CH700321A1

CH700321A1 - Gekühlte schaufel für eine gasturbine.

Info

Publication number: CH700321A1
Application number: CH00142/09A
Authority: CH
Inventors: Joerg Dr Krueckels; Thomas Dr Heinz-Schwarzmaier; Brian Kenneth Wardle
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-07-30
Also published as: ES2639735T3; RU2538978C2; US8721281B2; RU2011135948A; EP2384393A1; WO2010086419A1; EP2384393B1; US20120020787A1

Abstract

Eine gekühlte Schaufel (10) für eine Gasturbine umfasst ein Schaufelblatt (24), welches sich in Strömungsrichtung (25) zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante (13) erstreckt und auf der Saugseite (15) und auf der Druckseite (16) jeweils durch eine Wand (11 bzw. 12) begrenzt ist, wobei die Wände (11, 12) einen Innenraum (14) einschliessen, in welchem Kühlluft in Strömungsrichtung (25) zur Hinterkante (13) strömt und im Bereich der Hinterkante nach aussen tritt. Bei einer solchen Schaufel werden die aerodynamischen Verluste an der Hinterkante und der Kühlluftverbrauch dadurch verringert, dass die druckseitige Wand (12) in Strömungsrichtung (25) unter Ausbildung einer druckseitigen Lippe (21) in einem Abstand vor der Hinterkante (13) endet, derart, dass die Kühlluft aus dem Innenraum (14) auf der Druckseite (16) austritt, dass der Innenraum (14) in einem Abstand vor der Hinterkante (13) durch eine Vielzahl von parallel zur Strömungsrichtung (25) orientierten Rippen (17) in eine Vielzahl von parallelen, einen hohen Druckabfall verursachenden Kühlkanälen (23) unterteilt ist, in welchen zusätzlich Turbulatoren (18) zur Erhöhung der Kühlwirkung angeordnet sind, und dass kurz vor dem Austritt der Kühlluft aus dem Innenraum (14) im Strömungsweg der Kühlluft quer zur Strömungsrichtung verteilt eine Mehrzahl von Strömungssperren (20) vorgesehen sind.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Aus der Druckschrift EP-A1-1 113 145 ist eine Leitschaufel aus der ersten Reihe einer Gasturbine bekannt, die eine typische Kühlanordnung für die Hinterkante der Schaufel zeigt. Eine Kombination von Rippen und Pins in der zur Hinterkante geleiteten Kühlluftströmung stellt eine effektive Kühlung sicher, wobei der Kühlluftmassenstrom durch eine Drosselvorrichtung an der Hinterkante gesteuert wird. Diese Art der Kühlung hat jedoch den Nachteil, dass vergleichsweise dicke Hinterkanten benötigt werden, wodurch erhebliche aerodynamische Verluste entstehen.

[0003] Zur notwendigen Optimierung der Effizienz und Ausgangsleistung ist es notwendig,
dass die Hinterkante der Schaufel möglich dünn ausgeführt wird, um die dortigen aerodynamischen Verluste zu minimieren, und
dass möglichst wenig Kühlluft verbraucht wird.

[0004] Ein geringerer Kühl luftverbrauch kann durch fortgeschrittene Kühlungstechnologien und die Verwendung von rückgekühlter Kühlluft erreicht werden. Die Hinterkanten lassen sich dünner gestalten, wenn die Kühlluft auf der Druckseite der Schaufel herausgelassen wird. Darüber hinaus erfordert der verringerte Kühlluftstrom eine Drosselung an der Hinterkante, die eine hohe Sperrwirkung entfaltet. Eine grosse Sperrwirkung führt jedoch zu einer in der Breite ungleichmässige Verteilung des an der Hinterkante sich ausbildenden Kühlluftfilms, die lokale Überhitzungen ("hot spots") zur Folge hat.

Darstellung der Erfindung

[0005] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile bisheriger Schaufeln vermeidet und sich gleichzeitig durch geringe aerodynamische Verluste und einen deutlich verringerten Verbrauch an Kühlluft auszeichnet.

[0006] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die erfindungsgemässe Lösung ist, dass die druckseitige Wand in Strömungsrichtung unter Ausbildung einer druckseitigen Lippe in einem Abstand vor der Hinterkante endet, derart, dass die Kühlluft aus dem Innenraum auf der Druckseite austritt, dass der Innenraum in einem Abstand vor der Hinterkante durch eine Vielzahl von parallel zur Strömungsrichtung orientierten Rippen in eine Vielzahl von parallelen Kühlkanälen unterteilt ist, welche einen hohen Druckabfall verursachen, und in welchen zusätzlich Turbulatoren zur Erhöhung der Kühlwirkung angeordnet sind, und dass kurz vor dem Austritt der Kühlluft aus dem Innenraum im Strömungsweg der Kühlluft quer zur Strömungsrichtung verteilt eine Mehrzahl von Strömungssperren vorgesehen sind.

[0007] Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Dichte der Strömungssperren kleiner ist, als die lineare Dichte der Rippen.

[0008] Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Strömungssperren jeweils eine tropfenförmige Randkontur auf, wobei das spitze Ende in Strömungsrichtung zeigt.

[0009] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Kühlkanälen und den Strömungssperren in einer zweidimensionalen Gitteranordnung eine Vielzahl von Pins angeordnet ist, die sich quer zur Strömungsrichtung zwischen der saugseitigen und druckseitigen Wand durch den Innenraum erstrecken.

[0010] Insbesondere können als Turbulatoren in den Kühlkanälen schräg stehende Rippen an den Innenseiten der saugseitigen und druckseitigen Wand eingesetzt werden.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0011] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>den Ausschnitt eines Querschnitts durch eine Schaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

<tb>Fig. 2<sep>den Schnitt in der Ebene II-II der Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0012] Die Fig. 1 und 2 zeigen den internen Aufbau des Schaufelblattes 24 einer Schaufel 10 für eine Gasturbine gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaufel 10 hat eine (konvexe) Saugseite 15 und eine (konkave) Druckseite 16, von denen in Fig. 1nur die in der Nähe der Hinterkante 13 liegenden Abschnitte gezeigt sind. Auf der Saugseite 15 wird das Schaufelblatt 24 durch eine erste Wand 11 begrenzt, auf der Druckseite 16 durch eine zweite Wand 12. Die beiden Wände 11,12 umschliessen einen Innenraum 14, der zur Kühlung des Schaufelblatts 24 von Kühlluft durchströmt wird. Das Heissgas der Turbine strömt am Schaufelblatt 24 in einer von der (in Fig. 1 nicht dargestellten) Vorderkante zur Hinterkante 13 zeigenden Strömungsrichtung 25 vorbei.

Die Kühlluft strömt in derselben Richtung durch den Innenraum 14 und tritt im Bereich der Hinterkante 13 aus der Schaufel 10 aus.

[0013] Bei der Schaufel der Fig. 1wird die Hinterkante 13 durch das Ende der saugseitigen Wand 11 gebildet. Die druckseitige Wand 12 endet in einem Abstand vor dieser Hinterkante 13, so dass die Kühlluft in der entstehenden Lücke auf der Druckseite 16 bereits vor der Hinterkante 13 austritt und eine Filmkühlung der Hinterkante 13 bewirkt. Durch die versetzte Anordnung der Kanten der beiden Wände 11 und 12 entsteht eine besonders dünne gekühlte Hinterkante 13, welche die aerodynamischen Verluste an der Hinterkante 13 deutlich herabsetzt.

[0014] Die im Inneren der Schaufel 10 zugeführte Kühlluft wird auf ihrem Weg zur Hinterkante 13 zunächst durch eine Vielzahl von parallelen, in Strömungsrichtung 25 orientierten Kühlkanälen 23 geschickt, die durch axiale Rippen 17 zwischen den beiden Wänden 11 und 12 gebildet werden. In den Kühlkanälen 23 sind an den Innenseiten der Wände 11,12 Turbulatoren 18 in Form von schrägen Rippen angeordnet, durch die der Wärmeaustausch mit den Wänden 11, 12 erhöht wird. Auf die Kühlkanäle 23 folgen in einer Art Gitterstruktur verteilt angeordnete Pins 19, die sich, wie die axialen Rippen 17, zwischen den beiden Wänden 11,12 erstrecken und die Kühlung der Wand in diesem Bereich verbessern.

Schliesslich passiert die Kühlluft eine einzelne Reihe von tropfenförmigen Strömungssperren 20 und tritt dann zwischen Druckseitenlippe 21 und Hinterkante 13 auf der Druckseite 16 aus der Schaufel 10 aus. Dabei ist die Querschnittsform dieser Strömungssperren 20 nicht ausschliesslich auf eine Tropfenform beschränkt. Andere Strömungsformen können von Fall zu Fall zum Einsatz gelangen. Soll die Strömung in einer bestimmten Richtung oder Stärke beeinflusst werden, so werden die Strömungssperren 20 entsprechend ausgelegt. Die lineare Dichte der Strömungssperren 20 ist dabei geringer als die lineare Dichte der axialen Rippen 17. Dies ist aber wiederum nicht zwingend zu verstehen, denn je nach Auslegungsart kann die Dichte der Strömungssperren 20 gleich oder grösser als die lineare Dichte der axialen Rippen 17 gewählt werden.

[0015] Auf der Druckseite 16 ist vor den Kühlkanälen 23 zusätzlich eine Reihe von Filmkühlbohrungen 22 vorgesehen, durch die Kühlluft auf die Druckseite 16 austritt und dort einen kühlenden Film ausbildet.

[0016] Die Schaufel zeichnet sich somit durch die folgenden Eigenschaften und Vorteile aus:
Die axialen Rippen 17 ermöglichen eine Kühlanordnung für ein relativ breites aerodynamisches Profil. Die Kühlkanäle 23 zwischen den axialen Rippen 17 haben eine ausreichend kleine Querschnittsfläche, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten selbst für grosse Zwischenräume zwischen Saugseite und Druckseite zu erzielen.
Die axialen Rippen 17 vergrössern die Oberfläche für einen Wärmeübergang zwischen Wänden und Kühlluftstrom.
Die rippenförmigen Turbulatoren 18 in den Kühlkanälen 23 erhöhen den Wärmeübertragungskoeffizienten zusätzlich.
Die axialen Rippen 17 zusammen mit den Turbulatoren 18 bewirken einen grossen Druckabfall.

Dies ermöglicht es, am Ausgang Strömungssperren 20 mit einer vergleichsweise geringen Sperrwirkung als Drosselungsvorrichtung einzusetzen, was zu einem sehr gleichmässigen Kühlluftfilm an der Hinterkante 13 führt.
Die Pin-Arrays 19 werden in einem Bereich eingesetzt, wo der Zwischenraum zwischen Saugseite und Druckseite bereits geringer ist.
Tropfenförmige Strömungssperren 20 werden eingesetzt, um die laterale Ungleichverteilung des Kühlluftfilms zu minimieren, indem grosse Wirbelschleppen hinter den Sperren vermieden werden.
Eine Reihe von Filmkühlbohrungen 22 auf der Druckseite 16 ermöglicht eine Verringerung der Temperatur im hinteren Teil der Druckseite 16.

Bezugszeichenliste

[0017]
<tb>10<sep>Schaufel (Gasturbine)

<tb>11<sep>Wand (Saugseite)

<tb>12<sep>Wand (Druckseite)

<tb>13<sep>Hinterkante

<tb>14<sep>Innenraum

<tb>15<sep>Saugseite

<tb>16<sep>Druckseite

<tb>17<sep>axiale Rippe

<tb>18<sep>Turbulator

<tb>19<sep>Pin

<tb>20<sep>Strömungssperre

<tb>21<sep>druckseitige Lippe

<tb>22<sep>Filmkühlbohrung

<tb>23<sep>Kühlkanal

<tb>24<sep>Schaufelblatt

<tb>25<sep>Strömungsrichtung

Claims

1. Gekühlte Schaufel (10) für eine Gasturbine, umfassend ein Schaufelblatt (24), welches sich in Strömungsrichtung (25) zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante (13) erstreckt und auf der Saugseite (15) und auf der Druckseite (16) jeweils durch eine Wand (11 bzw. 12) begrenzt ist, wobei die Wände (11, 12) einen Innenraum (14) einschliessen, in welchem Kühlluft in Strömungsrichtung (25) zur Hinterkante (13) strömt und im Bereich der Hinterkante nach aussen tritt, dadurch gekennzeichnet, dass die druckseitige Wand (12) in Strömungsrichtung (25) unter Ausbildung einer druckseitigen Lippe (21) in einem Abstand vor der Hinterkante (13) endet, derart, dass die Kühlluft aus dem Innenraum (14) auf der Druckseite (16) austritt, dass der Innenraum (14) in einem Abstand vor der Hinterkante (13) durch eine Vielzahl von parallel zur Strömungsrichtung (25) orientierten Rippen (17)

in eine Vielzahl von parallelen, einen Druckabfall verursachenden Kühlkanälen (23) unterteilt ist, in welchen zusätzlich Turbulatoren (18) zur Erhöhung der Kühlwirkung angeordnet sind, und dass kurz vor dem Austritt der Kühlluft aus dem Innenraum (14) im Strömungsweg der Kühlluft quer zur Strömungsrichtung verteilt eine Anzahl von Strömungssperren (20) angeordnet sind.

2. Gekühlte Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungssperren (20) einen strömungskonformen oder quasi-strömungskonformen Querschnitt aufweisen.

3. Gekühlte Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Dichte der Strömungssperren (20) kleiner, gleich oder grösser ist, als die lineare Dichte der Rippen (17).

4. Gekühlte Schaufel nach den Ansprüchen 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungssperren (20) jeweils eine tropfenförmige Randkontur aufweisen, wobei das spitze Ende in Strömungsrichtung (25) zeigt.

5. Gekühlte Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kühlkanälen (23) und den Strömungssperren (20) in einer zweidimensionalen Gitteranordnung eine Vielzahl von Pins (19) angeordnet ist, die sich quer zur Strömungsrichtung (25) zwischen der saugseitigen und druckseitigen Wand durch den Innenraum (14) erstrecken.

6. Gekühlte Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Turbulatoren (18) in den Kühlkanälen (23) schräg stehende Rippen an den Innenseiten der saugseitigen und druckseitigen Wand (11 bzw. 12) vorgesehen sind.