DE102014221783A1

DE102014221783A1 - Hot gas duct

Info

Publication number: DE102014221783A1
Application number: DE102014221783.0A
Authority: DE
Inventors: Fathi Ahmad; Matthias Kuhlee; Nihal Kurt; Radan Radulovic; Marco Schüler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heißgaskanal (1) mit mehreren Wandabschnitten und mindestens einer in einen Wandabschnitt integrierten Leitschaufel (2) zum Leiten einer Strömung im Heißgaskanal (1), wobei die Leitschaufel (2) eine Schaufelplattform (3) mit einer Plattformoberfläche (4) aufweist, welche einen Wandabschnitt des Heißgaskanals bildet, mit mindestens einem an einer Tragstruktur (5) des Heißgaskanals (1) angeordneten Hitzeschildelement (6), welches in Strömungsrichtung eines Heißgases stromauf der Schaufelplattform (3) unter Belassung eines Spalts (7) angeordnet ist und welches eine der Tragstruktur (5) abgewandte, einen Wandabschnitt des Strömungspfades bildende heißgasseitige Hitzeschildoberfläche (8) aufweist, wobei die Leitschaufel (2) und das Hitzeschildelement (6) derart relativ zueinander angeordnet und ausgestaltet sind, dass das Hitzeschildelement (6) die Schaufelplattform (3) teilweise überlappt und eine Breite (9) des Spalts (7) zwischen Hitzeschildelement (6) und Schaufelplattform (3) im Wesentlichen konstant ist, wobei die heißgasseitige Hitzeschildoberfläche (8) eine quer zur Strömungsrichtung eines Heißgases verlaufende Wölbung (10) aufweist und eine Tangente (11) an mindestens einen Punkt auf der Wölbung (10) über der Plattformoberfläche (4) verläuft.The invention relates to a hot gas duct (1) having a plurality of wall sections and at least one guide vane (2) integrated in a wall section for guiding a flow in the hot gas duct (1), the vane (2) having a vane platform (3) with a platform surface (4) , which forms a wall portion of the hot gas channel, with at least one on a support structure (5) of the hot gas duct (1) arranged heat shield element (6) which is arranged in the flow direction of a hot gas upstream of the blade platform (3) leaving a gap (7) and which one of the support structure (5) facing away, a wall portion of the flow path forming hot gas side heat shield surface (8), wherein the guide vane (2) and the heat shield element (6) are arranged and configured relative to each other such that the heat shield element (6) the vane platform (3 ) partially overlapped and a width (9) of the gap (7) between heat shield elements t (6) and blade platform (3) is substantially constant, wherein the hot gas side heat shield surface (8) has a transversely to the flow direction of a hot gas extending curvature (10) and a tangent (11) at at least one point on the curvature (10) via the platform surface (4) extends.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgaskanal mit einer Leitschaufel und einem Hitzeschildelement. The invention relates to a hot gas duct with a vane and a heat shield element.

Heißgaskanäle umfassen regelmäßig Hitzeschildelemente, um die dahinterliegende Struktur vor übermäßiger Erwärmung sowie Korrosion und/oder Oxidation zu schützen. Beim Übergang von beispielsweise einer Brennkammer in eine Turbine folgen auf eine Reihe mit Hitzeschildelementen sogenannte Leitschaufeln, welche zur Führung der Heißgasströmung dienen. Hot gas channels regularly include heat shield elements to protect the underlying structure from excessive heating and corrosion and / or oxidation. In the transition from, for example, a combustion chamber into a turbine, a series of heat shield elements is followed by so-called guide vanes, which serve to guide the hot gas flow.

Um eine Wärmeausdehnung der dem Heißgas ausgesetzten Elemente des Strömungsgehäuses zu ermöglichen, grenzen diese häufig unter Spaltbelassung aneinander an. Durch diese Spalte kann kühle Luft in den Strömungspfad eingeblasen werden, um die Spalte gegen ein Einströmen von heißem Gas zu sichern. Der Druck der ausströmenden Kühlluft muss hierbei höher sein als der Druck des heißen Gases in Richtung auf den Kühlluftspalt. In order to allow thermal expansion of the hot gas exposed elements of the flow housing, these often adjoin one another with Spaltbelassung. Cool air may be blown into the flow path through this gap to secure the gaps against hot gas flow. The pressure of the outflowing cooling air must be higher than the pressure of the hot gas in the direction of the cooling air gap.

Wenn sich im Bereich dieses Kühlluftspaltes Staupunkte bilden, kann es dazu kommen, dass Heißgas im Bereich dieser Staupunkte entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung strömt. Aufgrund der Stauung entsteht zudem ein Staudruck, der unter Umständen höher sein kann als der Druck der Kühlluft, die aus dem Kühlluftspalt zwischen dem Hitzeschildelement und der Leitschaufel austritt. Da die Kühlluft bevorzugt in Bereichen niedrigen Heißgasdrucks aus den Kühlspalten austritt, ist die Kühlung dort, wo Staupunkte auftreten, reduziert. Infolgedessen kann es zu erhöhter thermischer Belastung kommen. Zudem kann es passieren, dass der Druck des Heißgases im Staupunkt so groß ist, dass Heißgas gegen die Kühlluftströmung in den Spalt eindringen kann, was zu erhöhter Korrosion der angrenzenden Wandstruktur führt. Häufigerer Bauteilaustausch und/oder Schweißreparatur im Rahmen von Inspektionen bzw. Revisionen der Gasturbinenanlage sind die Folge. If stagnation points form in the region of this cooling air gap, hot gas may flow in the region of these stagnation points in the opposite direction to the general flow direction. Due to the stagnation also creates a back pressure, which may be higher than the pressure of the cooling air, which exits the cooling air gap between the heat shield element and the guide vane. Since the cooling air preferably emerges from the cooling gaps in regions of low hot gas pressure, the cooling is reduced where stagnation points occur. As a result, increased thermal stress can occur. In addition, it may happen that the pressure of the hot gas at the stagnation point is so great that hot gas can penetrate into the gap against the flow of cooling air, which leads to increased corrosion of the adjacent wall structure. More frequent component replacement and / or welding repair as part of inspections or revisions of the gas turbine plant are the result.

Die EP 1 741 877 A1 befasst sich mit diesem Problem und offenbart zu dessen Lösung einen Hitzeschild und stromabwärts davon angeordnet eine Turbinenleitschaufel, wobei die Turbinenleitschaufel auf ihrer stromaufwärtigen Seite vom Hitzeschild überlappt wird und der Spalt zwischen beiden vergleichsweise eng gehalten wird, wodurch die Gefahr von Heißgaseinzug im Betrieb verringert wird. The EP 1 741 877 A1 addresses this problem and discloses a heat shield for locating the same and a turbine vane downstream thereof, wherein the turbine vane on its upstream side is overlapped by the heat shield and the gap between them is kept relatively narrow, thereby reducing the risk of hot gas in use.

Um die genannten Problempunkte zu vermeiden, kann zudem eine erhöhte Kühlluftzufuhr erfolgen. Diese kann jedoch zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Gasturbinenanlage und zu einer Erhöhung des Schadstoffausstoßes führen. In order to avoid the mentioned problem points, moreover, an increased supply of cooling air can take place. However, this can lead to a reduction in the efficiency of the gas turbine plant and to an increase in pollutant emissions.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Heißgaskanal, insbesondere einen Heißgaskanal für eine Gasturbinenanlage, zur Verfügung zu stellen, in welchem auch ohne eine Erhöhung der Kühlluftzufuhr die thermische Belastung des Heißgaskanals im Bereich zwischen einem Hitzeschildelement und einer angrenzenden Leitschaufel im Vergleich zum Stand der Technik verringert werden kann. The object of the present invention is therefore to provide a hot gas duct, in particular a hot gas duct for a gas turbine plant, in which, even without an increase in the cooling air supply, the thermal load of the hot gas duct in the region between a heat shield element and an adjacent vane compared to the prior art Technology can be reduced.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass beim einem derartigen Heißgaskanal mit mehreren Wandabschnitten und mindestens einer in einen Wandabschnitt integrierten Leitschaufel zum Leiten einer Strömung im Heißgaskanal, wobei die Leitschaufel eine Schaufelplattform mit einer Plattformoberfläche aufweist, welche einen Wandabschnitt des Heißgaskanals bildet, mit mindestens einem an einer Tragstruktur des Heißgaskanals angeordneten Hitzeschildelement, welches in Strömungsrichtung eines Heißgases stromauf der Schaufelplattform unter Belassung eines Spalts angeordnet ist und welches eine der Tragstruktur abgewandte, einen Wandabschnitt des Strömungspfades bildende heißgasseitige Hitzeschildoberfläche aufweist, die Leitschaufel und das Hitzeschildelement derart relativ zueinander angeordnet und ausgestaltet sind, dass das Hitzeschildelement die Schaufelplattform teilweise überlappt und eine Breite des Spalts zwischen Hitzeschildelement und Schaufelplattform im Wesentlichen konstant ist und die heißgasseitige Hitzeschildoberfläche eine quer zur Strömungsrichtung eines Heißgases verlaufende Wölbung aufweist und eine Tangente an mindestens einen Punkt auf der Wölbung über der Plattformoberfläche verläuft. The invention achieves this object by providing that in such a hot gas duct having a plurality of wall sections and at least one guide wall integrated in a wall section for guiding a flow in the hot gas duct, the guide vanes having a platform with a platform surface, which forms a wall portion of the hot gas channel, with at least one arranged on a supporting structure of the hot gas duct heat shield element, which is arranged in the flow direction of a hot gas upstream of the blade platform leaving a gap and which faces away from the support structure, a wall portion of the flow path forming hot gas side heat shield surface, the vane and the heat shield member arranged relative to each other and configured such that the heat shield element partially overlaps the blade platform and a width of the gap between the heat shield element and the blade platform in the We is substantially constant and the hot gas side heat shield surface has a transverse to the flow direction of a hot gas curvature and a tangent extends at least one point on the curvature above the platform surface.

Die Überlappung des stromaufwärtigen Teils der Schaufelplattform durch das Hitzeschildelement in Verbindung mit einer gleichen Kontur der einander gegenüberliegenden Oberflächen von Schaufelplattform und Hitzeschildelement am Übergang, wodurch der Spalt zwischen beiden über seine gesamte Tiefe im Wesentlichen konstant bleibt, verringern bereits die Gefahr von Heißgaseinzug im Betrieb. Dieser Effekt wird verstärkt, indem die Heißgasströmung infolge der Wölbung auf dem Hitzeschildelement vom Spalt weggelenkt wird. The overlap of the upstream portion of the blade platform with the heat shield element in conjunction with a similar contour of the opposed surfaces of the blade platform and heat shield element at the transition, whereby the gap between them remains substantially constant over its entire depth, already reduces the risk of hot gas in operation. This effect is enhanced by directing the hot gas flow away from the gap due to the curvature on the heat shield element.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. Shown schematically and not to scale:

1 einen Ausschnitt aus einem Heißgaskanal nach dem Stand der Technik und 1 a section of a hot gas duct according to the prior art and

2 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Heißgaskanal. 2 an embodiment of a hot gas duct according to the invention.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Ausschnitt aus einem Heißgaskanal 21 nach dem Stand der Technik mit mehreren Wandabschnitten und mindestens einer in einen Wandabschnitt integrierten Leitschaufel 22 zum Leiten einer Strömung im Heißgaskanal 21. Die Leitschaufel 22 weist eine Schaufelplattform 23 mit einer Plattformoberfläche 24 auf, welche einen Wandabschnitt des Heißgaskanals 21 bildet. Ferner umfasst der Heißgaskanal 21 mindestens ein an einer Tragstruktur 25 des Heißgaskanals 21 angeordnetes Hitzeschildelement 26, welches in Strömungsrichtung eines Heißgases stromauf der Schaufelplattform 23 unter Belassung eines Spalts 27 angeordnet ist und welches eine der Tragstruktur 25 abgewandte, einen Wandabschnitt des Strömungspfades bildende heißgasseitige Hitzeschildoberfläche 28 aufweist. Die Leitschaufel 22 und das Hitzeschildelement 26 sind derart relativ zueinander angeordnet und ausgestaltet, dass das Hitzeschildelement 26 die Schaufelplattform 23 teilweise überlappt. Dabei ist ein Breite 29 des Spalts 27 zwischen Hitzeschildelement 26 und Schaufelplattform 23 im Wesentlichen konstant. The 1 shows schematically and by way of example a section of a hot gas duct 21 to the prior art with a plurality of wall sections and at least one integrated in a wall section vane 22 for conducting a flow in the hot gas duct 21 , The vane 22 has a paddle platform 23 with a platform surface 24 on which a wall section of the hot gas channel 21 forms. Furthermore, the hot gas duct comprises 21 at least one on a support structure 25 of the hot gas channel 21 arranged heat shield element 26 , which in the flow direction of a hot gas upstream of the blade platform 23 leaving a gap 27 is arranged and which one of the support structure 25 opposite, a wall portion of the flow path forming hot gas side heat shield surface 28 having. The vane 22 and the heat shield element 26 are arranged relative to each other and configured such that the heat shield element 26 the scoop platform 23 partially overlapped. Here is a width 29 of the gap 27 between heat shield element 26 and scoop platform 23 essentially constant.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Heißgaskanal 1. Wie 1 zeigt 2 den Übergang zwischen einer Brennkammer und der ersten Leitschaufel 2 des Turbinenabschnitts. Die Leitschaufel 2 umfasst eine Schaufelplattform 3 mit einer Plattformoberfläche 4. In Analogie zur 1 weist das Hitzeschildelement 6 eine Hitzeschildoberfläche 8 auf und ist an der Tragstruktur 5 angeordnet. Auch hier ist die Breite 9 des Spalts 7 zwischen Hitzeschildelement 6 und Schaufelplattform 3 im Wesentlichen konstant. 2 shows an embodiment of a hot gas duct according to the invention 1 , As 1 shows 2 the transition between a combustion chamber and the first vane 2 of the turbine section. The vane 2 includes a paddle platform 3 with a platform surface 4 , In analogy to 1 has the heat shield element 6 a heat shield surface 8th on and is on the support structure 5 arranged. Again, the width 9 of the gap 7 between heat shield element 6 and scoop platform 3 essentially constant.

Im Unterschied zum Stand der Technik weist die heißgasseitige Hitzeschildoberfläche 8 der 2 eine quer zur Strömungsrichtung eines Heißgases verlaufende Wölbung 10 auf und eine Tangente 11 an mindestens einen Punkt auf der Wölbung 10 verläuft über der Plattformoberfläche 4. In contrast to the prior art, the hot gas side heat shield surface 8th of the 2 a curvature transverse to the flow direction of a hot gas 10 on and a tangent 11 at least one point on the vault 10 runs over the platform surface 4 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1741877 A1 [0005]

Claims

Hot gas duct ( 1 ) with a plurality of wall sections and at least one vane integrated in a wall section ( 2 ) for conducting a flow in the hot gas duct ( 1 ), wherein the vane ( 2 ) a paddle platform ( 3 ) with a platform surface ( 4 ), which forms a wall portion of the hot gas channel, with at least one on a support structure ( 5 ) of the hot gas channel ( 1 ) arranged heat shield element ( 6 ), which in the flow direction of a hot gas upstream of the blade platform ( 3 ) leaving a gap ( 7 ) and which one of the support structure ( 5 ) facing away from, a wall portion of the flow path forming hot gas side heat shield surface ( 8th ), wherein the guide vane ( 2 ) and the heat shield element ( 6 ) are arranged and configured relative to one another such that the heat shield element ( 6 ) the blade platform ( 3 ) partially overlapped and a width ( 9 ) of the gap ( 7 ) between heat shield element ( 6 ) and blade platform ( 3 ) is substantially constant, characterized in that the hot gas side heat shield surface ( 8th ) a transversely to the flow direction of a hot gas extending curvature ( 10 ) and a tangent ( 11 ) at least one point on the vault ( 10 ) above the platform surface ( 4 ) runs.