DE102015115094A1 - Gasturbinenleiteinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Leiteinrichtung für eine Gasturbine. Die Leiteinrichtung kann ein Band, einen Dichtungsschlitz, der innerhalb des Bandes angeordnet ist, eine Schaufel, die sich ausgehend von dem Band erstreckt, einen Hohlraum in dem Schaufelblatt und eine Erhebung aufweisen, der um das Band und um den Hohlraum angeordnet ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung und das sich daraus ergebende Patent betreffen allgemein Gasturbinen und betreffen insbesondere eine Gasturbinenleiteinrichtung mit einem Schaufelblatthohlraumerhebung, um ein Einbrechen des Dichtungsschlitzes in den Hohlraum hinein zu begrenzen und eine insgesamt verbesserte Schaufelblattkühlung zu erzielen.
  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Aufprallkühlsysteme wurden bisher in Zusammenhang mit Turbinenmaschinen verwendet, um unterschiedliche Arten von Bauteilen zu kühlen, wie beispielsweise Gehäuse, Schaufeln, Leiteinrichtungen und dergleichen. Aufprallkühlsysteme kühlen diese Bauteile mittels eines Luftstroms, so dass angemessene Spalte zwischen den Komponenten aufrechterhalten werden und eine lange Lebensdauer von Bauteilen gefördert wird. Ein Problem im Zusammenhang mit einigen Arten von bekannten Aufprallkühlsystemen basiert allerdings darauf, dass diese gewöhnlich kompliziertes Gießen und/oder strukturelles Schweißen erfordern. Solche komplizierte Strukturen weisen möglicherweise eine unzureichende Dauerfestigkeit auf, und/oder ihre Herstellung und Reparatur ist gegebenenfalls kostspielig.
  • Beispielsweise kann ein Aufprallkühlungseinsatz in einem Hohlraum eines Leiteinrichtungsschaufelblatts angeordnet sein. Leiteinrichtungsrippen können maschinell in den Hohlraum eingearbeitet sein, um den Kühlungseinsatz darin zu positionieren. Die Enden der Rippen müssen möglicherweise maschinell bearbeitet werden, um eine geeignete Grenzfläche zu erzielen, um den Kühlungseinsatz darin durch Schweißen oder Hartlöten anzubringen. Solche Verfahren sind allgemein zeitaufwändig und kostspielig. Außerdem wird die Lebensdauer von Komponenten möglicherweise aufgrund von Luftleckverlust über die Verbindungsstellen oder in sonstiger Weise verkürzt.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einer verbesserten Turbinenleiteinrichtung. Vorzugsweise kann eine derartiger verbesserter Turbinenleiteinrichtung die rasche und effiziente Einführung eines Aufprallkühlungseinsatzes darin ohne kostspieliges Gießen oder spanabhebendes Bearbeiten ermöglichen, während er eine angemessene Kühlung mit Blick auf eine Steigerung der Komponentenlebensdauer und des Gesamtwirkungsgrads eines Systems bietet.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung und das sich daraus ergebende Patent schaffen eine Leiteinrichtung für eine Gasturbine. Die Leiteinrichtung kann ein Band, einen Dichtungsschlitz, der innerhalb des Bandes angeordnet ist, eine Schaufel, die sich ausgehend von dem Band erstreckt, einen Hohlraum in dem Schaufelblatt und eine Erhebung aufweisen, die um das Band und um den Hohlraum angeordnet ist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass das Band ein äußeres Band und/oder ein inneres Band aufweist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass das Schaufelblatt eine vordere Seitenwand und eine hintere Seitenwand aufweist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass die Leiteinrichtung zusätzlich einen Kühlungseinsatz aufweist, der in dem Hohlraum angeordnet ist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass der Kühlungseinsatz einen Aufprallkühlungseinsatz beinhaltet.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass der Kühlungseinsatz darin mehrere Öffnungen aufweist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass der Kühlungseinsatz mit der Erhebung als Abstandhalter in Berührung steht.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass ein Kühlmittel durch den Kühlungseinsatz strömt, um das Schaufelblatt zu kühlen.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass die Erhebung eine gekrümmte Ausgestaltung aufweist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass die gekrümmte Ausgestaltung einen Winkel von etwa fünfundvierzig Grad (45°) in den Hohlraum hinein aufweist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass die Erhebung eine Menge von gegossenem Material aufweist, das sich in Richtung des Hohlraums erstreckt.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass die Erhebung um eine erste Seite des Bandes angeordnet ist, und dass der Dichtungsschlitz um eine zweite Seite des Bandes entgegengesetzt zu der Erhebung angeordnet ist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass der Dichtungsschlitz maschinell in das Band eingearbeitet ist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass das Band darauf eine abgewinkelte Schrägfläche aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung und das sich daraus ergebende Patent schaffen ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Leiteinrichtung für eine Gasturbine. Zu dem Verfahren können die Schritte: Gießen eines Schaufelblatts mit einem Hohlraum und einem Band; Hinzufügen einer Erhebung mit einer gekrümmten Gestaltung um den Hohlraum und um das Band; und Einarbeiten eines Schlitzes in das Band um die Erhebung.
  • Die vorliegende Erfindung und das sich daraus ergebende Patent schaffen ferner eine Leiteinrichtung für eine Gasturbine. Die Leiteinrichtung kann ein Band, einen Dichtungsschlitz, der in das Band eingearbeitet ist, eine Schaufel, die sich ausgehend von dem Band erstreckt, einen Hohlraum in dem Schaufelblatt, einen Aufprallkühlungseinsatz, der in dem Hohlraum angeordnet ist, und eine Erhebung aufweisen, der um das Band und um den Hohlraum gegossen ist. Die Erhebung kann eine gekrümmte Gestalt aufweisen.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass der Aufprallkühlungseinsatz darin mehrere Öffnungen aufweist.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass der Aufprallkühlungseinsatz mit der Erhebung als Abstandhalter in Berührung steht.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass ein Kühlmittel durch den Aufprallkühlungseinsatz strömt, um das Schaufelblatt zu kühlen.
  • Bei irgendeiner Ausführungsform der Leiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, dass die gekrümmte Gestalt einen Winkel von etwa fünfundvierzig Grad (45°) in den Hohlraum aufweist.
  • Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des sich daraus ergebenden Patents erschließen sich dem Fachmann nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht in einem Blockschaltbild einer Gasturbine einen Verdichter, eine Brennkammeranordnung, eine Turbine und eine Last.
  • 2 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine Leiteinrichtung mit einem Aufprallkühlungseinsatz.
  • 3 zeigt eine geschnittene Teilansicht einer Turbinenleiteinrichtung mit einem Aufprallkühlungseinsatz, wie sie hierin beschrieben sein kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen übereinstimmende Bezugszeichen über die unterschiedlichen Ansichten hinweg gleichartige Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 schematisch eine Gasturbine 10, wie sie hier genutzt werden kann. Die Gasturbine 10 kann einen Verdichter 15 enthalten. Der Verdichter 15 verdichtet einen ankommenden Luftstrom 20. Der Verdichter 15 liefert den verdichteten Luftstrom 20 zu einer Brennkammer 25. Die Brennkammeranordnung 25 mischt den verdichteten Luftstrom 20 mit einem unter Druck stehenden Brennstoffstrom 30 und entzündet das Gemisch, um einen Strom von Verbrennungsgasen 35 zu erzeugen. Obwohl nur eine einzige Brennkammeranordnung 25 gezeigt ist, kann die Gasturbine 10 eine beliebige Anzahl von Brennkammeranordnungen 25 enthalten, die um den Umfang in einer Reihe oder in sonstiger Weise angeordnet sind. Der Strom von Verbrennungsgasen 35 wird seinerseits einer Turbine 40 zugeführt. Der Strom von Verbrennungsgasen 35 treibt die Turbine 40 an, um mechanische Arbeit zu leisten. Die in der Turbine 40 erzeugte mechanische Arbeit treibt über eine Welle 45 den Verdichter 15 und eine externe Last 50 an, beispielsweise einen elektrischen Generator und dergleichen.
  • Die Gasturbine 10 kann Erdgas, Flüssigkraftstoffe, unterschiedliche Arten von synthetischem Gas und/oder andere Arten von Brennstoffen und Mischungen davon verwenden. Die Gasturbine 10 kann eine beliebige von mehreren unterschiedlichen Gasturbinen sein, wie sie von General Electric Schenectady, New York, angeboten werden, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, eine Hochleistungsgasturbine der Reihe 7 oder 9 und dergleichen. Die Gasturbine 10 kann unterschiedliche Konfigurationen aufweisen und kann andere Arten von Bauteilen verwenden. Es können hier auch Gasturbinen anderen Typs verwendet werden. Es können hier auch mehrere Gasturbinen, andere Arten von Turbinen und andere Arten von Energieerzeugungsausrüstungen gemeinsam verwendet werden.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform einer Leiteinrichtung 60, der im Zusammenhang mit der Turbine 40 und dergleichen verwendet werden kann. Beliebig viele der Leiteinrichtungen 60 können in einer um den Umfang angeordneten Gruppe um eine Gasturbinenachse positioniert sein. Allgemein ausgedrückt kann die Leiteinrichtung 60 ein äußeres Band 65, ein inneres Band 70 und ein oder mehrere Schaufelblätter 75 aufweisen, die sich dazwischen erstrecken. Das Blatt 75 kann darin einen oder mehrere Hohlräume 80 aufweisen. Ein Kühlungseinsatz 85 kann in einem oder mehreren Hohlräumen 80 angeordnet sein. Der Kühlungseinsatz 85 kann mehrere hindurch führende Öffnungen aufweisen, um die Innenwandoberflächen des Schaufelblatts 75 mittels eines Kühlmittels, wie beispielsweise Dampf und dergleichen, durch Aufprall zu kühlen. Das äußere Band 65 und/oder das innere Band 70 können ferner einen oder mehrere Dichtungsschlitze 90 aufweisen, die darin ausgebildet sind. Eine Dichtung kann in den Dichtungsschlitzen 90 benachbarter Leiteinrichtungen 60 angeordnet sein, um einen Strom von heißen Verbrennungsgasen 35 durch sie hindurch zu verhindern. Die hier beschriebene Leiteinrichtung 60 dient lediglich als Beispiel. Viele sonstige und unterschiedliche Arten von Leiteinrichtungskonstruktionen können genutzt werden.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform einer Turbinenleiteinrichtung 100, wie sie hier beschrieben sein kann. Die Turbinenleiteinrichtung 100 kann ein äußeres Band 110 und ein inneres Band 120 (von denen lediglich eines gezeigt ist) aufweisen. Ein Schaufelblatt 130 kann sich zwischen dem äußeren Band 110 und dem inneren Band 120 erstrecken. Es kann mehr als ein Schaufelblatt 130 genutzt werden. Das Blatt 130 kann eine vordere Seitenwand 140 und eine hintere Seitenwand 150 aufweisen. Die Seitenwände 140, 150 können dazwischen einen Schaufelblatthohlraum 160 bilden. Ein oder mehrere Dichtungsschlitze 170 können in oder um das äußere Band 110 und das innere Band 120 für eine oder mehrere Dichtungen angeordnet sein, die sich dazwischen erstrecken. Die Turbinenleiteinrichtung 100 und deren Bauteile können eine beliebige geeignete Größe, Form oder Konstruktion aufweisen.
  • Die Turbinenleiteinrichtung 100 kann einen Kühlungseinsatz 180 enthalten, der in dem Schaufelblatthohlraum 160 angeordnet ist. Der Kühlungseinsatz 180 kann darin eine Anzahl von Öffnungen 190 aufweisen. Es können hier beliebig viele Öffnungen 190 genutzt werden. Der Kühlungseinsatz 180 und die Öffnungen 190 können eine beliebige geeignete Größe, Form oder Konstruktion haben. Die Öffnungen 190 des Kühlungseinsatzes 180 erlauben einem Kühlmittel 200 hindurch zu strömen, um die Seitenwände 140, 150 und andere Oberflächen des Schaufelblatts 130 durch Aufprall darauf zu kühlen. Das Kühlmittel 200 kann Dampf und dergleichen sein. Andere Arten von Kühlmittel können hier genutzt werden. Es können hier auch andere Bauteile und andere Anordnungen genutzt werden.
  • Die Turbinenleiteinrichtung 100 kann außerdem eine oder mehrere Erhebungen 210 aufweisen. Die Erhebung 210 kann auf einer Menge von zusätzlichem Schaufelblattmaterial basieren. Die Erhebung 210 kann gegossen, extrudiert oder anderweitig darin ausgebildet sein. Die Erhebung 210 kann in der Nähe des Dichtungsschlitzes 170 um den Schaufelblatthohlraum 160 angeordnet sein. Die Erhebung 210 kann eine im Wesentlichen gekrümmte Gestalt 220 aufweisen. Die gekrümmte Gestalt 220 der Erhebung 210 kann sich unter einem Winkel von etwa fünfundvierzig Grad (45°) in den Schaufelblatthohlraum 160 hinein erstrecken. Andere Winkel und andere Arten von gekrümmten Gestaltungen können hier genutzt werden. Insbesondere sind die Hohlkehlen und die vorderen Winkel der Erhebung 210 möglicherweise ausreichend groß bemessen, um eine qualitativ hochwertige Gießbarkeit zu ermöglichen. Außerdem können die Länge, die Höhe, die Größe, die Form und die Anordnung der Erhebung 210 variieren. Leiteinrichtungen 100 mit variierenden Erhebungen 210 können zusammen genutzt werden. Es können hier auch andere Bauteile und andere Anordnungen genutzt werden.
  • Der Kühlungseinsatz 180 kann die Erhebung 210 berühren oder auch nicht. Falls die Erhebung 210 in Berührung steht, kannsie als Sicherheitsabstandhalter dienen. Insbesondere kann der Abstandhalter eine Plattform für die Schaufelblattkühlungseinsätze sein. Die Nutzung als Berührungsabstandhalter kann hier somit die Kühlung eines Schaufelblatts und die Wirksamkeit der Kühlung insgesamt verbessern.
  • Die Verwendung der Erhebung 210 vergrößert den Konstruktionsraum der Turbinenleiteinrichtung 100 insgesamt. Insbesondere ermöglicht das zusätzliche Material der Erhebung 210, die Dichtungsschlitze 170 darin einzuarbeiten, ohne die Gefahr eines Einbrechens in den Schaufelblatthohlraum 160. Die Dichtungsschlitze 170 können daher eine ausreichend Dichtungstiefe aufweisen, um einem Herausziehen der Dichtung und/oder einer Zerstörung der Dichtung zu widerstehen. Ein Einbrechen in den Schaufelblatthohlraum 160 kann zu einen Kühlmittelleckstrom und einer damit verbundenen Verringerung der Lebensdauer von Komponenten und der Gesamtleistung führen. Außerdem kann ein kleinerer Gesamtwinkel der Schrägfläche an dem inneren und äußeren Band 110, 120 genutzt werden. Die Verwendung der Erhebung 210 vermeidet somit sowohl eine reduzierte Dichtungsschlitztiefe als auch einen größeren Schrägflächenwinkel.
  • Es sollte verständlich sein, dass sich das Vorausgehende lediglich auf spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung und des sich daraus ergebenden Patents bezieht. Zahlreiche Änderungen und Modifikationen können hierin durch den Fachmann durchgeführt werden, ohne von dem allgemeinen Gegenstand und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren äquivalente Bedeutungen definiert ist.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Leiteinrichtung für eine Gasturbine. Die Leiteinrichtung kann ein Band, einen Dichtungsschlitz, der innerhalb des Bandes angeordnet ist, eine Schaufel, die sich ausgehend von dem Band erstreckt, einen Hohlraum in dem Schaufelblatt und eine Erhebung aufweisen, der um das Band und um den Hohlraum angeordnet ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gasturbine
    15
    Verdichter
    20
    Luft
    25
    Brennkammeranordnung
    30
    Brennstoff
    35
    Verbrennungsgase
    40
    Turbine
    45
    Welle
    50
    Last
    60
    Leiteinrichtung
    65
    äußeres Band
    70
    inneres Band
    75
    Schaufelblatt
    80
    Hohlräume
    85
    Kühlungseinsatz
    90
    Dichtungsschlitz
    100
    Turbinenleiteinrichtung
    110
    äußeres Band
    120
    inneres Band
    130
    Schaufelblatt
    140
    Seitenwand
    150
    Seitenwand
    160
    Hohlraum
    170
    Dichtungsschlitz
    180
    Einsatz
    190
    Öffnungen
    200
    Kühlmittel
    210
    Erhebung
    220
    gekrümmte Gestalt

Claims (10)

  1. Leiteinrichtung für eine Gasturbine, aufweisend: ein Band; einen Dichtungsschlitz innerhalb des Bandes; ein Schaufelblatt, das sich ausgehend von dem Band erstreckt; einen Hohlraum in dem Schaufelblatt; und eine Erhebung, die um das Band und um den Hohlraum angeordnet ist.
  2. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Band ein äußeres Band und/oder ein inneres Band beinhaltet.
  3. Leiteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaufel eine vordere Seitenwand und eine hintere Seitenwand aufweist.
  4. Leiteinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, außerdem aufweisend einen Kühlungseinsatz, der in dem Hohlraum angeordnet ist.
  5. Leiteinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Kühlungseinsatz einen Aufprallkühlungseinsatz beinhaltet, und/ oder wobei der Kühlungseinsatz mehrere darin vorhandene Öffnungen aufweist, und/oder wobei der Kühlungseinsatz mit der Erhebung als einen Abstandhalter in Berührung steht, und/oder wobei ein Kühlmittel durch den Kühlungseinsatz strömt, um das Schaufelblatt zu kühlen.
  6. Leiteinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Erhebung eine gekrümmte Gestalt aufweist, wobei die gekrümmte Gestalt insbesondere einen Winkel von etwa fünfundvierzig Grad (45°) in den Hohlraum hinein aufweist.
  7. Leiteinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Erhebung um eine erste Seite des Bandes angeordnet ist, und wobei der Dichtungsschlitz um eine zweite Seite des Bandes entgegengesetzt zu der Erhebung angeordnet ist.
  8. Leiteinrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Band darauf eine abgewinkelte Schrägfläche aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Leiteinrichtung für den Einsatz in einer Gasturbine, mit den Schritten: Gießen eines Schaufelblatts mit einem Hohlraum und einem Band; Hinzufügen einer Material-Erhebung um den Hohlraum und um das Band; wobei die Erhebung eine gekrümmte Gestalt aufweist; und Einarbeiten eines Schlitzes in das Band entgegengesetzt zu der Erhebung.
  10. Leiteinrichtung für eine Gasturbine, aufweisend: ein Band; einen Dichtungsschlitz, der in das Band eingearbeitet ist; ein Schaufelblatt, das sich ausgehend von dem Band erstreckt; einen Hohlraum in dem Schaufelblatt; einen Aufprallkühlungseinsatz, der in dem Hohlraum angeordnet ist; und eine Erhebung, die um das Band und um den Hohlraum gegossen ist; wobei die Erhebung eine gekrümmte Gestalt aufweist.
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