DE102005044183A1

DE102005044183A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung von Turbinenschaufelplattformen

Info

Publication number: DE102005044183A1
Application number: DE102005044183A
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: 2005-09-15
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US20060056968A1; CN1749532A; JP2006083850A

Abstract

Eine Turbinenschaufel (10) enthält eine Plattform (11), die eine Verbindung zwischen einem Blatt (12) und einem Schaft (14) schafft. Die Plattform ist mit mehreren Hohlräumen (30, 38, 46) versehen, die durch Prallkühlbleche (54, 56, 58) entlang der Plattformunterseite verschlossen sind. Spülluft in den Spalten zwischen einander benachbarten Schaufeln strömt durch Löcher (72, 74, 76) in den Prallkühlblechen zur Prallkühlung gegenüberliegender Wandabschnitte der Plattform. Die Kühlluft in den Hohlräumen wird durch Filmkühllöcher in der Plattform übertragen, um einen dünnen Film isolierender Luft entlang der Plattformoberfläche zu bilden, die dem Heißgas in dem Heißgaskanal ausgesetzt ist.

Description

HINTERGRUND ZU UND KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Kühlung von Turbinenschaufelplattformen an der Verbindungsstelle zwischen den Turbinenschaufelblättern und den Schäften der Turbinenschaufeln und insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung und Verfahren, die dazu dienen, ein Kühlmittel zur Aufprall- und Konvektionskühlung der Schaufelplattform strömen zu lassen.

Im Laufe der Jahre hat sich der Trend bei Gasturbinen in Richtung erhöhter Einlasszündtemperaturen entwickelt, um die Ausgangs- und Triebwerkeffizienz zu steigern. Mit der Erhöhung der Gaskanaltemperaturen werden die Schaufelplattformen zunehmend in Mitleidenschaft gezogen und zeigen entsprechende Erscheinungen, einschließlich Oxidation, Kriechen und Reißen durch Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl. In bestimmten Turbinen haben sich die Einlasstemperaturprofile so entwickelt, dass die Plattformen Temperaturen ausgesetzt sind, die in die Nähe der Spitzeneinlasstemperaturen für die Schaufelreihen kommen. Dies verschlimmert die mögliche Beeinträchtigung der Schaufelplattformen, da diese Schaufeln sogar noch heißer werden.

Aufgrund niedriger Zündtemperaturen benötigten viele frühere Schaufelgestaltungen keine Kühlung der Plattform. Außerdem neigte ein Filmkühlübertrag von den stromaufwärts liegenden Düsenseitenwänden dazu, die Temperaturen in der Nähe der Plattformen von der resultierenden Bezugslinieneinstellung (engl. pitch-line bias) des Einlasstemperaturprofils zu verringern. Neuere Schaufelgestaltungen setzen Filmkühlung ein, indem Löcher durch die Plattform gebohrt werden und die Verdichteraustrittsluft verwendet wird, um eine Filmluftschicht auf die Plattformoberfläche, die dem Heißgasweg ausgesetzt ist, strömen zu lassen und sie dadurch vor den hohen Temperaturen des Strömungswegs zu schützen. Dies ist jedoch auf diejenigen Flächen beschränkt, wo genügend Druck vorherrscht, um die Luft zur Filmkühlung von Oberflächenabschnitten einzublasen, die dem Heißgasweg ausgesetzt sind. Viele derzeitige Schaufelgestaltungen haben lediglich genügend Druck, um den hinteren Teil der Plattform zu kühlen, wo die Luft des Gasströmungswegs beschleunigt wird, um den lokalen statischen Druck zu verringern. Dementsprechend existiert das Bedürfnis, die Plattformtemperatur auf ein Niveau abzusenken, das erforderlich ist, um die Anforderungen an die Lebensdauer oder Festigkeit von Teilen, einschließlich die Oxidation, das Kriechverhalten und die zyklischen Ermüdung, zu erfüllen.

Entsprechend dem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, einem Schaft und einer Plattform an der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelschaft und dem Schaufelblatt geschaffen, wobei die Plattform wenigstens einen Hohlraum enthält, der durch eine Prallplatte oder ein Prallblech verschlossen ist, die bzw. das entlang der Unterseite der Plattform und von einem gegenüberliegenden Wandabschnitt der Plattform beabstandet angeordnet ist, wobei der gegenüberliegende Wandabschnitt eine Oberfläche aufweist, die dem durch die Turbine führenden Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist und diesen teilweise definiert, wobei die Prallplatte mehrere Prallkühllöcher, die dazu dienen, ein Kühlmittel durch die Löcher hindurch in den Hohlraum und in Richtung auf den gegenüberliegenden Wandabschnitt zur Aufprallkühlung der Plattform zu lenken, und mehrere durch den Wandabschnitt führende Löcher enthält, die mit dem Kühlmittel innerhalb des Hohlraums in Strömungsverbindung stehen und zur Filmkühlung der Plattformoberfläche, die dem Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist, denen.

Entsprechend einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein Verfahren zur Kühlung einer Plattform einer Turbinenschaufel geschaffen, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Bereitstellung eines Hohlraums innerhalb der Plattform; (b) Verschließen des Hohlraums durch Befestigung eines Prallblechs entlang einer Unterseite der Plattform im Abstand zu einem gegenüberliegenden Wandabschnitt der Plattform, wobei der gegenüberliegende Wandabschnitt eine Oberfläche aufweist, die dem durch die Turbine führenden Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist und diesen teilweise definiert; (c) Strömen lassen eines Kühlmittels durch in dem Prallblech gebildete Kühllöcher in den Hohlraum hinein und Lenkung des Kühlmittels in Richtung des gegenüberliegenden Wandabschnitts zur Aufprallkühlung der Plattform; und (d) Durchleiten des Kühlmittels innerhalb des Hohlraums durch Filmkühllöcher in dem Wandabschnitt zur Filmkühlung der Plattformoberfläche entlang des Heißgasströmungswegs.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1. zeigt eine perspektivische Ansicht einer Schaufel entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2. zeigt eine Querschnittsansicht der Schaufel, geschnitten allgemein ungefähr längs der Linie 2-2 nach 1, zur Veranschaulichung von Prallplatten und Filmkühllöchern in einer auseinander gezogenen, nebeneinander liegenden Anordnung in Bezug auf die Hohlräume in der Plattform; und

3. zeigt eine schematische Darstellung der Konvektions- und Aufprallkühlströmungen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Indem auf die Zeichnungen, insbesondere 1, Bezug genommen wird, enthält eine allgemein mit 10 bezeichnete Turbinenschaufel ein Schaufelblatt 12 und einen Schaft 14, wobei eine Plattform 16 zwischen dem Schaufelblatt 12 und dem Schaft 14 zur Kopplung eingefügt ist. Das Schaufelblatt 12 erstreckt sich natürlich radial nach außen von der Plattform 16 aus und umfasst eine Vorderkante und eine Hinterkante 18 bzw. 20. Unterhalb des Schaftes 14 ist ein Schwalbenschwanz 22 angeordnet, der einen Teil der Basis der Schaufel bildet. Es ist verständlich, dass die Schaufeln 10 in einer über den Umfang verteilten, beabstandeten Anordnung von Schaufeln in im Allgemeinen entsprechend geformten Schwalbenschwanznuten in einem Kranz eines Turbinenlaufrads angeordnet sind, die hier nicht dargestellt sind. Leckströmungsdichtungen 24, die auch als Engelflügeldichtungen (angel wing seals) bezeichnet werden, sind in üblicher Weise an der Vorder- und Hinterseite des Schaufelschafts 14 zu Dichtungszwecken vorgesehen, wie dies herkömmlich bekannt ist. Gewöhnlich wird ein Kühlmittel, z.B. Austrittsluft eines Kompressors, in der Basis der Schaufel bereitgestellt, und man lässt dieses entlang des Schaufelschafts und durch das Schaufelblatt zirkulieren, um das Schaufelblatt zu kühlen. Das Kühlmittel strömt gewöhnlich durch die Spitze des Schaufelblattes und/oder entlang der Hinterkante hinaus in den Heißgasströmungskanal hinein. Es ist verständlich, dass die Radzwischenräume ebenfalls durch die Kompressoraustrittsluft gespült werden, die sich in Nischen oder Vertiefungen 15 zwischen benachbarten Schaufeln ausbreitet. Diese Spülluft stellt eine Kühlluftversorgung für das vorliegende Plattformkühlsystem bereit. Das Druckverhältnis zwischen dem statischen Druck in den Schaftnischen und dem statischen Druck in dem Gasweg ist ausreichend, um eine Kühlluftströmung zur konvektiven Kühlung der Plattform und auch einen Kühlfilm, d.h. einen isolierenden Kühlfilm entlang der Plattformoberfläche, die dem Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist, bereitzustellen.

Insbesondere ist die Unterseite der Plattform 16 mit einem oder mehreren Hohlräumen versehen, die mit den Schaftnischen 15 strömungsmäßig verbunden sind, wobei die Hohlräume Seitenwände aufweisen, die teilweise die Gestalt des Schaufelblattes entlang der Unterseite der Plattform definieren. Beispielsweise und wie in 2 veranschaulicht, ist der erste Hohlraum 30 entlang der Unterseite der Plattform 16 ausgebildet und bildet zum Teil einen Rand der Druckseite des Schaufelblattes 12. Das heißt, der Hohlraum 30 enthält eine Innenwand 32, die, wenn der Hohlraum gebildet ist, eine Fortsetzung der Druckseitenwand des Schaufelblatts 20 entlang der Unterseite der Plattform bildet. Der Hohlraum 30 ist ferner durch einen Vorderkanten-Wandabschnitt 34 und einen Wandabschnitt 36 der Schlitz- oder Spaltseite definiert.

Entlang der Unterseite der Plattform 16 sind weitere Hohlräume geschaffen, die ebenfalls teilweise den Rand des Schaufelblatts definieren. Beispielsweise ist ein Hohlraum 38 an der Unterseite der Plattform 16 ausgebildet und weist eine innere Wand 40 auf, die eine Fortsetzung der Saugseitenwand des Blattes 12 nahe der Blatthinterkante 20 bildet. Der Hohlraum 38 ist ferner durch eine Hinterwand 42 und eine schlitz- oder spaltseitige Wand 44 gebildet. In ähnli cher Weise ist ein dritter Hohlraum 46 an der Unterseite der Plattform 16 in der Nähe einer Vorderkante der Plattform gebildet und bildet zum Teil eine in die Plattformunterseite hineinreichende Fortsetzung der Saugseite des Schaufelblattes. Der Hohlraum 46 weist somit einen Wandabschnitt 48 auf, der einen Rand der Saugseite der Schaufelblattoberfläche definiert, als auch Wandabschnitte 50 und 52, die Teile der Vorderkante bzw. einer schlitzseitigen Stirnfläche der Plattform bilden.

Die in 2 veranschaulichten Kühlmittelkanäle haben vorzugsweise eine serpentinenartige Konfiguration. Dies bedeutet, dass sich die Schaufelblattkühlkanäle durch die Plattform hindurch und in einem kontinuierlichen Durchgangsweg abwechselnd im Wesentliche radial nach außen und nach innen durch den Schaufelblatt und längs dessen erstrecken. Die verschiedenen durch das Schaufelblatt führenden Kanäle bilden den Kühlkreislauf für das Schaufelblatt und stellen nicht einen Teil der vorliegenden Erfindung dar. Es ist hinreichend zu erwähnen, dass der Blattkühlkreislauf geschlossen sein kann, z.B. wenn der Dampf durch die Serpentinendurchgänge in dem Blatt zu Kühlungszwecken geliefert und zurückgeleitet wird. Der Kühlkreislauf des Blattes kann auch offen gestaltet sein, wenn das Kühlmittel, z.B. Luft, durch die Kanäle strömt, um an der Blattspitze und/oder an der Blatthinterkante auszuströmen.

Wie aus 2 ersichtlich, weist jeder der Hohlräume 30, 38 und 46 ein Prallkühlabdeckblech oder eine Prallkühldeckplatte auf. Der Hohlraum 30 weist beispielsweise eine Pralldeckplatte 54 auf, die sich unterhalb des Hohlraums 30 befindet. Der Hohlraum 38 weist eine Prallabdeckplatte 56 auf, die sich unter dem Hohlraum 38 befindet, während der Hohlraum 46 eine Pralldeckplatte 58 aufweist, die unter dem Hohlraum 46 liegt. Die Prallplatten oder -bleche sind von gegenüberliegenden Wandabschnitten 55, 57 und 59 der entsprechenden Hohlräume im Abstand angeordnet. Wie veranschaulicht, weist jede Pralldeckplatte 54, 56 und 58 Pralllöcher 60, 62 bzw. 64 auf. Es ist ohne weiteres verständlich, dass die Pralllöcher das Kühlmittel, z.B. Spülluft, innerhalb der Aussparungen 15 zwischen den Schaufeln in die ihnen zugehörigen Hohlräume hinein zur Prallkühlung gegen die Rückseite der Plattform, d.h. gegen die gegenüberliegenden Wandstücke 55, 57 und 59 der Plattform, leiten. Diese Prallströmungen bilden Kühlluftstrahlen, die eine hohe Wärmedurchgangszahl an der Plattformrückseite herbeiführen, um sowohl durch Prallkühlung als auch Konvektionskühlung die Oberfläche der Plattform zu kühlen, die dem Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist. Wenn der Luftstrom auf die Rückseite der Plattform auftrifft, wie in 3 durch die Pfeile 68 veranschaulicht, strömt das Kühlmittel innerhalb der Hohlräume, wie durch die Pfeile 70 veranschaulicht, zur Konvektionskühlung der Plattformoberfläche. Anschließend wird die Strömung durch die Plattform über Filmkühllöcher in jedem Hohlraum, beispielsweise Löcher 72, 74 und 76 in den jeweiligen Hohlräumen 30, 38 bzw. 46, ausgestoßen. Diese Kühllöcher bilden einen Luftfilm oder eine Luftschicht entlang der Oberfläche der Plattform, die dem heißen Gas in dem Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist. Diese Kühlschicht trennt die Schaufelplattform von dem heißen Gas des Strömungswegs.

Es ist zu verstehen, dass die Prallplatten an den Plattformen durch Löten, Schweißen oder eine sonstige Art mechanischer Befestigung sicher befestigt werden können. Wie veranschaulicht, liegt die Filmkühlluftströmung entlang der Plattformoberfläche vor, die in der Nähe der Druck- und Saugseite des Blattes dem Heißgas ausgesetzt ist.

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.

Eine Turbinenschaufel 10 enthält eine Plattform 11, die eine Verbindung zwischen einem Blatt 12 und einem Schaft 14 schafft. Die Plattform ist mit mehreren Hohlräumen 30, 38, 46 versehen, die durch Prallkühlbleche 54, 56, 58 entlang der Plattformunterseite verschlossen sind. Spülluft in den Spalten zwischen einander benachbarten Schaufeln strömt durch Löcher 72, 74, 76 in den Prallkühlblechen zur Prallkühlung gegenüberliegender Wandabschnitte der Plattform. Die Kühlluft in den Hohlräumen wird durch Filmkühllöcher in der Plattform übertragen, um einen dünnen Film isolierender Luft entlang der Plattformoberfläche zu bilden, die dem Heißgas in dem Heißgaskanal ausgesetzt ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Turbinenschaufel (10), die ein Blatt (12), einen Schaft (14) und eine Plattform (11) an der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelschaft und dem Schaufelblatt aufweist, wobei die Plattform wenigstens einen Hohlraum (30, 38, 46) enthält, der durch ein Prallblech (54, 56, 58) verschlossen ist, das entlang einer Unterseite der Plattform und von einem gegenüberliegenden Wandabschnitt (55, 57, 59) der Plattform beabstandet angeordnet ist, wobei der gegenüberliegende Wandabschnitt eine Oberfläche aufweist, die einem durch die Turbine führenden Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist und diesen teilweise definiert, wobei das Prallblech mehrere Prallkühllöcher (60, 62, 64) zur Lenkung eines Kühlmittels durch die Löcher in den Hohlraum hinein und gegen den gegenüberliegenden Wandabschnitt zur Prallkühlung der Plattform sowie mehrere durch den Wandabschnitt führende, mit dem Kühlmittel in dem Hohlraum strömungsmäßig verbundene Löcher (72, 74, 76) zur Filmkühlung der Plattformoberfläche, die dem Heißgas entlang des Strömungskanals ausgesetzt ist, aufweist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum (30, 38, 46) in der Plattform in der Nähe einer Druckseite der Schaufel angeordnet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum (30, 38, 46) in der Plattform in der Nähe einer Saugseite der Schaufel angeordnet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, die einen zweiten Hohlraum (38) innerhalb der Plattform aufweist, der durch ein zweites Prallblech (56) verschlossen ist, das entlang einer Unterseite der Plattform und von einem zweiten gegenüberliegenden Wandabschnitt (57) beabstandet angeordnet ist, wobei der zweite gegenüberliegende Wandabschnitt eine zweite Oberfläche aufweist, die dem durch die Turbine führenden Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist und diesen teilweise bildet, wobei das zweite Prallblech mehrere Prallkühllöcher (62), die zur Leitung eines Kühlmittels durch seine Löcher hindurch in den zweiten Hohlraum hinein und gegen den zweiten gegenüberliegendes Wandabschnitt zur Prallkühlung der Plattform dienen, sowie mehrere Löcher (74) enthält, die durch den zweiten Wandabschnitt hindurchführen, in Strömungsverbindung mit dem Kühlmittel innerhalb des zweiten Hohlraums stehen und zur Filmkühlung der zweiten Plattformoberfläche dienen, die dem Heißgas längs des Strömungsweg ausgesetzt ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 4, wobei sich der erste und der zweite Hohlraum (30, 38) in der Plattform in der Nähe einer Saugseite des Schaufelblattes befinden.
Schaufel nach Anspruch 4, wobei sich der erste und der zweite Hohlraum (30, 38) in der Plattform jeweils in der Nähe einer Saugseite bzw. einer Druckseite des Schaufelblattes befinden.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, die einen zweiten und einen dritten Hohlraum (38, 46) innerhalb der Plattform enthält, die durch das zweite und das dritte Prallblech (56, 58) entlang einer Unterseite der Plattform verschlossen und von gegenüberliegenden Wandabschnitten der Plattform beabstandet sind, wobei der zweite und der dritte gegenüberliegendes Wandabschnitt jeweilige Oberflächen aufweisen, die dem durch die Turbine führenden Heißgasstromkanal ausgesetzt sind und diesen teilweise definieren, wobei das zweite und das dritte Prallblech mehrere Prallkühllöcher (62, 64) zur Leitung des Kühlmittels durch die Löcher in den zweiten bzw. dritten Hohlraum und gegen den zweiten bzw. dritten gegenüberliegende Wandabschnitt zur Prallkühlung der Plattform und mehrere Löcher (74, 76), die durch den zweiten bzw. dritten Wandabschnitt führen und mit dem Kühlmittel innerhalb des zweiten bzw. dritten Hohlraums in Strömungsverbindung stehen, zur Filmkühlung der jeweiligen Plattformoberflächen enthalten, die dem Heißgas längs des Strömungswegs ausgesetzt sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 7, wobei der eine Hohlraum (30) in der Plattform in der Nähe einer Druckseite des Schaufelblattes angeordnet ist, während der zweite und dritte Hohlraum (38, 46) in der Plattform in der Nähe einer Saugseite des Schaufelblattes angeordnet sind.
Verfahren zur Kühlung einer Plattform einer Turbinenschaufel (10), das die Schritte aufweist, dass: (a) innerhalb der Plattform ein Hohlraum (30, 38, 46) bereitgestellt wird; (b) der Hohlraum durch Befestigung eines Prallblechs (54, 56, 58) entlang einer Unterseite der Plattform im Abstand zu einem gegenüberliegenden Wandabschnitt der Plattform verschlossen wird, wobei der gegenüberliegendes Wandabschnitt eine Oberfläche aufweist, die dem durch die Tur bine führenden Heißgasströmungsweg ausgesetzt ist und diesen teilweise definiert; (c) ein Kühlmittel durch Kühllöcher (60, 62, 64), die in dem Prallkühlblech ausgebildet ist, in den Hohlraum hinein strömen gelassen wird und das Kühlmittel zur Prallkühlung der Plattform gegen den Wandabschnitt gerichtet wird; und (d) das Kühlmittel in dem Hohlraum zur Filmkühlung der Plattformoberfläche längs des Heißgasströmungswegs durch Filmkühllöcher (72, 74, 76) in dem Wandabschnitt hindurchgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, das umfasst, dass ein zweiter Hohlraum (38) innerhalb der Plattform bereitgestellt wird, dass der zweite Hohlraum durch Befestigung eines zweiten Prallblechs (56) entlang der Unterseite der Plattform und von einem gegenüberliegenden zweiten Wandabschnitt der Plattform beabstandet verschlossen wird, wobei der zweite gegenüberliegende Wandabschnitt teilweise den Heißgasströmungskanal durch die Turbine definiert, dass ein Kühlmittel durch in dem zweiten Prallblech gebildete Kühllöcher (62) in den zweiten Hohlraum hinein strömen gelassen wird und das Kühlmittel in Richtung auf den gegenüberliegenden Wandabschnitt zur Prallkühlung der Plattform gelenkt wird und dass das Kühlmittel innerhalb des Hohlraums durch Filmkühllöcher (74) im dem gegenüberliegenden Wandabschnitt des zweiten Hohlraums zur Filmkühlung der Plattformoberfläche, die dem Heißgasströmungskanal ausgesetzt ist, hindurchgeleitet wird.