DE102020202164B4

DE102020202164B4 - Turbinenschaufelblatt, sowie turbine und gasturbine mit demselben

Info

Publication number: DE102020202164B4
Application number: DE102020202164.3A
Authority: DE
Inventors: Ye Jee Kim; Vincent Galoul
Original assignee: Doosan Enerbility Co Ltd
Current assignee: Doosan Enerbility Co Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: US20200271056A1; KR20200102844A; KR102161765B1; DE102020202164A1; US11136917B2

Abstract

Schaufelblatt (1410) mit einer Vorderkante (LE) und einer Hinterkante (TE), wobei das Schaufelblatt umfasst:einen ersten Kühlkanal (C11, C21), der mit der Vorderkante (LE) verbunden ist;einen zweiten Kühlkanal (C12, C22), der mit der Hinterkante (TE) verbunden ist;einen dritten Kühlkanal (C13, C23), der zwischen dem ersten Kühlkanal (C11, C21) und dem zweiten Kühlkanal (C12, C22) gebildet ist;ein Stoßdämpferrohr (5500, 6500), das in dem ersten Kühlkanal (C11, C21) angebracht und eingerichtet ist, einen Hilfskühlkanal (C14, C24) zwischen dem Stoßdämpferrohr (5500, 6500) und der Vorderkante (LE) zu bilden und eine Vielzahl von Dispersionslöchern (5510, 6510) in dem Stoßdämpferrohr (5500, 6500) zu umfassen; undein Strömungsführungselement (5520, 6520), das auf dem Stoßdämpferrohr (5500, 6500) angebracht und eingerichtet ist, einen Luftstrom, der aus dem dritten Kühlkanal (C13, C23) angesaugt wird, in den ersten Kühlkanal (C11, C21) zu leiten;wobei das Strömungsführungselement (5520, 6520) eine Vielzahl von Druckeinstellbohrungen (5521, 6521) aufweist.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenschaufelblatt sowie eine Turbine und eine Gasturbine mit dem Schaufelblatt.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Gasturbine ist ein Triebwerk, das eingerichtet ist, Kraftstoff mit von einem Verdichter verdichteter Luft zu mischen, das Gemisch aus Kraftstoff und verdichteter Luft zu verbrennen und eine Turbine mit Hilfe von Hochtemperaturgas, welches durch die Verbrennung erzeugt wird, in Rotation zu versetzen. Gasturbinen werden zum Antrieb eines Generators, eines Flugzeugs, eines Schiffs, eines Zuges usw. verwendet.
Die Gasturbine umfasst einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter saugt Außenluft an, verdichtet die Luft und leitet sie zur Brennkammer weiter. Die Brennkammer mischt den Brennstoff mit der vom Verdichter gelieferten Druckluft und verbrennt das Gemisch aus Brennstoff und Druckluft, um ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Das bei der Verbrennung entstehende Verbrennungsgas wird zur Turbine abgeführt. In der Turbine vorgesehene Turbinenschaufeln werden durch das Verbrennungsgas in Rotation versetzt, wodurch Strom erzeugt wird. Die erzeugte Energie kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, z.B. zur Stromerzeugung, zum Antrieb einer mechanischen Vorrichtung usw.
Um den Wirkungsgrad einer Turbine zu erhöhen, neigte man zuletzt dazu, die Temperatur des Gases (Turbineneintrittstemperatur: TIT), das in die Turbine gesaugt wird, allmählich zu erhöhen. Daher ist die Bedeutung der hitzebeständigen Behandlung und Kühlung von Turbinenschaufeln zu betonen.
Ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenschaufel umfasst ein Filmkühlungsschema und ein internes Kühlungsschema. Das Schema der Filmkühlung ist ein Schema, bei dem ein Beschichtungsfilm auf einer Außenfläche der Turbinenschaufel gebildet wird, so dass eine Wärmeübertragung von außen auf die Turbinenschaufel verhindert werden kann. Bei der Filmkühlung hängen die hitzebeständigen Eigenschaften und die mechanische Beständigkeit der Schaufel von dem hitzebeständigen Anstrich ab, der auf die Turbinenschaufel aufgetragen wird.
Das interne Kühlschema ist ein Schema zur Kühlung der Schaufel durch Wärmeaustausch zwischen Kühlflüssigkeit und der Schaufel. Im Allgemeinen wird die Turbinenschaufel durch verdichtete Kühlluft gekühlt, die vom Verdichter der Gasturbine zugeführt wird. Da die vom Verdichter verdichtete Luft zur Verwendung in der Brennkammer der Gasturbine erzeugt wird, kann, wenn die Menge der verdichteten Luft zur Kühlung der Turbinenschaufel erhöht wird, der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine reduziert werden. Um die Turbinenschaufel effizient zu kühlen, muss daher die gesamte Schaufel durch eine kleine Menge Kühlflüssigkeit gleichmäßig gekühlt werden.
Die JP S59 200001 A offenbart ein Schaufelblatt für eine Turbine mit einem mit einer Vorderkante des Schaufelblatts verbundenen Kühlkanal, einem mit einer Hinterkante des Schaufelblatts verbundenen Kühlkanal und einem zwischen den Kühlkanälen liegenden weiteren Kanal. In dem mit der Vorderkante verbundenen Kanal ist eine Platte mit einer Vielzahl an Löchern vorgesehen, welche den Kanal unterteilt.
Die US 2013/0280091 A1 beschreibt ein weiteres Schaufelblatt, bei dem in einem mit der Vorderkante des Schaufelblatts verbundenen Strömungskanal eine Impingement-Platte mit einer Vielzahl an Durchgangslöchern vorgesehen ist, wobei an einer von der Vorderkante abgewandten Seite der Impingement-Platte an den Löchern löffelförmige Strukturen vorgesehen sind.
Ein weiteres Schaufelblatt für eine Turbine wird in der US 2017/0234140 A1 offenbart.
ÜBERBLICK
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaufelblatt, eine Turbine und eine Gasturbine mit verbesserter Kühlleistung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaufelblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Turbine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Zusätzliche Aspekte werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt, teilweise aber auch aus der Beschreibung ersichtlich oder können im praktischen Umgang mit den beispielhaften Ausführungsformen erkannt werden.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Schaufelblatt mit einer Vorderkante und einer Hinterkante vorgesehen, umfassend: einen ersten Kühlkanal, der mit der Vorderkante verbunden ist; einen zweiten Kühlkanal, der mit der Hinterkante verbunden ist; einen dritten Kühlkanal, der zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal ausgebildet ist; ein Stoßdämpferrohr, das in dem ersten Kühlkanal angebracht und eingerichtet ist, einen Hilfskühlkanal zwischen dem Stoßdämpferrohr und der Vorderkante zu bilden und eine Vielzahl von Dispersionslöchern in dem Stoßdämpferrohr aufzuweisen; und ein Strömungsführungselement, das auf dem Stoßdämpferrohr angebracht und eingerichtet ist, einen Luftstrom, der aus dem dritten Kühlkanal in den ersten Kühlkanal gezogen wird, zu leiten.
Ein oberer Abschnitt des dritten Kühlkanals und ein oberer Abschnitt des ersten Kühlkanals können miteinander verbunden werden, so dass sich Kühlluft vom dritten Kühlkanal zum ersten Kühlkanal bewegt. Das Strömungsführungselement kann an einem oberen Abschnitt des Stoßdämpferrohrs angebracht werden, und an der Unterseite des Strömungsführungselements kann ein Druckabfallraum gebildet werden.
Das Strömungsführungselement kann bogenförmig gekrümmt sein.
Das Strömungsführungselement kann derart ausgebildet sein, dass seine Unterseite konkav ist.
Erfindungsgemäß umfasst das Strömungsführungselement eine Vielzahl von Druckeinstellbohrungen.
Jede der Druckeinstellbohrungen kann derart ausgebildet sein, dass sich ihr Innendurchmesser zum Stoßdämpferrohr hin allmählich verringert.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Turbine mit einem Schaufelblatt nach dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen. Die Turbine kann insbesondere eine Rotorscheibe, die drehbar eingerichtet ist, und eine Vielzahl von Turbinenschaufeln, die auf der Rotorscheibe angebracht sind. Jede der Turbinenschaufeln kann ein schaufelförmiges Schaufelblatt mit einer Vorderkante und einer Hinterkante, eine mit einem unteren Teil des Schaufelblatts verbundene Plattform und ein von der Plattform nach unten ragendes und mit der Rotorscheibe verbundenes Fußteil umfassen. ist nach dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine Gasturbine vorgesehen, die eine Turbine nach dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Die Gasturbine kann insbesondere einen Verdichter, der eingerichtet ist, von außen angesaugte Luft zu verdichten, eine Brennkammer, die eingerichtet ist, Brennstoff mit der vom Verdichter verdichteten Luft zu mischen und ein Gemisch aus dem Brennstoff und der verdichteten Luft zu verbrennen, und eine Turbine mit mehreren Turbinenschaufeln umfassen, die eingerichtet sind, durch das aus der Brennkammer abgegebene Verbrennungsgas gedreht zu werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert, in denen:

1 ein Diagramm ist, das den inneren Aufbau einer Gasturbine nach einer beispielhaften Ausführungsform darstellt;
2 ein Längsschnitt ist, der einen Teil der Gasturbine aus 1 zeigt;
3 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Turbinenschaufel nach einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
4 eine quergeschnittene Ansicht ist, die ein Schaufelblatt entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
5 eine längsgeschnittene Ansicht ist, die die Turbinenschaufel nach einer nicht von der Erfindung umfassten beispielhaften Ausführungsform zeigt;
6 eine Schnittdarstellung ist, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement gemäß einer nicht von der Erfindung umfassten beispielhaften Ausführungsform zeigt;
7 eine Schnittdarstellung ist, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement gemäß einer nicht von der Erfindung umfassten beispielhaften Ausführungsform zeigt;
8 ein Längsschnitt ist, der eine Turbinenschaufel nach einer anderen nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform zeigt;
9 eine Schnittdarstellung ist, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement in Übereinstimmung mit einer anderen beispielhaften Ausführungsform zeigt; und
10 eine Schnittdarstellung ist, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene Modifikationen und verschiedene Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren detailliert beschrieben, so dass Fachleute die Erfindung leicht ausführen können. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen Ausführungsformen nicht dazu dienen sollen, den erfindungsgemäßen Schutzumfang auf die jeweilige Ausführungsform zu beschränken.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung spezifischer Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, den erfindungsgemäßen Schutzumfang einzuschränken. Die Singularausdrücke „ein“, „eine“ und „der/die/das“ sollen auch die Pluralausdrücke einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas Anderes angibt. In der Offenbarung sollten die Begriffe „umfassen“, „einschließen“, „haben/hat“ so ausgelegt werden, dass sie existierende Merkmale, ganze Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Kombinationen bezeichnen, ohne das Vorhandensein oder die Möglichkeit der Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Kombinationen auszuschließen.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren ausführlich beschrieben. Es soll nun auf die Zeichnungsfiguren Bezug genommen werden, bei welchen in verschiedenen Figuren zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Komponenten stets die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Details bekannter Konfigurationen und Funktionen können weggelassen werden, um den Kern der vorliegenden Erfindung nicht unnötig zu verschleiern. Aus dem gleichen Grund sind in den beigefügten Zeichnungsfiguren einige Elemente vergrößert, weggelassen oder schematisch dargestellt.
1 ist eine Darstellung, die den inneren Aufbau einer Gasturbine nach einer beispielhaften Ausführungsform zeigt, und 2 ist ein Längsschnitt eines Teils der Gasturbine aus 1.
Beispielsweise kann der thermodynamische Zyklus der Gasturbine 1000 gemäß der beispielhaften Ausführungsform im Idealfall dem Brayton-Zyklus entsprechen. Der Brayton-Zyklus kann aus vier Prozessen bestehen, darunter ein isentroper Kompressionsprozess (d.h. adiabatische Kompression), ein isobarer Wärmezufuhrprozess, ein isentroper Expansionsprozess (d.h. adiabatische Expansion) und ein isobarer Wärmeabgabeprozess. Mit anderen Worten: Die Gasturbine kann Luft aus der Atmosphäre ziehen, die Luft auf einen hohen Druck verdichten, den Brennstoff unter isobaren Bedingungen verbrennen, um Wärmeenergie abzugeben, das Hochtemperatur-Verbrennungsgas expandieren, um die Wärmeenergie des Verbrennungsgases in kinetische Energie umzuwandeln, und das Abgas mit der Restenergie in die Atmosphäre abführen. Als solcher kann der Brayton-Zyklus vier Prozesse umfassen, einschließlich Kompression, Wärmezufuhr, Expansion und Wärmeabgabe.
Die Gasturbine 1000, die den Brayton-Zyklus verkörpert, kann einen Verdichter 1100, eine Brennkammer 1200 und eine Turbine 1300 umfassen (siehe und ). Der Verdichter 1100 kann Luft von außen ansaugen und diese verdichten. Der Verdichter 1100 kann die von den Verdichterschaufeln 1130 verdichtete Luft an die Brennkammer 1200 liefern und auch Druckluft zur Kühlung in einen Hochtemperaturbereich liefern, der in der Gasturbine 1000 gekühlt werden muss. Dabei wird die angesaugte Luft im Verdichter 1100 durch einen adiabatischen Verdichtungsprozess verdichtet, so dass der Druck und die Temperatur der durch den Verdichter 1100 strömenden Luft erhöht werden.
Der Verdichter 1100 ist in Form eines Radialverdichters oder eines Axialverdichters ausgeführt. Der Radialverdichter wird in einer kleinen Gasturbine eingesetzt. Zum einen wird in einer großen Gasturbine wie der in 1 dargestellten Gasturbine 1000 ein mehrstufiger Axialverdichter 1100 zur Verdichtung einer großen Luftmenge eingesetzt. Im mehrstufigen Axialverdichter 1100 drehen sich die Verdichterschaufeln 1130 zusammen mit der Rotation einer zentralen Zugstange 1120 und einer Rotorscheibe, verdichten die angesaugte Luft und leiten die verdichtete Luft zu den in einer folgenden Stufe angeordneten Verdichterschaufeln 1140 weiter. Die Luft wird schrittweise auf hohe Drücke verdichtet, während sie durch die in einer mehrstufigen Struktur gebildeten Verdichterschaufeln 1130 strömt.
Die Verdichterschaufeln 1140 können an einer Innenfläche eines Gehäuses 1150 derart angebracht werden, dass jede Stufe durch eine Vielzahl von Verdichterschaufeln 1140 gebildet wird. Die Verdichterschaufeln 1140 leiten die von den in einer vorhergehenden Stufe angeordneten Verdichterschaufeln 1130 übertragene Druckluft zu den in der folgenden Stufe angeordneten Verdichterschaufeln 1130. In einer beispielhaften Ausführung kann zumindest ein Teil der Mehrzahl von Verdichterschaufeln 1140 derart angebracht werden, dass sie innerhalb eines vorgegebenen Bereichs drehbar sind, um z.B. den Luftdurchsatz einzustellen.
Der Verdichter 1100 kann mit einem Teil der Leistung der Turbine 1300 betrieben werden. Zu diesem Zweck kann eine rotierende Welle des Verdichters 1100 direkt mit einer rotierenden Welle der Turbine 1300 durch ein Torsionsrohr 1170 gekoppelt werden. Im Falle der großen Gasturbine 1000 kann fast die Hälfte der von der Turbine 1300 erzeugten Leistung zum Antrieb des Verdichters 1100 verbraucht werden.
Die Brennkammer 1200 kann den Brennstoff mit der vom Verdichter 1100 gelieferten Druckluft mischen und das Gemisch durch einen isobaren Verbrennungsprozess verbrennen, um Verbrennungsgas mit hoher Energie zu erzeugen. Die Brennkammer 1200 mischt eingeleitete Druckluft mit Brennstoff, verbrennt das Brennstoffgemisch zur Erzeugung von Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgas mit hoher Energie und erhöht durch einen isobaren Verbrennungsprozess die Temperatur des Verbrennungsgases auf eine hitzebeständige Grenztemperatur, die die Teile der Brennkammer und der Turbine aushalten können.
Eine Vielzahl von Brennkammern, aus denen die Brennkammer 1200 besteht, kann in einem Gehäuse in Form einer Zelle angeordnet werden. Jede der Brennkammern umfasst einen Brenner mit einer Brennstoffeinspritzdüse usw., eine Brennkammerauskleidung, die eine Brennkammer bildet, und ein Übergangsstück, das als Verbindung zwischen der Brennkammer und der Turbine dient.
Das von der Brennkammer 1200 ausgestoßene Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgas wird der Turbine 1300 zugeführt. Das zugeführte Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgas dehnt sich aus und übt eine Prall- oder Reaktionskraft auf die Turbinenschaufeln 1400 aus, um ein Rotationsmoment zu erzeugen. Ein Teil des Rotationsdrehmoments wird über das Torsionsrohr 1170 auf den Verdichter 1100 übertragen, und der verbleibende Teil, der das überschießende Drehmoment darstellt, wird zum Antrieb des Generators oder ähnlichem verwendet.
Die Turbine 1300 umfasst eine Rotorscheibe 1310, mehrere Turbinenschaufeln 1400, die radial an der Rotorscheibe 1310 angeordnet sind, und Leitschaufeln. Die Rotorscheibe 1310 hat eine annähernd scheibenförmige Gestalt, und in einer äußeren Umfangsfläche der Rotorscheibe 1310 sind mehrere Schlitze ausgebildet. Jeder Schlitz hat eine gewellte Oberfläche. Die Turbinenschaufeln 1400 werden in entsprechende Schlitze eingesetzt. Jede der Turbinenschaufeln 1400 kann mit der Rotorscheibe 1310 schwalbenschwanzförmig verbunden werden. Die am Gehäuse befestigten Leitschaufeln sind zwischen den Turbinenschaufeln 1400 vorgesehen, um die Strömungsrichtung des durch die Turbinenschaufeln 1400 strömenden Verbrennungsgases zu leiten.
3 ist eine perspektivische Darstellung einer Turbinenschaufel nach einer beispielhaften Ausführungsform, 4 ist eine Querschnittsansicht, die ein Schaufelblatt nach einer beispielhaften Ausführungsform zeigt, und 5 ist ein Längsschnitt, der die Turbinenschaufel nach einer nicht erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform zeigt.
Gemäß 3 kann die Turbinenschaufel 1400 ein schaufelförmiges Schaufelblatt 1410, eine Plattform 1420, die mit einem unteren Teil des Schaufelblatts 1410 verbunden ist, und einen Fußteil 1430, der von der Plattform 1420 nach unten ragt und mit der Rotorscheibe verbunden ist, umfassen. Das Schaufelblatt 1410 kann eine gekrümmte Platte mit einer Schaufelform sein und eine optimierte Schaufelform gemäß den Spezifikationen der Gasturbine 1000 haben.
Die Plattform 1420 kann zwischen dem Schaufelblatt 1410 und dem Fußteil 1430 angeordnet werden und hat eine annähernd rechteckige Platten- oder rechteckige Säulenform. Die Plattform 1420 hat eine Seitenfläche, die mit einer Seitenfläche der Plattform 1420 einer benachbarten Turbinenschaufel 1400 in Kontakt kommt, um einen Abstand zwischen den benachbarten Turbinenschaufeln 1400 einzuhalten.
Das Fußteil 1430 hat einen gewellten Abschnitt mit einer annähernd tannenbaumförmigen Form, die dem tannenbaumförmigen gewellten Abschnitt entspricht, der in einem Schlitz der Rotorscheibe 1310 ausgebildet ist. Es versteht sich, dass die Kopplungsstruktur des Fußteils 1430 nicht darauf beschränkt ist, und dass es so ausgebildet werden kann, dass es eine Schwalbenschwanzstruktur aufweist. Ein erster Einlass E11 und ein zweiter Einlass E12 für die Zufuhr von Kühlluft kann in einem unteren Ende des Fußteils 1430 gebildet werden.
Das Schaufelblatt 1410 kann eine Vorderkante LE, die, basierend auf der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases, an einer stromaufwärtigen Seite angeordnet ist, und eine Hinterkante TE, die an einer stromabwärtigen Seite angeordnet ist, umfassen. Darüber hinaus wird an einer Vorderfläche des Schaufelblatts 1410 eine nach außen vorstehende Saugseite S1 mit einer nach außen konvex gekrümmten Oberfläche gebildet, auf die das Verbrennungsgas gesaugt wird, und eine Druckseite S2 mit einer gekrümmten Oberfläche, die in konkaver Form zur Saugseite S1 hin abgesenkt ist, wird an einer Rückfläche des Schaufelblatts 1410 gebildet. Zwischen der Saugseite S1 und der Druckseite S2 des Schaufelblatts 1410 entsteht ein Druckunterschied, wodurch die Turbine 1300 gedreht wird.
Eine Vielzahl von Kühlbohrungen 1411 sind in einer Oberfläche des Schaufelblatts 1410 ausgebildet. Die Kühlbohrungen 1411 stehen mit einem im Schaufelblatt 1410 ausgebildeten Kühlkanal in Verbindung, so dass Kühlluft an die Oberfläche des Schaufelblatts 1410 zugeführt werden kann.
Mit Blick auf die 4 und 5 kann das Schaufelblatt 1410 eine Außenwand 1470, die ein äußeres Erscheinungsbild bildet, und die Kühlkanäle C11, C12, C13 und C14, die Trennplatten 1412 und 1413, ein Stoßdämpferrohr 1500 und ein Strömungsführungselement 1520 umfassen, die innerhalb der Außenwand 1470 ausgebildet sind. Das Schaufelblatt 1410 kann einen ersten Kühlkanal C11, der mit der Vorderkante LE verbunden ist, einen zweiten Kühlkanal C12, der mit der Hinterkante TE verbunden ist, einen dritten Kühlkanal C13, der zwischen dem ersten Kühlkanal C11 und dem zweiten Kühlkanal C12 gebildet wird, und einen Hilfskühlkanal C14, der durch ein Druckrohr im ersten Kühlkanal C11 gebildet wird, umfassen. Das Schaufelblatt 1410 kann eine erste Trennplatte 1412 und eine zweite Trennplatte 1413 umfassen, die sich in Höhenrichtung des Schaufelblatts 1410 erstrecken und einen Innenraum des Schaufelblatts 1410 in mehrere Abschnitte unterteilen.
Der erste Kühlkanal C11 wird durch die Vorderkante LE und die erste Trennplatte 1412 gebildet und mit dem zweiten Kühlkanal C12 verbunden. Die in den ersten Kühlkanal C11 angesaugte Luft strömt durch das Stoßdämpferrohr 1500 und wird durch die Kühlbohrungen 1411, die neben der Vorderkante LE ausgebildet sind, abgeführt.
Der zweite Kühlkanal C12 wird durch die Hinterkante TE und die zweite Trennplatte 1413 gebildet. In dem zweiten Kühlkanal C12 können mehrere Kühlrippen 1483 gebildet werden. Das Schaufelblatt 1410 kann ferner eine Vielzahl von hinteren Kühlschlitzen 1481, die mit dem zweiten Kühlkanal C12 verbunden sind, um Luft aus dem zweiten Kühlkanal C12 abzugeben, und die in Höhenrichtung der Hinterkante TE voneinander beabstandet sind, und einen Trennvorsprung 1482, der zwischen den hinteren Kühlschlitzen 1481 gebildet wird, um die hinteren Kühlschlitze 1481 voneinander zu trennen, umfassen. Der zweite Kühlkanal C12 ist mit dem zweiten Einlass E12 verbunden und wird mit Luft versorgt. Die in den zweiten Kühlkanal C12 angesaugte Luft wird durch die hinteren Kühlschlitze 1481 abgeführt.
Der dritte Kühlkanal C13 wird durch die erste Trennplatte 1412 und die zweite Trennplatte 1413 gebildet. Der dritte Kühlkanal C13 ist mit dem ersten Einlass E11 verbunden, der in dessen unterem Teil gebildet wurde, so dass Luft in den dritten Kühlkanal C13 zugeführt werden kann. Ein Teil der in den dritten Kühlkanal C13 angesaugten Luft wird durch die Kühlbohrungen 1411 abgeführt, und die übrige Luft wird in den ersten Kühlkanal C11 geleitet.
Die erste Trennplatte 1412 ist so angeordnet, dass sie der Vorderkante LE zugewandt ist. Die zweite Trennplatte 1413 ist so angeordnet, dass sie der Hinterkante TE zugewandt ist. Ein oberes Ende der ersten Trennplatte 1412 ist von einem oberen Spitzenende des Schaufelblatts 1410 beabstandet. Daher kann sich Luft durch den Raum bewegen, der zwischen dem oberen Ende der ersten Trennplatte 1412 und der Spitze des Schaufelblatts 1410 gebildet wird, und ein oberer Teil des dritten Kühlkanals C13 kann mit einem oberen Teil des ersten Kühlkanals C11 verbunden werden. Die durch den ersten Einlass E11 zugeführte Luft bewegt sich entlang des dritten Kühlkanals C13 nach oben und bewegt sich in den ersten Kühlkanal C11. Im dritten Kühlkanal C13 bewegt sich die Luft von einer Innenseite zu einer Außenseite. Im ersten Kühlkanal C11 bewegt sich die Luft von der Außenseite zur Innenseite.
Das Stoßdämpferrohr 1500 kann im ersten Kühlkanal C11 angeordnet werden, um den Hilfskühlkanal C14 zwischen dem Stoßdämpferrohr 1500 und der Vorderkante LE zu bilden. Das Stoßdämpferrohr 1500 mit bogenförmig gekrümmtem Querschnitt ist an einer Stelle angeordnet, die von der Vorderkante LE um einen vorbestimmten Abstand entfernt ist. Das Stoßdämpferrohr 1500 erstreckt sich in der Höhenrichtung des Schaufelblatts 1410. Eine Vielzahl von Dispersionslöchern 1510 sind im Stoßdämpferrohr 1500 ausgebildet. Luft, die aus dem dritten Kühlkanal C13 in den ersten Kühlkanal C11 gesaugt wird, strömt durch das Stoßdämpferrohr 1500 und wird durch die in der Vorderkante LE ausgebildeten Kühlbohrungen 1411 abgeführt. Das Stoßdämpferrohr 1500 hat die Aufgabe, die Kühleffizienz durch den Kontakt mit Luft zu verbessern.
Ein Strömungsführungselement 1520 kann an dem Stoßdämpferrohr 1500 angebracht werden. Das Strömungsführungselement 1520 besteht aus einer bogenförmig gekrümmten Platte. Das Strömungsführungselement 1520 wird an einem oberen Teil des Stoßdämpferrohrs 1500 angebracht und kann an einem oberen Ende des Stoßdämpferrohrs 1500 oder an einer Stelle angebracht werden, die vom oberen Ende des Stoßdämpferrohrs 1500 um einen vorbestimmten Abstand entfernt ist.
Das Strömungsführungselement 1520 kann derart gekrümmt sein, dass seine Unterseite konkav ist. Daher wird unter dem Strömungsführungselement 1520 ein Druckabfallraum DS gebildet. Wird der Druckabfallraum DS unter dem Strömungsführungselement 1520 gebildet, so wird Luft in den Druckabfallraum DS gesaugt, so dass eine große Luftmenge in einen relativ kleinen Raum, in den Luft gesaugt wird, gesaugt werden kann, wodurch die Vorderkante LE gleichmäßig gekühlt werden kann.
6 ist eine Schnittdarstellung, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement gemäß einem anderen Beispiel zeigt.
Bezugnehmend auf 6 ist der Aufbau der Turbinenschaufel entsprechend der beispielhaften Ausführung mit Ausnahme des Strömungsführungselements der gleiche Aufbau wie der der in 5 dargestellten Turbinenschaufel, daher entfällt an dieser Stelle eine wiederholte Erläuterung.
Ein Stoßdämpferrohr 2500 mit einer Vielzahl von Dispersionslöchern 2510 wird an einer Position neben der Vorderkante LE angebracht. Ein Strömungsführungselement 2520 ist an einem oberen Teil des Stoßdämpferrohrs 2500 angebracht. Das Strömungsführungselement 2520 ist so gebogen, dass seine Unterseite konkav ist, wodurch ein Druckabfallraum DS unter dem Strömungsführungselement 2520 gebildet wird. Das Strömungsführungselement 2520 umfasst eine erste Platte 2521, die am Stoßdämpferrohr 2500 befestigt ist, und eine zweite Platte 2523, die von der ersten Platte 2521 weg gebogen ist. Hier kann die zweite Platte 2523 nach innen in Richtung des Fußteils gebogen und von der ersten Platte 2521 senkrecht abgebogen werden.
7 ist eine Schnittdarstellung, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement gemäß einem anderen Beispiel zeigt.
Bezugnehmend auf 7 ist der Aufbau der Turbinenschaufel entsprechend der beispielhaften Ausführungsform, mit Ausnahme des Strömungsführungselements, gleich aufgebaut wie die in 5 dargestellte Turbinenschaufel, weshalb eine wiederholte Erläuterung entfällt.
Ein Stoßdämpferrohr 3500 mit einer Vielzahl von Dispersionslöchern 3510 wird an einer Stelle neben der Vorderkante LE angebracht. Ein Strömungsführungselement 3520 ist an einem oberen Teil des Stoßdämpferrohrs 3500 angebracht. Das Strömungsführungselement 3520 ist so gebogen, dass seine Unterseite konkav ist, wodurch ein Druckabfallraum DS unter dem Strömungsführungselement 3520 gebildet wird. Das Strömungsführungselement 3520 umfasst eine erste Platte 3521, die am Stoßdämpferrohr 3500 befestigt ist, eine zweite Platte 3523, die von der ersten Platte 3521 in einem Winkel gebogen ist, und eine dritte Platte 3525, die von der zweiten Platte 3523 zur Innenseite, an der das Fußteil angeordnet ist, gebogen ist. Dabei kann die zweite Platte 3523 in einem Winkel von 30° bis 60° gegenüber der ersten Platte 3521 gebogen sein.
8 ist ein Längsschnitt, der die Turbinenschaufel nach einem weiteren Beispiel zeigt.
Bezugnehmend auf 8 stimmt der Aufbau der Turbinenschaufel entsprechend der beispielhaften Ausführungsform, mit Ausnahme des Strömungsführungselements, mit dem in 5 dargestellten Aufbau der Turbinenschaufel überein, so dass dessen wiederholte Erläuterung unterbleibt.
Die Turbinenschaufel 4400 kann ein schaufelförmiges Schaufelblatt 4410, eine Plattform 4420, die mit einem unteren Teil des Schaufelblatts 4410 verbunden ist, und ein Fußteil 4430, das von der Plattform 4420 nach unten ragt und mit der Rotorscheibe verbunden ist, umfassen. Die Plattform 4420 kann zwischen dem Schaufelblatt 4410 und dem Fußteil 4430 angeordnet werden und hat eine annähernd rechteckige Platten- oder rechteckige Säulenform. Ein erster Einlass E21 und ein zweiter Einlass E22 für die Zufuhr von Kühlluft können an einem unteren Ende des Fußteils 4430 gebildet werden.
Das Schaufelblatt 4410 kann eine Vorderkante LE, die bezüglich der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases an einer stromaufwärtigen Seite angeordnet ist, und eine Hinterkante TE, die an einer stromabwärtigen Seite angeordnet ist, umfassen. Es können Kühlbohrungen gebildet werden, die mit dem Kühlkanal des Schaufelblatts 4410 in Verbindung stehen, um Kühlluft abzuführen.
Das Schaufelblatt 4410 kann eine Außenwand 4470, die das äußere Erscheinungsbild bildet, und die Kühlkanäle C21, C22, C23 und C24, die Trennplatten 4412 und 4413, ein Stoßdämpferrohr 4500 und ein Strömungsführungselement 4520, das innerhalb der Außenwand 4470 ausgebildet sind, umfassen. Das Schaufelblatt 4410 kann einen ersten Kühlkanal C21, der mit der Vorderkante LE verbunden ist, einen zweiten Kühlkanal C22, der mit der Hinterkante TE verbunden ist, einen dritten Kühlkanal C23, der zwischen dem ersten Kühlkanal C21 und dem zweiten Kühlkanal C22 gebildet wird, und einen Hilfskühlkanal C24, der durch ein Druckrohr im ersten Kühlkanal C21 gebildet wird, umfassen. Das Schaufelblatt 4410 kann eine erste Trennplatte 4412 und eine zweite Trennplatte 4413 umfassen, die sich in Höhenrichtung des Schaufelblatts 4410 erstrecken und einen Innenraum des Schaufelblatts 4410 in mehrere Abschnitte unterteilen.
Der erste Kühlkanal C21 wird durch die Vorderkante LE und die erste Trennplatte 4412 gebildet und mit dem zweiten Kühlkanal C22 verbunden. Die in den ersten Kühlkanal C21 angesaugte Luft strömt durch das Stoßdämpferrohr 4500 und wird durch die neben der Vorderkante LE ausgebildeten Kühlbohrungen abgeführt.
Der zweite Kühlkanal C22 wird durch die Hinterkante TE und die zweite Trennplatte 4413 gebildet. In dem zweiten Kühlkanal C22 können mehrere Kühlrippen 4483 gebildet werden. Das Schaufelblatt 4410 kann ferner eine Vielzahl von hinteren Kühlschlitzen 4481, die mit dem zweiten Kühlkanal C22 gekoppelt sind, um Luft aus dem zweiten Kühlkanal C22 abzugeben, und die in Höhenrichtung der Hinterkante TE voneinander beabstandet sind, sowie einen Trennvorsprung 4482 umfassen, der zwischen den hinteren Kühlschlitzen 4481 gebildet wird, um die hinteren Kühlschlitze 4481 voneinander zu trennen. Der zweite Kühlkanal C22 ist mit dem zweiten Einlass E22 verbunden und wird mit Luft versorgt. Die in den zweiten Kühlkanal C22 angesaugte Luft wird durch die hinteren Kühlschlitze 4481 abgeführt.
Der dritte Kühlkanal C23 wird durch die erste Trennplatte 4412 und die zweite Trennplatte 4413 gebildet. Der dritte Kühlkanal C23 ist mit dem ersten Einlass E21 verbunden, der in einem unteren Teil desselben ausgebildet ist, so dass dem dritten Kühlkanal C23 Luft zugeführt werden kann. Ein Teil der in den dritten Kühlkanal C23 angesaugten Luft wird durch die Kühlbohrungen abgeführt, und die übrige Luft wird in den ersten Kühlkanal C21 geleitet.
Die erste Trennplatte 4412 ist derart angeordnet, dass sie der Vorderkante LE zugewandt ist. Die zweite Trennplatte 4413 ist der Hinterkante TE zugewandt. Ein oberes Ende der ersten Trennplatte 4412 ist von einem oberen Spitzenende des Schaufelblatts 4410 beabstandet. Daher bewegt sich die Luft durch den Raum, der zwischen dem oberen Ende der ersten Trennplatte 4412 und der Spitze des Schaufelblatts 4410 gebildet wird, so dass die Luft aus dem dritten Kühlkanal C23 in den ersten Kühlkanal C21 strömen kann. Die durch den ersten Einlass E21 zugeführte Luft bewegt sich entlang des dritten Kühlkanals C23 nach oben und bewegt sich in den ersten Kühlkanal C21. Im dritten Kühlkanal C23 bewegt sich die Luft von einer Innenseite zu einer Außenseite. Im ersten Kühlkanal C21 bewegt sich die Luft von der Außenseite zur Innenseite.
Das Stoßdämpferrohr 4500 wird im ersten Kühlkanal C21 angebracht, um den Hilfskühlkanal C24 zwischen dem Stoßdämpferrohr 4500 und der Vorderkante LE zu bilden. Das Stoßdämpferrohr 4500 mit bogenförmig gekrümmtem Querschnitt ist an einer Stelle angeordnet, die von der Vorderkante LE um einen vorbestimmten Abstand entfernt ist. Das Stoßdämpferrohr 4500 erstreckt sich in der Höhenrichtung des Schaufelblatts 4410. Eine Vielzahl von Dispersionslöchern 4510 sind im Stoßdämpferrohr 4500 ausgebildet. Luft, die aus dem dritten Kühlkanal C23 in den ersten Kühlkanal C21 gesaugt wird, strömt durch das Stoßdämpferrohr 4500 und wird durch die in der Vorderkante LE ausgebildeten Kühlbohrungen abgeführt. Das Stoßdämpferrohr 4500 dient zur Verbesserung der Kühleffizienz durch Kontakt mit Luft.
An dem Stoßdämpferrohr 4500 sind mehrere Strömungsführungselemente 4520 angebracht. Die Strömungsführungselemente 4520 sind in Höhenrichtung des Stoßdämpferrohrs 4500 an voneinander beabstandeten Positionen angeordnet. Jedes der Strömungsführungselemente 4520 kann aus einer gekrümmten Platte gebildet werden, so dass dessen Unterseite nach unten konvex ist.
Das an der Außenseite angeordnete Strömungsführungselement 4520 und das an der Innenseite angeordnete Strömungsführungselement 4520 können unterschiedliche Breiten GW haben. Das an der Innenseite angeordnete Strömungsführungselement 4520 kann eine geringere Breite GW haben als das an der Außenseite angeordnete Strömungsführungselement 4520. Nach dieser beispielhaften Ausführungsform wird der Luftstrom durch die Vielzahl der Strömungsführungselemente 4520 so geführt, dass durch das Stoßdämpferrohr 4500 der Vorderkante LE eine gleichmäßige Luftmenge zugeführt werden kann, wodurch die Kühleffizienz verbessert werden kann.
9 ist eine Schnittdarstellung, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bezugnehmend auf 9 ist der Aufbau der Turbinenschaufel gemäß der beispielhaften Ausführungsform, mit Ausnahme des Strömungsführungselements, der gleiche wie bei der in 5 dargestellten Turbinenschaufel, weshalb eine wiederholte Erläuterung unterbleibt.
Ein Stoßdämpferrohr 5500 mit einer Vielzahl von Dispersionslöchern 5510 wird an einer Position neben der Vorderkante LE angebracht. Ein Strömungsführungselement 5520 ist an einem oberen Teil des Stoßdämpferrohrs 5500 angebracht. Das Strömungsführungselement 5520 ist derart gekrümmt, dass dessen Unterseite konkav ist, so dass unter dem Strömungsführungselement 5520 ein Druckabfallraum DS entsteht.
Das Strömungsführungselement 5520 enthält eine Vielzahl von Druckeinstellbohrungen 5521. Jede der Druckeinstellbohrungen 5521 ist derart ausgebildet, dass sich ihr Innendurchmesser zum Stoßdämpferrohr 5500 hin allmählich verringert. Daher wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, während sie durch die Druckeinstellbohrungen 5521 strömt, weiter erhöht. Dann wird Luft in den Druckabfallraum DS eingeblasen, so dass eine große Menge Luft in den Druckabfallraum DS eingetragen werden kann.
10 ist eine Schnittdarstellung, die ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bezugnehmend auf 10 wird ein Stoßdämpferrohr 6500 mit einer Vielzahl von Dispersionslöchern 6510 an einer Position neben der Vorderkante LE angebracht. Ein Strömungsführungselement 6520 ist an einem oberen Teil des Stoßdämpferrohrs 6500 angebracht. Das Strömungsführungselement 6520 kann aus einer flachen Platte gebildet werden, die bezüglich der Höhenrichtung des Stoßdämpferrohrs 6500 geneigt ist. Ein Neigungswinkel, der zwischen dem Strömungsführungselement 6520 und der Höhenrichtung des Dämpferrohrs 6500 gebildet wird, kann zwischen 30° und 60° liegen.
Das Strömungsführungselement 6520 umfasst eine Vielzahl von Druckeinstellbohrungen 6521. Jede der Druckeinstellbohrungen 6521 ist derart ausgebildet, dass sich ihr Innendurchmesser zum Stoßdämpferrohr 6500 hin allmählich verringert. Daher wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, während sie durch die Druckeinstellbohrungen 6521 strömt, weiter erhöht. Dann wird Luft in den Druckabfallraum DS derart eingeblasen, dass eine große Menge Luft in den Druckabfallraum DS eingetragen werden kann.
In einem Schaufelblatt und einer Turbine werden gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Stoßdämpferrohr und ein Strömungsführungselement eingebaut, um die Kühlwirkung an einem Vorderkantenteil zu verbessern.

Claims

Schaufelblatt (1410) mit einer Vorderkante (LE) und einer Hinterkante (TE), wobei das Schaufelblatt umfasst: einen ersten Kühlkanal (C11, C21), der mit der Vorderkante (LE) verbunden ist; einen zweiten Kühlkanal (C12, C22), der mit der Hinterkante (TE) verbunden ist; einen dritten Kühlkanal (C13, C23), der zwischen dem ersten Kühlkanal (C11, C21) und dem zweiten Kühlkanal (C12, C22) gebildet ist; ein Stoßdämpferrohr (5500, 6500), das in dem ersten Kühlkanal (C11, C21) angebracht und eingerichtet ist, einen Hilfskühlkanal (C14, C24) zwischen dem Stoßdämpferrohr (5500, 6500) und der Vorderkante (LE) zu bilden und eine Vielzahl von Dispersionslöchern (5510, 6510) in dem Stoßdämpferrohr (5500, 6500) zu umfassen; und ein Strömungsführungselement (5520, 6520), das auf dem Stoßdämpferrohr (5500, 6500) angebracht und eingerichtet ist, einen Luftstrom, der aus dem dritten Kühlkanal (C13, C23) angesaugt wird, in den ersten Kühlkanal (C11, C21) zu leiten; wobei das Strömungsführungselement (5520, 6520) eine Vielzahl von Druckeinstellbohrungen (5521, 6521) aufweist.
Schaufelblatt (1410) nach Anspruch 1, wobei ein oberer Abschnitt des dritten Kühlkanals (C13, C23) und ein oberer Abschnitt des ersten Kühlkanals (C11, C21) miteinander verbunden sind, so dass sich Kühlluft von dem dritten Kühlkanal (C13, C23) zu dem ersten Kühlkanal (C11, C21) bewegt, und wobei das Strömungsführungselement (5520, 6520) an einem oberen Abschnitt des Stoßdämpferrohrs (5500, 6500) angebracht ist, und ein Druckabfallraum (DS) an einer unteren Oberfläche des Strömungsführungselements (5520, 6520) ausgebildet ist.
Schaufelblatt (1410) nach Anspruch 1, wobei das Strömungsführungselement (5520) bogenförmig gekrümmt ist.
Schaufelblatt (1410) nach Anspruch 3, wobei das Strömungsführungselement (5520) derart ausgebildet ist, dass dessen untere Fläche konkav ist.
Schaufelblatt (1410) nach Anspruch 1, wobei jede der Druckeinstellbohrungen (5521, 6521) derart ausgebildet ist, dass deren Innendurchmesser allmählich in Richtung auf das Stoßdämpferrohr (5500, 6500) hin reduziert wird.
Turbine mit einem Schaufelblatt (1410) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gasturbine mit einer Turbine (1000) nach Anspruch 6.