DE19713268A1

DE19713268A1 - Gekühlte Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE19713268A1
Application number: DE19713268A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Endres; Hans Dr Wettstein
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1997-03-29
Filing date: 1997-03-29
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2017-03-30
Also published as: DE19713268B4; US5993155A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine massiv gebaute, gekühlte Gas turbinenschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Gekühlte Gasturbinenschaufeln sind als Hohlschaufeln ausgebil det (DE-OS 32 48 161 - United Technologies), deren Außenwände durch innenliegende Rippen, welche zugleich wenigstens einen großräumigen Kühlkanal, welcher mäanderartig verläuft, bil den. In diesen großräumigen Kühlkanal sind mehrere Strömungs umleitrippen und Strömungsablösewulste an den Wänden einge baut, um eine turbulente Strömung zu schaffen und so die Küh lung zu fördern. Das Kühlmedium strömt durch die Schaufelwände aus und vermischt sich mit dem Treibgas der Turbomaschine.

Eine solcherweise aufgebaute gekühlte Turbinenschaufel ist äußerst kompliziert herzustellen und erfordert eine sehr große Präzision bei der Herstellung. Die Herstellungskosten sind insbesondere auch deshalb sehr hoch, weil die Schaufeln räumlich verwundenen Tragflügeln ähneln. Außerdem kann kein geschlossener Kühlkreislauf aufgebaut werden, weil das Kühl medium via Treibgas der Turboanlage abgeleitet wird. Außerdem ist die Kühlung in den diversen Ecken und Winkeln im Innern der gekühlten Turbinenschaufel sehr schwierig, weil Strömungs umleitelemente eingebaut werden müssen, welche auch in diesen Ecken eine Gasströmung ermöglichen. Solche Einbauten ver teuern und verkomplizieren die Herstellung solcher Turbi nenschaufeln ganz wesentlich. Dennoch können in derartigen Ecken Überhitzungen des Materials auftreten.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine massiv gebaute Gasturbinen schaufel anzugeben, welche einfach herzustellen ist, bei der das Kühlmedium nicht ein verlorenes Kühlmedium ist und welche Sicherheit gegen örtliche Überhitzung aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzei chens von Anspruch 1 umschrieben. Details der Ausführungs formen eines solchen Kühlsystems für eine kombinierte Gas-Dampf turbinenanlage sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche dargestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Be schreibung einer beispielsweisen Ausführungsform anhand der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 schematisch eine Turbinenschaufel in der Ansicht auf die Anströmkante;

Fig. 2 schematisch eine Ansicht auf eine Strömungsfläche der Turbinenschaufel;

Fig. 3 schematisch einen Schnitt der Turbinenschaufel nach A-A in Fig. 2;

Fig. 4 schematisch eine Ansicht in Richtung B der Fig. 2 auf eine Stirnseite der Turbinenschaufel;

Fig. 5 schematisch ein Detail an der Stirnseite der Turbinenschaufel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung we sentlichen Elemente gezeigt; insbesondere ist nicht der an sich bekannte und unveränderte Teil der Turbinenschaufel dar gestellt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Bei einer massiv gebauten Gasturbinenschaufel 100 sind Kühlka näle 20 in ihrem Innern als dünne, runde Kanüle 20.i ausgebil det, welche von einer gemeinsamen Anspeisung 50 im Sockel 60 der Gasturbinenschaufel 100 ausgehen und sehr nahe ihrer Man telfläche 100.1 u-förmig verlaufen und in eine gemeinsame Ablauföffnung 80 im Sockel 60 münden. Dabei sind die Kühl kanäle 20 als eine Anzahl parallelgeschalteter, u-förmiger Kanäle ausgebildet, wobei jeder Kanal 20.i einen Ast der Kühl kanäle 20 und jeder Schenkel eines solchen u-förmigen Astes einen Zweig bildet. Die Anordnung der Kanäle 20.i ist nun so gewählt, daß jeweils immer Zweige zweier verschiedener Äste benachbart zu liegen kommen. D.h. daß beispielsweise einem Zuleitungszweig eines Astes, d. h. einem Schenkel eines u-för migen Astes, in welchem das Kühlmedium zugeleitet wird, ein Zu- oder Ableitungszweig eines anderen Ast es benachbart ange ordnet ist. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß bei Ver stopfung eines Astes durch eine im Kühlmedium mitgeführte Ver unreinigung, z. B. eines Zunderpartikels etc., nicht eine größere Fläche betroffen wird, weil der benachbarte Ast i.a. nicht auch verstopft ist und also die Turbinenschaufel kühlt. Wären Zuleitungs- und Ableitungszweig eines Astes unmittelbar nebeneinander angeordnet, dann würde sich insbesondere im Be reich zwischen den beiden Zweigen ein Wärmestau einstellen, was eine Beschädigung der Turbinenschaufel bewirken kann. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung jedoch wird, insbesondere bei geeigneter Dimensionierung der Bereich eines ausgefallenen Nachbarzweiges mitgekühlt. Wie die Fig. 4 zeigt, kann ein Ast mit einem seiner Zweige auf der einen Turbinenschaufelseite, z. B. der Saugseite 90.1 angeordnet und der andere Zweig desselben Astes auf der anderen Turbinenschaufelseite, der Druckseite 90.2 liegen. Dabei können auf jeder Turbinenschau felseite je eine Anzahl der andern u-förmigen Äste ineinander geschachtelt angeordnet sein. Noch besser kann es sein, wenn anstelle nur eines Astes, dessen Zweige benachbart zu ver schiedenen Schaufelseiten liegen, zwei oder mehr Äste auf verschiedenen Schaufelseiten liegende Zweige aufweisen. Die Anspeisung mit Kühlmedium erfolgt bei dieser Ausführung in den Zweigen im Bereich der Anströmkante 100.2 über den Sockel 60 der Turbinenschaufel 100 und die Abfuhr des Kühlmediums er folgt in den Zweigen der Abströmkante 100.3. Damit ist eine Gleichstromkühlung der Gasturbinenschaufel verwirklicht. Die einzelnen Äste bzw. deren Zweige können aber auch in kom plexerer Form miteinander verschaltet sein, so daß eine Kombi nation aus einer Gleich- und einer Gegenstromkühlung verwirk lichbar ist.

Durch eine solche Kanalkühlung einer Gasturbinenschaufel ist es möglich, je nach den thermischen Verhältnissen im Verlauf einer Mantelfläche einer Turbinenschaufel gezielt frisches Kühlmedium zuzuführen und so Schaufelbereiche sehr selektiv zu kühlen. Beispielsweise könnte in der Fig. 4 anstelle des Ab laufkanals 12 ein Zulaufkanal angeordnet sein, um damit lokal die thermische Belastung besser zu beherrschen.

Damit der die beiden u-Schenkel verbindende Übergangszweig, welcher der Stirnseite der Turbinenschaufel unmittelbar be nachbart liegt, bei einer eventuellen Statorberührung, z. B. durch temporäre Vibrationen etc., nicht beschädigt wird, ist ein Kollisionswulst 40 vorgesehen (Fig. 5). Wie aus Fig. 3 er sichtlich, weist auch der Sockel der Turbinenschaufel Kühlka näle 20 auf.

Im Bereich des Sockels 60 der Gasturbinenschaufel 100 ist eine Bypass-Leitung 70 vorgesehen, um im Kühlmedium mitgeschleppte Partikel nicht in die Kühlkanäle 20 gelangen zu lassen.

Bezugszeichenliste

100

Gasturbinenschaufel

100.1

Mantelfläche

100.2

Anströmkante

100.3

Abströmkante

20

Kühlkanäle

20.1

Kanäle

40

Kollisionswulst

50

Anspeisung

60

Sockel

70

Bypass-Leitung

80

Ablauföffnung

90.1

Saugseite

90.2

Druckseite

Claims

1. Massiv gebaute, gekühlte Gasturbinenschaufel, deren Kühl kanäle in ihrem Innern verlaufen und durch welche das Kühlmit tel im wesentlichen vom Schaufelfuß aus durch die Gastur binenschaufel strömt und diese somit kühlt, dadurch gekenn zeichnet, daß diese Kühlkanäle (20) einen im Verhältnis zur Schaufeldicke relativ kleinen Querschnitt aufweisen und nahe an der Mantelfläche (100.1) der Gasturbinenschaufel (100) ver laufend angeordnet sind, wobei die Kühlmittelzu- und -abfuhr im Sockel der Gasturbinenschaufel (100) erfolgt.

2. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß benachbarte Kühlkanäle (20) Abstände aufwei sen, welche im Bereich von einem Teil bis einigen wenigen Vielfachen der Kühlkanalbreite liegen.

3. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Speisung der Kühlkanäle (20) mit Kühl mittel im Gleichstrom mit der Anströmung der Gasturbinen schaufel erfolgt.

4. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Speisung der Kühlkanäle (20) mit Kühlmittel in einer Mischung aus Gleichstrom und Gegenstrom bezogen auf die Anströmung der Gasturbinenschaufel (100) erfolgt.

5. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zuströmende Kühlmittel teilweise im Bereich der Anströmkante (100.2) und teilweise in einem anderen Bereich der Gasturbinenschaufel (100) in die Kühlkanäle (20) eintritt und das abströmende Kühlmittel die Kühlkanäle (20) im wesentlichen wenigstens im Bereich der Abströmkante (100.3) der Gasturbinenschaufel (100) zum Sockel (60) verläßt.

6. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Kühlkanäle aus mäanderförmigen Ästen aufgebaut ist.

7. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Kühlkanäle aus u-förmigen Ästen aufgebaut ist.

8. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Äste der Kühlkanäle (20) so ineinan dergeschachtelt sind, daß jeder Zweig eines Astes im wesent lichen Nachbar eines anderen Astes ist.

9. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Kopfes der Gas turbinenschaufel (100) ein Kollisionswulst (40) vorgesehen ist, um bei Statorberührung die Kühlkanäle (20) vor Zerstörung zu sichern.

10. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Sockels (60) der Gasturbinenschaufel (100) eine Bypass-Leitung (70) vorgesehen ist, um im Kühlmedium mitgeschleppte Partikel nicht in die Kühlkanäle (20) gelangen zu lassen.

11. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasserdampf mit einem erheblich höheren Druck als dem der Turbinenströmung verwendet wird.

12. Gasturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungsbedingte Druckab fall in den Kühlkanälen über 10% des Absolutdruckes am Ein tritt beträgt.