DE10331635B4 - Gekühlte Schaufel für eine Gasturbine - Google Patents
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Abstract
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Eine solche Schaufel ist z. B. aus der Druckschrift
DE 32 48 162 A1 bekannt. - STAND DER TECHNIK
- Bei modernen Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad werden mit einem Deckband versehene Schaufeln eingesetzt, die während des Betriebes Heissgasen mit Temperaturen von mehr als 1200 K und Drücken von mehr als 6 bar ausgesetzt sind.
- In
1 ist eine grundlegende Konfiguration einer solchen Schaufel mit Deckband dargestellt. Die Schaufel10 umfasst ein Schaufelblatt11 , dass nach unten zu über einen Schaufelschaft25 in einen Schaufelfuss12 übergeht. Am oberen Ende geht das Schaufelblatt11 in einen Deckbandabschnitt21 über, der bei einem vollständigen Schaufelkranz zusammen mit den Deckbandabschnitten der anderen Schaufeln ein geschlossenes, ringförmiges Deckband bildet. Das Schaufelblatt11 hat eine Vorderkante19 , die von dem Heissgas angeströmt wird, und eine Hinterkante20 . Im Inneren des Schaufelblattes11 sind mehrere radiale Kühlkanäle13 ,14 und15 angeordnet, die durch Umlenkbereiche17 ,18 untereinander strömungsmässig verbunden sind und eine Serpentine mit mehreren Windungen bilden (siehe die Strömungspfeile in den Kühlkanälen13 ,14 ,15 der1 ). - Aufgrund des Einmaldurchlaufs des Kühlmediums durch die serpentinenartig hintereinandergeschalteten Kühlkanäle
13 ,14 ,15 strömt das Kühlmedium mit zunehmender Temperatur durch die Kühlkanäle und erreicht die höchste Temperatur im letzten Kühlkanal15 der Hinterkante20 . Die Hinterkante20 der Schaufel10 kann daher unter bestimmten Betriebsbedingungen übermässige hohe Temperaturen des Kühlmediums und des Schaufelmaterials bzw. -metalls erreichen. Die sich daraus ergebende Fehlanpassung der Metalltemperatur über die axiale Länge der Schaufel kann zum Hochtemperaturkriechen und folglich zur Deformation der Hinterkante20 führen. Für eine Schaufel mit Deckband, wie sie in1 gezeigt ist, ergibt sich als sekundärer Effekt der Hinterkantendeformation eine Verkippung der Deckbandsegmente21 in axialer, radialer und Umfangsrichtung. Die Verkippung der Deckbandsegmente21 kann dazu führen, dass sich die Spalte zwischen einzelnen Deckbandsegmenten öffnen und den Eintritt von Hochtemperatur-Heissgas in den Deckband-Hohlraum ermöglichen. Infolge davon können sich die Temperaturen des Deckband-Metalls signifikant erhöhen und schnell ein Kriechen des Deckbandes einleiten und schliesslich zum Hochtemperaturausfall des Deckbandes führen. - In der Druckschrift
US-A-4,278,400 ist für Schaufeln mit gekühlter Spitze und fein verteilten Kühlöffnungen an der Vorderkante (Filmkühlung) bereits eine Mehrfachversorgung bei der Kühlung der Schaufel vorgeschlagen worden. Am Ende einer 90°-Umlenkung des Hauptkühlstromes ist quer zur Strömungsrichtung des Hauptkühlstromes ein Ejektor angeordnet, durch den ein zusätzlicher Strom kühleren Kühlmediums in den an der Hinterkante entlanglaufenden Kühlkanal injiziert wird. Der Ejektor wird über einen radial durch den Fuss laufenden Kanal mit Kühlmedium versorgt. Das aus der Düse des Ejektors mit erhöhter Geschwindigkeit ausströmende Kühlmedium erzeugt einen Unterdruck, der das erwärmte Kühlmedium aus dem Kühlkanal der Vorderkante in den Kühlkanal der Hinterkante zieht. Etwa 45% des an der Vorderkante entlangströmenden Kühlmediums treten durch die Kühlöffnungen an der Vorderkante aus. 40% werden durch den Injektor angesaugt. Der Rest tritt durch Kühlöffnungen an der Schaufelspitze aus. - Diese bekannte Art der Mehrfachversorgung mit Kühlmedium hat verschiedene Nachteile: Durch den Injektor werden die Druckverhältnisse und Strömungsverhältnisse in den Kühlkanälen gegenüber der Konfiguration mit Einfachversorgung durch den Eingang des Kühlkanals an der Vorderkante massiv verändert. Insbesondere muss ein Gleichgewicht zwischen dem an der Vorderkante zur Filmkühlung ausströmenden Kühlmedium und dem durch den Injektor angesaugten Kühlmedium gefunden und eingestellt werden. Dies bedingt eine völlig neue konstruktive Auslegung der Schaufelkühlung, die nur schwer an sich ändernde Anforderungen angepasst werden kann. Das Injektorprinzip und die damit verbundene Unterdruckerzeugung sind nicht geeignet für Schaufeln ohne Filmkühlung der Vorderkante und Schaufeln mit gekühltem Deckband.
- Eine alternative Ausführungsform einer gekühlten Gasturbinenschaufel offenbart
DE 32 48 162 A1 . Innerhalb des Schaufelblatts ist zwischen der Schaufelvorderkante und der Schaufelhinterkante eine Mehrzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden, mäanderförmig hintereinandergeschalteten Kühlkanälen zum Hindurchleiten eines Kühlmediums, in diesem Falle Kühlluft, zur konvektiven Kühlung der Schaufel angeordnet. Aus einer Kühlluftquelle, in der Regel dem Verdichter, strömt die Kühlluft in den ersten Kühlkanal ein, welcher sich entlang der Vorderkante erstreckt. Ein zweiter Kühlkanal verläuft entlang der Hinterkante vom Schaufelfuss zur Schaufelspitze. Der Ausgang des ersten Kühlkanals steht über einen ersten Umlenkbereich, einen zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkanal angeordneten dritten Kühlkanal und einen zweiten Umlenkbereich mit dem Eingang des zweiten Kühlkanals in Verbindung, wobei erste Mittel vorgesehen sind, durch welche dem von dem dritten Kühlkanal in den zweiten Kühlkanal strömenden, aufgewärmten Hauptstrom des Kühlmediums nach Maßgabe der Einsatzbedingungen der Schaufel über einen radialen Kühlkanal von der Kühlluftquelle ein Zusatzstrom kühlerer Kühlluft zugesetzt werden kann, und zweite Mittel in Form von Durchlassbohrungen vorgesehen sind, um Kühlluft aus dem ersten Kühlkanal direkt in den zweiten Kühlkanal im Bereich der Schaufelspitze einzuleiten, um eine hinreichende Kühlung des gesamten Bereichs der Hinterkante zu gewährleisten. Ein Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass eine zuverlässige und dauerhafte Einstellung der einzelnen Kühlmittelströme während des betrieblichen Einsatzes nur schwierig aufrechtzuerhalten ist. - Eine weitere Alternative einer konvektiv gekühlten Gasturbinenschaufel mit zwischen Schaufelfuss und Schaufelspitze mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen beschreibt die Druckschrift
US 2002/0119045 - DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Schaufel für Gasturbinen mit Mehrfachversorgung des Kühlmediums zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile bekannter Schaufeln vermeidet, auf Schaufeln mit gekühltem Deckband und ohne Filmkühlung der Vorderkante anwendbar ist, und sich auch bei vorhandenen Schaufelkonfigurationen leicht und ohne grossen zusätzlichen Aufwand verwirklichen lässt.
- Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Zusatzstrom über quer durch die Schaufel bzw. den Schaufelschaft verlaufende, mit dem Umlenkbereich in Verbindung steht. Der Druck und die Temperatur des durch die Kernöffnung zugeführten Zusatzstroms sind dabei dieselben, wie beim in den Hauptkühleinlass einströmenden Hauptstrom. Durch die Zuführung über die Bohrungen wird eine Mischung der beiden Ströme erreicht, die zu einer deutlich verbesserten Kühlung der Hinterkante der Schaufel führt.
- Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei einander gegenüberliegende Bohrungen vorgesehen welche in Strömungsrichtung schräg nach oben verlaufen und mit der Vertikalen jeweils einen Winkel zwischen 30° und 90° einschliessen. Insbesondere sind die Bohrungen in radialer und axialer Richtung gestaffelt angeordnet, wobei die Bohrungen einen vorgegebenen Innendurchmesser aufweisen, der radiale Abstand der Bohrungen, normiert auf den Innendurchmesser, im Bereich zwischen 1 und 4 liegt, der axiale Abstand, normiert auf den Innendurchmesser, im Bereich zwischen 0 und 3 liegt, und der radiale Abstand der oberen Bohrung von dem zweiten Umlenkbereich, normiert auf den Innendurchmesser, im Bereich zwischen 1 und 4 liegt.
- Für die Realisierung der Mehrfachzuführung bei bereits vorliegenden Schaufelkonfigurationen ist es besonders günstig, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform zweite Mittel vorgesehen sind, welche sicherstellen, dass der Hauptstrom des Kühlmediums durch den ersten Kühlkanal trotz dem Zusetzen des Zusatzstromes im wesentlichen unverändert bleibt. Insbesondere wird dies dadurch erreicht, dass die zweiten Mittel zusätzliche Auslassöffnungen umfassen, welche zwischen dem Hauptkühleinlass und dem zweiten Umlenkbereich angeordnet sind, und durch welche ein Teilstrom des Hauptstroms des Kühlmediums austritt. Besonders günstig ist es dabei, wenn gemäss einer Weiterbildung die Schaufel am oberen Ende einen Deckbandabschnitt aufweist, und die zusätzlichen Auslassöffnungen im Deckbandabschnitt angeordnete Bohrungen sind. Hierdurch wird gleichzeitig eine deutlich verbesserte Kühlung des Deckbandes ermöglicht.
- Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
-
1 im Längsschnitt die Konfiguration einer gekühlten Gasturbinenschaufel mit Mehrfachversorgung des Kühlmediums und gekühltem Deckband gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 den Fussbereich der Schaufel aus1 in einer vergrösserten Darstellung mit zwei Bohrungen zur Zuführung des Kühlmedium-Zusatzstroms; -
3 ,4 jeweils einen Schnitt durch den Fuss der Schaufel aus2 in einer zu der Schnittebene der2 senkrechten Ebene durch eine der beiden Bohrungen zur Zuführung des Kühlmedium-Zusatzstroms; -
5 in der Draufsicht von oben den Deckbandabschnitt der Schaufel aus1 ,2 ; und -
6 –8 verschiedene Schnitte durch den Deckbandbereich der Schaufel aus1 ,2 entlang der in5 eingezeichneten parallelen Schnittebenen A-A, B-B und C-C. - WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
- Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer gekühlten Gasturbinenschaufel mit Mehrfachzuführung des Kühlmediums gemäss der Erfindung ist in den
1 bis4 wiedergegeben. Der Hauptstrom des Kühlmediums tritt im Bereich des Schaufelschaftes25 durch einen Hauptkühleinlass16 von unten in den Kühlkanal13 ein und tritt teilweise durch (Öffnungen im Deckbandabschnitt21 (Bohrungen27 , ...,29 in5 bis8 ) und teilweise entlang der Hinterkante20 wieder aus (siehe die in1 eingezeichneten Pfeile am Deckbandabschnitt21 und an der Hinterkante20 ). - Zusätzliches Kühlmedium wird durch den Schaufelschaft
25 und eine im Schaufelfuss vorhanden Kernöffnung24 mittels zweier Bohrungen22 ,23 zugeführt. Die Bohrungen22 ,23 sind – wie aus den2 bis4 gut erkennbar ist – in radialer und in axialer Richtung gestaffelt und liegen einander gegenüber (3 ,4 ). Die Bohrungen22 ,23 sind mit einem Winkel zwischen 30° und 90° gegen die Vertikale geneigt, wobei sie in Strömungsrichtung (von aussen nach innen) schräg nach oben verlaufen. Die Bohrungen22 ,23 enden in der Kernöffnung24 im Schaufelfuss12 . Sie sind damit in dem Bereich der Schaufel10 eingearbeitet, der zum Abstützen und zum Entfernen des Gusskernes dient und damit ohnehin vorhanden ist. Ist keine Kernöffnung vorhanden, d. h., hat der Umlenkbereich18 keine Verbindung nach aussen, können die Bohrungen22 ,23 aber auch weiter oben verlaufen und direkt in den Umlenkbereich18 münden. Weiterhin ist es denkbar, anstelle der Kernöffnung einen radial angeordneten Quarzstab vorzusehen, der eine Verbindung der Bohrungen mit dem Umlenkbereich sicherstellt. - Der Zweck der Mehrfachzuführung von Kühlmedium besteht darin, kühleres Kühlmedium direkt in den Hinterkantenbereich der Schaufel
10 einzuführen. Diese Einführung geschieht so, dass der durch den Hauptkühleinlass16 zugeführte Hauptstrom des Kühlmediums möglichst wenig behindert bzw. blockiert wird. Der axiale Abstand x zwischen den Bohrungen22 und23 liegt, normiert auf den Durchmesser d der Bohrungen22 ,23 , vorzugsweise in einem Bereich von x/d zwischen 0 und 3 (siehe2 ). Der radiale Abstand y zwischen den Bohrungen22 und23 liegt, normiert auf den Durchmesser d, vorzugsweise in einem Bereich von y/d zwischen 1 und 4 (siehe2 ). Der auf d normierte Abstand der oberen Bohrung 22 vom zweiten inneren Umlenkbereich18 liegt vorzugsweise in einem Bereich von I/d zwischen 1 und 4 (2 ). - Zusätzlich zu dieser Zuführung von kälterem Kühlmedium sind im Deckbandabschnitt
21 der Schaufel10 weitere Bohrungen27 ,28 ,29 vorgesehen (5 bis8 ). Der Zweck dieser zusätzlichen Bohrungen27 ,28 ,29 besteht darin, sicherzustellen, dass der Massenstrom des Kühlmediums im vorderen Kühlkanal13 trotz der Zuführung des zusätzlichen Kühlmediums durch die Bohrungen23 ,24 weitgehend unverändert bleibt. Gleichzeitig dient das durch die Bohrungen27 ,28 ,29 austretende Kühlmedium dazu, den Deckbandabschnitt aktiv zu kühlen. Die Kühlbohrungen27 ,28 ,29 im Deckbandabschnitt21 haben vorzugsweise einen Innendurchmesser im Bereich zwischen 0,6 mm und 4 mm. Alle drei Bohrungen27 ,28 ,29 sind am Deckbandabschnitt21 so positioniert und dimensioniert, dass eine ungleichmässige Strahldurchdringung in den Hauptstrom des Deckbandhohlraums stattfindet. - An beiden Zuführungsstellen des Kühlmediums am Hauptkühleinlass
16 und an den Bohrungen22 ,23 hat das Kühlmedium denselben Druck und dieselbe Temperatur. Es findet daher eine Mischung des Kühlmedium-Hauptstroms mit dem Zusatzstrom innerhalb des Umlenkbereiches18 statt, der den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit weitgehend unverändert lässt. Im Umlenkbereich18 erfolgt eine Umlenkung des Hauptstromes um etwa 135°. Der Zusatzstrom wird dann mit Vorteil an einem Punkt des Umlenkbereiches18 zugeführt, wo bereits eine Umlenkung um etwa 90° erfolgt ist. Werden – ausgehend von einer Schaufelkonfiguration ohne Mehrfachzuführung des Kühlmediums – im Bereich des Schaufelfusses12 und im Deckbandabschnitt21 gemäss1 Bohrungen22 ,23 bzw.27 , ...,29 für die Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium vorgesehen, wird die Kühlung im Bereich der Hinterkante20 deutlich verbessert, ohne dass der Hauptkühlstrom und damit die Kühlung der übrigen Schaufel verändert wird. Zusätzlich gewonnen wird eine aktive Kühlung des Deckbandabschnitts21 . - Hat die Schaufel kein Deckband, durch welches ein Teil des Kühlmediumstromes austritt, ist es notwendig, den Querschnitt des zweiten Kühlkanals
15 so zu erweitern, dass er dem im zweiten Umlenkbereich18 zugemischte Zusatzstrom Rechnung trägt. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Schaufel
- 11
- Schaufelblatt
- 12
- Schaufelfuss
- 13, 14, 15
- Kühlkanal
- 16
- Hauptkühleinlass
- 17, 18
- Umlenkbereich
- 19
- Vorderkante
- 20
- Hinterkante
- 21
- Deckbandabschnitt
- 22, 23
- Bohrung
- 24
- Kernöffnung
- 25
- Schaufelschaft
- 27, ..., 29
- Bohrung
- d
- Innendurchmesser der Bohrungen
22 ,23 - I
- Abstand der oberen Bohrung
22 vom zweiten Umlenkbereich - y
- Abstand der Bohrungen
22 ,23 in radialer Richtung - x
- Abstand der Bohrungen
22 ,23 in axialer Richtung
Claims (10)
- Gekühlte Schaufel (
10 ) für eine Gasturbine, welche Schaufel (10 ) ein von einem Schaufelfuss (12 ) und einem Schaufelschaft (25 ) ausgehendes Schaufelblatt (11 ) mit einer Vorderkante (19 ) und einer Hinterkante (20 ) sowie innerhalb des Schaufelblatts (11 ) eine Mehrzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden, strömungsmässig hintereinandergeschalteten Kühlkanälen (13 ,14 ,15 ) aufweist, von denen ein erster Kühlkanal (13 ) entlang der Vorderkante (19 ) und ein zweiter Kühlkanal (15 ) entlang der Hinterkante (20 ) vom Schaufelfuss (12 ) zur Spitze des Schaufelblattes (11 ) von einem Hauptstrom eines Kühlmediums durchströmt werden und der Ausgang des ersten Kühlkanals (13 ) über einen über einen ersten Umlenkbereich (17 ), einen zwischen dem ersten und zweiten Kühlkanal (13 ,15 ) angeordneten dritten Kühlkanal (14 ), und einen zweiten Umlenkbereich (18 ) mit dem Eingang des zweiten Kühlkanals (15 ) in Verbindung steht, wobei erste Mittel (22 ,23 ,24 ) vorgesehen sind, durch welche dem vom dritten Kühlkanal (14 ) in den zweiten Kühlkanal (15 ) strömenden, aufgewärmten Hauptstrom des Kühlmediums von aussen ein Zusatzstrom kühleren Kühlmediums zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel quer durch die Schaufel (10 ) verlaufende Bohrungen (22 ,23 ) umfassen, welche mit dem zweiten Umlenkbereich (18 ) in Verbindung stehen, wobei im Schaufelfuss12 in an sich bekannter Weise eine radial orientierte Kernöffnung24 vorgesehen ist, und die Bohrungen (22 ,23 ) durch den Schaufelschaft (25 ) verlaufen und in die Kernöffnung (24 ) münden. - Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei einander gegenüberliegende Bohrungen (
22 ,23 ) vorgesehen sind, welche in Strömungsrichtung schräg nach oben verlaufen und mit der Vertikalen jeweils einen Winkel zwischen 30° und 90° einschliessen. - Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (
22 ,23 ) in radialer und axialer Richtung gestaffelt angeordnet sind. - Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (
22 ,23 ) einen vorgegebenen Innendurchmesser (d) aufweisen, dass der radiale Abstand (y) der Bohrungen (22 ,23 ), normiert auf den Innendurchmesser (d), im Bereich zwischen 1 und 4 liegt, und dass der axiale Abstand (x), normiert auf den Innendurchmesser (d), im Bereich zwischen 0 und 3 liegt. - Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand (I) der oberen Bohrung (
22 ) von dem zweiten Umlenkbereich (18 ), normiert auf den Innendurchmesser (d), im Bereich zwischen 1 und 4 liegt. - Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Mittel (
27 , ...,29 ) vorgesehen sind, welche sicherstellen, dass der Hauptstrom des Kühlmediums durch den ersten Kühlkanal (13 ) trotz dem Zusetzen des Zusatzstromes im wesentlichen unverändert bleibt. - Schaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel zusätzliche Auslassöffnungen (
27 , ...,29 ) umfassen, welche zwischen dem Hauptkühleinlass (16 ) und dem zweiten Umlenkbereich (18 ) angeordnet sind, und durch welche ein Teilstrom des Hauptstroms des Kühlmediums austritt. - Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (
10 ) am oberen Ende einen Deckbandabschnitt (21 ) aufweist, und dass die zusätzlichen Auslassöffnungen im Deckbandabschnitt (21 ) angeordnete Bohrungen (27 , ...,29 ) sind. - Schaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Deckbandabschnitt wenigstens drei Bohrungen (
27 , ...,29 ) vorgesehen sind, welche einen Innendurchmesser im Bereich zwischen 0,6 mm und 4 mm aufweisen. - Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkanal (
15 ) eine Querschnittserweiterung entsprechend dem zugemischten Zusatzstrom aufweist.
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