DE19809008C2

DE19809008C2 - Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE19809008C2
Application number: DE19809008A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Suenaga; Yasuoki Tomita; Hiroki Fukuno
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: US6039531A; CA2231035A1; DE19809008A1; JP3453268B2; JPH10246103A; CA2231035C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel mit einer darin enthaltenen Kühlpassage und mit einem an der radial äußeren Oberfläche des Schaufelspitzenendes vorgesehenen Vorsprung.

Herkömmlicherweise wurde eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine verwendet, bei der die Kühlung dadurch bewirkt wird, daß es einem Kühlmedium gestattet wird, in einem Kühldurchgang in der Schaufel zu strömen. Da die Turbineneinlaßtemperatur und der Druck von Jahr zu Jahr ansteigen, um die Leistung der Gasturbine zu verbessern, nimmt die thermische Belastung auf die gekühlte Schaufel einer Gasturbine zu. Daher wird die Temperatur des Schaufelmetalles verringert, um ein Brennen zu verhindern. Als eine Folge tritt jedoch ein sehr großer Temperaturgradient im Schaufelmetall auf. Aus diesem Grund ist schon im Stand der Technik ein Vorsprung am Spitzenende der Gasturbinenschaufel vorgesehen. In diesem Fall ist, da der Abstand von der auf der Oberfläche des Kühldurchganges in der Schaufel gebildete Kühloberfläche groß ist, die Temperatur des Metalls am Spitzenende des Vorsprunges sehr hoch, so daß die Möglichkeit des Auftretens eines Brennens und eines Risses besteht, der durch die thermische Spannung gebildet ist, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem Schaufelmetall und dem Kühlbereich erzeugt wird.

Aus diesem Grund wird im Stand der Technik ein Kühlmedium von einem Kühldurchgang ausgestoßen, der in der Gasturbinenschaufel durch Löcher für eine Dünnschichtkühlung vorgesehen ist, so daß das Kühlmedium in Richtung des Schaufelspitzenendes und des Turbinenschaufelrings an der Außenseite der Schaufel gerichtet wird, wodurch ein Film von Kühlmedium geringer Temperatur gebildet wird, um die Gasturbinenschaufel zu kühlen. Da jedoch das ausgegebene Kühlmedium dazu führt, daß die Arbeitsleistung der Turbine abnimmt, muß die Menge an ausgegebenem Kühlmedium begrenzt werden.

Aus der EP 0 684 364 A1 ist eine Gasturbinenschaufel bekannt, bei der am radial außen liegenden Schaufelspitzenende die äußere Oberfläche mit einem Vorsprung versehen ist, der jeweils mit der Schaufeloberfläche an der Saugseite bzw. an der Druckseite bündig ausgerichtet ist. Kühlbohrungen dienen dazu, der Schaufelspitze im Bereich der Vorsprünge Kühlluft zuzuleiten und somit die Vorsprünge zu kühlen. Bei einer alternativen Ausführungsform der ist der Vorsprung auf der Druckseite der Schaufel von der druckseitigen Schaufeloberfläche geringfügig zur Schaufelmitte hin zurückversetzt, da an dieser Stelle eine Kühlbohrung vorgesehen ist, die der Zuführung von Kühlluft auf den dort gelegenen Vorsprung dient. Der saugseitige Vorsprung in dieser alternativen Ausführungsform ist mit der saugseitigen Schaufeloberfläche bündig ausgebildet.

Aus der DE 31 02 575 C2 ist eine Gasturbinenschaufel bekannt, bei der Vorsprünge vorgesehen sind, die ebenfalls bündig mit der jeweiligen saugseitigen bzw. druckseitigen Oberfläche der Schaufel ausgebildet sind. Auch hier wird der jeweilige Vorsprung durch aus Kühlöffnungen austretendes Kühlfluid gekühlt. Zusätzlich zu den fluchtend mit der jeweiligen druckseitigen bzw. saugseitigen Oberfläche der Schaufel vorgesehenen Vorsprüngen ist bei dieser Entgegenhaltung ein mittlerer Vorsprung im Bereich der Schaufelprofilmitte vorgesehen, der auch über Kühlbohrungen gekühlt wird. Der druckseitige Vorsprung ist im Bereich der Schaufeloberfläche zudem mit einem wärmeisolierenden Material verkleidet.

Die DE 35 07 578 A1 offenbart äußere Wandvorsprünge, die mit der in Axialrichtung gesehen äußeren Oberfläche des Turbinenblatts fluchtend angeordnet sind. Zusätzlich zu diesen axial äußeren Wandvorsprüngen sind innere Wandvorsprünge vorgesehen, die zur Unterteilung der von den äußeren Wandvorsprüngen begrenzten Ausnehmung dienen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Gasturbinenschaufel so auszubilden, daß ein Verlust an Arbeitsleistung, der durch Austreten des Kühlmediums verursacht wird, verhindert wird.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die nach innen zur Schaufelprofilmitte hin versetzte Anordnung der Vorsprünge oder des Vorsprungs sorgt einerseits für die gewünschte verbesserte Radialabdichtung und verbessert andererseits die Kühlung des jeweiligen Vorsprungs, da dieser näher an der Kühlpassage gelegen ist, so daß das Vorsehen zusätzlicher Kühlbohrungen für die Vorsprünge bzw. den Vorsprung nicht erforderlich ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Vorsprung auf der Innenseite von der Erstreckung des Schaufelprofils auf der äußeren Oberfläche des Schaufelspitzenendes so vorgesehen, daß er nahe dem Kühldurchgang in der Gasturbinenschaufel oberhalb des Kühldurchganges ist, so daß der Abstand vom Schaufelkühldurchgang, der eine Kühloberfläche ist, kurz im Vergleich zu einer herkömmlichen Gasturbinenschaufel ist, wodurch die Metalltemperatur an dem Spitzenende des Vorsprunges verringert wird. Diese Temperaturverringerung verhindert das Brennen des Schaufelmetalls der Gasturbine. Auch kann, da die Materialstärke relativ im Vergleich mit einer herkömmlichen Gasturbinenschaufel erhöht ist und die thermische Spannung durch die Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Schaufelmetall und dem Schaufelkühlbereich verringert ist, ein Riß am Schaufelspitzenende vermieden werden.

Gemäß der Gasturbinenschaufel nach der vorliegenden Erfindung kann der auf der Innenseite der Erstreckung des Schaufelprofils auf der äußeren Oberfläche des Schaufelspitzenendes vorgesehene Vorsprung die Kühlwirkung der Gasturbinenschaufel erhöhen, wodurch ein Beitrag geleistet wird zur Erhöhung der Zuverlässigkeit, ohne die Arbeitsleistung der gesamten Vorrichtung zu vermindern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(a) ist eine perspektivische Ansicht, die eine Gasturbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und

Fig. 1(b) ist eine Draufsicht auf das Spitzenende der Gasturbinenschaufel;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1 (a);

Fig. 3(a) ist ein Diagramm, das die Metalltemperatur des Schaufelspitzenendes und des Vorsprunges der Gasturbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung und einer herkömmlichen Gasturbinenschaufel zeigt,

Fig. 3(b) ist eine schematische Ansicht, die einen Abstand von der Kühloberfläche des Schaufelspitzenendes einer herkömmlichen Gasturbinenschaufel zeigt, und

Fig. 3(c) ist eine schematische Ansicht, die einen Abstand von der Kühloberfläche am Schaufelspitzenende der Gasturbinenschaufel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Eine Gasturbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 1 und 2 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist eine Kühlpassage 104 in einer Gasturbinenschaufel 102 bereitgestellt, und ein Vorsprung 101, der in Richtung eines Turbinenschaufelringes 103 hervorsteht, ist auf der äußeren Oberfläche der Spitzenendfläche der Gasturbinenschaufel 102 vorgesehen.

Der Vorsprung 101 ist so vorgesehen, daß er im wesentlichen ähnlich bezüglich der Form zum Schaufelprofil und am Spitzenende der Schaufel 102 rund ist, aber auf der Innenseite von der Erstreckung des Schaufelprofils angeordnet ist. Auch ist die Höhe des Vorsprunges 101 so bestimmt, daß ein Zwischenraum zwischen dem Vorsprung 101 und dem Turbinenschaufelring 103 minimiert ist.

In dieser Ausführungsform ist der Vorsprung 101, der im wesentlichen ähnlich bezüglich der Form zu dem Schaufelprofil ist, so vorgesehen, daß er auf der Innenseite von der Erstreckung des Schaufelprofiles auf der äußeren Oberfläche der Endfläche der Schaufelspitze angeordnet ist. Daher ist der Vorsprung 101 oberhalb der Kühlpassage 104 angeordnet, so daß er nahe der Kühlpassage 104 ist, wodurch die Metalltemperatur des Vorsprunges 101 verringert werden kann.

Fig. 3 zeigt die Metalltemperatur T am Schaufelspitzenende nahe dem Vorsprung dieser Ausführungsform und eines herkömmlichen Beispiels. Wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 3(a) gezeigt ist, kann in dieser Ausführungsform die Metalltemperatur des Spitzenendes der Gasturbinenschaufel 102 und des Vorsprungs 101 verglichen zu dem durch unterbrochene Linien dargestellten herkömmlichen Beispiel verringert werden. Daher kann das Brennen der Gasturbinenschaufel 102 vermieden werden und das Auftreten eines Risses am Spitzenende der Gasturbinenschaufel 102 kann verhindert werden, indem die Materialstärke relativ erhöht wird und die thermische Spannung verringert wird.

Auch wenn ein linearer Vorsprung entlang der Mitte der Schaufelbreite auf der äußeren Oberfläche der Gasturbinenschaufel 102 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, kann eine Mehrzahl von Vorsprüngen entlang der Schaufelbreite auf der Innenseite von der Erstreckung des Schaufelprofiles auf der äußeren Oberfläche der Endfläche der Gasturbinenschaufel 102 vorgesehen sein.

Claims

1. Gasturbinenschaufel (102) mit einer darin enthaltenen Kühlpassage (104) und mit einem an der radial äußeren Oberfläche des Schaufelspitzenendes überwiegend geschlossen umlaufend angebrachten Vorsprung (101), wobei der überwiegend geschlossen umlaufende Vorsprung (101) von der äußeren Oberfläche der Gasturbinenschaufel zur Schaufelprofilmitte hin versetzt und der Kühlpassage (104) benachbart gelegen ist, wobei kein Kühlfluidaustritt im Bereich der Schaufelspitze vorgesehen ist.

2. Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung im wesentlichen ähnlich bezüglich der Form des Schaufelprofiles ist.

3. Gasturbinenschaufel gemäß Anspruch 1, wobei sich ein weiterer Vorsprung entlang der Mitte der Schaufelbreite auf der äußeren Oberfläche des Schaufelspitzenendes erstreckt.