DE10217257A1

DE10217257A1 - Turbinenschaufel mit Deckbandelement

Info

Publication number: DE10217257A1
Application number: DE2002117257
Authority: DE
Inventors: Jan Ehrhard; Shailendra Naik; Markus Oehl
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Es ist eine luftgekühlte Turbinenschaufel (1) offenbart, welche an der Schaufelspitze (3) ein senkrecht zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement (8) mit mindestens zwei Dichtrippen (9) aufweist. Das Deckbandelement (8) ist mit ersten Kühlkanälen (13) durchzogen. Erfindungsgemäß münden die ersten Kühlkanäle (13) derart in seitlichen Kanten (15) des Deckbandelements (8) in weitere Kühlkanäle (14), dass die seitlichen Kanten (15) durch Prallkühlung verbessert gekühlt werden können.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel, welche an der Schaufelspitze ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement aufweist.

STAND DER TECHNIK

Turbinenschaufeln von Gasturbinen müssen aufgrund der Temperaturen von den sie umgebenden Heissgasen gekühlt werden. Kühlbare Schaufeln für Gasturbinen mit einem internen Kühlsystem sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE-A1-198 60 788, aus EP-A1-0 534 586 oder aus EP-A1-1 094 200 bekannt geworden.
Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, exponierte Bereiche der Schaufel zuverlässig zu kühlen. Einer dieser speziellen Bereiche ist das Deckband bzw. die Deckbandelemente der Schaufel und die Kavität, welche sich zwischen Dichtrippen des Deckbandelements bildet. Hier muss intensiv gekühlt werden, um einer Überhitzung sicher vorzubeugen. Kühlsysteme dieser Deckbandelemente sind zahlreich im Stand der Technik beschrieben worden. Den Druckschriften DE-A1-198 13 173, EP-A2-1 083 299, US-A-5,785,496, US-A-5,482,435, EP-A1-0 928 880, EP-A1-0 927 814, US-A-5,460,486, US-A-6,146,098, US-A-6, 152,695, US-A1-2001/0006600, EP-A2-1,013,884, EP-A1-1 067 273 oder US-A-6,099,253 sind verschiedene Ausführungsformen zu entnehmen.
Neben einer passiven Kühlung, in welcher Kühlluft durch die der Turbinenschaufel gegenüberliegenden Gehäusewand eingeblasen wird, ist es beispielsweise aus den Schriften EP-A2-1 013 884, US-A-6,099,253 oder anderen oben genannten Dokumenten bekannt, die Deckbandelemente mit Kühlkanälen zu durchziehen. Die Kühlkanäle sind mit einem Hohlraum, der im Inneren der Turbinenschaufel angeordnet ist, verbunden. Kühlluft wird vom Hohlraum durch die Kühlkanäle geleitet und danach in den die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum geleitet. Dies kann beispielsweise die oben genannte Kavität sein.
Es ist aus dem genannten Stand der Technik allgemein bekannt, die Kühlkanäle in dem Deckband in Rotationsrichtung der Turbinenschaufel anzuordnen und dort die Kühlluft in den Aussenraum einzublasen. Dies ist allerdings mit dem Nachteil verbunden, dass die seitlich verstärkten Kanten, die mechanisch besonders belastet sind, nicht effizient gekühlt werden. Zudem ist der Austrittsdruck durch die im rechten Winkel zur Heissgasströmung der Turbine angeordneten Kühlkanäle nicht optimiert. Ein tangentialer Kühlluftaustritt erfordert zusätzliche Arbeit, um die Kühlluft in Richtung der Hauptströmung umzulenken und zu beschleunigen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Turbinenschaufel mit einem Deckbandelement mit Kühlkanälen zu schaffen, wobei die erhöhte Aussenkante des Deckbandelements effizienter als bisher gekühlt werden soll. Zudem soll das Abfliessen von Kühlluft in einen Bereich des die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraums erfolgen, der durch einen niedrigeren Gegendruck im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen gekennzeichnet ist.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine Turbinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die ersten Kühlkanäle derart in weitere Kühlkanäle münden, dass die seitliche Kante des Deckbandelements durch Prallkühlung kühlbar ist.
Ein Vorteil besteht darin, dass die erhöhte, seitliche Kante des Deckbandelementes durch Prallkühlung effizienter als bisher gekühlt werden kann. Es ist weiter vorteilhaft, wenn die weiteren Kühlkanäle an der der Hinterkante der Turbinenschaufel zugewandten Aussenkante des Deckbandelements in den Aussenraum münden. Dies kann beispielsweise hinter einer letzten Dichtrippe, welche sich auf dem Deckbandelement befindet, sein. Daraus resultiert ein geringerer Gegendruck für die Kühlluftströmung im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen.
Die ersten Kühlkanäle können vorteilhaft zumindest annähernd parallel zur Bewegungsrichtung der Turbinenschaufel verlaufen, während die weiteren Kühlkanäle im wesentlichen annähernd parallel zu der die Turbinenschaufel umgebenden Heissgasströmung angeordnet sein können. Die weiteren Kühlkanäle können sich in den seitlichen Kanten des Deckbandelements befinden, so dass die seitliche Kanten neben der Prallkühlung auch durch Konvektion kühlbar sind.
Vorteilhaft kann die Kühlluft, welche durch das Deckbandelement strömt, in Richtung der Heissgasströmung in den die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum eingeblasen werden. Dadurch werden die Sekundärverluste reduziert, da eine Beschleunigung und eine Umlenkung in Richtung der Hauptströmung, wie bei tangentialen Austritten bekannt, entfällt.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann das Deckbandelement nur in einem mittleren Bereich des Schaufelblatts vorhanden sein.
Zur Einstellung des Kühlluftmassenstroms können vorteilhaft in den ersten Kühlkanälen, also beispielsweise zwischen dem Hohlraum und den ersten Kühlkanälen, Drosselstellen vorgesehen sein.
Bei der Turbinenschaufel kann es sich um eine Leit- oder um eine Laufschaufel einer Gasturbine handeln.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen illustriert, wobei
Fig. 1 eine luftgekühlte Turbinenschaufel mit einem Deckbandelement gemäss dem Schnitt I-I in der Fig. 2 in einem Gehäuse zeigt,
Fig. 2 eine Ansicht gemäss dem Schnitt II-II in der Fig. 1 darstellt und
Fig. 3 eine Ansicht gemäss dem Schnitt III-III in der Fig. 1 zeigt.
Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente werden in unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Strömungsrichtungen werden mit Pfeilen angegeben.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In der Fig. 1 ist eine Turbinenschaufel 1, also eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 weist ein Schaufelblatt 2, mit einer Schaufelspitze 3, einer Vorderkante 4 und einer Hinterkante 5 auf. Diese Turbinenschaufel 1 ist einer Gehäusewand 11 gegenüberliegend angeordnet und ist an ihrer Schaufelspitze 3 mit einem sich quer zur Schaufelspitze 3 erstreckenden Deckbandelement 8 ausgestattet. Sie wird von einer Heissgasströmung 12 während des Betriebes der Turbine angeströmt. Das Deckbandelement 8 bildet mit den anderen (nicht dargestellten) Turbinenschaufeln 1 ein durchgehendes, mechanisch stabilisiertes Deckband. Die Turbinenschaufel 1 ist im Inneren teilweise hohl und von einem oder mehreren Hohlräumen 6 durchzogen, die Kühlluft 7 vom (in der Fig. 1 nicht dargestellten) Schaufelfuss bis in die Schaufelspitze 3 leiten. Das Deckbandelement 8 hat auf seiner Oberseite mindestens zwei parallel in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze 3 verlaufende Dichtrippen 9, die zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand 11 der Gasturbine eine durch Spalte mit der Umgebung verbundene Kavität 10 bilden. Das Deckbandelement 8 ist nur in einem mittleren Bereich des Schaufelblattes 2 angeordnet (besser sichtbar in der Fig. 2), d. h. es handelt sich um ein sogenanntes partielles Deckband. Die gegenüberliegende Gehäusewand 11 ist üblicherweise mit einem leicht abreibbaren Belag wie zum Beispiel Honigwaben ausgeführt. Wie aus der Fig. 1 entnehmbar ist das Deckbandelement 8 mit Kühlkanälen 13, 14 durchzogen.
Wie aus der Fig. 2, welche eine Ansicht gemäss dem Schnitt II-II in der Fig. 1 zeigt, ersichtlich, befindet sich der Hohlraum 6 in Verbindung mit den ersten Kühlkanälen 13. Diese ersten Kühlkanäle 13 sind in Rotationsrichtung der Turbinenschaufel 1 vom Hohlraum 6 zur einer seitlichen Kante 15 des Deckbandelements 8 hin angeordnet, wie dies auch in der Fig. 3, welche den Schnitt III-III in der Fig. 2 zeigt, sichtbar ist. Zur Einstellung der Kühlluftmenge befinden sich in den ersten Kühlkanälen 13 in unmittelbarer Nähe zum Hohlraum 6 Drosselstellen 17. Diese ersten Kühlkanäle 13 münden derart in den seitlichen Kanten 15 des Deckbandelements 8 in weitere Kühlkanäle 14, dass die üblicherweise verstärkt ausgeführten Kanten 15 durch (Prall-)Kühlung effizienter als bisher gekühlt werden können. Diese Aufdickung (engl. shroud rail, sichtbar in der Fig. 3) der seitlichen Kante 15 ist aus mechanischen Gründen besonders wichtig. Eine gute Kühlung ist deshalb wichtig, da die mechanische Festigkeit mit zunehmender Temperatur sinkt und so ein Versagen des ganzen Deckbandelements 8 auftreten kann.
Die weiteren Kühlkanäle 14 wiederum verlaufen in annähernd paralleler Richtung zu der die Turbinenschaufel 1 umgebenden Heissgasströmung 12 und münden an der der Hinterkante 5 der Turbinenschaufel 1 zugewandten Aussenkante 16 hinter der zweiten bzw. allgemein gesprochen hinter der letzten Dichtrippe 9 (gesehen in Richtung der Hinterkante 5 der Turbinenschaufel 1) in den Aussenraum. Dadurch steht der Kühlluft ein geringerer Gegendruck entgegen, wodurch eine Verringerung des Speisedrucks ermöglicht wird. Denkbar ist gemäss dieser Erfindung im Prinzip jeder beliebige Verlauf der weiteren Kühlluftkanäle 14, sofern der Austritt der Kühlluftbohrungen in den Aussenraum hinter der zweiten bzw. hinter der letzten Dichtrippe 9 angeordnet ist und dem Zweck der Kühlung dient. Die weiteren Kühlkanäle 14 können sich beispielsweise in den seitlichen Kanten des Deckbandelements 8 befinden, so dass die seitliche Kanten 15 neben der Prallkühlung durch Konvektion kühlbar sind.
Vorteilhaft kann weiter durch diese erfinderische Anordnung der weiteren Kühlkanälen 14 die Kühlluft 7, welche durch das Deckbandelement 8 strömt, in Richtung der Heissgasströmung 12 in den die Turbinenschaufel 1 umgebenden Aussenraum eingeblasen werden. Dadurch werden die Sekundärverluste reduziert, da eine Beschleunigung und eine Umlenkung in Richtung der Hauptströmung, wie bei tangentialen Austritten bekannt, entfällt. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Turbinenschaufel
2 Schaufelblatt
3 Schaufelspitze
4 Vorderkante
5 Hinterkante
6 Hohlraum
7 Kühlluft
8 Deckbandelement
9 Dichtrippe
10 Kavität
11 Gehäusewand
12 Heissgasströmung
13 Erster Kühlkanal
14 Weiterer Kühlkanal
15 Kante des Deckbandelements 8, seitlich
16 Aussenkante des Deckbandelements 8, hinten
17 Drosselstelle

Claims

1. Turbinenschaufel (1), welche ein Schaufelblatt (2) mit einer Vorder- (4) und einer Hinterkante (5) und einer Schaufelspitze (3) und an der Schaufelspitze (3) ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement (8) aufweist,
wobei das Deckbandelement (8) zwecks Kühlung von einer Mehrzahl von ersten Kühlkanälen (13) durchzogen ist, welche eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel (1) zur Schaufelspitze (3) verlaufenden Hohlraum (6) in Verbindung stehen,
wobei die ersten Kühlkanäle (13) in dem Deckbandelement (8) vom Hohlraum (6) zu einer seitlichen Kante (15) des Deckbandelements (8) verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Kühlkanäle (13) derart in weitere Kühlkanäle (14) münden, dass die seitliche Kante (15) des Deckbandelements (8) durch Prallkühlung kühlbar ist.

2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (14) an der der Hinterkante (5) der Turbinenschaufel (1) zugewandten Aussenkante (16) des Deckbandelements (8) in den Aussenraum münden.

3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kühlkanäle (13) zumindest annähernd parallel zur Bewegungsrichtung der Turbinenschaufel (1) verlaufen.

4. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (14) im wesentlichen annähernd parallel zu der die Turbinenschaufel (1) umgebenden Heissgasströmung (12) angeordnet sind.

5. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (14) sich in den seitlichen Kanten (15) des Deckbandelements (8) befinden.

6. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (14) in Richtung der Heissgasströmung (12) der die Turbinenschaufel (1) umgebenden Heissgase (12) in den Aussenraum münden.

7. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckbandelement (8) nur in einem mittleren Bereich des Schaufelblatts (2) vorhanden ist.

8. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Deckbandelements (8) mindestens zwei parallel zur Rotationsrichtung verlaufende, voneinander beabstandete Dichtrippen (9) vorgesehen sind, welche im Zusammenwirken mit der der Turbinenschaufel (1) gegenüberliegenden Gehäusewand (11) eine Kavität (10) bilden.

9. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kühlkanäle (14) hinter der letzten Dichtrippe (9) in den Aussenraum münden.

10. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine ist.