CH700943B1

CH700943B1 - Turbinenschaufel sowie Rotoranordnung für eine Gasturbine mit solchen Turbinenschaufeln.

Info

Publication number: CH700943B1
Application number: CH00211/07A
Authority: CH
Inventors: Gary Michael Itzel; Ariel Caesar-Prepena Jacala; Doyle C Lewis; Calvin Levy Sims
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2010-11-15
Also published as: DE102007007177A1; US20070189896A1; DE102007007177B4; CN101029581B; JP2007218262A; CN101029581A; US7513738B2

Abstract

Es wird eine Turbinenschaufel (60) einer Gasturbine geschaffen. Die Turbinenschaufel (60) weist ein mit einer Plattform (66) verbundenes Blatt (42) und einen sich von der Plattform (66) wegerstreckenden Schwalbenschwanz (43) auf. Ein Haupt-Kühlkreis (62) erstreckt sich durch den Schwalbenschwanz (43) und in das Blatt (42) hinein. Der Haupt-Kühlkreis (62) umfasst einen Ausgang (70), damit der Hauptkühlstrom von dem Blatt (42) durch den Schwalbenschwanz (43) austreten kann. In einem Aspekt umfasst das Verfahren die Schritte: Abziehen eines Teils des durch den Haupt-Kühlkreis (62) strömenden Kühlmittels in einen Plattform-Kühlkreis (64). Nach Kühlung eines Teils der Plattform (66) trennt sich der Plattform-Kühlstrom von einem Teil des Stroms, der wieder mit dem Haupt-Kühlkreis (62) zusammengeführt und zur Kühlung des Blatts (42) verwendet wird. Der verbleibende Teil des Plattform-Kühlstroms fährt fort, die Plattform (66) zu kühlen, und kehrt dann in den Haupt-Kühlkreis (62) zurück, um durch den Ausgang (70) zu strömen.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Diese Erfindung betrifft allgemein Turbinenschaufeln sowie eine Rotoranordnung für eine Gasturbine mit solchen Turbinenschaufeln. Ein typischer Gasturbinenmotor umfasst eine Rotoranordnung mit in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Rotorschaufeln. Jede Rotorschaufel umfasst ein Blatt, das sich radial von einer Plattform nach aussen erstreckt. Jede Rotorschaufel umfasst auch einen Schwalbenschwanz, der sich von einer zwischen der Plattform und dem Schwalbenschwanz erstreckenden Welle radial nach innen erstreckt. Der Schwalbenschwanz wird verwendet, um die Rotorschaufel innerhalb der Rotoranordnung an einem Laufrad oder an einer Trommel zu befestigen. Bekannte Schaufeln sind hohl, so dass ein innerer Kühlhohlraum zumindest zum Teil durch das Blatt, die Plattform, die Welle und den Schwalbenschwanz definiert wird.

[0002] In Bezug auf den Betrieb von Gasturbinen sorgt die Erhöhung der eingangsseitigen Befeuerungstemperaturen für eine verbesserte Ausgangsleistung und verbesserte Motorwirkungsgrade. Eine Erhöhung der eingangsseitigen Befeuerungstemperatur führt zu höheren Temperaturen im Gasströmungspfad. Solche erhöhten Temperaturen im Gasströmungspfad können zu zusätzlicher Belastung der Schaufelplattformen führen, einschliesslich möglicher Oxidation, Zeitdehnung und Rissbildung. Des Weiteren gibt es in Gasturbinen, in denen geschlossene Kühlkreise in oberstromigen Blattkomponenten verwendet werden, keine Filmkühlung und haben daher die unterstromigen Schaufelplattformen keinen Nutzen vom Filmüberhang von den oberstromigen Blättern. Dies verschärft noch die möglichen Belastungen an den Schaufelplattformen.

[0003] Einige der neueren bekannten Turbinenschaufelkonfigurationen verwenden die Filmkühlung zur Kühlung der Schaufelplattform. Insbesondere wird Kompressorabgabeluft durch eine Öffnung oder Öffnungen in der Plattform geleitet, und eine Schicht aus einem Kühlfilm bildet sich auf der Plattform, um die Plattform vor den hohen Temperaturen im Strömungspfad zu schützen. Mit einer solchen Filmkühlung könnte jedoch unter Umständen nur in dem Fall ausreichender Druck zum Filmkühlen des hinteren Abschnitts der Plattform vorhanden sein, wo die Luft im Strömungspfad beschleunigt wurde, um den lokalen statischen Druck abzusenken.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0004] In der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel geschaffen. Die Turbinenschaufel umfasst eine Plattform, einen Schwalbenschwanz und ein Blatt mit einer Vorderkante, einer Hinterkante, einer druckseitigen Seitenwand und einer saugseitigen Seitenwand. Das Blatt ist mit der Plattform verbunden. Die Turbinenschaufel umfasst des Weiteren einen Haupt-Kühlkreis, der sich durch den Schwalbenschwanz und in das Blatt hineinerstreckt. Der Haupt-Kühlkreis umfasst einen Ausgang, damit der Hauptkühlstrom von dem Blatt durch den Schwalbenschwanz austreten kann. Die Turbinenschaufel umfasst auch einen Plattform-Kühlkreis in Strömungsverbindung mit dem Haupt-Kühlkreis.

Der Plattform-Kühlkreis umfasst einen Einlass zum Abblasen eines Teils des durch den Haupt-Kühlkreis fliessenden Kühlmittels in den Plattform-Kühlkreis sowie einen Auslass, durch welchen das Kühlmittel den Plattform-Kühlkreis verlässt.

[0005] In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Rotoranordnung für eine Gasturbine geschaffen. Die Rotoranordnung umfasst eine Rotorwelle und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Turbinenschaufeln, die mit der Rotorwelle gekoppelt sind. Jede Turbinenschaufel umfasst eine Plattform, einen Schwalbenschwanz und ein Blatt mit einer Vorderkante, einer Hinterkante, einer druckseitigen Seitenwand und einer saugseitigen Seitenwand. Das Blatt ist mit der Plattform verbunden. Die Turbinenschaufel umfasst des Weiteren einen Haupt-Kühlkreis, der sich durch den Schwalbenschwanz und in das Blatt hineinerstreckt. Der Haupt-Kühlkreis umfasst einen Ausgang, damit der Hauptkühlstrom von dem Blatt durch den Schwalbenschwanz austreten kann.

Die Turbinenschaufel umfasst auch einen Plattform-Kühlkreis in Strömungsverbindung mit dem Haupt-Kühlkreis. Der Plattform-Kühlkreis umfasst einen Einlass zum Abblasen eines Teils des durch den Haupt-Kühlkreis fliessenden Kühlmittels in den Plattform-Kreis sowie einen Auslass, durch welchen das Kühlmittel den Plattform-Kühlkreis verlässt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0006]
<tb>Fig. 1<sep>ist eine seitliche Schnittansicht eines Gasturbinensystems, das eine Gasturbine umfasst.

<tb>Fig. 2<sep>ist eine perspektivische Schemazeichnung einer beispielhaften Rotorschaufel.

<tb>Fig. 3<sep>ist eine perspektivische Schemazeichnung einer weiteren beispielhaften Rotorschaufel, teilweise im Querschnitt.

<tb>Fig. 4<sep>ist eine Draufsicht eines beispielhaften Plattform-Schlangen-Kühlkreises.

<tb>Fig. 5<sep>ist eine perspektivische Ansicht des in Fig. 4 gezeigten Plattform-Schlangen-Kühlkreises.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0007] Eine Rotorschaufel umfasst im Allgemeinen, und wie im Folgenden noch detailliert erläutert wird, einen Haupt-Kühlkreis. Der Haupt-Kühlkreis erstreckt sich durch den Schwalbenschwanz und in das Blatt hinein. Ein solcher Haupt-Kühlkreis erstreckt sich dann von der Blattrückseite durch den Schwalbenschwanz hindurch. In einer Ausführungsform wird die Rotorschaufel-Plattformkühlung durch Abblasen eines Teils des Kühlmittelstroms, der von dem Haupt-Kühlkreis an das Blatt geliefert wird, und Durchlaufen des Kühlmittels durch eine schlangenförmige Passage oder einen Plattform-Kreis, in der Plattform vorgesehen, um die Plattform durch Konvektion zu kühlen.

Ein Teil des Plattform-Schlangen-Kühlstroms wird aus dem Plattform-Kreis abgeblasen, um einen Blatt-Kühlkreis in dem Blatt zu speisen, welcher einen Teil des Blatts kühlt, und dieser Kühlmittelstrom wird dann mit dem Haupt-Blattkühlstrom wieder zusammengeführt. Der verbleibende Teil des Plattform-Schlangen-Kühlmittelstroms fährt fort, die Schaufelplattform durch Konvektion zu kühlen, und entleert sich dann in den Haupt-Kühlkreis und strömt zu einem Ausgang.

[0008] Das Merkmal der einen Ausführungsform ist, dass der Plattform-Schlangen-Kühlkreis mit der Plattform einteilig eingegossen ist. Alternativ ist ein solcher Kreis zum Teil angegossen, wobei eine befestigte Abdeckplatte vorhanden ist, um die Plattform zu sichern. Um den Wärmetransfer von der Plattform an das Kühlmittel zu steigern, können in dem Kreis Turbulatoren verwendet werden. Ein solcher Plattform-Kühlkreis kann in Verbindung mit einer geschlossenen dampfgekühlten Schaufel sowie mit einer luftgekühlten Schaufel verwendet werden.

[0009] Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Gasturbinensystems 10, das eine Gasturbine 20 umfasst. Die Gasturbine 20 umfasst einen Kompressorabschnitt 22, einen Vergasungsbrennerabschnitt 24 mit einer Vielzahl von Brennerkammern 26 und einen unter Verwendung einer Welle 29 an den Kompressorabschnitt 22 gekoppelten Turbinenabschnitt 28. Eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 30 ist mit der Turbinenwelle 29 verbunden. Zwischen den Turbinenschaufeln 30 ist eine Vielzahl von nicht drehenden Turbinen-Düsenstufen 31 angeordnet, welche eine Vielzahl von Turbinendüsen 32 umfassen. Die Turbinendüsen 32 sind mit einem Gehäuse oder Mantel 34 verbunden, welcher die Turbinenschaufeln 30 und die Düsen 32 umgibt.

Heisse Gase werden durch die Düsen 32 geleitet, um auf die Schaufeln 30 zu prallen, was die Schaufeln 30 veranlasst, zusammen mit der Turbinenwelle 29 zu rotieren.

[0010] Im Betrieb wird Umgebungsluft in den Kompressorabschnitt 22 geleitet, wo die Umgebungsluft auf einen Druck über dem Druck der Umgebungsluft komprimiert wird. Die komprimierte Luft wird dann in den Vergasungsbrennerabschnitt 24 geleitet, wo die komprimierte Luft und ein Kraftstoff zusammengeführt werden, um ein Gas mit relativ hohem Druck und relativ hoher Geschwindigkeit zu erzeugen. Der Turbinenabschnitt 28 ist so konfiguriert, dass er die Energie aus dem Gas mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit, das von dem Vergasungsbrennerabschnitt 24 strömt, extrahiert. Das Gasturbinensystem 10 wird typischerweise über verschiedene Steuerparameter von einem automatisierten und/oder elektronischen Steuersystem (nicht dargestellt) gesteuert, das an das Gasturbinensystem 10 angeschlossen ist.

[0011] Fig. 2 ist eine perspektivische Schemazeichnung einer Rotorschaufel 40, die mit dem Gasturbinenmotor 20 verwendet werden kann. In einer beispielhaften Ausführungsform bildet eine Vielzahl von Rotorschaufeln 40 eine Hochdruckturbinen-Rotorschaufel-Stufe (nicht dargestellt) des Gasturbinenmotors 20. Jede Rotorschaufel 40 umfasst ein hohles Blatt 42 und einen einteiligen Schwalbenschwanz 43, der zur Befestigung des Blatts 42 an einem Laufrad (nicht dargestellt) in bekannter Art und Weise verwendet wird.

[0012] Das Blatt 42 umfasst eine erste Seitenwand 44 und eine zweite Seitenwand 46. Die erste Seitenwand 44 ist konvex und definiert eine Saugseite des Blatts 42, und die zweite Seitenwand 46 ist konkav und definiert eine Druckseite des Blatts 42. Die Seitenwände 44 und 46 sind an einer Vorderkante 48 und an einer axial beabstandet angeordneten Hinterkante 50 des Blatts 42, die unterstromig von der Vorderkante 48 angeordnet ist, miteinander verbunden.

[0013] Erste und zweite Seitenwände 44 bzw. 46 verlaufen in Längsrichtung oder radial nach aussen, um sich von einem benachbart zum Schwalbenschwanz 43 angeordneten Schaufelansatz 52 zu einer Kopfplatte 54 zu erstrecken, welche eine radial äussere Begrenzung eines inneren Kühlkreises oder einer inneren Kammer 56 definiert. Der Kühlkreis 56 ist innerhalb des Blatts 42 zwischen den Seitenwänden 44 und 46 definiert. Die innere Kühlung der Blätter 42 ist im Stand der Technik bekannt. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Kühlkreis 56 eine schlangenförmige Passage, die mit vom Kompressor ausströmender Luft gekühlt wird.

[0014] Fig. 3 ist eine perspektivische Schemazeichnung einer weiteren beispielhaften Rotorschaufel 60, teilweise im Querschnitt. Komponenten der Schaufel 60, die mit den Komponenten der in Fig. 2 gezeigten Schaufel 40 identisch sind, werden in Fig. 3durch Verwendung derselben Bezugszahlen wie in Fig. 2 gekennzeichnet. Im Besonderen verläuft ein Haupt-Kühlkreis 62, wie in Fig. 3 gezeigt, durch die Rotorschaufel 60 hindurch. Im Besonderen erstreckt sich der Haupt-Kühlkreis 62 durch den Schwalbenschwanz 43 hindurch und in das Blatt 42 hinein.

[0015] Ein solcher Haupt-Kühlkreis 62 erstreckt sich dann vom Blatt 42 zurück durch den Schwalbenschwanz 43 hindurch.

[0016] In einer Ausführungsform wird die Rotorschaufel-Plattformkühlung durch Abblasen eines Teils des Kühlmittelstroms geschaffen, der von dem Haupt-Kühlkreis 62 an das Blatt 42 geliefert wird, und Durchlaufen des Kühlmittels durch eine schlangenförmige Passage, oder einen Plattform-Kühlkreis 64, in der Plattform 66, um die Plattform 66 durch Konvektion zu kühlen. Ein Teil des Plattform-Schlangen-Kühlstroms wird aus dem Plattform-Kühlkreis 64 abgeblasen, um einen Blatt-Kühlkreis 68 in dem Blatt 42 zu speisen, der einen Teil des Blatts 42 kühlt, und dieser Kühlmittelstrom wird dann wieder mit dem Haupt-Blattkühlstrom zusammengeführt. Der verbleibende Teil des Plattform-Schlangen-Kühlmittelstroms fährt fort, die Plattform 66 durch Konvektion zu kühlen, und entleert sich dann in den Haupt-Kühlkreis 62 und strömt durch den Ausgang 70 des Haupt-Kühlkreises.

[0017] Fig. 4 ist eine Draufsicht des Plattform-Kühlkreises 64, und Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des Plattform-Kühlkreises 64. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5umfasst der Plattform-Kühlkreis 64 einen Einlass 72, so dass ein Teil des Kühlmittelstroms, der typischerweise an das Blatt geliefert wird, von dem Haupt-Kühlkreis an den Plattform-Kühlkreis 64 abgeblasen wird. Der Plattform-Kühlkreis 64 umfasst auch einen schlangenförmigen Abschnitt, oder einen Teil 74, um den Wärmetransfer von der Plattform an das durch den Plattform-Kühlkreis 64 strömende Kühlmittel zu erleichtern.

Der Plattform-Kühlkreis 64 umfasst auch einen Blatt-Auslass 76, so dass ein Teil des Plattform-Schlangen-Kühlstroms von dem Plattform-Kühlkreis 64 abgeblasen wird, um den Blatt-Kühlkreis in dem Blatt zu speisen, welcher einen Teil des Blatts kühlt, und dieser Kühlmittelstrom wird dann mit dem Haupt-Blattkühlstrom wieder zusammengeführt. Der verbleibende Teil des Plattform-Schlangen-Kühlstroms fährt fort, die Plattform durch Konvektion zu kühlen. Der Plattform-Kühlkreis 64 umfasst des Weiteren einen Auslass 78, so dass Kühlmittel, das durch den gesamten Plattform-Kühlkreis 64 geströmt ist, in den Haupt-Kühlkreis austritt, sich z.B. dorthin entleert, und durch den Ausgang des Haupt-Kühlkreises strömt.

[0018] In der einen Ausführungsform ist der Plattform-Schlangen-Kühlkreis ein mit der Plattform einteiliges, eingegossenes Merkmal. Im Besonderen kann der Kreis unter Verwendung von Keramikkernen oder unter Verwendung von Wachs in einem Wachsausschmelz-Gussverfahren gebildet werden. Bei dem Wachsausschmelz-Gussverfahren wird typischerweise eine Platte an die Plattform geschweisst oder gelötet, um den Kreis innerhalb der Plattform vollständig einzuschliessen. Um den Wärmetransfer von der Plattform an das Kühlmittel zu steigern, können in dem Kreis Turbulatoren verwendet werden. Ein solcher Plattform-Kühlkreis kann in Verbindung mit einer geschlossenen dampfgekühlten Schaufel sowie mit einer luftgekühlten Schaufel verwendet werden.

[0019] Die oben beschriebene Plattformkühlung erleichtert den Betrieb einer Gasturbine mit erhöhten eingangsseitigen Befeuerungstemperaturen, so dass eine verbesserte Ausgangsleistung und verbesserte Motorwirkungsgrade mit solchen erhöhten eingangsseitigen Befeuerungstemperaturen ohne zusätzliche Belastung für die Schaufelplattformen erzielt werden können. Darüber hinaus erleichtert eine solche Plattformkühlung die Kühlung der gesamten Plattform, und nicht nur von hinteren Abschnitten der Plattform, wie etwa mit Filmkühlung unter bestimmten Betriebsbedingungen.

[0020] Obwohl die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung nach dem Wesen und im Schutzbereich der Patentansprüche auch abgewandelt ausgeführt werden kann.

Teileliste

[0021]
<tb>10<sep>Gasturbinensystem

<tb>20<sep>Gasturbinenmotor

<tb>22<sep>Kompressorabschnitt

<tb>24<sep>Vergasungsbrennerabschnitt

<tb>26<sep>Brennerkammern

<tb>28<sep>Turbinenabschnitt

<tb>29<sep>Turbinenwelle

<tb>30<sep>Turbinenschaufeln

<tb>31<sep>Turbinen-Düsenstufen

<tb>32<sep>Turbinendüsen

<tb>34<sep>Gehäuse oder Mantel

<tb>40<sep>Rotorschaufel

<tb>42<sep>Blatt

<tb>43<sep>Schwalbenschwanz

<tb>44<sep>Erste Seitenwand

<tb>46<sep>Zweite Seitenwand

<tb>48<sep>Vorderkante

<tb>50<sep>Hinterkante

<tb>52<sep>Schaufelansatz

<tb>54<sep>Kopfplatte

<tb>56<sep>Kühlkreis

<tb>60<sep>Rotorschaufel

<tb>62<sep>Haupt-Kühlkreis

<tb>64<sep>Plattform-Kühlkreis

<tb>66<sep>Kühlung Schaufelplattform

<tb>68<sep>Blatt-Kühlkreis

<tb>70<sep>Haupt-Kühlkreis-Ausgang

<tb>72<sep>Einlass

<tb>74<sep>Abschnitt

<tb>76<sep>Blatt-Auslass

<tb>78<sep>Auslass

Claims

1. Turbinenschaufel (30; 40; 60), umfassend: eine Plattform (66);

einen Schwalbenschwanz (43);

ein Blatt (42) umfassend eine Vorderkante (48), eine Hinterkante (50), eine druckseitige Seitenwand (44), und eine saugseitige Seitenwand (46), wobei das Blatt (42) mit der Plattform (66) verbunden ist;

einen Haupt-Kühlkreis (62), der sich durch den Schwalbenschwanz (43) und in das Blatt (42) hineinerstreckt, wobei der Haupt-Kühlkreis (62) einen Ausgang (70) umfasst, damit der Hauptkühlstrom von dem Blatt (42) durch den Schwalbenschwanz (43) austreten kann; und

einen Plattform-Kühlkreis (64) in Strömungsverbindung mit dem Haupt-Kühlkreis (62), wobei der Plattform-Kühlkreis (64) einen Einlass (72) zum Abziehen eines Teils des durch den Haupt-Kühlkreis (62) fliessenden Kühlmittels in den Plattform-Kühlkreis (64) sowie einen Auslass (78), durch welchen das Kühlmittel den Plattform-Kühlkreis (64) verlässt, umfasst.

2. Turbinenschaufel (30; 40; 60) nach Anspruch 1, wobei der Auslass (78) des Plattform-Kühlkreises (64) mit dem Haupt-Kühlkreis (62) verbunden ist, so dass Kühlmittel von dem Plattform-Kühlkreis (64) sich mit Kühlmittel in dem Haupt-Kühlkreis (62) vermischt und durch den Schwalbenschwanz (43) austritt.

3. Turbinenschaufel (30; 40; 60) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Teil des Plattform-Kühlkreises (64) eine schlangenförmige Gestalt aufweist.

4. Turbinenschaufel (30; 40; 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plattform-Kühlkreis (64) des Weiteren einen Blatt-Auslass (76) umfasst, durch welchen ein Teil des durch den Plattform-Kühlkreis (64) strömenden Kühlmittels austritt, um zumindest einen Teil des Blatts (42) zu kühlen.

5. Turbinenschaufel (30; 40; 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plattform-Kühlkreis (64) Keramikkerne enthält.

6. Turbinenschaufel (30; 40; 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plattform-Kühlkreis (64) Turbulatoren umfasst.

7. Turbinenschaufel (30; 40; 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel für den Plattform-Kühlkreis (64) Dampf oder Luft ist.

8. Rotoranordnung für eine Gasturbine (20), wobei die Rotoranordnung umfasst: eine Rotorwelle; und

eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Turbinenschaufeln (30; 40; 60), die mit der Rotorwelle gekoppelt sind, wobei jede Turbinenschaufel (30; 40; 60) umfasst:

eine Plattform (66);

einen Schwalbenschwanz (43);

ein Blatt (42) umfassend eine Vorderkante (48), eine Hinterkante (50), eine druckseitige Seitenwand (44) und eine saugseitige Seitenwand (46), wobei das Blatt (42) mit der Plattform (66) verbunden ist;

9. Rotoranordnung nach Anspruch 8, wobei von jeder Turbinenschaufel (30; 40; 60) der Auslass (78) des Plattform-Kühlkreises (64) mit dem Haupt-Kühlkreis (62) verbunden ist, so dass Kühlmittel von dem Plattform-Kühlkreis (64) sich mit Kühlmittel in dem Haupt-Kühlkreis (62) vermischt und durch den Schwalbenschwanz (43) austritt.

10. Rotoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei von jeder Turbinenschaufel (30; 40; 60) zumindest ein Teil des Plattform-Kühlkreises (64) eine schlangenförmige Gestalt aufweist.