DE19648380A1 - Gekühlte Laufschaufel oder Leitschaufel für eine Gasturbine - Google Patents
Gekühlte Laufschaufel oder Leitschaufel für eine GasturbineInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet
des Turbinenbaus und kann bei Gasturbinen verwendet
werden, die für verschiedene Zwecke mit gekühlten
Laufschaufeln oder Leitschaufeln versehen sind. Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Schaufel für eine
Gasturbine mit mindestens einem Kühldurchgang in der
Schaufel und mindestens einer inneren länglichen
Trennwand, die einen Teil der Wand des mindestens einen
Kühldurchgangs bildet.
Aus dem U.S.-Patent Nr. 3854842 ist eine
gekühlte Laufschaufel für eine Gasturbine bekannt, die
einen mit einer Kühlmittelquelle verbundenen Hohlraum
aufweist. Der Hohlraum wird durch eine dadurch
verlaufende Kühlluftströmung gekühlt. Eine gekühlte
Leitschaufel aus dem U.S.-Patent Nr. 4193738 bietet
eine analoge technische Lösung.
Bei den bekannten Ausführungen von
Kühldurchgängen besteht jedoch aufgrund der
unausgeglichenen Wärmeströmung des Gases zur Schaufel
von außen und aufgrund der großen Auswirkung der
geometrischen Form der verschiedenen Profilflächen auf
die Kühlung ein sehr unausgeglichener Kühlungsgrad.
Insbesondere in Verbindung mit der wesentlich
vergrößerten Intensität der Wärmeströmung des Gases zu
der Wand der Schaufel, gegen die das Arbeitsmedium
strömt, und in Zusammenhang mit dem ungünstigen Einfluß
der geometrischen Form der Schaufelwand auf die Kühlung
ist die Wirksamkeit der letzteren in der Regel
vermindert.
Dieser Mangel wird zum großen Teil bei einer
anderen bekannten Ausführung eines Kühlbereichs die
aus dem U.S.-Patent Nr. 3807892 bekannt ist, beseitigt.
Bei diesem Kühlsystem sind geradlinige Trennwände in
dem Hohlraum der Schaufel eingesetzt, die den
Innenhohlraum in mehrere getrennte Hohlräume
(mindestens zwei), die mit der Kühlmittelquelle
verbunden sind, unterteilen. Bei diesem Kühlsystem ist
es aufgrund des Vorhandenseins getrennter Hohlräume
möglich, die innere Wärmeübertragung von der
Schaufelwand auf das Kühlmittel in verschiedenen
Bereichen der Schaufel örtlich zu verstärken, und zwar
insbesondere an der Wand der Schaufel, gegen die das
Arbeitsmedium strömt, wodurch die Wirksamkeit seiner
Kühlung erhöht wird. Dies führt wiederum zu einer
ausgeglicheneren Kühlung der Schaufel insgesamt.
Eine derartige Ausführung eines Kühlbereichs
weist jedoch einen wesentlichen Mangel auf, der in
folgendem liegt. Die Wand der Schaufel, auf die das
heiße Gas direkt auftrifft und deren Außenfläche es
berührt, weist in ortsfestem Zustand eine höhere
Temperatur auf als die inneren geradlinigen Trennwände,
die von dem relativ kalten Kühlmittel berührt werden.
Der Unterschied zwischen den Temperaturen, d. h.
zwischen den Wänden der Schaufel und den inneren
geradlinigen Trennwänden, kann hohe Werte von 400 K und
darüber betragen. Infolgedessen ist die Wärmeausdehnung
der Schaufelwand wesentlich größer als die
Wärmeausdehnung der inneren geradlinigen Trennwände. Da
die Wand der Schaufel und die innere geradlinige
Trennwand untrennbar miteinander verbunden sind, führt
diese unterschiedliche Wärmeausdehnung zu einer
bedeutenden Spannungsbeanspruchung in den Trennwänden.
Diese großen Spannungsbeanspruchungen in den
Trennwänden sind unvermeidlich, da die geradlinige Form
der letzteren ihre geringe Flexibilität und folglich
größere Längssteifigkeit verursacht. Alle Bereiche der
geradlinigen Trennwände, einschließlich ihrer Mitte,
bei der es sich um den kältesten Bereich handelt,
werden dazu gezwungen, sich in der Länge genausoweit
auszudehnen wie die Wärmeausdehnung der heißen Wand der
Schaufel. Infolgedessen entwickeln sich beträchtliche
Spannungsbeanspruchungen, die in den kältesten
mittleren Bereichen der Trennwände besonders stark
sind. Diese Spannungen vermindern die Lebensdauer und
Zuverlässigkeit der Schaufeln.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem
besteht in der Beseitigung der obengenannten Mängel und
in der Erhöhung der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit
der Schaufel.
Das Problem wird durch eine Schaufel für eine
Gasturbine gelöst, die mindestens einen inneren
Kühldurchgang und mindestens eine innere Trennwand
aufweist, die ein Teil der Wand des mindestens einen
Kühldurchgangs ist, wobei die Trennwand gewellt
ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß gestattet diese technische
Lösung eine Verminderung der Spannungsbeanspruchungen
in der Trennwand. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
aufgrund der Wellenform der Trennwand ihr mittlerer
Bereich, der gleich weit von einer konkaven Seitenwand
und einer konvexen Seitenwand der Schaufel entfernt
ist, eine wesentlich größere Flexibilität aufweist und
folglich im Vergleich zu einer geradlinigen Trennwand
weniger steif ist. Infolgedessen kann der mittlere
Bereich der Trennwand während der Wärmeausdehnung im
Betrieb möglicherweise weniger gedehnt werden als die
heiße Wand der Schaufel. Dies ist der Hauptunterschied
zwischen der Art, in der eine gewellte Trennwand gemäß
der vorliegenden Erfindung verformt wird und der oben
erläuterten bekannten Art bei einer geradlinigen
Trennwand, deren mittlerer Bereich dazu gezwungen wird,
sich in der Länge genauso weit auszudehnen wie die
Wärmeausdehnung der heißen Wand der Schaufel. Weniger
Formänderungen des mittleren Bereichs der gewellten
Trennwand führen zu einer Verminderung der
Spannungsbeanspruchungen und folglich zu einer Erhöhung
der Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Schaufel.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Schaufel verläuft die Längsrichtung der Scheitel und
Täler der gewellten Trennwand rechtwinklig zur Richtung
der gewellten Trennwand.
Die Wellen der Trennwand können aus
kreisförmigen Teilen, Dreiecks-, Trapez-, Sinus- oder
Mäanderformen oder einer Kombination daraus gebildet
sein. Eine Kombination aus kreisförmigen Teilen wird
bevorzugt, da sie leichter als andere Formen
hergestellt werden kann.
Die gewellte Trennwand kann zur Erzielung
einer besseren Konvektion des Kühlmittels mit Löchern
versehen sein.
Angesichts der Tatsache, daß die Temperatur
des gegen die Wand der Schaufel strömenden Gases in dem
mittleren Bereich der Schaufel von größter Bedeutung
ist, ist zum Zwecke einer besseren Kühlung der
Vorderkante in dem Bereich der Mindestabstand der
gewellten Trennwand von der Wand der Schaufel, gegen
die das Arbeitsmedium strömt, im mittleren Teil der
Trennwand kleiner als an mindestens einem Ende der
Trennwand.
Zur Verbesserung der Kühlung ragen an einer
der gewellten Trennwand gegenüberliegenden Wand Rippen
parallel zur Richtung der Scheitel und Täler der Wellen
der Trennwand zur gewellten Trennwand.
Diese Rippen sind vorzugsweise senkrecht an
der der gewellten Trennwand gegenüberliegenden Wand
angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Schaufel ist jede Rippe entweder gegenüber einem
Scheitel der gewellten Trennwand oder einem Tal der
gewellten Trennwand angeordnet, wobei die Scheitel zu
der Wand weisen, an der die Rippen vorgesehen sind,
während die Täler von dieser Wand weg weisen.
Um zu verhindern, daß sich die Kühlintensität
in dem Bereich vermindert, in dem der Kühldurchgang
aufgrund der Wellenform der Trennwand am breitesten
ist, ragen die den Tälern der gewellten Trennwand
gegenüberliegenden Rippen weiter hinaus als die den
Scheiteln der gewellten Trennwand gegenüberliegenden
Rippen.
Um zu verhindern, daß sich die Kühlintensität
in dem Bereich vermindert, in dem der Kühldurchgang
aufgrund der Wellenform der Trennwand am breitesten
ist, ragt an einer der gewellten Trennwand
gegenüberliegenden Wand mindestens ein Stift zu der
gewellten Trennwand und ist gegenüber einem Tal der
gewellten Trennwand angeordnet.
Die Erfindung wird unten anhand von
Beispielen ihrer Ausführung, wobei diese den
Schutzbereich möglicher Ausführungsarten jedoch nicht
einschränken, und von Darstellungen ausführlicher
beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer ersten
Ausführungsform einer Laufschaufel;
Fig. 2 den Querschnitt der Schaufel entlang
der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 einen Längsschnitt einer zweiten
Ausführungsform der Schaufel;
Fig. 4 den Querschnitt der Schaufel entlang
der Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 einen Längsschnitt einer dritten
Ausführungsform der Schaufel;
Fig. 6 den Querschnitt der Schaufel entlang
der Linie VI-VI in Fig. 5;
Fig. 7 einen Teil des Längsschnitts der
gewellten Trennwand.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Laufschaufel
1 ist mit ihrem Fußteil 2 mit der Rotorwelle 3 der
Gasturbine verbunden und von einem Gehäuse 4 umgeben,
das den Strömungskanal begrenzt, in den das Gas in
Richtung des Pfeils A strömt.
Im Innern der Laufschaufel 1 ist ein
Innenhohlraum 6 ausgebildet, der im Hinterkantenbereich
7 der Schaufel 1 in einen Ausströmspalt 8 mündet. In
dem Bereich des Fußteils 2 ist der Innenhohlraum 6 mit
einer Kühlmittelquelle 9 verbunden.
An der Einlaßkante der Laufschaufel 1 ist der
Innenhohlraum 6 von einer ersten Wand 10 begrenzt, die
sich im wesentlichen radial erstreckt. In dem
Innenhohlraum 6 ist eine Trennwand 11 angeordnet, die
sich ebenfalls im wesentlichen radial erstreckt und an
den Innenflächen einer konkaven Seitenwand 19 und einer
konvexen Seitenwand 20 der Schaufel 1 befestigt ist.
Die erste Wand 10 befindet sich gegenüber der Trennwand
11.
In dem Bereich über dem Fußteil 2 ist die
Trennwand 11 wellenförmig ausgebildet. Die Wellen
erstrecken sich rechtwinklig zur Strömungsrichtung des
Kühlmittels. Scheitel 12, 12′ und Täler 13, 13′ der
gewellten Trennwand 11 weisen zur ersten Wand 10 bzw.
von der ersten Wand 10 weg. Zwischen der Trennwand 11
und der ersten Wand 10 ist im Bereich des Fußteils 2
eine Einlaßöffnung 14 für das Einströmen eines von
einer Quelle 9 zugeführten Kühlmittels (z. B. Luft) in
einen durch die erste Wand 10, die gewellte Trennwand
11, einen Teil der konkaven Seitenwand 19 der Schaufel
1 und einen Teil der konvexen Seitenwand 20 der
Schaufel 1 gebildeten Kühldurchgang 15.
Gegenüber jedem Scheitel 12, 12′ bzw. jedem
Tal 13, 13′ der gewellten Trennwand 11 sind Rippen 16
in einem Kühlkanal 15 an der Innenfläche der ersten
Wand 10 vorgesehen, wobei sich die Rippen parallel zur
Längsrichtung der Scheitel 12, 12′ und der Täler 13,
13′ erstrecken.
Die Ausführung der in den Fig. 3 und 4
gezeigten Schaufel 1 unterscheidet sich von der in den
Fig. 1 und 2 gezeigten darin, daß die gegenüber den
Tälern 13, 13′ der gewellten Trennwand 11, d. h. in
jedem Bereich, in dem der Kühldurchgang 15 am
breitesten ist, angeordneten Rippen 17 weiter hinaus
ragen als die gegenüber den Tälern 13, 13′ der
gewellten Trennwand 11 angeordneten Rippen 16.
Die Ausführung der in den Fig. 5 und 6
gezeigten Schaufel 1 unterscheidet sich von der in den
Fig. 3 und 4 gezeigten darin, daß anstatt der langen
Querrippen 17 mindestens ein Stift 18 vorgesehen ist,
der sich an der ersten Wand 10 befindet, zu der
gewellten Trennwand 11 ragt und gegenüber den Tälern
13, 13′ der gewellten Trennwand 11 angeordnet ist.
In Fig. 7 wird eine bevorzugte
Ausführungsform der gewellten Trennwand 11 gezeigt, bei
der die Scheitel 12 und Täler 13 der gewellten
Trennwand 11 Abschnitte eines Kreises bilden, was die
leichteste Weise der Herstellung der gewellten
Trennwand 11 darstellt.
Obgleich es sich bei dem zur
Veranschaulichung ausgewählten Beispiel um eine
Laufschaufel 1 handelt, gilt das gleiche auch für eine
Leitschaufel einer Gasturbine.
Die Gasturbine funktioniert derart, daß
heißes Gas in Richtung des Pfeils A in Fig. 1 gegen die
Laufschaufeln 1 und weiter durch einen Kanal zwischen
den Schaufeln 1 strömt und dabei auf die Schaufeln
aerodynamische Kraft ausübt. Eine Umfangskomponente
dieser Kraft, die die Richtung des Pfeils B in Fig. 2
aufweist, bewirkt, daß sich die Laufschaufeln 1 und der
Rotor 3 der Turbine, der durch den Fußteil 2 mit den
Schaufeln verbunden ist, drehen.
Das von der Quelle 9 in den Innenhohlraum 6
und insbesondere in den Kühldurchgang 15 strömende
Kühlmittel kühlt alle Bereiche der Laufschaufel 1,
einschließlich der ersten Wand 10. Die Einströmöffnung
14 leitet das von der Quelle 9 zugeführte Kühlmittel in
den Kühldurchgang 15. Nachdem das Kühlmittel den
Innenhohlraum 6 und insbesondere den Kühldurchgang 15
passiert hat, strömt es in den Strömungsbereich der
Turbine durch den Ausströmspalt 8 und teilweise durch
Öffnungen im Endbereich der Laufschaufel 1, die sich
gegenüber dem Fußteil 2 befinden, in den
Strömungsbereich der Turbine aus.
Da die Trennwand 11 wellenförmig ist, wobei
die Wellen durch die Wellenscheitel 12, 12′ und die
Täler 13, 13′, ihren mittleren Bereich, der sich gleich
weit von der konkaven Seitenwand 19 und der konvexen
Seitenwand 20 der Schaufel 1 entfernt befindet,
gebildet werden, ist sie wesentlich flexibler und
folglich weniger steif im Vergleich zu einer
geradlinigen Trennwand. Bei der Wärmeausdehnung während
des Arbeitsprozesses dehnt sich der mittlere Bereich
der gewellten Trennwand 11 infolgedessen weniger aus
als die heißen Wände der Schaufel 1. Dies führt zu
einer geringeren Spannungsbeanspruchung und folglich zu
einer längeren Lebensdauer und größeren Zuverlässigkeit
der Schaufel.
Ein geringerer Mindestabstand zwischen der
gewellten Trennwand 11 und der ersten Wand 10, gegen
die das Arbeitsmedium strömt, im Vergleich zu
mindestens an einem Ende der gewellten Trennwand 11
gestattet eine verbesserte Kühlung der ersten Wand 10
In dem entsprechenden Bereich, in dem in der Regel das
gegen die Laufschaufel 1 strömende Gas am heißesten
ist.
Die im Kühldurchgang 15 an der ersten Wand 10
gegenüber jedem der Scheitel 12, 12′ und der Täler 13,
13′ der gewellten Trennwand 11 angeordneten Rippen 16,
17 gestatten eine verbesserte innere Wärmeübertragung
in dem Kühldurchgang 15 und erhöhen aus diesem Grunde
die Wirksamkeit der Kühlung der ersten Wand 10.
Erstrecken sich die gegenüber den Tälern 13,
13′ der gewellten Trennwand 11, d. h. in den Bereichen,
in denen der Kühldurchgang 15 aufgrund der Wellenform
der Trennwand 11 am breitesten ist, angeordneten Rippen
17 weiter als die gegenüber den Scheiteln 12, 12′ der
gewellten Trennwand 11 angeordneten Rippen 16, kann in
diesen Bereichen eine Verminderung der Intensität der
Kühlung der ersten Wand 10 verhindert und eine
ausreichende Wirksamkeit der Kühlung erreicht werden.
Ist mindestens ein Stift 18 an der
Innenfläche des Kühldurchgangs 15 befestigt, der den
Bereich eines Tals 13, 13′ der gewellten Trennwand 11,
d. h. den Bereich, in dem der Kühldurchgang 15 aufgrund
der Wellenform der Trennwand 11 am breitesten ist,
teilweise ausfüllt, kann eine Verminderung der
Intensität der Kühlung der ersten Wand 10 in diesem
Bereich verhindert und eine ausreichende Wirksamkeit
der Kühlung erreicht werden.
Die Wellen der Trennwände können aus
kreisförmigen Teilen, Dreiecks-, Trapez-, Sinus- oder
Mäanderformen oder einer Kombination daraus gebildet
sein. Die gewellte Trennwand kann zur Erzielung einer
besseren Luftkonvektion auch mit Löchern versehen sein.
Das Bilden der Scheitel 12, 12′ und Täler 13,
13′ der gewellten Trennwand 11 aus Abschnitten eines
Kreises stellt die leichteste Art der Herstellung der
gewellten Trennwand 11 dar.
Claims (10)
1. Schaufel (1) für eine Gasturbine mit
mindestens einem Kühldurchgang (15) in der Schaufel (1)
und mindestens einer inneren länglichen Trennwand (11),
die einen Teil der Wand des mindestens einen
Kühldurchgangs (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trennwand (11) wellenförmig ist.
2. Schaufel (1) für eine Gasturbine, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längsrichtung der Scheitel (12,
12′) und Täler (13, 13′) der gewellten Trennwand (11)
quer zur Längsrichtung der gewellten Trennwand (11)
verläuft.
3. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wellenform der Trennwand (11) aus Teilen von
Kreisen, Dreiecks-, Trapez-, Sinus- oder Mäanderformen
oder einer Kombination daraus gebildet sein kann.
4. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die gewellte Trennwand (11) zur Erzielung einer
besseren Konvektion des Kühlmittels mit Löchern
versehen ist.
5. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mindestabstand zwischen der gewellten Trennwand
(11) und einer ersten Wand (10) der Schaufel (1), gegen
die das Arbeitsmedium strömt, im mittleren Teil der
Trennwand (11) kleiner ist als an mindestens einem Ende
der Trennwand (11).
6. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß an einer der gewellten Trennwand (11)
gegenüberliegenden Wand (10) Rippen (16, 17) parallel
zur Längsrichtung der Scheitel (12, 12′) und Täler (13,
13′) der gewellten Trennwand (11) vorgesehen sind, die
zur gewellten Trennwand (11) ragen.
7. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach
Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (16, 17)
senkrecht an der der gewellten Trennwand (11)
gegenüberliegenden Wand (10) angeordnet sind.
8. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (16,
17) so angeordnet sind, daß sich jede entweder
gegenüber einem der Scheitel (12, 12′) der gewellten
Trennwand (11) oder einem der Täler (13, 13′) der
gewellten Trennwand (11) befindet.
9. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach
Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Tälern
(13, 13′) der gewellten Trennwand (11)
gegenüberliegenden Rippen (17) weiter hinausragen als
die den Scheiteln (12, 12′) der gewellten Trennwand
(11) gegenüberliegenden Rippen (16).
10. Schaufel (1) für eine Gasturbine nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß an der der gewellten Trennwand (11)
gegenüberliegenden Wand (10) mindestens ein Stift (18)
vorgesehen ist, der zu der gewellten Trennwand (11)
ragt und gegenüber den Tälern (13, 13′) der gewellten
Trennwand (11) angeordnet ist.
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