zwischen Kühlschlitz 29 und Hinterkante 28 und die Hinterkante 28 selbst kühlt. Die Leitschaufel 20 ist mittels der auf der Oberseite der Deckplatte 21 ausgebildeten hakenförmigen Befestigungselemente 24 und 25 am Turbinengehäuse befestigt, während sie mit dem Schaufelkopf 23 dichtend am Rotor anliegt. In den Seitenflächen der Deckplatte 21 sind Dichtungsnuten 26 angeordnet, die Streifendichtungen zur Abdichtung der Spalte zwischen benachbarten Leitschaufeln aufnehmen.

  

[0019]    Im Schaufelkopf 23 ist im wesentlichen parallel zur Ebene der Plattform ein Schlitz 33 angeordnet, der in Fig. 4 genauer zu erkennen ist. Der Schlitz 33 hat gemäss Fig. 5aein Schlüsselloch-artiges Querschnittsprofil mit einem Wandabschnitt 33a (mit parallelen Seiten bzw. Wänden) der Breite b und einem am Boden des Schlitzes 33 platzierten kreisrunden Endabschnitt 33b mit dem Radius r. Die Breite b des Wandabschnitts 33a beträgt weniger als 1 mm, vorzugsweise etwa 0,4 mm, während der Radius r des Endabschnitts 33b grösser 1 mm, vorzugsweise etwa 1,25 mm ist.

   Ziel bei der Dimensionierung des Schlitzes ist es, die auf die Hinterkante wirkende mechanische Belastung des sich thermisch verbiegenden Schaufelkopfes 23 zu verringern, ohne Spannungskonzentrationen am Boden des Schlitzes 33 und grosse Volumina im Schlitz zu erzeugen, die durch Füllung mit Kühlluft zu zusätzlichen thermischen Spannungen führen könnten.

  

[0020]    Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, hat der Schaufelkopf eine viereckige (insbesondere rautenförmige) Grundfläche. Die Hinterkante 28 mit dem davor angeordneten Kühlschlitz 29 mündet an einer der vier Ecken (in Fig. 5 unten links) im Schaufelkopf 23 ein. Der Schlitz 33 schneidet diese Ecke mit einer Tiefe, die einen ausreichenden Abstand des Schlitzbodens zur Hinterkante gewährleistet, wobei der Endabschnitt 33b des Schlitzes 33 mit den Seitenwänden der inneren Plattform 23 einen spitzen Winkel w, insbesondere einen solchen zwischen 30[deg.] und 40[deg.], einschliesst.

  

[0021]    Wesentlich für die Erfindung in der dargestellten Ausführungsform ist ein Schlitz durch den Schaufelkopf 23, der den aufgrund thermischer Verbiegung des endseitigen Teils entstehenden Spannungsfluss verändert und die dünne Hinterkante der Schaufel mit der druckseitigen Kantenkühlung entlastet. Die Basislinie (Endabschnitt 33b) des Schlitzes ist nicht senkrecht zur Krümmungslinie der Hinterkante, und schliesst mit der Seitenfläche des Schaufelkopfes 23 einen spitzen Winkel ein, um die Spannungen an beiden Enden des Schlitzes, nämlich an der Seitenfläche und an der Rückseite desselben, auszugleichen.

   Der Schlitz hat die Querschnittskontur eines "Schlüssellochs", um die Spannungen am Boden des Schlitzes zu reduzieren und das Gesamtvolumen des Schlitzes zu minimieren, weil ein grosser mit Kühlluft gefüllter Hohlraum den Temperaturgradienten und damit die Spannungen an der Hinterkante vergrössern würde.

  

[0022]    Die Erfindung kann bei allen Turbinen-Leitschaufeln eingesetzt werden. Bevorzugt wird sie bei grossen stationären Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung, wie z.B. der GT24/26 der Anmelderin, in der dritten Leitschaufelreihe der Niederdruckturbine eingesetzt.

  

[0023]    Durch den die Spannung reduzierenden Schlitz ist es möglich, auch bei Leitschaufeln mit dünner Hinterkante, wie sie bei druckseitiger Kühlung durch einen integrierten Kühlschlitz vorliegen, die gewünschte Lebensdauer zu erreichen.

Bezugszeichenliste

  

[0024]    
<tb>10<sep>Gasturbine


  <tb>11<sep>Verdichter


  <tb>12, 16<sep>Brennstoffzufuhr


  <tb>13<sep>EV-Brenner


  <tb>14, 17<sep>Brennkammer


  <tb>15<sep>Hochdruckturbine


  <tb>18<sep>Niederdruckturbine


  <tb>19<sep>Achse


  <tb>20, 20<sep>Leitschaufel


  <tb>21<sep>Deckplatte


  <tb>22<sep>Schaufelblatt


  <tb>23<sep>Schaufelkopf (Deckband)


  <tb>24, 25<sep>Befestigungselement (hakenförmig)


  <tb>26<sep>Dichtungsnut


  <tb>27<sep>Vorderkante


  <tb>28<sep>Hinterkante


  <tb>29<sep>Kühlschlitz -


  <tb>30<sep>Heissgasstrom


  <tb>31<sep>Druckseite


  <tb>32<sep>Saugseite


  <tb>33<sep>Schlitz


  <tb>33a<sep>Wandabschnitt


  <tb>33b<sep>Endabschnitt (Bohrung)


  <tb>b<sep>Breite (Schlitz)


  <tb>r<sep>Radius (Endabschnitt)


  <tb>w<sep>Winkel

Claims

1. Leitschaufel (20) für eine Gasturbine (10), insbesondere für die Niederdruckturbine (18) einer Gasturbine (10) mit sequentieller Verbrennung, welche Leitschaufel (20) ein sich in radialer Richtung zwischen einem Schaufelkopf (23) und einer Deckplatte (21) erstreckendes Schaufelblatt (22) aufweist, wobei sich das Schaufelblatt (22) quer zur Richtung des Heissgasstromes (30) zwischen einer Vorderkante (27) und einer Hinterkante (28) erstreckt und eine Druckseite (31) und eine Saugseite (32) aufweist, und wobei auf der Druckseite (31) vor der Hinterkante (28) ein parallel zur Hinterkante (28) verlaufender Kühlschlitz (29) vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmedium über die gesamte Länge der Leitschaufel (20) aus der Leitschaufel (20) ausströmt und so die Hinterkante (28) der Leitschaufel (20) kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Hinterkante (28)

und des Kühlschlitzes (29) an dem Schaufelkopf (23) Mittel (33; 33a, 33b) zum Reduzieren von thermischen Spannungen vorgesehen sind.

2. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Reduzieren der thermischen Spannungen einen durch den Schaufelkopf (23) verlaufenden Schlitz (33; 33a, 33b) umfassen.

3. Leitschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) im Wesentlichen parallel zur Ebene des Schaufelkopfes (23) orientiert ist.

4. Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) ein Querschnittsprofil von der Form eines Schlüsselloches aufweist, mit einem Wandabschnitt (33a) mit parallelen Seiten und einem am Boden des Schlitzes (33; 33a, 33b) angeordneten, runden, insbesondere kreisförmigen, Endabschnitt (33b).

5. Leitschaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkopf (23) eine viereckige Grundfläche aufweist, dass die Hinterkante (28) mit dem davor angeordneten Kühlschlitz (29) an einer der vier Ecken in den Schaufelkopf (23) einmündet, und dass der Schlitz (33; 33a, 33b) diese Ecke schneidet.

6. Leitschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (33b) des Schlitzes (33, 33a, 33b) mit den Seitenwänden des Schaufelkopfes (23) einen spitzen Winkel (w) bildet, insbesondere einen solchen zwischen 30[deg.] und 40[deg.].

7. Leitschaufel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) im Bereich des Wandabschnitts (33a) eine Breite (b) von weniger als 1 mm aufweist, und der Endabschnitt (33b) kreisrund mit einem Radius (r) grösser 1 mm ausgebildet ist.

8. Leitschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) im Bereich des Wandabschnitts (33a) eine Breite (b) von etwa 0,4 mm aufweist, und der Endabschnitt (33b) kreisrund mit einem Radius (r) von etwa 1,25 mm ausgebildet ist.

9. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschlitz (29) in der Leitschaufel (20) gusstechnisch hergestellt ist.

10. Gasturbine (10) mit einer Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (20) in einer Turbine (15, 18) der Gasturbine (10) angeordnet ist.

11. Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (10) eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ist, die eine erste Brennkammer (14) mit einer nachgeschalteten Hochdruckturbine (15) und eine zweite Brennkammer (17) mit einer nachgeschalteten Niederdruckturbine (18) aufweist, und dass die Leitschaufel (20) in der Niederdruckturbine (18) angeordnet ist.

12. Gasturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckturbine in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Reihen von Leitschaufeln aufweist, und dass die Leitschaufel (20) in einer mittleren Leitschaufelreihe angeordnet ist.