DE102005042621A1

DE102005042621A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen der Plattformen von Turbinenlaufschaufeln

Info

Publication number: DE102005042621A1
Application number: DE102005042621A
Authority: DE
Inventors: Ariel Caesar Prepena Jacala; Gary M. Itzel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2006-03-30
Also published as: CN1749533A; US20060056970A1; JP2006083859A; US7147439B2

Abstract

Eine Laufschaufel (10) weist ein Schaufelblatt (12), einen Fuß (14) und eine Plattform (16) zwischen dem Fuß und dem Schaufelblatt auf. Das Schaufelblatt enthält ein schlangenförmiges Kühlsystem (18) und die Plattform enthält mehrere Hohlräume (40, 62, 54), von denen ein oder mehrere Hohlräume (40, 62) jeweils ein schlangenförmiges Kühlsystem enthalten. Kühlmedium wird von einem der Kanäle (20, 30, 22) des Schaufelblattkühlsystems abgeleitet, um das Plattformkühlsystem zu durchströmen und entweder zu einem anderen Kanal (24, 34) des Schaufelblattkühlsystems oder zu einem Auslass (36) an der Schaufelblatthinterkante zurückzuströmen. Die Plattformkühlsysteme kühlen konvektiv die Hoch- und Niederdruckseite der Plattform.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Laufschaufeln von Turbinen und bezieht sich insbesondere auf ein Kühlsystem zum Kühlen der Plattform, die jeweils zwischen dem Laufschaufelblatt und dem Laufschaufelfuß liegt.

Über die Jahre hinweg besteht bei Gasturbinen ein Trend hin zu höheren Verbrennungstemperaturen, um die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Mit Zunahme der Temperaturen auf dem Gasweg zeigten die Plattformen der Laufschaufeln zunehmend Schäden, einschl. Oxidation, Dauerbrüchen und Ermüdungsrissbildung bei niedriger Lastspielzahl. Mit der Einführung der Dampfkühlung im geschlossenen Kreislauf, z.B. in den ersten beiden Stufen der Laufschaufeln und Düsen bei industriellen Gasturbinen wurden die Einlassprofile derart, dass die Plattformen Temperaturen in der Nähe der Spitzeneinlasstemperaturen der Schaufelreihe ausgesetzt waren. Dadurch werden die potentiellen Schäden bei Laufschaufelplattformen verschlimmert, weil diese mit höheren Temperaturen arbeiten. Viele ältere Laufschaufelkonstruktionen erforderten wegen der niedrigeren Verbrennungstemperaturen keine aktive Kühlung der Plattformen. Außerdem trug eine von den strömungsaufwärts liegenden Düsenseitenwänden übertragene Filmkühlung dazu bei, die Temperaturen in der Nähe der Plattformen gegenüber der sich ergebenden „Teilkreisbeanspruchung" des Einlasstemperaturprofils abzusenken. Verschiedene Konstruktionen verwendeten eine Film- oder Schleierkühlung, indem sie Löcher durch die jeweilige Plattform bohrten und ausgangsseitige Verdichterluft dazu einsetzten, eine Schicht eines kühleren Isolierfilms auf der Plattformoberfläche zu erzeugen, der diese gegen die hohen Temperaturen in dem Gasweg schützt. Dies ist jedoch auf Gebiete beschränkt, in denen genügend Druck zur Injektion des Films vorhanden ist und viele gebräuchliche Konstruktionen haben aber keinen ausreichenden Druck zur Film- oder Schleierkühlung der gesamten Plattform zur Verfügung. Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einem Kühlsystem, das die Plattformtemperatur auf ein Niveau absenkt, das Lebensdaueranforderungen an Komponenten oder den Festigkeitsforderungen, einschließlich Oxidation, Dauerfestigkeit und Ermüdungsrissbildung bei niedrigen Lastspielen bei dampf- oder luftgekühlten Laufschaufeln für Gasturbinen genügt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Unter einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laufschaufel mit einem Schaufelblatt, einem Fuß und einer Plattform an der Schnittstelle zwischen dem Schaufelblatt und dem Fuß geschaffen, bei der das Schaufelblatt ein Kühlsystem mit einer Anzahl von Kanälen aufweist, die dazu dienen, ein Kühlmedium aufzunehmen und das Kühlmedium längs des Schaufelblattes zur Kühlung des Schaufelblattes entlang strömen zu lassen, wobei die Plattform ein Kühlsystem mit einem Hohlraum längs einer ihrer Unterseiten aufweist. Der Hohlraum weist einen Einlass auf, der mit einem der Kanäle in Verbindung steht, um wenigstens einen Teil des Kühlmediums von dem einen Kanal abzuleiten und den abgeleiteten Kühlmediumsanteil in dem Plattformkühlsystem des Hohlraums zum Kühlen der Plattform strömen zu lassen, wobei der Hohlraum einen Auslass aufweist, der mit einem anderen Kühlkanal des Schaufelblatts in Verbindung steht.

Unter einem anderen bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laufschaufel mit einem Schaufelblatt, einem Fuß und einer Plattform an der Schnittstelle zwischen dem Schaufelblatt und dem Fuß geschaffen, wobei das Schaufelblatt ein Kühlsystem mit einer Anzahl im Wesentlichen radialer Kanäle aufweist, die dazu eingerichtet sind, ein Kühlmedium aufzunehmen und das Kühlmedium längs des Schaufelblatts zur Schaufelblattkühlung strömen zu lassen, wobei ein Verfahren zur Kühlung der Plattform geschaffen wird, dass die folgenden Schritte beinhaltet: Vorsehen eines Hohlraums in oder längs einer Unterseite der Plattform; Ableiten wenigstens eines Teils des Kühlmediums aus einem der genannten Schaufelblattkühlkanäle, Durchströmenlassen der Plattform mit dem abgeleiteten Kühlmediumsanteil in und Schaffen eines Kühlsystems für den Hohlraum zur konvektiven Kühlung der Plattform und Abströmenlassen des verbrauchten Kühlmediums aus dem Hohlraum durch einen Auslass, der mit einem anderen Kühlkanal des Schaufelblatts in Verbindung steht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel mit einem Plattformkühlsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittsdarstellung durch die Plattform, in einer im Wesentlichen radial nach außen weisenden Richtung der Laufschaufel betrachtet, zur Veranschaulichung eines Beispiels deren Plattformkühlsystems und
3 ist eine Ansicht ähnlich 3 unter Veranschaulichung eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezugnehmend nun auf die Figuren der Zeichnung und hier insbesondere auf 1 ist dort eine allgemein mit 10 bezeichnete Laufschaufel für eine Gasturbine veranschaulicht, die ein Schaufelblatt 12 und einen Schaufelfuß 14 aufweist. An einer Schnittstelle zwischen dem Schaufelblatt 12 und dem Fuß 14 liegt eine Schaufelplattform 16. Das Schaufelblatt 12 weist einen in 2 allgemein mit 18 bezeichneten Kühlkreislauf auf, der eine Anzahl im Wesentlichen radialer Kanäle beinhaltet, die zur Aufnahme eines Kühlmediums und dazu eingerichtet sind, das Kühlmedium längs des Schaufelblatts 12 strömen zu lassen, um das Schaufelblatt zu kühlen. Das Kühlmedium kann Dampf oder Luft sein, wobei an sich jede beliebige Anzahl Kühlkanäle in dem Schaufelblatt 12 vorgesehen sein kann. Beispielsweise sind, wie in 2 veranschaulicht, acht Kanäle vorgesehen, die das Kühlsystem des Schaufelblatts bilden. Die Kanäle können bspw. zur Dampfkühlung in Gestalt eines geschlossenen Kreislaufs vorliegen, ähnlich wie dies der US-Patentschrift 5,536,143 der Anmelderin beschrieben ist, oder die Kanäle können auch offene Systeme aufweisen, wobei ein oder mehrere der Kanäle in Auslassöffnungen an der Spitze des Schaufelblatts, z.B. in den in 1 dargestellten Auslassöffnungen 20 münden können. Der Kühlkreislauf in dem Schaufel blatt ist in der Regel schlangenlinienförmig gestaltet.
Bezugnehmend auf 2 weist das Schaufelblattkühlsystem 18 im Wesentlichen radiale Kanäle 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 und 34 auf. Bei der Darstellung nach 2 bezeichnen die mit der Spitze nach oben weisenden Dreiecke in den Kanälen 22, 24, 28, 32 eine im Wesentlichen radial nach außen gerichtete Strömung des Kühlmediums, während die mit der Spitze nach unten weisenden Dreiecke in den Kanälen 22, 26, 30, 34 eine im Wesentlichen radial nach innen gerichtete Strömung des Kühlmediums andeuten. Auf einem schlangenlinienförmigen Strömungsweg des Kühlmediums, bspw. bei Dampfkühlung im geschlossenen Kreislauf, tritt das Kühlmedium in den Kanal 20 an der Vorderkante ein und strömt sodann durch die verschiedenen Schaufelblattkanäle abwechselnd radial nach außen und radial nach innen bis es schließlich durch einen Kanal 34 an der Hinterkante zurückgeführt wird, um das Kühlmedium in einem Kühlmediumsauslass 36 ausströmen zu lassen.
Wiederum bezugnehmend auf 2 weist die Plattform 16 jeder Laufschaufel wenigstens einen Hohlraum auf, der längs einer Unterseite von ihr oder innerhalb der Plattform ausgebildet ist und der zu einem Kühlsystem zum Kühlen der Plattform gehört. Vorzugsweise sind in jeder Plattform drei Hohlräume vorgesehen, von denen jeder Hohlraum ein Kühlsystem zum Kühlen der Plattform aufweist. Das erste Plattformkühlsystem ist allgemein mit 38 bezeichnet. In dem Kühlsystem 38 wird Kühlmedium von einem Einlass zu dem ersten radial nach außen gehenden Kanal 20 des Schaufelblattes 12 abgeleitet. Demgemäß speist der Kühlmediumseinlass 42 des ersten Kühlsystems Kühlluft in die im Wesentlichen schlangenlinienförmigen Kühlkanäle ein, wie dies mit den Peilen 44 in Figur 2 angedeutet ist. Der Hohlraum 40 liegt im Wesentlichen in der Plattform 16, wobei Wandabschnitte 46, 48 mit den Außenwänden des Hohlraums die im Wesentlichen schlangenlinienförmige Gestalt des Kühlkanals begrenzen. Wird Dampf als Kühlmedium verwendet, weist z.B. der schlangenlinienförmige Kühlkanal 44 auch einen Auslass 50 zum Ablassen eines Teils des Dampfes in den Kühlkanal 34 an der Hinterkante auf. Der Hinterkantenkanal 34 und der Auslass 36 gehen in dem Fuß des Schaufelblatts ineinander über, um den verbrauchten Kühldampf bspw. zu einem nicht dargestellten Wärmerückgewinnungsdampfgenerator rückzuführen. Aus der Betrachtung der 2 ergibt sich, dass das Kühlsystem 38 in dem Hohlraum 40 der Plattform 16 die Niederdruckseite der Plattform, d.h. die Seite der Plattform, die unter der Druckseite des Schaufelblatts liegt, durch Wärmeübertragung (Konvektion) kühlt.
Ein zweites Plattformkühlsystem 52 beinhaltet einen zweiten Hohlraum 54, der in oder längs der Unterseite der Plattform 16 ausgebildet ist. Der zweite Hohlraum 54 weist einen mit dem in dem radial nach innen gerichteten oder zweiten Kühlkanal 22 des Schaufelblattes 12 strömenden Kühlmedium in Verbindung stehenden Einlass 56 und einen Auslass 58 auf, der mit dem in dem dritten Schaufelblattkühlkanal 24 radial nach außen strömenden Kühlmedium in Verbindung steht. Das von dem Kanal 22 in den Hohlraum 54 abgeleitete Kühlmedium kühlt konvektiv einen Teil der Hochdruckseite der Plattform 16, wobei das Kühlmittel das zweite Plattformkühlsystem durchströmt, das das Kühlmedium sodann in den dritten Kanal 24 abströmen lässt.
Ein allgemein mit 60 bezeichnetes drittes Plattformkühlsystem beinhaltet einen Hohlraum 62, der in oder längs der Unterseite der Plattform 16 ausgebildet ist. Der dritte Hohlraum 62 weist einen Einlass 64 auf, der mit dem Kühlmedium in Verbindung steht, das in dem sechsten Kanal 30 des Schaufelblatts 12 radial nach innen strömt. Der Hohlraum 62 weist außerdem einen Auslass 66 auf, der mit dem über den Hinterkantenkanal 34 des Schaufelblattes 12 radial nach innen strömenden Kühlmedium in Verbindung steht. Der Hohlraum 62 beinhaltet außerdem Wände 68, 70, die mit den Außenwänden des Hohlraums eine mit 72 bezeichnete schlangenlinienförmige Kühlmediumsströmung in dem dritten Plattformkühlsystem definieren. Das dritte Plattformkühlsystem kühlt deshalb konvektiv einen Teil der Hochdruckseite der Plattform, die sich an die Saugseite des Schaufelblatts anschließt. Demgemäß werden durch Kombination von wenigstens zwei und vorzugsweise aller drei Plattformkühlsysteme sowohl die Niederdruck- als auch die Hochdruckseite der Plattform durch das Kühlmedium konvektiv gekühlt. Zu bemerken ist, dass die Laufschaufel bedarfsgemäß eines, zwei oder alle drei Kühlsysteme nutzen kann.
Bezugnehmend nun auf 3 ist dort eine weitere Ausführungsform eines Plattformkühlsystems gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform bleibt das Kühlsystem in dem ersten Hohlraum 40 gleich, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet sind. In ähnlicher Weise ist der zweite Hohlraum 54 der 3 ähnlich dem Hohlraum 52 der 2, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet sind, mit dem Unterschied, dass der Auslass von dem zweiten Plattformkühlsystem unmittelbar abgeht und das Kühlmittel in das dritte Kühlsystem 60 einspeist, ohne dass es durch einen der Schaufelblattkühlsystemkanäle durchgeht. Im Einzelnen weist der zweite Hohlraum 54 der in 3 dargestellten Ausführungsform einen Auslass 80 auf, der direkt mit dem drit ten Hohlraum 62 in Verbindung steht, wobei der Auslass 80 als Einlass 82 in den Hohlraum 62 dient. In dem dritten Hohlraum sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile wie bei der Ausführungsform nach 2 verwendet und die restlichen Teile des Plattformkühlsystems sind identisch mit denen, die anhand der 2 beschrieben und in dieser dargestellt sind.
Die Kanäle der Plattform können unter Verwendung von Keramikkernen oder dadurch ausgebildet werden, dass sie in einem Wachsausschmelzverfahren, d.h. in einem Modelausschmelzverfahren ausgeformt werden. Bei dem letztgenannten Verfahren verschließt eine nicht dargestellte an die Laufschaufel angeschweißte oder hart angelötete Platte die Kanäle vollständig, um die Kühlsysteme auszubilden. Zu bemerken ist, dass die Kühlsystemkonfigurationen nicht auf die in den 2, 3 veranschaulichten Beispiele beschränkt sind. So kann z.B. das Kühlmittel von irgendeinem Kanal der serpentinenförmigen Schaufelblatthauptkanäle abgezweigt und in irgendeinen Kanal des schlangenlinienförmigen Schaufelblatthauptkühlsystems abgeleitet werden, unter der Voraussetzung, dass in dem Kühlsystem genügend Druck vom Einlass zum Auslass zur Verfügung steht, um eine ausreichend hohe Wärmeübertragungsrate in dem Kanal zu erzielen.
Wenngleich die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die zweckmäßigste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, so versteht sich doch, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern, dass sie im Gegenteil, verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen mitumfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.

10: Laufschaufel
12: Schaufelblatt
14: Fuß
16: Plattform
18: System
20, 22, 24, 6, 28, 30, 32, 34: Kanäle
38, 52, 60: Kühlsystem
40, 54, 62: Hohlraum
42, 56, 64, 82: Einlass
20, 22: Kanal
50, 58, 66: Auslass
34, 24: Kühlkanal
44, 72: schlangenlinienförmige Strömungs
: kanal
38: Kühlsystem
42: Einlass
36: Auslass an der Hinterkante

Claims

Schaufel (10) mit einem Schaufelblatt (12), einem Fuß (14) und einer Plattform (16) an der Schnittstelle zwischen dem Schaufelblatt und dem Fuß, wobei das Schaufelblatt ein Kühlsystem (18) mit einer Anzahl im Wesentlichen radialer Kanäle (20, 223, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aufweist, die Kühlmedium aufnehmen und das Kühlmedium zur Schaufelblattkühlung längs des Schaufelblatts strömen lassen, wobei die Plattform ein Kühlsystem (38, 52, 60) mit einem Hohlraum (40, 54, 62) in oder längs einer ihrer Unterseiten aufweist, wobei der Hohlraum mit einem Einlass (42, 56, 64, 82) versehen ist, der in Verbindung mit einem (20, 22) der Kanäle steht, um Kühlmittel aus dem einem Kanal abzuleiten und das abgeleitete Kühlmittel in dem Plattformkühlsystem des Hohlraums zur konvektiven Kühlung der Plattform strömen zu lassen, wobei der Hohlraum mit einem Auslass (50, 58, 66) versehen ist, der in Verbindung mit einem anderen Kühlkanal (34, 24) des Schaufelblatts steht.
Laufschaufel nach Anspruch 1, bei der das Plattformkühlsystem einen im Wesentlichen schlangenlinienförmigen Strömungskanal (44, 72) in dem Hohlraum beinhaltet.
Laufschaufel nach Anspruch 1, bei der der andere Kanal (34) Teil eines Kühlkanals der Laufschaufelhinterkante ist.
Laufschaufel nach Anspruch 1, bei der das Plattformkühlsystem (38) einen im Wesentlichen schlangenlinienförmigen Strömungskanal (44) in dem Hohlraum (40) beinhaltet, die mehreren Kanäle des Schaufelblattkühlsys tems ein im Wesentlichen schlangenlinienförmiges Schaufelblattkühlsystem bilden, bei dem der eine Kanal (20) das Kühlmedium längs des Schaufelblatts im Wesentlichen radial nach außen und ein weiterer Kanal (34) das Kühlmedium im Wesentlichen radial nach innen strömen lässt, und wobei der Einlass (42) des Hohlraums mit dem einen Kanal (20) in Verbindung steht.
Laufschaufel nach Anspruch 4, bei der der Auslass (50) aus dem Hohlraum mit dem weiteren Kanal (34) in Verbindung steht.
Laufschaufel nach Anspruch 1, bei dem ein Hohlraum (40) sich längs einer Niederdruckseite der Plattform erstreckt, während ein Hohlraum (54, 62) sich längs einer Hochdruckseite der Plattform erstreckt.
Laufschaufel nach Anspruch 1, bei der die Plattform einen zweiten Hohlraum (62) in oder längs einer Unterseite von ihr enthält, wobei der zweite Hohlraum mit einem Einlass (64) versehen ist, der mit einem zweiten Kanal (30) in Verbindung steht, um wenigstens einen Teil des Kühlmediums aus dem zweiten Kanal abzuleiten und den abgeleiteten Kühlmediumsanteil in dem zweiten Hohlraum des Plattformkühlsystems zur konvektiven Kühlung der Plattform strömen zu lassen, wobei der zweite Hohlraum einen Auslass (66) aufweist, der mit einem weiteren Kanal (34) der Schaufelblattkühlkanäle in Verbindung steht.
Laufschaufel nach Anspruch 7, bei der das Plattformkühlsystem im Wesentlichen schlangenlinienförmige Strömungskanäle (44, 72) in dem ersten und dem zweiten Hohl raum (40, 62) aufweist.
Laufschaufel nach Anspruch 7, bei der die Plattform einen dritten Hohlraum (54) in oder längs einer Unterseite von ihr aufweist, wobei der dritte Hohlraum mit einem Einlass (56) versehen ist, der mit einem dritten (22) Kanal in Verbindung steht, um wenigstens einen Teil des Kühlmediums aus dem dritten Kanal abzuleiten und den abgeleiteten Kühlmediumsanteil zur konvektiven Kühlung der Plattform in dem dritten Hohlraum der Plattform strömen zu lassen, wobei der dritte Hohlraum einen Auslass (58) aufweist, der mit einem noch anderen Kanal (24) der Schaufelblattkühlkanäle in Verbindung steht.
Laufschaufel nach Anspruch 9, bei der das Plattformkühlsystem im Wesentlichen schlangenlinienförmige Strömungskanäle (44, 72) in wenigstens dem ersten (40) und dem dritten Hohlraum (72) aufweist, wobei der erste (40), der zweite (62) und der dritte (54) Hohlraum jeweils auf der Nieder- bzw. der Hochdruckseite, bzw. der Hochdruckseite der Plattform liegen.