DE102005044182A1

DE102005044182A1 - Kühlsystem für die Hinterkanten von Turbinenschaufelblättern

Info

Publication number: DE102005044182A1
Application number: DE102005044182A
Authority: DE
Inventors: Ariel Caesar Prepena Jacala; Gary M. Itzel; Joshua R. Kornau; Azadali A. Ladhani
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: US20060056969A1; JP2006083851A; CN1749534A; US7066716B2; DE102005044182B4; CN1749534B; JP4778754B2

Abstract

Das Kühlsystem weist mehrere sich innerhalb des Schaufelblattes im Wesentlichen radial erstreckende Kanäle (32, 132) zur Konvektionskühlung des Schaufelblattes auf. Eine vorbestimmte Anzahl der Kanäle tritt durch die Schaufelblattspitze nach außen. Einer oder mehrere der verbleibenden Kanäle (46, 146) mündet/münden in eine Kammer (44, 144) in der Nähe der Hinterkante und der Schaufelblattspitzenregion des Schaufelblattes und verläuft/verlaufen radial nach innen entlang eines oder mehrerer Kanalwege (38, 138) in der Nähe der Region der Hinterkante (40, 140). Die Kanalwege enden in Öffnungen (42, 142) an der Druckseite des Schaufelblattes. Auf diese Weise wird die Hinterkantenregion sowohl konvektiv gekühlt als auch durch den Luftfilm der durch die Löcher austretenden Luft filmgekühlt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur Kühlung von Turbinenschaufelblättern und insbesondere ein Kühlsystem, das radiale Kühlkanäle zur Konvektionskühlung des Schaufelblatts und zur Konvektions- und Filmkühlung der Hinterkantenregion des Schaufelblatts verwendet.

Im Laufe der Jahre hat sich der Trend bei Gasturbinen in Richtung erhöhter Eintrittszündtemperaturen entwickelt, um die Ausgangs- und Triebwerkeffizienz zu verbessern. Mit der Erhöhung der Gastemperaturen erfahren die Schaufelblätter bei höheren Metalltemperaturen beträchtliche Dauerkriechschäden. Der Kriechschaden verschlimmert sich, bis ein Kriechbruch auftritt und die Strömungspfadkomponenten der Turbine beschädigt. Außerdem zeigen die Eintrittstemperaturprofile mit erhöhter Zündtemperatur die Tendenz, an der Schaufelblattspitze heißer zu sein, wenn das heiße Verbrennungsgas radial nach außen zu der Spitze hin geschleudert wird. Dies macht die höheren Spannweiten der Schaufelblätter empfänglicher für Dauerkriechschäden. Mit der Erhöhung der Schaufelblatttemperaturen wurden Wegen der Form der Schaufelblätter werden außerdem die Hinterkanten zunehmend in Mitleidenschaft gezogen, wozu Oxidation, Dauerkriechen und zyklische Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl gehören.

Bei früheren Schaufelgestaltungen sind elektrochemische Bearbeitungsverfahren (engt. electrochemical machining, ECM) verwendet worden, um im Wesentlichen radial durch das Blatt der Schaufel verlaufende Kühlkanäle zu bilden. Insbesondere werden Kühllöcher unter Verwendung des STEM-Abtragungsprozesses (engl. shaped tube electrochemical machining, elektrochemisches Bohren mit Formkathode) gebildet, bei dem Löcher mit einem runden Leitrohr (engl. guide tube) „gebohrt" werden, wodurch elektrochemisch ein Kanal erodiert wird, der die gleiche Gestalt wie das Leitrohr aufweist. Das Leitrohrbohren erstreckt sich über die gesamte Länge des Schaufelblatts. Ein separater Bohrdurchgang fängt gewöhnlich an dem Grund der Schwalbenschwanzbefestigung der Schaufel an dem Laufrad an und trifft auf den Durchgang auf, der durch den STEM-Bohrkanal des Schaufelblatts abgetragen worden ist. Auf diese Weise kühlt die Kühlluft, die aus dem Schwalbenschwanz der Schaufel bis zu der Spitze des Schaufelblatts durch diese gebohrten Kanäle befördert wird, durch Konvektion das Schaufelblatt. Mit zunehmender Länge des gebohrten Loches neigen die geformten Rohre jedoch dazu zu wandern. Ferner sind die Schaufelblätter derart geformt, dass die Hinterkanten für den aerodynamischen Wirkungsgrad sehr dünn sind. Als Folge hiervon, können die STEM-gebohrten Löcher nur innerhalb einer bestimmten Entfernung von der Hinterkante gebohrt werden und lassen notwendigerweise einen großen Teil der Hinterkante noch relativ ungekühlt. Konsequenterweise besteht der Bedarf an einem System zur effektiveren Kühlung von Hinterkantenregionen eines Schaufelblatts.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlsystem für eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, einer Basis und einer Plattformverbindung zwischen dem Schaufelblatt und der Basis geschaffen. Das Schaufelblatt weist vorzugsweise mehrere Kanäle auf, die sich im Wesentlichen radial entlang des Schaufelblattes zur Strömungsverbindung mit einer Kühlmittelversorgung an radial inneren Enden der Kanäle erstrecken und dadurch das Schaufelblatt konvektiv kühlen, wenn das Kühlmittel im Allgemeinen radial nach außen entlang der Kanäle in Richtung auf eine Spitze des Schaufelblattes strömt. Eine vorbestimmte Anzahl von Kanälen ist in den Schaufelblattaustrittsöffnungen in der Nähe der Schaufelblattspitze ausgebildet, um verbrauchtes Kühlmittel in den Heißgaspfad der Turbine ausströmen zu lassen. Wenigstens ein verbleibender Kanal der Mehrzahl von Kanälen ist in der Nähe der Schaufelblattspitze mit einem Kühlkanalweg verbunden, der sich im Wesentlichen nach innen entlang einer Hinterkantenregion des Schaufelblattes erstreckt, um die Hinterkantenregion konvektiv zu kühlen. Der Kanalweg endet zur Filmkühlung der Hinterkante in einem Austrittsloch, das an einer einzelnen Seite und in der Mitte bzw. an einer Zwischenstelle in Bezug auf die Längserstreckung des Schaufelblattes des Schaufelblattes liegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel geschaffen, die ein Schaufelblatt, eine Basis und eine Plattform an der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt und der Basis aufweist. Das Verfahren weist die Schritte auf: Vorsehen mehrerer Kanäle an dem Schaufelblatt, die sich im Wesentlichen radial entlang des Schaufelblattes in Richtung auf eine Spitze des Schaufelblattes erstrecken; Strömen Lassen eines Kühlmittels im Wesentlichen radial nach außen entlang der Kanäle in Richtung der Blattspitze zur Konvektionskühlung des Schaufelblattes; Bereitstellung von Austrittsöffnungen in der Nähe der Schaufelblattspitze für eine vorherbestimmte Anzahl der Kanäle, um eine in einen Heißgaspfad der Turbine hinein führende Strömung eines verbrauchten Kühlmittels zu ermöglichen; Übertragung eines Kühlmittels an eine Stelle in der Nähe der Spitze des Schaufelblattes ausgehend von wenigstens einem verbleibenden Kanal der mehreren Kanäle über einen Kühlkanalweg, der sich im Wesentlichen radial nach innen entlang einer Hinterkantenregion des Schaufelblattes erstreckt, um die Hinterkantenregion konvektiv zu kühlen; und Beendigung des Kanalweges in einem Ausgangsloch an einer einzelnen Seite des Schaufelblatts an einer Zwischenstelle der Längserstreckung des Schaufelblattes zur Filmkühlung der Hinterkante.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine Seitenrissansicht einer repräsentativen Turbinenschaufel, die ein herkömmliches Kühlsystem mit verschiedenen Kühlkanälen veranschaulicht, die in gestrichelten Linien dargestellt sind;

2 zeigt eine auszugsweise Querschnittsansicht durch ein Schaufelblatt, das ein Kühlsystem nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;

3 zeigt eine der 2 ähnliche Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und

4 zeigt eine Draufsicht, die die Schaufelblattspitze und eine Abdeckung für das Schaufelblatt veranschaulicht.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1, ist dort eine allgemein mit 10 bezeichnete konventionelle Turbinenschaufel dargestellt, die ein Schaufelblatt 12, eine Basis 14 und eine Plattform 16 aufweist, die an der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt 12 und der Basis 14 angeordnet ist. Die Turbinenschaufel 10 enthält Leckströmungsdichtungen 18, die auch als Engelflügeldichtungen (engl. angel wing seals) bezeichnet werden, und eine Spitzenabdeckung 20 zum dichten Verschluss der heißen Gase in dem (hier nicht veranschaulichten) Heißgasströmungspfad der Turbine. Zusätzlich enthält das Schaufelblatt mehrere sich im Wesentlichen radial von der Basis 14 durch die Plattform 16 und das Schaufelblatt 12 erstreckenden Kanäle 22, die durch die Spitzenabdeckung 20 in den Heißgaspfad ausmünden. Gewöhnlich wird ein Kühlmittel, z.B. Luft, diesen Kanälen zugeführt, um das Schaufelblatt 12 konvektiv zu kühlen, wenn die Luft im Wesentlichen radial nach außen strömt und von der Schaufelblattspitzenabdeckung in den Heißgaspfad austritt. Wie in 1 dargestellt, ist in der Nähe der Hinterkante 26 eine Region 24 vorhanden, die relativ ungekühlt bleibt. Wie bereits erwähnt, können die Kanäle 22 nicht ausreichend nahe an der Hinterkante 26 „gebohrt" werden, wenn die strukturelle Unversehrtheit der Hinterkantenregion 24 erhalten werden soll.
In 2 und 3 werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wenigstens Teile des Kühlmittels, z.B. Luft, zurück umgeleitet, um eine größere Kühlung in der Hinterkantenregion des Schaufelblattes zu bewirken, was in dem Stand der Technik nach 1 nicht speziell angesprochen ist. In dem vorliegenden Kühlsystem strömt Kühlluft in einer im Wesentlichen radial nach innen verlaufenden Richtung entlang von Kanalwegen in der Nähe der Hinterkante und wird in Forme eines Films entlang einer Seite des Schaufelblattes abgegeben. Die Kanalwege und Austrittslöcher erfüllen die zweifache Funktion der Konvektionskühlung der Hinterkantenregion und der Bildung eines isolierenden Films entlang der Hinterkantenregion.
In der bevorzugten beispielhaften Ausführungsform des Schaufelblatts 30, wie sie in 2 dargestellt ist, sind mehrere Kanäle 32 vorgesehen, die sich im Wesentlichen in Radialrichtung entlang der Längserstreckung des Schaufelblattes erstrecken. Diese Kanäle 32 werden unter Verwendung des vorerwähnten STEM-Bohrprozesses gebohrt. Eine vorbestimmte Anzahl der Kanäle 32 wird von der Spitze 36 des Schaufelblattes 36 aus in einer im Wesentlichen radial nach innen verlaufenden Richtung möglichst nahe an der Hinterkante 34 nach dem STEM-Prozess unter Berücksichtigung der Wander- oder Ausweichcharakteristik des Umfangs des geformten Rohrs (engt. shaped tube) gebohrt. Auf diese Weise wird ein oder werden mehrere Kanalwege 38 der Kanäle 32 derart gebildet, dass sie im Wesentlichen in Radialrichtung entlang des Schaufelblattes möglichst nahe an der Hinterkante 34 verlaufen. Dieser eine Kanalweg oder diese mehreren Kanalwege 38 mündet bzw. münden seitlich durch eine Seite, vorzugsweise die Druckseite, des Schaufelblattes an der kritischen Region, die die meiste Kühlung benötigt, d.h. der Hinterkantenregion 40 des Schaufelblatts hinaus. Die Kanalwege 38 weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Wenn die Kanalwege die Seite des Schaufelblattes durchdringen, haben jedoch die Löcher 42, die auf diese Weise gebildet werden, im Wesentlichen elliptische Profile. Das im Beanspruchungsfeld gegebene elliptische Profil der Löcher 42 schwächt den Effekt der resultierenden Beanspruchungskonzentration ab.
Um eine Kühlmittelströmung in dem einen oder den mehreren Kanalwegen 38 herbeizuführen, ist eine Aussparung radial an der Innenseite von der Schaufelblattspitze und durch die Schaufelblattspitze verlaufend ausgebildet. Die Aussparung 44 ist mit einem oder mehreren radialen Kanälen strömungsmäßig verbunden. In der dargestellten Ausführungsform stehen zwei Kanäle 46 der Kanäle 32 in der Nähe der Schaufelblattspitze mit der Aussparung 44 in Strömungsverbindung, obwohl verständlich ist, dass ein oder mehrere Durchgänge 44 bereitgestellt werden können. Es ist auch ohne weiteres zu verstehen, dass die Aussparung 44 an der Schaufelblattspitze 36 angrenzend eine Kammer bildet, die mit einem oder mehreren Kanalwegen 38 in Strömungsverbindung steht. Folglich ist verständlich, dass die Kühlluft im Allgemeinen radial nach außen entlang einer oder mehrerer radialer Kanäle 46 strömt, wobei die Strömung in die Kammer 44 eintritt und die Richtung umkehrt, um radial nach innen längs der Kanalwege 38 zu strömen. Die Strömung in den Kanalwegen 38 tritt durch die Löcher 42 entlang der Druckseite des Schaufelblatts aus. Infolge dieser im Wesentlichen radial nach innen gerichteten Strömung einer Kühlluft in den Kanalwegen 38 wird die Hinterkantenregion des Schaufelblatts konvektiv gekühlt. Ebenso wird zur Filmkühlung der Hinterkantenregion ein dünner Kühlluftfilm über die Austrittslöcher 42 entlang der Druckseite der Hinterkantenregion zugeführt.
Bezug nehmend auf 4 ist veranschaulicht, dass die Schaufelblattspitze des Schaufelblatts 30 mit einer Schutzabdeckung 48 versehen ist. Die Schutzabdeckung enthält eine Abdeckdichtung 50 gemeinsam mit einem Fräserzahn 52, die eine Nut entlang einer (nicht dargestellten) starren Umhüllung der Turbine bildet. Wie in 4 dargestellt, weisen die Kanäle 32 Austrittsöffnungen 54 auf, die durch die Schutzabdeckung 48 führen, wobei die Kühlluft, die größere Teile des Schaufelblatts konvektiv kühlt, in den Heißgaspfad entweicht. Die Kammer 44 ist jedoch mit einer Abdeckung oder einem Deckelstopfen 56 abgedeckt, der an der Spitze des Schaufelblattes angelötet, angeschweißt oder auf sonstige Weise befestigt sein kann. Somit ist die Kammer 44 durch die Kappe oder Abdeckung 56 verschlossen, wodurch der durch den einen oder die mehreren vorherbestimmten Kanäle 44 im Wesentlichen radial nach außen strömenden Kühlluft ermöglicht wird, ihre Stromrichtung zu ändern, um in einer im Wesentlichen radial nach innen verlaufenden Richtung zu strömen, um eine Konvektionskühlung der Hinterkantenregion des Schaufelblatts und eine Filmkühlung der Hinterkantenregion beim Austritt durch die Austrittslöcher 42 zu bewirken.
Indem auf 3 Bezug genommen wird, werden für gleiche Teile wie in 2 gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei die Zahl 1 vorangestellt ist. In dieser Ausführungsform ist die Kammer 144 ausgedehnt oder viel tiefer in der Schaufelblattspitze ausgebildet. Die Basis 162 der Kammer 160 befindet sich radial innen im Abstand an der Schaufelblattspitze und in Richtung auf die Hinterkante geneigt. Somit ermöglicht die ausgedehnte Kammer 160 dem STEM-Prozess, die Kanalwege 138 im Vergleich zu der Ausführungs form nach 2 tiefer in dem Schaufelblattes auszubilden. Auf diese Weise durchdringen die Austrittslöcher 142 die Druckseite des Schaufelblatts an Stellen, die radial weiter innen in Bezug auf die Lage der Löcher 42 in der Ausführungsform nach 2 liegen.
Während die Erfindung mit Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben worden ist, die momentan als die praktikabelste und am meisten bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, versteht es sich, dass sie nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil zahlreiche unterschiedliche Modifikationen und äquivalente Anordnungen umfassen soll, die in den Rahmen und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Das Kühlsystem weist mehrere sich innerhalb des Schaufelblattes im Wesentlichen radial erstreckende Kanäle 32, 132 zur Konvektionskühlung des Schaufelblattes auf. Eine vorbestimmte Anzahl der Kanäle tritt durch die Schaufelblattspitze nach außen. Einer oder mehrere der verbleibenden Kanäle 46, 146 mündet/münden in eine Kammer 44, 144 in der Nähe der Hinterkante und der Schaufelblattspitzenregion des Schaufelblattes und verläuft/verlaufen radial nach innen entlang eines oder mehrerer Kanalwege 38, 138 in der Nähe der Region der Hinterkante 40, 140. Die Kanalwege enden in Öffnungen 42, 142 an der Druckseite des Schaufelblattes. Auf diese Weise wird die Hinterkantenregion sowohl konvektiv gekühlt als auch durch den Luftfilm der durch die Löcher austretenden Luft filmgekühlt.

14: Basis
30: Schaufelblatt
32: Kanäle
38: Kanalweg
40: Hinterkante
42: Austrittsloch
44: Kammer
46: Kanal
54: Austrittsöffnungen
56: Abdeckung
130: Schaufelblatt
132: Kanäle
134: Hinterkante
138: Kanalweg
140: Hinterkante
142: Austrittsloch
144: Kammer
146: Kanal
160: Kammer
162: Basis

Claims

Kühlsystem für eine Turbinenschaufel, das aufweist: ein Schaufelblatt (30, 130), eine Basis (14) und eine Plattform (16), die sich an der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt und der Basis befindet; wobei das Schaufelblatt mehrere Kanäle (32, 132) aufweist, die sich im Wesentlichen radial entlang des Schaufelblattes erstrecken, um an ihren inneren radialen Enden mit einer Kühlmittelzufuhr strömungsmäßig verbunden zu sein und das Schaufelblatt konvektiv zu kühlen, wenn das Kühlmittel im Wesentlichen radial nach außen entlang der Kanäle in Richtung auf eine Spitze des Schaufelblattes strömt; wobei eine vorbestimmte Anzahl der Kanäle Austrittsöffnungen (54) in der Nähe der Schaufelblattspitze aufweisen, um verbrauchtes Kühlmittel in den Heißgaspfad der Turbine hinein strömen zu lassen; wobei wenigstens ein verbleibender Kanal (46, 146) der mehreren Kanäle in der Nähe der Spitze des Schaufelblattes mit einem Kühlkanalweg (38, 138) in Strömungsverbindung steht, der sich im Wesentlichen nach innen entlang einer Hinterkanten- (40, 140) Region des Schaufelblattes zur Konvektionskühlung der Hinterkantenregion erstreckt; wobei der Kanalweg (38, 138) in einem Austrittsloch (42, 142) an einer Seite und an einer Zwischenstelle der Längserstreckung des Schaufelblattes endet, um durch Film kühlung die Hinterkante entlang der einen Schaufelblattseite zu kühlen.
System nach Anspruch 1, wobei das Loch (42, 142) durch die Druckseite des Schaufelblattes austritt.
System nach Anspruch 2, wobei das Loch (42) ein elliptisches Querschnittsprofil an der Druckseite hat.
System nach Anspruch 1, wobei der Kanalweg (38, 138) sich entlang eines Wegs erstreckt, der sich näher an der Hinterkante (34) befindet als der eine Kanal.
System nach Anspruch 1, wobei verbleibende Kanäle (46, 146) der mehreren Kanäle (32, 132) in der Nähe der Spitze des Schaufelblattes mit wenigstens zwei Kanalwegen (38, 138) strömungsmäßig verbunden sind, die sich im Wesentlichen radial nach innen entlang der Hinterkantenregion des Schaufelblattes erstrecken, um die Hinterkantenregion des Schaufelblattes konvektiv zu kühlen, wobei die beiden Kanalwege (38, 138) in Austrittslöchern (42, 142) enden, die sich an der einen Seite und an einer Zwischenstelle der Längsausdehnung des Schaufelblattes befinden, um durch Filmkühlung die Hinterkante entlang der einen Schaufelblattseite zu kühlen.
System nach Anspruch 5, wobei die Austrittslöcher (42, 142) an unterschiedlichen radialen Stellen entlang der Längserstreckung des Schaufelblattes liegen.
System nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (30) eine Übergangskammer (44, 144) aufweist, die in der Nähe der Schaufelblattspitze angeordnet und mit einem Auslass des einen verbleibenden Kanals (46, 146) sowie einem Einlass zu dem Kanalweg (38, 138) strömungsmäßig verbunden ist.
System nach Anspruch 7, wobei die Kammer (44, 144) durch die Spitze des Schaufelblattes hinausmündet und eine Abdeckung (56) die Kammer an der Spitze des Schaufelblattes verschließt.
System nach Anspruch 8, wobei die Kammer (44) eine Basis (162) aufweist, die sich von der Schaufelblattspitze radial nach innen beabstandet befindet.
System nach Anspruch 1, wobei verbleibende Kanäle (46, 146) der mehreren Kanäle in der Nähe der Spitze des Schaufelblattes mit wenigstens zwei Kanaldurchgängen (38, 138) verbunden sind, die sich im Wesentlichen radial nach innen entlang der Hinterkantenregion (40, 140) des Schaufelblatts zur Konvektivkühlung der Hinterkantenregion des Schaufelblattes erstrecken, wobei die zwei Kanaldurchgänge in Austrittslöchern (42, 142) an der einen Seite und an einer Zwischenstelle in Bezug auf die Längserstreckung des Schaufelblattes zur Filmkühlung der Hinterkante entlang der einen Schaufelblattseite enden, wobei das Schaufelblatt in der Nähe der Schaufelblattspitze eine Übergangskammer (44, 144) aufweist, die mit Auslässen der verbliebenen Kanäle und mit Einlässen der zwei Kanaldurchgänge strömungsmäßig verbunden ist.