DE102010017363A1 - Kühllochaustritte für ein Turbinenschaufelspitzendeckband - Google Patents
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Abstract
Es ist eine Turbinenlaufschaufel (100) für eine Gasturbinenanlage (10) geschaffen. Die Turbinenschaufel (100) kann ein Schaufelblatt (110), ein Spitzendeckband (120), das an einer Spitze (130) des Schaufelblattes (110) angeordnet ist, und eine Anzahl von Kühllöchern (140) enthalten, die sich durch das Schaufelblatt (110) und das Spitzendeckband (120) hindurch erstrecken. Ein oder mehrere der Kühllöcher (140) können ein Streckenstück mit verengendem Durchmesser (170) an dem Spitzendeckband (120) und ein Streckenstück mit sich vergrößerndem Durchmesser (180) an einer Oberfläche (190) des Spitzendeckbands (120) enthalten.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Turbinenanlagen und insbesondere Kühllöcher für eine Turbinenschaufel mit einem konvergent-divergeten Durchgang an dem Spitzendeckband zur Erzielung einer verbesserten Kühlung.
- HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
- Allgemein können Gasturbinenschaufeln einen weitgehend tragflächenprofilförmigen Körperabschnitt aufweisen. Die Schaufeln können an dem inneren Ende mit einem Fußabschnitt verbunden sein und an dem äußeren Ende mit einem Spitzenabschnitt verbunden sein. Die Schaufeln können ferner eine Abdeckung bzw. ein Deckband an dem Spitzenabschnitt enthalten. Das Deckband kann sich von dem Spitzenabschnitt aus erstrecken, um einen Heißgasleckstrom an der Spitze vorbei zu verhindern oder zu reduzieren. Die Verwendung des Deckbandes kann ferner die gesamten Schaufelschwingungen reduzieren.
- Das Spitzendeckband und die Schaufel im Ganzen können aufgrund einer Kombination von hohen Temperaturen und durch Fliehkräfte induzierten Biegebeanspruchungen einer Kriechschädigung unterliegen. Ein Verfahren zum Kühlen der Schaufel im Ganzen besteht darin, eine Anzahl von durch diese hindurchführenden Kühllöchern zu verwenden. Die Kühllöcher können Kühlluft durch die Schaufeln hindurch befördern und eine Wärme sperre zwischen der Schaufel und dem Spitzendeckband und der Strömung der Heißgase bilden.
- Obwohl eine Kühlung der Schaufel eine Kriechbeschädigung reduzieren kann, kann der Einsatz der Luftströmung zur Kühlung der Schaufel den Wirkungsgrad der Turbinenanlage im Ganzen reduzieren, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass die Kühlluft nicht durch den Turbinenabschnitt hindurchströmt. Ferner verringert sich die Effektivität der Kühlluft, wenn die Luft von der Unterseite zu der Oberseite der Schaufel strömt. Diese verminderte Effektivität kann aufgrund einer geringeren Kühlung zu höheren Temperaturen zu dem Austritt der Schaufel an dem Spitzendeckband hin führen.
- Somit besteht ein Bedarf nach Schaufelkühlsystemen und -verfahren, die eine passende Kühlung erzielen, um ein Kriechen zu verhindern und bei gleichzeitiger Verbesserung der gesamten Turbinenleistungsfähigkeit und -effizienz die Schaufellebensdauer zu verlängern.
- KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit eine Turbinenschaufel für eine Gasturbinenanlage. Die Turbinenschaufel kann ein Schaufelblatt, ein Spitzendeckband, das an einer Spitze des Schaufelblattes positioniert ist, und eine Anzahl von Kühllöchern enthalten, die sich durch das Schaufelblatt und das Spitzenband hindurch erstrecken. Ein oder mehrere der Kühllöcher kann/können eine Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser an dem Spitzendeckband und eine Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser an einer Oberfläche des Spitzendeckbands enthalten.
- Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Verfahren zum Kühlen einer Turbinenschaufel. Das Verfahren kann die Schritte enthalten, wonach Luft durch eine Anzahl von Kühllöchern strömen gelassen wird, die sich durch die Schaufel hindurch erstrecken, die Luft durch ein Teilstück mit sich verengendem Durchmesser in den Kühllöchern geleitet wird und die Luft durch ein Teilstück mit sich vergrößerndem Durchmesser an einem Auslass der Kühllöcher geleitet wird.
- Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner eine Turbinenschaufel für eine Gasturbinenanlage. Die Turbinenschaufel kann ein Schaufelblatt, eine Spitze an einem Ende des Schaufelblattes und eine Anzahl von Kühllöchern enthalten, die sich durch das Schaufelblatt und die Spitze hindurch erstrecken. Ein oder mehrere der Kühllöcher können ein Teilstück mit sich verengendem Durchmesser an der Spitze und ein Teilstück mit sich erweiterndem Durchmesser an einer Oberfläche der Spitze enthalten.
- Diese und weitere Merkmale des vorliegenden Anmeldegegenstandes werden für Fachleute auf dem Gebiet bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt eine schematisierte Ansicht einer Gasturbinenanlage. -
2 zeigt eine schematisierte Ansicht einer Anzahl von Stufen einer Gasturbine. -
3 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer Turbinenlaufschaufel. -
4 zeigt eine Draufsicht auf ein Spitzendeckband einer Turbinenlaufschaufel -
5 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht eines bekannten Kühllochaustritts. -
6 zeigt eine Draufsicht auf ein Turbinenschaufelspitzendeckband mit einer Anzahl von Kühllochaustritten, wie sie hierin beschrieben sind. -
7 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht der Kühllochaustritte nach6 . -
8A zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kühllochaustritts, wie hierin beschrieben. -
8B zeigt eine Draufsicht auf den Kühllochaustritt nach8A . -
9A zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kühllochaustritts, wie hierin beschrieben. -
9B zeigt eine Draufsicht auf den Kühllochaustritt nach9A . -
10A zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kühllochaustritts, wie hierin beschrieben. -
10B zeigt eine Draufsicht auf den Kühllochaustritt nach10A . -
11A zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kühllochaustritts, wie hierin beschrieben. -
11B zeigt eine Draufsicht auf den Kühllochaustritt nach11A . - DETAILLIETE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigt
1 eine schematisierte Ansicht einer Gasturbinenanlage10 . Wie bekannt ist, kann die Gasturbinenanlage10 einen Verdichter12 enthalten, um eine ankommende Luftströmung zu komprimieren. Der Verdichter12 liefert den komprimierten Luftstrom zu einer Brennkammer14 . Die Brennkammer14 vermischt den komprimierten Luftstrom mit einem komprimierten Brennstoffstrom und zündet das Gemisch. (Obwohl lediglich eine einzelne Brennkammer14 veranschaulicht ist, kann die Gasturbinenanlage10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern14 enthalten.) Die heißen Verbrennungsgase werden wiederum zu einer Turbine16 geliefert. Die heißen Verbrennungsgase treiben die Turbine16 an, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Die mechanische Arbeit, die in der Turbine16 erzeugt wird, treibt den Verdichter12 und eine externe Last18 , wie beispielsweise einen elektrischen Generator und dergleichen, an. Die Gasturbinenanlage10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas und andere Brennstoffarten verwenden. Die Gasturbinenanlage10 kann andere Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Komponenten einsetzen. Es können mehrere Gasturbinenanlagen10 , andere Arten von Turbinen und andere Arten von Leistungserzeugungsausrüstungen gemeinsam hierin verwendet werden. -
2 zeigt eine Anzahl von Stufen20 der Turbine16 . Eine erste Stufe22 enthält eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Leitschaufeln24 und Laufschaufeln26 der ersten Stufe. In gleicher Weise enthält eine zweite Stufe28 eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Leitschaufeln30 und Laufschaufeln32 der zweiten Stufe. Ferner enthält eine dritte Stufe34 eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Leitschaufeln36 und Laufschaufeln38 der dritten Stufe. Die Stufen22 ,28 ,34 sind in einem durch die Turbine16 hindurchführenden Heißgaspfad40 angeordnet. Es kann eine beliebige Anzahl von Stufen20 hierin verwendet werden. -
3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der Laufschaufel32 der zweiten Stufe28 der Turbine16 . Wie bekannt ist, kann jede Schaufel32 eine Plattform42 , einen Schaft44 und einen Schwalbenschwanz46 aufweisen. Von der Plattform42 aus kann sich ein Tragflügelprofilelement bzw. Schaufelblatt48 erstrecken, das in einem Spitzendeckband(element)50 an seiner Spitze52 endet. Das Spitzendeckband50 kann mit dem Schaufelblatt48 integral ausgebildet sein. Es sind andere Konfigurationen bekannt. - Jede Schaufel
32 kann eine Anzahl von Kühllöchern54 aufweisen, die sich zwischen dem Schwalbenschwanz46 und dem Spitzendeckband50 der Spitze52 des Schaufelblattes48 erstrecken. Wie in4 veranschaulicht, können die Kühllöcher54 Auslässe56 aufweisen, die sich durch das Spitzendeckband50 hindurch erstrecken. An sich kann das Kühlmedium, z. B. Luft aus dem Verdichter12 , durch die Kühllöcher54 hindurchtreten und an der Spitze52 des Schaufelblattes48 durch die Auslässe56 hindurch austreten und in den Heißgaspfad40 eintreten. Wie in5 veranschaulicht, sind die Auslässe56 im Wesentlichen kreisförmig gestaltet, und sie weisen eine hindurchführende gerade Wand58 mit einem relativ konstanten Durchmesser auf. Es können andere Konfigurationen verwendet werden. -
6 und7 zeigen eine Turbinenlaufschaufel100 , wie hierin beschrieben. Die Turbinenschaufel100 enthält ein Schaufelblatt110 , das sich bis zu einem Spitzendeckband120 an seiner Spitze130 erstreckt. Die Turbinenschaufel100 kann eine Anzahl von Kühllöchern140 enthalten, die sich durch diese hindurch erstrecken. Es kann hierin eine beliebige Anzahl von Kühllöchern140 verwendet werden. Die Kühllöcher140 können sich bis zu einem Auslass150 an dem Spitzendeckband120 erstrecken. Die Kühllöcher140 können einen weitgehend konstanten Durchmesser160 durch das Schaufelblatt110 hindurch aufweisen. - Die Kühllöcher
140 können einen konvergenten Weg oder eine Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser170 aufweisen, der bzw. die an dem Spitzendeckband120 positioniert ist. Die Kühllöcher140 können dann einen expandierenden Weg oder eine Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser180 zu einer Oberfläche190 des Auslasses150 hin einnehmen. Die Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser170 kann länger sein als die Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser180 . Die Teilstrecken170 ,180 können variieren. Der sich verengende Durchmesserabschnitt170 und der sich vergrößernde Durchmesserabschnitt180 können an einer Verengung bzw. Einschnürung200 zusammentreffen. Die Einschnürung200 kann sich etwa 100 bis 300 Mils (ungefähr 2,54 bis 7,62 mm) unter der Oberfläche190 des Spitzendeckbandes120 befinden. Die Tiefe, Größe und Konfiguration der Kühllöcher140 durch den Auslass150 hindurch und an sonstiger Stelle kann hierin variieren. - Die Verwendung des konvergenten Pfads oder des Teilstücks mit sich verengendem Durchmesser
170 hilft, den Wärmeübertragungskoeffizienten an dem Auslass150 des Spitzendeckbandes120 zu erhöhen. Der Wärmeübertragungskoeffizient steigt bei demselben Massendurchsatz in Folge einer vergrößerten Geschwindigkeit durch die konvergente Form. Berechungen unter Verwendung der Dittus-Boelter-Korrelation (erzwungene Konvektion) zeigen, dass ein um etwa 16% erhöhter Wärmeübertragungs koeffizient vorliegen kann. Der resultierende Wärmeübertragungskoeffizient kann aufgrund der Größe und Gestalt der Kühllöcher140 , dem Massendurchsatz durch diese, der Fluidviskosität und anderer Variablen variieren. - In gleicher Weise ergibt der Einsatz des divergenten Pfads oder der Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser
180 an der Oberfläche190 eine starke Rezirkulation, die eine Filmschichtkühlung erzeugt, um so eine zusätzliche Kühlung an dem Spitzendeckband120 zu erzielen. Diese Strömung erhöht den Ausflussbeiwert und reduziert das Ausblasen in der Nähe der Oberfläche190 . Die Rezirkulationsströmung kann mit etwa 120 Fuß pro Sekunde (ungefähr 36,6 Meter pro Sekunde) strömen. Die Strömungsgeschwindigkeit kann hierin variieren. - Die verbesserte Kühlung, wie sie hierin erzielt wird, sollte zu einer längeren Lebensdauer für die Turbinenschaufel
100 als Ganzes führen. Insbesondere steigert die Kombination aus dem sich verengenden Durchmesser170 und dem sich erweiternden Durchmesser180 die Kühleffektivität an der Oberfläche190 durch Ausbildung einer Filmschicht über der Oberfläche des Spitzendeckbands120 und auch durch Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten. - Wie in den
8A –8B und9A –9B veranschaulicht, kann die Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser180 eine weitgehend ovale Gestalt210 einnehmen, während die Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser170 eine weitgehend konusförmige Gestalt220 mit einem weitgehend kreisförmigen Querschnitt230 einnehmen kann. Der sich verengende Durchmesserabschnitt170 kann auf jeder Seite des sich erweiternden Durchmesserabschnitts180 positioniert sein. Es können andere Arten von versetzten Positionen hierin verwendet werden. In gleicher Weise kann der sich verengende Durchmesserabschnitt170 , wie in den10A –10B veranschaulicht, in der Mitte des sich erweiternden Durchmesserabschnitts180 positioniert sein. Wie in den11A –11B veranschaulicht, kann der sich erweiternde Durchmesserabschnitt180 auch eine weitgehend kreisförmige Gestalt230 einnehmen. Es können andere Formen, Positionen und Konfigurationen hierin verwendet werden. - Es sollte verstanden werden, dass das Vorstehende lediglich die bevorzugten Ausführungsformen des vorliegenden Anmeldegegenstandes anbetrifft und dass hierin durch einen Fachmann auf dem Gebiet zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von dem allgemeinen Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert, und deren Äquivalenten abgewichen wird.
- Es ist eine Turbinenlaufschaufel
100 für eine Gasturbinenanlage10 geschaffen. Die Turbinenschaufel100 kann ein Schaufelblatt110 , ein Spitzendeckband120 , das an einer Spitze130 des Schaufelblattes110 angeordnet ist, und eine Anzahl von Kühllöchern140 enthalten, die sich durch das Schaufelblatt110 und das Spitzendeckband120 hindurch erstrecken. Ein oder mehrere der Kühllöcher140 können ein Streckenstück mit verengendem Durchmesser170 an dem Spitzendeckband120 und ein Streckenstück mit sich vergrößerndem Durchmesser180 an einer Oberfläche190 des Spitzendeckbands120 enthalten. -
- 10
- Gasturbinenanlage
- 12
- Verdichter
- 14
- Brennkammer
- 16
- Turbine
- 18
- Externe Last
- 20
- Stufen
- 22
- Erste Stufe
- 24
- Leitschaufel
- 26
- Laufschaufel
- 28
- Zweite Stufe
- 30
- Leitschaufel
- 32
- Laufschaufel
- 34
- Dritte Stufe
- 36
- Leitschaufel
- 38
- Laufschaufel
- 40
- Heißgaspfad
- 42
- Plattform
- 44
- Schaft
- 46
- Schwalbenschwanz
- 48
- Schaufelblatt
- 50
- Spitzendeckband(element)
- 52
- Spitze
- 54
- Kühllöcher
- 56
- Auslässe
- 58
- Gerade Wand
- 100
- Turbinenschaufel
- 110
- Schaufelblatt
- 120
- Spitzendeckband(element)
- 130
- Spitze
- 140
- Kühllöcher
- 150
- Auslass
- 160
- Konstanter Durchmesser
- 170
- Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser
- 180
- Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser
- 190
- Oberfläche
- 200
- Verengung, Einschnürung
- 210
- Ovale Gestalt
- 220
- Konische Gestalt
- 230
- Kreisförmiger Querschnitt
Claims (10)
- Turbinenschaufel (
100 ), die aufweist: ein Schaufelblatt (110 ); ein Spitzendeckband (120 ), das an einer Spitze (130 ) des Schaufelblattes (110 ) positioniert ist; und mehrere Kühllöcher (140 ), die sich durch das Schaufelblatt (110 ) und das Spitzendeckband (120 ) hindurch erstrecken; wobei ein oder mehrere der mehreren Kühllöcher (140 ) eine Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser (170 ) an dem Spitzendeckband (120 ) aufweisen und wobei das eine oder die mehreren der mehreren Kühllöcher (140 ) eine Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser (180 ) an einer Oberfläche (190 ) des Spitzendeckbands (120 ) aufweisen. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren der mehreren Kühllöcher (140 ) eine Einschnürung (200 ) zwischen der Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser (170 ) und der Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser (180 ) aufweisen. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser (180 ) eine im Wesentlichen ovale Gestalt (210 ) aufweist. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser (180 ) eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt (230 ) aufweist. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser (170 ) eine im Wesentlichen ovale Gestalt (210 ) aufweist. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser (170 ) eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt (230 ) aufweist. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser (170 ) eine gegenüber der Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser (180 ) versetzte Position aufweist. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser (170 ) eine erste Länge aufweist und die Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser (180 ) eine zweite Länge aufweist und wobei die erste Länge größer ist als die zweite Länge. - Turbinenschaufel (
100 ) nach Anspruch 1, die ferner eine Schaufel einer zweiten Stufe aufweist. - Verfahren zum Kühlen einer Turbinenschaufel (
100 ), das aufweist: Durchleiten von Luft durch mehrere Kühllöcher (140 ), die sich durch die Schaufel (140 ) hindurch erstrecken. Durchleiten der Luft durch eine Teilstrecke mit sich verengendem Durchmesser (170 ) in den mehreren Kühllöchern (140 ); und Durchleiten der Luft durch eine Teilstrecke mit sich vergrößerndem Durchmesser (180 ) an einem Auslass (150 ) der mehreren Kühllöcher (140 ).
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