DE10064265A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Plattform einer Turbinenschaufel - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Plattform einer TurbinenschaufelInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Plattform einer Turbinenschaufel, die einen Schaufelfuß, ein Schaufelblatt mit einer An- und Abströmkante, sowie eine Schaufelspitze mit einer Plattform vorsieht und die radial von wenigstens einem Kühlkanal wenigstens teilweise durchsetzt ist, der mit wenigstens einem, über eine Austrittsöffnung an der Plattform austretenden Austrittskanal verbunden ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Austrittskanal angrenzend zur Austrittsöffnung eine Kanallängsrichtung aufweist, die in Projektion längs zur Turbinenschaufel weitgehend koparallel zur Strömungsrichtung eines die Austrittsöffnung unmittelbar überströmenden, lokalen Strömungsfeldes eines relativ an der Turbinenschaufel vorbeiströmenden Massenflusses verläuft.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Kühlung
einer Plattform einer Turbinenschaufel, die einen Schaufelfuß, ein Schaufelblatt mit
einer An- und Abströmkante sowie eine Schaufelspitze mit einer Plattform vorsieht
und die radial von wenigstens einem Kühlkanal wenigstens teilweise durchsetzt ist,
der mit wenigstens einem, über eine Austrittsöffnung an der Plattform austretenden
Austrittskanal verbunden ist.
Kühlprobleme der vorstehend genannten Art treten insbesondere bei
Turbinenschaufeln auf, die in Gasturbinenanlagen eingesetzt werden. Insbesondere
in den einzelnen Gasturbinenstufen werden die Turbinenschaufeln von den innerhalb
der Brennkammer erzeugten Heißgasen umströmt. Um Überhitzungen bei in Betrieb
befindlichen Turbinenschaufeln zu vermeiden spielt der Aspekt der gezielten Kühlung
von Gasturbinenschaufeln bei der Konzeption und Auslegung derartiger Anlagen
eine große Rolle. Üblicherweise wird zur Kühlung ein Teil der innerhalb der
Verdichterstufe vorkomprimierten Luft zu Kühlzwecken gezielt abgeleitet und somit
dem weiteren Verbrennungsvorgang entzogen. Vielmehr gelangt die Kühlluft über
Kühlkanalsysteme, die sowohl in rotierenden als auch stationären
Anlagenkomponenten vorgesehen sind, in den Bereich der Turbinenstufen um die
dort, den Heißgasen unmittelbar ausgesetzten Anlagenkomponenten zu kühlen. Zur
Kühlung der auf der Rotoranordnung, in einer Vielzahl von axial hintereinander
angeordneten Laufschaufelreihen aufsitzenden Laufschaufeln, weisen die
Laufschaufeln radiale Kühlkanäle auf, durch die von Seiten der Rotoranordnung
eingespeiste Kühlluft längs zu den Turbinenschaufelblättern geführt wird, die durch
entsprechend an der Laufschaufeloberfläche vorgesehene Kühlluftöffnungen austritt
und sich mit den Heißgasen vermischt.
In einigen Fällen weisen Turbinenschaufeln an ihrer radial, der Rotoranordnung
abgewandten Seite Plattformen oder sogenannte Deckbänder auf, um
Leckageströme, die sich zwischen den Turbinenschaufelspitzen und den
feststehenden Anlagenkomponenten ausbilden können, zu minimieren. Ebenso
tragen derartige Plattformen und Deckbänder dazu bei, Vibrationen, die sich
während des Betriebes der Gasturbine entlang der Turbinenschaufeln ausbilden,
effektiv zu dämpfen.
Zur Kühlung derartiger Plattformen ist in der US 5,482,435 ein Kühlkanalsystem
innerhalb einer Plattform beschrieben, durch das Kühlluft, geleitet wird und somit
wirksam zur Kühlung der Plattform beiträgt. Die Kühlluft gelangt über einen mittig,
radialwärts zur Turbinenschaufel orientierten Kühlkanal in den Bereich der Plattform,
in dem die Kühlluft über zwei Teilkanäle nach außen gelangt. Die in der Plattform
vorgesehenen Teilkühlkanäle erstrecken sich derart, dass die aus der Plattform
austretende Kühlluft nahezu senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der die
Gasturbine durchströmenden Heißgase orientiert ist. Dies jedoch bewirkt einerseits,
dass das Strömungsverhalten der Hauptströmung erheblich irritiert wird, wodurch der
aerodynamische Wirkungsgrad nachhaltig beeinträchtigt wird. Zum anderen vermag
die aus der Plattform austretende Kühlluft keinen Beitrag zum Energiegewinn bzw.
zur verbesserten Energieumsetzung innerhalb der Gasturbine beitragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur
Kühlung einer Plattform einer Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 derart weiterzubilden, so dass zum einen eine effektive Kühlung der
Plattform sichergestellt ist, zum anderen jedoch dafür gesorgt ist, dass die
Hauptströmung, die unmittelbar an der Turbinenschaufel anliegt, möglichst wenig
beeinträchtigt wird, um die aerodynamischen Verhältnisse innerhalb der
Strömungsmaschine nicht zu verschlechtern. Vielmehr soll erreicht werden, dass
neben der vorstehenden effektiven Kühlwirkung ein zusätzlicher Energiegewinn
durch den Austritt der Kühlluft aus der Plattform erzielt werden kann.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung beschreibt. Gegenstand des
Anspruchs 8 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren. Den Erfindungsgedanken
vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der
gesamten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die
Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Plattform einer
Turbinenschaufel, die einen Schaufelfuß, ein Schaufellblatt mit einer An- und
Abströmkante, sowie eine Schaufelspitze mit einer Plattform vorsieht und die radial
von wenigstens einem Kühlkanal wenigstens teilweise durchsetzt ist, der mit
wenigstens einem, über eine Austrittsöffnung an der Plattform austretenden
Austrittskanal verbunden ist, dadurch weitergebildet, dass der Austrittskanal
angrenzend zur Austrittsöffnung eine Kanallängsrichtung aufweist, die in Projektion
längs zur Turbinenschaufel weitgehend koparallel zur Strömungsrichtung eines die
Austrittsöffnung unmittelbar überströmenden, lokalen Strömungsfeldes eines relativ
an der Turbinenschaufel vorbeiströmenden Massenflusses verläuft.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung an allen Turbinenschaufeln
anwendbar, die mit einer Plattform versehen sind. Die mit der erfindungsgemäßen
Maßnahme verbundenen Vorteile werden nachfolgend am Beispiel der
Turbinenleitschaufel innerhalb einer Gasturbinenanlage näher erläutert.
Selbstverständlich ist es jedoch möglich, die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
auch an Plattformen von stationären Leitschaufeln einzusetzen. Die
erfindungsgemäße Maßnahme ist nicht auf den Einsatz von Turbinenschaufeln
innerhalb von Gasturbinenstufen von Gasturbinenanlagen beschränkt, sondern kann
in allen Strömungsmaschinen angewendet werden, in denen entsprechende
Kühlprobleme auftreten, beispielsweise innerhalb von Kompressoren oder ähnlichen
Strömungsmaschinen.
Die erfindungsgemäße Anordnung des Austrittskanals innerhalb der Plattform, durch
den Kühlluft durch eine Austrittsöffnung austritt, ist erfindungsgemäß derart orientiert,
so dass die Kühlluft, die aus der Plattform ausströmt vorzugsweise die gleiche
Strömungsrichtung besitzt, mit der die Hauptströmung der Heißgase die
Turbinenschaufel und somit auch die Plattform selbst umströmt. Ist die
Austrittsöffnung des Austrittskanals an der dem Turbinenschaufelblatt radial
abgewandten Plattformoberseite vorgesehen, so verläuft vorzugsweise der
Kühlkanal leicht schräg geneigt zur Plattformoberseite. Alternativ kann die
Austrittsöffnung an der stromabgewandten Abschlusskante der Plattform angebracht
sein, so dass die aus der Plattform ausströmende Kühlluft koparallel zu den die
Plattform umströmende Heißgase orientiert ist. In allen Fällen befindet sich die
Austrittsöffnung des Kühlkanals an der Plattform vorzugsweise stromab zur
Anströmkante der Turbinenschaufel, so das gewährleistet ist, dass ein möglichst
langer Kühlkanalabschnitt innerhalb der Plattform verläuft, so dass eine möglichst
effektive Kühlwirkung erzielt werden kann.
Kühlungvorkehrungen innerhalb der Plattform, die im Falle von
Turbinenlaufschaufeln aufgrund ihrer radialen Beabstandung zur Rotationsachse
hohen Zentrifugalkräften unterworfen ist, tragen einen wichtigen Beitrag dazu bei,
das Kriechverhalten des Schaufelmaterials im Bereich der Plattform positiv zu
beeinflussen, d. h. Materialverwerfungen- bzw. deformationen durch Erweichen des
Materials unter gleichzeitiger Einwirkung hoher Zentrifugalkräfte werden durch
wirkungsvolle Kühlmaßnahmen reduziert bzw. eliminiert. Durch die
erfindungsgemäße Kühlmaßnahme innerhalb der Plattform kann Materialkriechen
erheblich eingeschränkt werden.
Der mit dem erfindungsgemäßen Kühlkanalsystem innerhalb der Plattform
verbundene Hauptvorteil ist jedoch der zusätzliche Energiegewinn, der mit dem
gezielten koparallelen Strömungsaustritt der Kühlluft relativ zur, die Turbinenschaufel
umströmenden Hauptströmung, erzielt werden kann. So konnte nachgewiesen
werden, dass die Kühlluft, die aus dem erfindungsgemäß orientierten Kühlkanal
durch die Austrittsöffnung an der Plattform ausströmt, zu einem messbaren
Energiegewinn beiträgt, der sich durch das Zusammenspiel eines zusätzlichen
Impulsbeitrages zum Antrieb der Turbinenschaufel und einer vergleichsweise
vernachlässigbaren Irritation bzw. Störung der Hauptströmung der die
Turbinenschaufel umströmenden Heißgase ergibt.
Vorzugsweise sind eine Vielzahl von entsprechend orientierten Kühlkanälen
innerhalb einer Plattform eingebracht, wodurch sich die vorstehend beschriebenen
vorteilhaften Auswirkungen bezüglich Kühlwirkung und zusätzlichen Energiebeitrag
steigern lassen. Weitere Details bezüglich möglicher Ausführungsbeispiele können
den nachstehenden Ausführungsbeispielen detailliert entnommen werden.
Zur Herstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Plattform eignen sich eine
Vielzahl an sich bekannter Techniken um den Kühlkanal bzw. eine Vielzahl
entsprechend orientierter Kühlkanäle in die Plattform einzubringen. Besonders
eignen sich hierzu EDM-Verfahren (Electro-Discharge-Machining) oder auch
konventionelle Bohrtechniken, unter Einsatz von Laserstrahl, elektrochemischen
Verfahren sowie Wasserstrahltechniken.
Selbstverständlich ist es auch möglich, Plattformen von Turbinenschaufeln an ihren
jeweiligen Turbinenschaufelfüßen mit entsprechend orientierten Kühlkanälen zu
versehen. Gleichwohl der Aspekt des zusätzlichen Energiegewinns bei Plattformen
im Schaufelfußbereich eine nur untergeordnete Rolle spielt, beeinträchtigt die
ausströmende Kühlluft durch die entsprechenden Austrittsöffnungen die
Hauptströmung auch im Bereich der Schaufelfüße nicht bzw. nur unwesentlich.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Draufsicht auf die axiale Anordnung einer in einer Laufschaufelreihe
angeordnete Turbinenlaufschaufel sowie einer entsprechend axial
stromauf angeordneten Turbinenleitschaufel,
Fig. 2 Teildarstellung durch einen radialen Längsschnitt durch eine
Turbinenschaufel mit Plattform sowie
Fig. 3 Draufsicht auf eine Plattform in radialer Richtung.
In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine axiale Anordnung, bestehend aus einer
Leitschaufelreihe 1 und einer in Strömungsrichtung nachgeordneten
Laufschaufelreihe 2 dargestellt. Im einzelnen sind die Plattformen 3 einer
Leitschaufel 4 sowie einer Laufschaufel 5 zu sehen, wobei sich die Leitschaufel 4
bzw. Laufschaufel 5 senkrecht längs zur Zeichenebene vom Betrachter abgewandt
erstreckt. Durch die entsprechende Anstellung der Leit- bzw. Laufschaufeln relativ
zur Hauptströmung 6, die die Turbinenschaufelanordnung axialwärts durchströmt,
wird die Hauptströmung 6 durch die Turbinenschaufelblätter aus der reinen
Axialrichtung umgelenkt. So ist die Hauptströmung 6 unmittelbar nach Durchströmen
der Leitschaufelreihe 1 in der Umfangsrichtung nach oben gerichtet, wohingegen die
Hauptströmung nach Umströmen der Laufschaufelreihe 2 entgegen der Drehrichtung
abgelenkt wird. Die Neigung der Strömungsrichtung bezogen zur Axialrichtung wird
unmittelbar stromab einer Turbinenschaufelreihe im Wesentlichen durch die Neigung
der Turbinenschaufelblätter relativ zur Hauptströmung und der
Umfangsgeschwindigkeit bedingt. Zur Kühlung der Plattformen 3 sind Kühlkanäle 7,
vorzugsweise im Bereich der stromab gerichteten Endkante 8 der Plattformen 3
derart angeordnet, so dass Kühlluft parallel zur Hauptströmung 6 aus den
Kühlkanälen 7 entweicht. Hierzu sind die Längsachsen der Kühlkanäle 7 parallel zum
Turbinenschaufelblatt im Bereich unmittelbar stromauf zur Abströmkante 9
angeordnet.
In Fig. 2 ist der obere Teil eines Längsschnittes durch eine Turbinenschaufel
dargestellt, die beispielsweise als Laufschaufel 5 ausgebildet ist und in ihrem oberen
Bereich eine Plattform 3 vorsieht. Die Laufschaufel 5 weist einen sich radialwärts
erstreckenden Hauptkühlkanal 10 auf, in dem Kühlluft von Seiten des nicht
dargestellten Laufschaufelfußes in den Bereich der Plattform 3 gelangt. In den
Hauptkühlkanal 10 münden einseitig eine Vielzahl von Kühlkanälen 11, die schräg
zur Plattformoberseite 12 verlaufen und an dieser jeweils eine Austrittsöffnung 13
vorsehen. Kühlluft, die durch die Austrittskanäle 11 durch die jeweilige
Austrittsöffnung 13 an der Plattformoberseite 3 austritt, ist leicht schräg zur
Plattformoberseite 12 jedoch in Strömungsrichtung der Hauptströmung 6 gerichtet.
Weitere Kühlkanäle 14 münden über entsprechende weitere Austrittsöffnungen an
der Plattformoberseite und werden über geeignet vorgesehene zusätzliche
Kühlluftkanäle 15 mit Kühlluft versorgt.
Die Plattform 3 der in Fig. 2 dargestellten Laufschaufel 5 sieht eine typischerweise
ausgebildete Labyrinthdichtung 16 vor, unter der unmittelbar ein Kühlkanalvolumen
17 mit entsprechend stromabwärts gerichteten Auslass 18 vorgesehen ist.
In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Plattform 3 dargestellt, unter der, sich in
Längsrichtung erstreckend, eine Laufschaufel 5 vorgesehen ist. Die Laufschaufel 5
weist diverse, sich längs zur Turbinenschaufel erstreckende Hohlkanäle auf, von
denen aus dem Hohlkanal 10 Kühlluft in Richtung der Plattform ausströmt.
Unmittelbar an den als Kühlkanal ausgebildeten Hohlkanal 10 schließt sich ein
Kühlluftsystem an, durch das die einzelnen Kühlkanäle 13 und 14 mit
entsprechender Kühlluft versorgt wird. Die Kühlluft strömt längs der in den einzelnen
Kanälen angegebenen Pfeilrichtungen und tritt an den entsprechenden
Austrittsöffnungen 13, 14 an der Oberseite 12 der Plattform 3 aus.
1
Leitschaufelreihe
2
Laufschaufelreihe
3
Plattform
4
Leitschaufel
5
Laufschaufel
6
Hauptströmung
7
Kühlkanäle
8
stromabgewandtes Ende der Plattform
3
9
Abströmkante
10
Hauptkühlkanal
11
Kühlkanal
12
Plattformoberseite
13
Austrittsöffnung
14
Austrittsöffnung
15
Nebenkühlkanal
16
Labyrinthdichtung
17
Kühlkanalvolumen
18
Auslasskanal
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Kühlung einer Plattform (3) einer Turbinenschaufel, die einen
Schaufelfuß, ein Schaufelblatt mit einer An- und Abströmkante, sowie eine
Schaufelspitze mit einer Plattform (3) vorsieht und die radial von wenigstens einem
Kühlkanal wenigstens teilweise durchsetzt ist, der mit wenigstens einem, über eine
Austrittsöffnung an der Plattform austretenden Austrittskanal verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal (7, 11) angrenzend zur
Austrittsöffnung (13) eine Kanallängsrichtung aufweist, die in Projektion längs zur
Turbinenschaufel weitgehend koparallel zur Strömungsrichtung eines die
Austrittsöffnung unmittelbar überströmenden, lokalen Strömungsfeldes (6) eines
relativ an der Turbinenschaufel vorbeiströmenden Massenflusses verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal (7, 11) angrenzend zur
Austrittsöffnung (13) eine Kanallängsrichtung aufweist, die in Projektion längs zur
Turbinenschaufel weitgehend koparallel zum Axialschnitt des
Turbinenschaufelblattes im Bereich unmittelbar stromauf zur Abströmkante verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass durch den Austrittskanal (7, 11) ein Kühlmedium,
vorzugweise Kühlluft, strömbar ist, das die Austrittsöffnung (13) nahezu in
Strömungsrichtung zum lokalen Strömungsfeld (6) verläßt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel in einer Strömungsmaschine,
vorzugsweise in einer Gasturbine, integriert ist, durch die der Massenfluss axial
hindurchgerichtet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (13) nahe dem
stromabgewandten Ende der Plattform (3) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (3) eine dem Turbinenschaufelblatt
radial abgewandte Plattformoberseite (12) aufweist, an der die Austrittsöffnung (13)
vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel eine Leit- vorzugsweise eine
Laufschaufel innerhalb einer Gasturbine ist.
8. Verfahren zur Kühlung einer Plattform einer Turbinenschaufel, die einen
Schaufelfuß, ein Schaufelblatt mit einer An- und Abströmkante, sowie eine
Schaufelspitze mit einer Plattform vorsieht und die radial von wenigstens einem
Kühlkanal wenigstens teilweise durchsetzt ist, der mit wenigstens einem, über eine
Austrittsöffnung an der Plattform austretenden Austrittskanal verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft durch den
Kühlkanal und den Austrittskanal derart hindurchgeleitet wird und aus der Plattform
austritt, dass das Kühlmedium nahezu strömungsparallel in Richtung zu einem die
Turbinenschaufel umströmenden Massenstrom die Pllattform verlässt.
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