DE102011052937A1

DE102011052937A1 - Turbinenlaufschaufelplattformkühlsysteme

Info

Publication number: DE102011052937A1
Application number: DE102011052937A
Authority: DE
Inventors: Bradley T. Boyer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2012-03-15
Also published as: CH703763A2; CN102400717A; CN102400717B; JP5911684B2; US9416666B2; US20120063916A1; JP2012057616A; CH703763B1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung offenbart ein Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100). Das Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) kann eine erste Turbinenlaufschaufel (120) mit einer ersten Turbinenlaufschaufelplattform (150) mit einem Kühlhohlraum (180) in Verbindung mit einem Druckseitenkanal (200) sowie eine zweite Turbinenlaufschaufel (130) mit einer zweiten Turbinenlaufschaufelplattform (150) mit einem Plattformkühlhohlraum (210) mit einem Saugseitenkanal (220) enthalten. Der Druckseitenkanal (200) der ersten Turbinenlaufschaufelplattform (150) steht mit dem Saugseitenkanal (220) der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform (150) in Verbindung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Gasturbinenanlagen bzw. -triebwerke und im Einzelnen auf Turbinenlaufschaufelplattformkühlsysteme zum Kühlen der Saugseite benachbarter Laufschaufelplattformen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bekannte Turbinenanordnungen enthalten allgemein Reihen von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenlaufschaufeln. Allgemein beschrieben weist jede Turbinenlaufschaufel ein Schaufelblatt, das sich von einer Plattform nach außen erstreckt, und einen Schaft mit einem Schwalbenschwanz auf, der sich von dem Schaft nach innen erstreckt. Der Schwalbenschwanz wird zum Anbringen der Turbinenlaufschaufel an einer Rotorscheibe zur Rotation mit dieser verwendet. Bekannte Turbinenlaufschaufeln sind allgemein hohl, so dass ein innerer Kühlhohlraum durch wenigstens Teile des Schaufelblatts, der Plattform, des Schaftes und des Schwalbenschwanzes hindurch ausgebildet sein kann.
Es können Temperaturunterschiede an dem Übergang zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform und/oder zwischen dem Schaft und der Plattform auftreten, weil die Schaufelblattabschnitte der Laufschaufeln höheren Temperaturen ausgesetzt sind als die Schaft- und die Schwalbenschwanzabschnitte. Mit der Zeit können derartige Temperaturdifferenzen und die damit zusammenhängenden thermischen Belastungen starke kompressive thermische Spannungen auf die Laufschaufelplattform ausüben. Darüber hinaus können die erhöhten Betriebstemperaturen der Turbine als Ganzes Oxidation, Ermüdung, Bruch und/oder eine Biegung durch Kriechen und dadurch eine kürzere nutzbare Lebensdauer der Turbinenlaufschaufel bewirken. Die potenziellen Spannungen der gesamten Turbinenlaufschaufel und der Laufschaufelplattform im Einzelnen steigen allgemein mit höheren Verbrennungstemperaturen der Turbinen.
Es besteht demnach der Wunsch nach einer Turbinenlaufschaufel mit verbesserter Kühlung insbesondere um die Saugseite der Plattform herum. Eine derartige verbesserte Turbinenlaufschaufelausführung würde die Verwendung höherer Verbrennungstemperaturen und dadurch einer höheren Gesamtsystemeffizienz mit einer verlängerten Lebensdauer der Komponenten ermöglichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung offenbart demnach ein Turbinenlaufschaufelkühlsystem. Das Turbinenlaufschaufelkühlsystem kann eine erste Turbinenlaufschaufel mit einer ersten Turbinenlaufschaufelplattform mit einem Kühlhohlraum in Verbindung mit einem Druckseitenkanal sowie eine zweite Turbinenlaufschaufel mit einer zweiten Turbinenlaufschaufelplattform mit einem Plattformkühlhohlraum mit einem Saugseitenkanal aufweisen. Der Druckseitenkanal der ersten Turbinenlaufschaufelplattform steht mit dem Saugseitenkanal der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform in Verbindung.
Die vorliegende Anmeldung offenbart weiterhin ein Verfahren zum Kühlen einer Turbinenlaufschaufelplattform. Das Verfahren kann die Schritte enthalten, ein Kühlmittel durch einen Druckseitenkanal einer ersten Turbinenlaufschaufelplattform zu leiten, das Kühlmittel durch einen Saugseitenkanal einer zweiten Turbinenlaufschaufelplattform zu leiten, das Kühlmittel durch einen Plattformkühlhohlraum in der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform zu leiten und die zweite Turbinenlaufschaufelplattform zu kühlen.
Die vorliegende Anmeldung offenbart weiterhin eine Turbinenlaufschaufelplattform. Die Turbinenlaufschaufelplattform kann einen Druckseitenkanal, einen Kühlkreislauf in Verbindung mit dem Druckseitenkanal, einen Saugseitenkanal und einen Plattformkühlhohlraum in Verbindung mit dem Saugseitenkanal aufweisen.
Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung werden für einen Fachmann bei Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht der Komponenten einer bekannten Gasturbinenanlage.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten Turbinenlaufschaufel.
3 ist eine Draufsicht auf ein Paar von Turbinenlaufschaufeln des Turbinenlaufschaufelplattformkühlsystems, wie es hierin beschrieben ist.
4 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Paares von Turbinenlaufschaufeln des Turbinenlaufschaufelplattformkühlsystems aus 3.
5 ist eine seitliche perspektivische Teilansicht des Paares von Turbinenlaufschaufeln des Turbinenlaufschaufelplattformkühlsystems aus 3 getrennt dargestellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente in den verschiedenen Ansichten beziehen: 1 zeigt eine schematische Ansicht der Komponenten einer bekannten Gasturbinenanlage 10. Die Gasturbinenanlage 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet einen eintretenden Luftstrom 20. Der Verdichter 15 führt den verdichteten Luftstrom 20 einer Brennkammer 25 zu. Die Brennkammer 25 mischt den verdichteten Luftstrom 20 mit einem verdichteten Brennstoffstrom 30 und zündet das Gemisch, um einen Verbrennungsgasstrom 35 zu erzeugen. Während nur eine einzige Brennkammer 25 gezeigt ist, könnte die Gasturbinenanlage 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammern 25 enthalten. Der Verbrennungsgasstrom 35 wird seinerseits einer Turbine 40 zugeführt. Der Verbrennungsgasstrom 35 treibt die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit zu leisten. Die in der Turbine 40 geleistete mechanische Arbeit treibt den Verdichter 15 und einen externe Last 45 an, wie z. B. einen elektrischen Generator und dergleichen.
Die Gasturbinenanlage 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas oder andere Arten von Brennstoffen nutzen. Die Gasturbinenanlage 10 kann eine aus einer beliebigen Anzahl verschiedener Gasturbinen sein, die von der General Electric Company in Schenectady, New York, oder von anderen angeboten werden. Die Gasturbinenanlage 10 kann einen anderen Aufbau aufweisen und andere Arten von Komponenten verwenden. Andere Arten von Gasturbinenanlagen könnten hierin ebenfalls verwendet werden. Mehrere Gasturbinenanlagen 10 oder andere Arten von Turbinen und andere Arten von Energieerzeugungsanlagen könnten hierin gemeinsam verwendet werden.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bekannten Turbinenlaufschaufel 50. Die Turbinenlaufschaufel 50 kann in der Turbine 40, wie sie oben beschrieben ist, und dergleichen verwendet werden. Irgendeine Anzahl von den Laufschaufeln 50 kann zueinander benachbart in einer in Umfangsrichtung beabstandeten Reihe angeordnet sein. Jede Turbinenlaufschaufel 50 weist allgemein ein Schaufelblatt 55 auf, das sich von einer Plattform 60 erstreckt. Das Schaufelblatt 55 kann in der Form konvex sein, mit einer Saugseite 65 und einer Druckseite 70. Jedes Schaufelblatt 55 kann auch eine Vorderkante 75 und eine Hinterkante 80 aufweisen. Es könnten hierin auch andere Schaufelblattausführungen verwendet werden.
Die Turbinenlaufschaufel 50 kann auch einen Schaft 85 und einen Schwalbenschwanz 90 aufweisen, die sich von der Plattform 60 nach innen erstrecken. Eine Anzahl von Engelsflügeln 86 kann an dem Schaft 85 angebracht sein. Der Schwalbenschwanz 90 kann die Turbinenlaufschaufel 50 mit einer (nicht gezeigten) Scheibe zur Rotation mit derselben verbinden. Der Schaft 85 kann im Wesentlichen hohl mit einem Schafthohlraum 95 darin sein. Der Schafthohlraum 95 kann mit einem Kühlmittel, wie z. B. Verdichteraustrittsluft in Verbindung stehen. Andere Arten von Kühlkreisläufen und Kühlmitteln können hierin ebenfalls verwendet werden. Das Kühlmittel kann durch wenigstens Teile des Schwalbenschwanzes 90, des Schaftes 85, der Plattform 60 und in das Schaufelblatt 55 hinein umlaufen. Es könnten hierin auch andere Konfigurationen verwendet werden.
Die 3 bis 5 zeigen ein Turbinenlaufschaufelplattformkühlsystem 100, wie es hierin beschrieben ist. Das Turbinenlaufschaufelplattformkühlsystem 100 kann eine beliebige Anzahl von Turbinenlaufschaufeln 100 enthalten, wobei nur eine erste Turbinenlaufschaufel 120 und eine zweite Turbinenlaufschaufel 130 gezeigt sind. Wie oben beschrieben kann eine beliebige Anzahl von Turbinenlaufschaufeln 110 in Umfangsrichtung benachbart zueinander um eine (nicht gezeigte) Rotorscheibe herum angeordnet sein. Jedes Paar von Turbinenlaufschaufeln 110 kann dazwischen einen Spalt 140 bilden. Die erste Turbinelaufschaufel 120 und die zweite Turbinenlaufschaufel 130 können im Wesentlichen identisch sein.
Jede Turbinenlaufschaufel 110 kann eine Plattform 150 mit einem Schaufelblatt 160, das sich von dieser nach außen erstreckt, und einen Schaft 170 aufweisen, der sich von der Plattform nach innen erstreckt. Die Plattform 150 kann eine Vorderseite 152, eine Hinterseite 154, eine Saugseite 156 und eine Druckseite 158 aufweisen.
Die Turbinenlaufschaufel 110 kann einen Kühlhohlraum 180 aufweisen, der sich durch sie hindurch erstreckt. Der Kühlhohlraum 180 kann mit einem Kühlmittel 190, wie z. B. Verdichteraustrittsluft und dergleichen in Verbindung stehen. Der Kühlhohlraum 180 kann sich wenigstens teilweise durch den Schaft 170 und in das Schaufelblatt 160 hinein erstrecken. Ein Teil des Kühlhohlraums 180 kann sich auch in die Plattform 150 hinein erstrecken, so dass wenigstens ein Teil des Kühlmittels 190 entweder statt eines Durchtritts durch das Schaufelblatt 160 oder nach diesem durch die Plattform hindurchströmen kann. Im Einzelnen kann sich der Kühlhohlraum 180 in den hinteren Bereich 154 der Plattform 150 um die Druckseite 158 derselben erstrecken. Der Abschnitt des Kühlhohlraums 180 kann um einen Druckseitenkanal 200 der Plattform 150 enden. Es könnten hierin auch andere Konfigurationen verwendet werden.
Die Plattform 150 kann auch einen Plattformkühlhohlraum 210 aufweisen. Der Plattformkühlhohlraum 210 kann sich von der Saugseite 156 der Plattform 150 zu der Hinterseite 154 erstrecken. Der Plattformkühlhohlraum 210 kann um einen Saugseitenkanal 220 beginnen. Der Saugseitenkanal 220 kann mit dem Druckseitenkanal 200 der angrenzenden Turbinenlaufschaufel 110 fluchten, um das Kühlmittel 190 durch diese Kanäle hinüberzuleiten. Der Plattformkühlhohlraum 210 kann auch einen Hinterseitenkanal 230 aufweisen, um das Kühlmittel 190 abzugeben, wenn es durch diesen hindurch strömt. Der Plattformkühlhohlraum 210 kann auch eine Stiftanordnung oder andere Arten von Turbulatoren darin aufweisen, um für einen erhöhten Wärmeübergang eine Turbulenz zu erzeugen. Es könnten hierin auch andere Arten von inneren Konfigurationen verwendet werden.
Im Einsatz strömt das Kühlmittel 190 durch den Kühlkanal 180 der ersten Turbinenlaufschaufel 120 hindurch. Wenigstens ein Teil des Kühlmittels 190 strömt durch die Plattform 150 hindurch und tritt durch den Druckseitenkanal 200 aus. Das Kühlmittel 190 strömt danach durch den Spalt 140 und in den Plattformkühlhohlraum 210 der zweiten Turbinenlaufschaufel 130 hinein. Im Einzelnen strömt das Kühlmittel 190 in den Saugseitenkanal 220 des Plattformkühlhohlraums 210 hinein, der an der Saugseite 156 der Plattform 150 entlang des hinteren Endes 154 derselben angeordnet ist. Das Kühlmittel 190 kann danach entlang des Hinterseitenkanals 230 aus der Plattform 150 austreten.
Das Turbinenlaufschaufelplattformkühlsystem 100 ermöglicht demnach eine Kühlung auf der Saugseite 156 der Plattform 150 der zweiten Turbinenlaufschaufel 130 durch das Kühlmittel 190 von der ersten Turbinenlaufschaufel 120. Die Stiftanordnung oder die anderen Arten von Turbulatoren 240 innerhalb des Plattformkühlhohlraums 210 ermöglichen auch einen erhöhten Wärmeübergang darin. Diese Kühlung ermöglicht auch eine gewisse seitliche Flexibilität zwischen der kühleren Schaftseite und der Heißgasseite der Plattform 150, um die thermischen Spannungen in diesem zu verringern. Oberflächenfilmöffnungen und dergleichen können hierin ebenfalls in Verbindung mit dem Plattformkühlhohlraum 210 verwendet werden. Es können auch vielfältige Arten von Dichtungen um den Spalt 140 herum verwendet werden, um eine Leckage oder eine Einströmung durch diesen hindurch zu verringern.
Das Turbinenlaufschaufelplattformkühlsystem 100 ermöglicht demnach eine Plattformkühlung, um höhere Turbinenbetriebstemperaturen zu ermöglichen, um höhere Effizienzen und niedrigere Betriebskosten für den Kunden mit geringeren Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit der Komponenten zu ermöglichen. Unter Verwendung des Kühlmittels 190 aus der ersten Laufschaufel 120 zum Kühlen der zweiten Laufschaufel 130 steigt weiterhin die Gesamteffizienz. Ein Übergang des Kühlmittels 190 kann auf eine ähnlich Art auch von der Saugseite 156 zu der Druckseite 158 hin vorgenommen werden. Es könnte hierin irgendeine Art von Kühlsystem von Plattform zu Plattform in einer beliebigen Rechnung verwendet werden.
Es sollte erkannt werden, dass sich das Folgende nur auf bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung bezieht und von einem Fachmann hieran vielfältige Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem allgemeinen Geist und Bereich der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente festgelegt ist.
Die vorliegende Anmeldung offenbart ein Turbinenlaufschaufelkühlsystem 100. Das Turbinenlaufschaufelkühlsystem 100 kann eine erste Turbinenlaufschaufel 120 mit einer ersten Turbinenlaufschaufelplattform 150 mit einem Kühlhohlraum 180 in Verbindung mit einem Druckseitenkanal 200 sowie eine zweite Turbinenlaufschaufel 130 mit einer zweiten Turbinenlaufschaufelplattform 150 mit einem Plattformkühlhohlraum 210 mit einem Saugseitenkanal 220 enthalten. Der Druckseitenkanal 200 der ersten Turbinenlaufschaufelplattform 150 steht mit dem Saugseitenkanal 220 der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform 150 in Verbindung.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenanlage
15: Verdichter
20: Luftstrom
25: Brennkammer
30: Brennstoffstrom
35: Verbrennungsgasstrom
40: Turbine
45: Last
50: Turbinenlaufschaufel
55: Schaufelblatt
60: Plattform
65: Saugseite
70: Druckseite
75: Vorderkante
80: Hinterkante
85: Schaft
86: Engelsflügel
90: Schwalbenschwanz
95: Schafthohlraum
100: Turbinenlaufschaufelkühlsystem
110: Turbinenlaufschaufel
120: Erste Turbinenlaufschaufel
130: Zweite Turbinenlaufschaufel
140: Spalt
150: Plattform
152: Vorderseite
154: Hinterseite
156: Saugseite
158: Druckseite
160: Schaufelblatt
170: Schaft
180: Kühlhohlraum
190: Kühlmittel
200: Druckseitenkanal
210: Plattformkühlhohlraum
220: Saugseitenkanal
230: Hinterseitenkanal
240: Turbulator

Claims

Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100), das aufweist: eine erste Turbinenlaufschaufel (120); wobei die erste Turbinenlaufschaufel (120) eine erste Turbinenlaufschaufelplattform (150) und einen Kühlhohlraum (180) aufweist; wobei der Kühlhohlraum (180) mit einem Druckseitenkanal (200) in der ersten Turbinenlaufschaufelplattform (150) in Verbindung steht; und eine zweite Turbinenlaufschaufel (130); wobei die zweite Turbinenlaufschaufel (130) eine zweite Turbinenlaufschaufelplattform (150) und einen Plattformkühlhohlraum (210) aufweist; wobei der Plattformkühlhohlraum (210) einen Saugseitenkanal (220) in Verbindung mit dem Druckseitenkanal (200) aufweist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Turbinenlaufschaufelplattform (150) eine Druckseite (158) aufweist, wobei der Druckseitenkanal (200) darin angeordnet ist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Turbinenlaufschaufelplattform (150) eine Hinterseite (154) aufweist und der Druckseitenkanal (200) darin angeordnet ist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die zweite Turbinenlaufschaufelplattform (150) eine Saugseite (156) aufweist und der Saugseitenkanal (220) darin angeordnet ist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die zweite Turbinenlaufschaufelplattform (150) eine Saugseite (156) aufweist und der Plattformkühlhohlraum (210) darin angeordnet ist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die zweite Turbinenlaufschaufelplattform (150) eine Hinterseite (154) aufweist und der Plattformkühlhohlraum (210) darin angeordnet ist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die zweite Turbinenlaufschaufelplattform (150) eine Hinterseite (154) aufweist und der Plattformkühlhohlraum (210) einen Hinterseitenkanal (230) an dieser aufweist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, das weiterhin einen Spalt (140) zwischen der ersten Turbinenlaufschaufelplattform (150) und der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform (150) aufweist.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, das weiterhin ein Kühlmittel (190) aufweist, wobei das Kühlmittel (190) durch den Druckseitenkanal (200) der ersten Turbinenlaufschaufelplattform (150) hindurch und in den Saugseitenkanal (220) und den Plattformkühlhohlraum (210) der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform (150) hineinströmt.
Turbinenlaufschaufelkühlsystem (100) nach Anspruch 1, bei dem der Plattformkühlhohlraum (210) eine Anzahl von Turbulatoren (240) darin aufweist.
Verfahren zum Kühlen einer Turbinenlaufschaufelplattform (150), das aufweist: Leiten eines Kühlmittels (190) durch einen Druckseitenkanal (200) einer ersten Turbinenlaufschaufelplattform (150); Leiten des Kühlmittels (190) durch einen Saugseitenkanal (220) einer zweiten Turbinenlaufschaufelplattform (150); und Leiten des Kühlmittels (190) durch einen Plattformkühlhohlraum (210) in der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform (150); und Kühlen der zweiten Turbinenlaufschaufelplattform (150).
Verfahren zum Kühlen einer Turbinenlaufschaufelplattform (150) nach Anspruch 11, bei dem der Schritt des Leitens des Kühlmittels (190) durch den Plattformkühlhohlraum (210) das Erzeugen einer Turbulenz darin umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Turbinenlaufschaufelplattform (150) nach Anspruch 11, das weiterhin den Schritt des Leitens des Kühlmittels (190) durch einen Hinterseitenkanal (230) aus dem Plattformkühlhohlraum (210) heraus umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Turbinenlaufschaufelplattform (150) nach Anspruch 11, das weiterhin den Schritt des Abdichtens eines Spaltes (140) zwischen dem Druckseitenkanal (200) und dem Saugseitenkanal (220) enthält.
Verfahren zum Kühlen einer Turbinenlaufschaufelplattform (150) nach Anspruch 11, das weiterhin den Schritt des Leitens des Kühlmittels (190) durch ein Schaufelblatt (160) enthält, das mit der ersten Turbinenlaufschaufelplattform (150) verbunden ist.