DE19648380B4 - Innengekühlte Laufschaufel oder Leitschaufel für eine Gasturbine - Google Patents

Innengekühlte Laufschaufel oder Leitschaufel für eine Gasturbine Download PDF

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Abstract

Innengekühlte Schaufel (1) für eine Gasturbine mit mindestens einem Kühldurchgang (15) in der Schaufel (1) und mindestens einer inneren mit einer Seitenwand (19, 20) der Schaufel untrennbar verbundenen, sich in Längsrichtung der Schaufel zwischen druckseitiger und saugseitiger Seitenwand (19, 20) erstreckenden Trennwand (11), die einen Teil der Wände (11, 19, 20) des mindestens einen Kühldurchgangs (15) in Längsrichtung der Schaufel bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (11) wellenförmig ist.

Description

  • Anwendungsgebiet der Erfindung
  • 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 mit einer Seitenwand der Schaufel untrennbar verbundenen, sich in Längsrichtung der Schaufel zwischen druckseitiger und saugseitiger Seitenwand erstreckenden 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.
  • Von den vorgenannten gattungsgemässen Trennwänden, deren Wesen es ist, untrennbar mit den Seitenwänden der Schaufel verbunden zu sein, zu unterscheiden sind solcherart Trennwände, welche zu Kühlungszwecken in einen Hohlraum der Schaufel eingesetzt werden, und welche nicht oder nur punktuell mit einer Seitenwand der Schaufel verbunden sind.
  • So offenbart DE 1601613 eine hohl ausgeführte Turbinenleitschaufel mit einem Einsatz, welcher im wesentlichen der inneren Kontur der Schaufel angepasst ist. Über den Schaufelfuss tritt Kühlluft in einen inneren Hohlraum des Einsatzes ein, um von dort über definiert verteilte Kühlluftbohrungen an die Schaufelwand herangeführt zu werden. Durch eine wellenförmige Ausprägung des Einsatzes werden in Ausrichtung und Dimensionierung festgelegte Kühlkanäle gebildet, welche eine definierte Kühlmittelströmung entlang der Schaufelwand, beispielsweise von deren Vorderkante zur Hinterkante, sicherstellen sollen.
  • Nach einem alternativen Vorschlag zur Verbesserung der konvektiven Kühlung einer Gasturbinenschaufel regt die DE 3416087 eine verbesserte Gestaltung der Kühlkanäle an, indem in denselben Elemente zur Vergrösserung der Wärmeübertragungsoberfläche angeordnet werden, dergestalt, dass diese Elemente einander kreuzen und an ihren Kreuzungsflächen in wärmeleitender Verbindung miteinander stehen. Nach einer besonderen Ausführungsart soll es sich bei diesen die Wärmekonvektion verbessernden Elementen um ein den Kanalquerschnitt ausfüllendes wellenartig gefaltetes Drahtgewebe handeln.
  • Ein Beitrag zu der Lösung der Aufgabe, die sich auf die Lebensdauer einer Turbinenschaufel negativ auswirkende Spannungsbeanspruchung einer untrennbar mit einer Seitenwand der Schaufel verbundenen Trennwand innerhalb eines Kühlmittelkanals zu vermindern, ist den aufgeführten Lösungen des Standes der Technik jedoch nicht zu entnehmen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine innengekühlte Schaufel mit wenigstens einer sich zwischen druckseitiger und saugseitiger Seitenwand erstreckenden Trennwand bereitzustellen, welche sich durch eine Verminderung der thermisch bedingten Spannungsbeanspruchung der Trennwand auszeichnet.
  • Die Aufgabe wird durch eine innengekühlte Schaufel für eine Gasturbine gelöst, die mindestens einen inneren Kühldurchgang und mindestens eine innere mit einer Seitenwand der Schaufel untrennbar verbundene, sich in Längsrichtung der Schaufel zwischen druckseitiger und saugseitiger Seitenwand erstreckende 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.
  • Wege zum Ausführen der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen ihrer Ausführung, wobei diese den Schutzbereich möglicher Ausführungsarten jedoch nicht einschränken, und von Darstellungen ausführlicher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer Laufschaufel;
  • 2 den Querschnitt der Schaufel entlang der Linie II-II in 1;
  • 3 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der Schaufel;
  • 4 den Querschnitt der Schaufel entlang der Linie IV-IV in 3;
  • 5 einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der Schaufel;
  • 6 den Querschnitt der Schaufel entlang der Linie VI-VI in 5;
  • 7 einen Teil des Längsschnitts der gewellten Trennwand.
  • Die in den 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 3 und 4 gezeigten Schaufel 1 unterscheidet sich von der in den 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 5 und 6 gezeigten Schaufel 1 unterscheidet sich von der in den 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 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 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 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. Innengekühlte Schaufel (1) für eine Gasturbine mit mindestens einem Kühldurchgang (15) in der Schaufel (1) und mindestens einer inneren mit einer Seitenwand (19, 20) der Schaufel untrennbar verbundenen, sich in Längsrichtung der Schaufel zwischen druckseitiger und saugseitiger Seitenwand (19, 20) erstreckenden Trennwand (11), die einen Teil der Wände (11, 19, 20) des mindestens einen Kühldurchgangs (15) in Längsrichtung der Schaufel bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (11) wellenförmig ist.
  2. Innengekühlte Schaufel (1) für eine Gasturbine nach Anspruch 1, 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. Innengekühlte Schaufel (1) für eine Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform der Trennwand (11) aus Teilen von Kreisen, Dreiecks-, Trapez-, Sinus- oder Mäanderformen oder einer Kombination daraus gebildet ist.
  4. Innengekühlte 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. Innengekühlte 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, in einem mittleren Bereich der Trennwand (11) kleiner ist als an mindestens einem Endbereich der Trennwand (11).
  6. Innengekühlte 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. Innengekühlte 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. Innengekühlte 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. Innengekühlte 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. Innengekühlte 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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