CH701617A2

CH701617A2 - Turbine mit Schaufelblättern mit Turbinenendwandkühlungsanordnung.

Info

Publication number: CH701617A2
Application number: CH01279/10A
Authority: CH
Inventors: Jeffrey John Butkiewicz
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2011-02-15
Also published as: CH701617B1; US8727726B2; JP2011038515A; US20110038708A1; DE102010036872A1; CN101994525A; CN101994525B; JP5856731B2

Abstract

Geschaffen ist ein Schaufelblatt (30), das gegenüberliegende Saug- und Druckflächen (33) und (34) aufweist, die sich zwischen entsprechenden radialen Enden (31) erstrecken können, die an Anström- und Abströmkanten(35) und (36) zusammentreffen, um einen Schaufelblattinnenraum (37) zu definieren. Die Druckfläche (34) ist ferner ausgebildet, um einen Durchlasskanal (50) zu definieren, über den aus dem Schaufelblattinnenraum (37) stammendes Kühlfluid zugeführt werden kann.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die hierin beschriebene Erfindung betrifft eine Turbinenendwand.

[0002] In Gasturbinen können aufgrund hoher Temperaturen und grosser Temperaturgradienten Probleme in Zusammenhang mit einer Turbinenendwand auftreten. Eine Turbinenendwand kann entweder an dem Stator oder dem Laufrad und entweder an dem Innendurchmesser oder dem Aussendurchmesser der Turbine angeordnet sein, und sie ist im Allgemeinen so ausgerichtet, dass sich Turbinenschaufelblätter von einer Endwandfläche ausgehend radial weg erstrecken.

[0003] Zu Problemen, die im Feldeinsatz in Zusammenhang mit einer Endwand auftreten können, gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Oxidation, Abspaltung, Rissbildung, Durchbiegung und Ablösung von Endwandkomponenten. Infolgedessen wurden bisher vielfältige Ansätze erprobt, um dieses Problem zu lösen. Allgemein betreffen diese Ansätze Verbesserungen der Kühlung für Endwandflächen, die Ausbildung von Konvektionskühlungsdurchlasskanälen im Inneren der Endwand und/oder Hinzufügungen von Komponenten, die eine lokale Filmkühlung bereitstellen, die eine Strömung mit geringem Impuls aufweist.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0004] Gemäss einem Aspekt der Erfindung ist ein Schaufelblatt geschaffen, das einen Schaufelkörper umfasst, der eine Druckfläche, die sich zwischen radialen Enden erstrecken kann, und in einem darin definierten Schaufelblattinnenraum einen Strömungspfad aufweist. Die Druckfläche ist ausgebildet, um ferner einen Durchlasskanal zu definieren, über den Kühlfluid aus dem in dem Schaufelblattinnenraum angeordneten Strömungspfad in einer perimetrischen Richtung weg von der Druckfläche zugeführt werden kann.

[0005] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Turbine geschaffen, die eine Endwand enthält, die eine Fläche und mehrere Schaufelblätter aufweist, die an der Fläche anbringbar sind, wobei Bereiche der Fläche zwischen Enden benachbarter Schaufelblätter angeordnet sind, wobei zu jedem der Schaufelblätter ein Schaufelkörper gehört, der eine Druckfläche und in einem darin ausgebildeten Schaufelblattinnenraum einen Strömungspfad aufweist, wobei die Druckfläche ausgebildet ist, um einen Durchlasskanal zu definieren, über den Kühlfluid aus dem in dem Schaufelblattinnenraum angeordneten Strömungspfad in Richtung eines der Flächenabschnitte zugeführt werden kann.

[0006] Gemäss noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Turbine geschaffen, mit den Schritten: Gestalten einer Anzahl von Schaufelblättern, von denen jedes eine Druckfläche und in einem darin definierten Schaufelblattinnenraum einen Strömungspfad aufweist; Befestigen der Anzahl von Schaufelblättern an einer Endwand, wobei die Endwand Flächenabschnitte aufweist, die zwischen benachbarten radialen Enden der Schaufelblätter angeordnet werden können und die einen durch die Druckfläche des Schaufelblattes hindurchführenden Durchlasskanal definieren, über den Kühlfluid aus dem in dem Schaufelblattinnenraum angeordneten Strömungspfad in Richtung eines der Flächenabschnitte der Endwand zugeführt werden kann.

[0007] Diese und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

[0008] Der als die Erfindung erachtete behandelte Gegenstand, wird in den der Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten und sonstige Ausstattungsmerkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich:

[0009] Fig. 1 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine Turbinenschaufel und eine Endwand;

[0010] Fig. 2 veranschaulicht in einer radialen Ansicht einen Kühlmittelstrom, der die in Fig. 1 dargestellte Turbinenschaufel verlässt;

[0011] Fig. 3 zeigt eine axiale Ansicht des Kühlmittelstroms von Fig. 2; und

[0012] Fig. 4 veranschaulicht eine Turbinenschaufel und eine Endwand in einer perspektivischen Ansicht.

[0013] Die detaillierte Beschreibung erläutert anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0014] Gemäss Fig. 1 ist ein Turbine 10 gezeigt. Ein Abschnitt der Turbine 10 enthält eine Endwand 20 und mehrere Schaufelblätter 30. Die Endwand 20 weist eine Fläche 21 auf, an der jedes der Schaufelblätter 30 anbringbar ist, wobei Abschnitte 25 der Fläche 21 zwischen Enden 31 benachbarter Paare der Schaufelblätter 30 angeordnet sind. Jedes der Schaufelblätter 30 weist gegenüberliegende Saug- und Druckflächen 33 und 34 auf, die an einer entsprechenden Anströmkante und Abströmkante 35 und 36 zusammentreffen, um eine Form eines Schaufelblatts 30 zu definieren, das einen in einem Schaufelblattinnenraum 37 angeordneten Strömungspfad 38 aufweist, durch den sich ein Kühlkreislauf 40 erstrecken kann. Wie allgemein bekannt, ist die Saugfläche 33 im Wesentlichen konvex, und die Druckfläche 34 ist im Wesentlichen konkav. Darüber hinaus ist die Druckfläche 34 ausgebildet, um einen Durchlasskanal 50, oder in einigen Ausführungsbeispielen einen Satz von Durchlasskanälen 50, zu definieren, über den Kühlfluid in Richtung eines der Flächenabschnitte 25 zugeführt werden kann. Gemäss vielfältigen Ausführungsbeispielen kann das Kühlfluid beispielsweise aus dem Strömungspfad 38, dem Kühlkreislauf 40 und/oder einer sonstigen Struktur des Schaufelblattes 30 zugeführt werden.

[0015] Es ist klar, dass die Flächenabschnitte 25 als Bereiche der Fläche 21 definiert sein können, die aufgrund einer während des Betriebes der Turbine 10 möglicherweise auftretenden Abwanderung heisser Gase in Richtung der Endwand 20 dazu neigen, verhältnismässig stark erwärmt zu werden. In diesem Sinne sind die Flächenabschnitte 25 im Allgemeinen zwischen den Enden 31 benachbarter Paare der Schaufelblätter 30 sowie an stromabwärts gelegenen Stellen angeordnet.

[0016] Jeder Durchlasskanal 50 ist so positioniert und ausgerichtet, dass das Kühlfluid, das beispielsweise Kühlluft aus dem Kühlkreislauf 40 beinhaltet, aus dem Durchlasskanal 50 ausgestossen und in eine Durchlasskanalquerströmung mitgerissen wird. Das Kühlfluid bedeckt dadurch den Flächenabschnitt 25 und dient als eine Barriere, die den Flächenabschnitt 25 von der Abwanderung heisser Gase trennt, und Temperaturen an dem Flächenabschnitt 25 werden somit reduziert. Weiter wird das Kühlfluid, nachdem der Durchlasskanal 50 von dem Innern eines Hauptabschnitt des Schaufelblattes 30 ausgehend angeordnet ist, aus Stellen des Schaufelblattes 30, die einen unmittelbaren Zugang zu einem Kühlkreislauf 38 oder 40 aufweisen, und an einem Bereich ausgestossen, der vergleichsweise niedrigen Belastungspegeln ausgesetzt ist. Da das Kühlfluid an axialen Stellen ausgestossen wird, die stromaufwärts einer Laufschaufelreihenmündung angeordnet sind, ist es ausserdem möglich, dem Kühlstrom vergleichsweise nützliche Arbeit zu entziehen.

[0017] Noch immer Bezug nehmend auf Fig. 1, ist der Durchlasskanal 50 im Wesentlichen in der Druckfläche 34 ausgebildet, um näher an der Anströmkante 35 des Schaufelblattes 30 als an der Abströmkante 36 angeordnet zu sein. Auf diese Weise strömt Kühlfluid, das den Durchlasskanal 50 mit einem perimetrischen Impuls verlässt, stromabwärts und ist weiter in der Lage, den Flächenabschnitt 25 zu bedecken. Dies ist anhand von Fig. 2und 3ersichtlich, wo der Kühlmittelstrom durch Strömungslinien 60 dargestellt ist, die aus deren entsprechende Durchlasskanälen 50 in der perimetrischen und in der stromabwärts verlaufenden Richtung DP bzw. DD austreten.

[0018] Gemäss vielfältigen Ausführungsbeispielen der Erfindung und mit Bezug auf Fig. 1und 4 könnten das Schaufelblatt 30 und die Endwand 20 als Komponenten des Laufrads oder des Stators der Turbine 10 und an dem Innendurchmesser oder an dem Aussendurchmesser der Turbine 10 vorgesehen sein. In Fällen, wo die Endwand 20 an dem Laufrad und/oder an dem Innendurchmesser der Turbine 10 vorgesehen ist, weist die Fläche 21 radial nach aussen. Im vorliegenden Fall ist der Durchlasskanal 50 ausserhalb einer Schaufelblattfussausrundung 70 positioniert, die an einem radial innenliegenden Ende 31 des Schaufelblattes 30 angeordnet ist. Obwohl es nicht erforderlich ist, ist der Durchlasskanal 50 in diesem Falle ebenfalls weniger als etwa 25%, oder in manchen Fällen 50%, der radialen Länge des Schaufelblattes 30 von dem radial inneren Ende 31 beabstandet positioniert. Andererseits weist die Fläche 21 der Endwand 20, falls die Endwand 20, wie in Fig. 4 gezeigt, an dem Aussendurchmesser der Turbine 10 vorgesehen ist, radial nach innen, wobei der Durchlasskanal 50 gegenüber der obigen Beschreibung entgegengesetzt positioniert ist.

[0019] Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Druckfläche 34 ausgebildet werden, um mehrere Durchlasskanäle 50 zu definieren. In diesem Fall können die mehreren Durchlasskanäle 50 ausgehend von der Anströmkante 35 regelmässig, z.B. in einer stromabwärts verlaufenden Richtung, angeordnet sein. Mittels dieser Anordnung kann das Kühlfluid, das der Fläche 21 zugeführt wird, über einen grösseren Flächenbereich der Fläche 21 strömen. Dies ist ersichtlich in Fig. 2 und 3, wo die Strömungslinien 60 über die Flächenabschnitte 25 und Bereiche der Fläche 21 stromabwärts der Schaufelblätter 30 verlaufen. Es ist selbstverständlich, dass die mehreren Durchlasskanäle 50 in vielfältigen Formaten angeordnet sein können, z.B. in einer Reihe, die sich in der Radialrichtung erstreckt, oder in einer Reihe, die sich sowohl in der radialen als auch in der stromabwärts verlaufenden Richtung erstreckt.

[0020] Der Durchlasskanal 50 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und erstreckt sich von dem Strömungspfad 38 im Inneren 37 des Schaufelblattes 30 ausgehend zu der Druckfläche 34. In manchen Fällen erstreckt sich der Durchlasskanal 50 von dem Kühlkreislauf 40 zu der Druckfläche 34. Obwohl er als ein ausgehöhlter Bereich der Druckfläche ausgebildet werden kann, können Wände des Durchlasskanals 50 ebenfalls mit zusätzlichen Komponenten versehen sein, um Strömungscharakteristiken des Kühlfluids zu steigern, zu verringern oder in sonstiger Weise zu modifizieren, um sicherzustellen, dass eine ausreichende jedoch nicht übermässige Menge von Kühlfluid aus dem Kühlkreislauf 40 entnommen wird, kann der Durchlasskanal 50 selbstverständlich auch irreguläre Querschnittsformen aufweisen, die den Strom des Kühlfluids hemmen und/oder fördern.

[0021] Der Durchlasskanal 50 lässt sich sowohl auf neue Konstruktionen von Lauf- oder Leitschaufeln anwenden als auch als eine Reparaturoption für bestehende Komponenten nutzen. Es ist somit ein Verfahren zur Ausbilden einer Turbine 10 geschaffen, das den Schritt beinhaltet, mehrere Schaufelblätter 30 zu gestalten, von denen jedes eine Druckfläche 34 und in einem darin definierten Schaufelblattinnenraum 37 einen Strömungspfad aufweist, durch den sich ein Kühlkreislauf 40 erstrecken kann. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt, die Anzahl von Schaufelblättern 30 an einer Endwand 20 zu befestigen, wobei die Endwand 20 eine Fläche 21 und Flächenabschnitte 25 aufweist, die sich zwischen Enden benachbarter Paare der Schaufelblätter 30 anordnen lassen. Durch die Druckfläche 34 hindurch ist ein Durchlasskanal 50 oder ein Satz von Durchlasskanälen 50 definiert. Der Durchlasskanal 50 ermöglicht, dass Kühlfluid beispielsweise aus dem Strömungspfad 38 und/oder aus dem Kühlkreislauf 40 heraus und in Richtung eines der Flächenabschnitte 25 zugeführt werden kann.

[0022] Gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Durchlasskanal 50 spanabhebend ausgebildet sein oder mit dem Schaufelblatt 30 gemeinsam gegossen sein. Im Falle des Einsatzes spanabhebender Bearbeitung kann das Verfahren ausserdem die Schritte beinhalten, einen verhältnismässig hoch erhitzbaren Abschnitt des einen der Flächenabschnitte 25 zu identifizieren und den Durchlasskanal 50 spanabhebend so auszubilden, dass das Kühlfluid in Richtung des identifizierten, verhältnismässig hoch erhitzbaren Abschnitts zugeführt werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile des Kühlmittelstroms steigern.

[0023] Während die Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.

[0024] Geschaffen ist ein Schaufelblatt 30, das gegenüberliegende Saug- und Druckflächen 33 und 34 aufweist, die sich zwischen entsprechenden radialen Enden 31 erstrecken können, die an Anström- und Abströmkanten 35 und 36 zusammentreffen, um einen Schaufelblattinnenraum 37 zu definieren. Die Druckfläche 34 ist ferner ausgebildet, um einen Durchlasskanal 50 zu definieren, über den aus dem Schaufelblattinnenraum 37 stammendes Kühlfluid zugeführt werden kann.

Bezugszeichenliste

[0025] <tb>Turbine<sep>10 <tb>Platte<sep>20 <tb>Fläche<sep>21 <tb>Flächenabschnitte<sep>25 <tb>Schaufelblätter<sep>30 <tb>Enden<sep>31 <tb>Saugfläche<sep>33 <tb>Druckfläche<sep>34 <tb>Anströmkante<sep>35 <tb>Abströmkante<sep>36 <tb>Innenraum<sep>37 <tb>Kühlkreislauf<sep>40 <tb>Durchlasskanal<sep>50 <tb>DP<sep>perimetrische Richtung <tb>DD<sep>stromabwärts verlaufende Richtung <tb>Strömungslinien<sep>60 <tb>Fussausrundung<sep>70 <tb>Inneres Ende<sep>71

Claims

1. Turbine (10), zu der gehören: eine Platte (20), mit einer Fläche (21); und mehrere Schaufelblätter (30), die an der Fläche (21) anbringbar sind, wobei Abschnitte (25) der Fläche zwischen Enden (31) benachbarter Schaufelblätter (30) angeordnet sind, wobei jedes der Schaufelblätter (30) aufweist: gegenüberliegende Saug- und Druckflächen (33) und (34), die an entsprechenden Anström- und Abströmkanten (35) und (36) zusammentreffen, um einen Schaufelblattinnenraum (37) zu definieren, wobei die Druckfläche (34) ausgebildet ist, um einen Durchlasskanal (50) zu definieren, über den Kühlfluid aus dem Schaufelblattinnenraum (37) in Richtung eines der Flächenabschnitte (25) zugeführt werden kann.

2. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei der Durchlasskanal (50) näher an der Anströmkante (35) als an der Abströmkante (36) angeordnet ist.

3. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei die Druckfläche (34) ausgebildet ist, um mehrere Durchlasskanäle(50) zu definieren.

4. Turbine (10) nach Anspruch 3, wobei die mehreren Durchlasskanäle (50) ausgehend von der Anströmkante (35) in einer stromabwärts verlaufenden Richtung regelmässig angeordnet sind.

5. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei der Durchlasskanal (50) im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist.

6. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei der Durchlasskanal (50) irreguläre Querschnittsformen aufweist.

7. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei der Durchlasskanal (50) Kühlfluid perimetrisch von der Druckfläche (34) weg lenkt.

8. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid von einer Durchlasskanalquerströmung mitgerissen wird.

9. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid einen Abschnitt des einen der Flächenabschnitte (25) bedeckt.

10. Turbine (10) nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid Kühlluft beinhaltet, die von einem Kühlkreislauf (40) bereitgestellt wird, der sich in dem Schaufelblatt (30) erstrecken kann.