DE19810339A1 - Gekühlte stationäre Gasturbinenschaufel - Google Patents
Gekühlte stationäre GasturbinenschaufelInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine gekühlte stationäre
Gasturbinenschaufel und, insbesondere eine gekühlte
stationäre Gasturbinenschaufel, in der sowohl ein Deckband
für Turbinenschaufeln (bzw. Schaufelversteifungsband), im
folgenden kurz Deckband genannt, als auch eine stationäre
Schaufel durch Luft kühlbar ist, um die Wirksamkeit der
Kühlung zu verbessern.
Im allgemeinen wird bei einer stationären Schaufel einer
Gasturbine Sperrgas (bzw. Dichtgas), das aus Luft besteht, zu
einem Innendeckband der Turbinenschaufel geschickt und das
Schaufelinnere wird durch Luft gekühlt. Hinsichtlich des
Innendeckbandes ist eine Konstruktion, bei der das
Innendeckband zwangsläufig gekühlt wird, derzeit nicht
realisiert, obwohl ein Beispiel bekannt ist, bei dem Kühlluft
zu dem Innendeckband geschickt wird. Fig. 4 zeigt eine
Schnittansicht des Inneren einer stationären
Gasturbinenschaufel, wobei ein Beispiel einer herkömmlichen
luftgekühlten Schaufel dargestellt ist.
In Fig. 4 bezeichnet Bezugsziffer 50 eine stationäre
Schaufel, 51 bezeichnet ein Außendeckband, 52 bezeichnet ein
Innendeckband, 53 bezeichnet ein druckdichtes Luftrohr, das
durch das Schaufelinnere von dem Außendeckband 51 führt und
das Innendeckband 52 durchdringt, und 54A, 54B, 54C, 54D und
54E bezeichnen Luftdurchgänge. Diese Luftdurchgänge bilden
einen schlangenförmigen Strömungsweg aus, in dem diese sich
abwechselnd nach oben und nach unten in der Schaufel
erstrecken. Bezugszeichen 55 bezeichnet eine
turbulenzerzeugende Einrichtung, die in den Luftdurchgängen
54A bis 54E angeordnet ist. Die turbulenzerzeugende
Einrichtung 55 erzeugt eine turbulente Luftströmung in der
Schaufel, um die thermische Leitfähigkeit zu steigern.
Bezugsziffer 56 bezeichnet einen Hohlraum, der unter dem
Innendeckband 52 ausgebildet ist.
In der stationären Schaufel, die die oben beschriebene
Konstruktion aufweist, strömt Sperrgas 200 aus Luft von der
Außendeckbandseite 51 in das Rohr 53, tritt in den Hohlraum
56 unterhalb des Innendeckbandes 52 ein, um den Druck in dem
Hohlraum 56 höher als den Druck in einem
Verbrennungsgasdurchgang zu halten, und wird durch einen
Durchgang und druckdichten Abschnitt (nicht gezeigt) zu dem
Verbrennungsgasdurchgang ausgegeben. Der Hochdruck in dem
Hohlraum 56 verhindert, daß Hochtemperaturverbrennungsgas von
außen in das Schaufelinnere eintritt.
Ferner strömt Kühlluft 100 in den Luftdurchgang 54A an dem
Vorderkantenabschnitt, strömt von dem Innendeckband 52 an dem
unteren Abschnitt aufwärts in den nächsten Durchgang 54B,
strömt aufeinanderfolgend in die Luftdurchgänge 54C, 54D und
54E, und wird durch Kühlluftlöcher 57 in dem
Hinterkantenabschnitt ausgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird in
der Kühlluftströmung, die in den Luftdurchgängen 54A bis 54E
strömt, durch die turbulenzerzeugende Einrichtung 55 in den
Luftdurchgängen Turbulenz erzeugt, so daß die thermische
Leitfähigkeit gesteigert und die Kühlwirkung verstärkt wird.
Die Kühlluft 100 berührt die Oberfläche des Innendeckbandes
52 im Strömungsverlauf auf dem Strömungsweg gegen die
Hinterkantenseite hin, so daß diese Oberfläche auch teilweise
gekühlt wird. Ein derartiges Kühlsystem ist vom Standpunkt
der Herstellung aus gesehen sehr wirkungsvoll, insbesondere
für eine große gekrümmte Schaufel an der hinteren
Turbinenstufe.
Bei der zuvor beschriebenen herkömmlichen stationären
Schaufel wird die gesamte Schaufel wirksam durch die Kühlluft
100 gekühlt, und das Sperrgas 200 aus Luft wird sicher durch
das Rohr 53 zugeführt. Jedoch wird das Innendeckband 52
unzureichend gekühlt, da dieses nicht so gestaltet ist, um
zwangsläufig gekühlt zu werden. Insbesondere strömt an dem
Hinterkantenabschnitt des Innendeckbandes 52 die Kühlluft
nacheinander in die Durchgänge 54A, 54B und so weiter, um die
Schaufel zu kühlen, und wird, während diese gegen die
Hinterseite strömt, erwärmt, so daß die Kühlwirkung am
hinteren Abschnitt allmählich abnimmt.
Da ferner die Kühlluft 100 im Inneren der Schaufel strömt,
kommt die Kühlluft 100 nur mit der Oberfläche des
Innendeckbandes in Berührung, an dem die Schaufel angeordnet
ist, und kommt nicht mit der Umfangsfläche des
Innendeckbandes 52 in Berührung, so daß dessen Umfangsfläche
kaum gekühlt wird, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen
der Oberfläche unter der Schaufel und der Umfangsfläche
erzeugt wird. Deshalb tritt thermische Spannung auf, die bei
einer Schaufel für eine Hochtemperatur-Gasturbine unerwünscht
ist.
Es ist deshalb eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine gekühlte stationäre Gasturbinenschaufel zu schaffen, die
so gestaltet ist, daß das Schaufelinnere luftgekühlt und das
gesamte Innendeckband auch zwangsläufig gekühlt ist, um die
Kühlwirkung in der gesamten stationären Schaufel,
einschließlich der Schaufel und des Deckbandes, zu steigern.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
zusätzlich zu der zuvor erwähnten Aufgabe, eine gekühlte
stationäre Gasturbinenschaufel zu schaffen, die so gestaltet
ist, daß ein gleichmäßiges Kühlen an der Vorderkantenseite
und der Hinterkantenseite eines Innendeckbandes erzielt
werden kann, um die Kühlwirkung weiter zu steigern.
Die erste Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße stationäre
Gasturbinenschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst, und die zweite Aufgabe wird durch eine
erfindungsgemäße stationäre Gasturbinenschaufel mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine gekühlte stationäre
Gasturbinenschaufel vorgesehen, die einen Einlaß für die
Luftströmung in einem Außendeckband (bzw. Außenschirmblech)
einer stationären Gasturbinenschaufel aufweist und mit einem
Luftdurchgang versehen ist, der mit dem Schaufelinneren in
Verbindung steht, um das Schaufelinnere mit Kühlluft zu
kühlen, die durch den Luftströmungseinlaß strömt. Der
Luftdurchgang umfaßt einen Durchgang, der mit dem
Schaufelinneren in Verbindung steht, um die Schaufel zu
kühlen, und einen Durchgang, der sich in das Schaufelinnere
unabhängig von dem zuvor erwähnten Durchgang erstreckt, in
ein Innendeckband (bzw. Innenschirmblech) eintritt und mit
einem Kühldurchgang an dem Umfangsabschnitt des
Innendeckbandes in Verbindung steht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung
ist der Luftdurchgang, der mit dem Innendeckband in
Verbindung steht, an dem Vorderkantenabschnitt der Schaufel
vorgesehen, und der Luftdurchgang, der mit dem
Schaufelinneren in Verbindung steht, ist an deren Hinterseite
vorgesehen. Dabei ist der Luftdurchgang, der mit dem
Schaufel inneren in Verbindung steht, vorzugsweise hinter dem
Luftdurchgang angeordnet, der mit dem Innendeckband in
Verbindung steht, zum Beispiel an dessen Hinterseite.
Erfindungsgemäß strömt Kühlluft von dem Außendeckband in den
Luftdurchgang, der mit dem Schaufelinneren in Verbindung
steht, um die Schaufel über Kühlschlangen zu kühlen,
entsprechend der herkömmlich gekühlten stationären Schaufel,
und wird von der Schaufelhinterkante zu dem
Verbrennungsgasdurchgang ausgegeben. Andererseits kühlt
Kühlluft, die in den Luftdurchgang eintritt, der unabhängig
von dem zuvor erwähnten Durchgang vorgesehen ist, die
Schaufel im Verlauf der nach unten gerichteten Strömung in
der Schaufel, strömt in das Innendeckband, tritt in den
Kühldurchgang ein, der an dem Umfangsabschnitt des
Innendeckbandes vorgesehen ist, um den Umfangsabschnitt des
Innendeckbandes zu kühlen, und wird durch Luftlöcher an der
Hinterseite des Deckbandes zu dem Verbrennungsgasdurchgang
ausgegeben.
Deshalb ist das Schaufelinnere erfindungsgemäß gekühlt, und
auch der Umfangsabschnitt des Innendeckbandes ist gekühlt.
Die Unterfläche des Innendeckbandes, an der die Schaufel
angeordnet ist, ist durch die Kühlluft gekühlt, die in dem
Durchgang strömt, der mit dem Schaufelinneren in Verbindung
steht, und der Umfangsabschnitt des Innendeckbandes ist durch
die Kühlluft gekühlt, die von dem unabhängigen Durchgang
zugeführt wird. Deshalb ist das gesamte Deckband gleichmäßig
gekühlt, so daß das Auftreten thermischer Spannung aufgrund
von Temperaturdifferenzen verhindert wird.
Gemäß einer Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung ist
der Durchgang für Kühlluft, die dem Innendeckband zugeführt
wird, an dem Schaufelvorderkantenabschnitt vorgesehen.
Deshalb tritt die Kühlluft, die durch diesen Durchgang
strömt, in das Innendeckband von dem Schaufelvorderabschnitt
ein, nachdem der Schaufelvorderkantenabschnitt gekühlt wurde,
und strömt in den Umfangsabschnitt des Deckbandes nach
hinten, so daß der gesamte Umfangsabschnitt des Deckbandes,
der von dem Vorderkantenabschnitt bis zu dem
Hinterkantenabschnitt reicht, gleichmäßig gekühlt werden
kann.
Erfindungsgemäß ist die gekühlte stationäre
Gasturbinenschaufel so gestaltet, daß der Luftdurchgang einen
Durchgang umfaßt, der mit dem Schaufelinneren in Verbindung
steht, um die Schaufel zu kühlen, und einen Durchgang, der
sich in dem Schaufelinneren unabhängig von dem zuvor
erwähnten Durchgang erstreckt, in ein Innendeckband eintritt
und mit einem Kühldurchgang an dem Umfangsabschnitt des
Innendeckbandes in Verbindung steht. Deshalb ist das
Schaufelinnere durch die Kühlluft gekühlt, die in dem
Luftdurchgang strömt, der mit dem Schaufelinneren in
Verbindung steht, und der Umfangsabschnitt des
Innendeckbandes ist durch die Kühlluft gekühlt, die durch den
unabhängigen Luftdurchgang zugeführt wird, so daß die
gekühlte stationäre Schaufel gleichförmig gekühlt ist,
wodurch das Auftreten thermischer Spannung aufgrund von
Temperaturdifferenzen in dem Innendeckband verhindert werden
kann.
Gemäß einer Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung ist
der Luftdurchgang, der mit dem Innendeckband in Verbindung
steht, an dem Vorderkantenabschnitt der Schaufel angeordnet,
und der Luftdurchgang, der mit dem Schaufelinneren in
Verbindung steht, ist an deren Rückseite angeordnet. Deshalb
strömt die Kühlluft zum Kühlen des Innendeckbandes von dem
Vorderkantenabschnitt des Innendeckbandes in das Deckband,
und es ist möglich, daß die Kühlluft von dem
Deckbandvorderende zu dessen Hinterende strömt, so daß die
Wirkung der erfindungsgemäßen Schaufel für eine Gasturbine
weiter gesteigert werden kann.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer gekühlten
stationären Gasturbinenschaufel gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie X-X von
Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie Y-Y von
Fig. 1; und
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht einer herkömmlichen
gekühlten stationären Gasturbinenschaufel.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden. Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer
stationären Schaufel, wobei die Konstruktion einer gekühlten
stationären Gasturbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, Fig. 2 zeigt eine
Schnittansicht entlang der Linie X-X von Fig. 1, wobei das
Innere des Außendeckbandes der Turbinenschaufel dargestellt
ist, Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie Y-Y
von Fig. 1, wobei das Innere des Innendeckbandes der
Turbinenschaufel dargestellt ist.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 eine stationäre
Schaufel, 11 bezeichnet ein Außendeckband der
Turbinenschaufel bzw. ein äußeres Schaufelversteifungsband,
12 bezeichnet ein Innendeckband der Turbinenschaufel bzw. ein
inneres Schaufelversteifungsband, 13 bezeichnet ein
druckdichtes Luftrohr, das durch das Schaufelinnere von dem
Außendeckband 11 führt und das Innendeckband 12 durchdringt,
14 bezeichnet einen Hohlraum unter dem Innendeckband 12, 15
bezeichnet einen druckdichten Kasten bzw. Dichtkasten; 16
bezeichnet einen Durchgang, der zwischen der stationären
Schaufel 10 und einer rotierenden Schaufel 40 vorgesehen ist,
17 bezeichnet ein Luftloch, das in dem druckdichten Kasten 15
ausgebildet ist, um den Hohlraum 14 mit dem Durchgang 16 zu
verbinden, und 18 bezeichnet einen Durchgang, der zwischen
dem Hinterkantenende des Innendeckbandes 12 und der
rotierenden Schaufel 40 vorgesehen ist.
Bezugsziffer 19A bezeichnet einen unabhängigen Luftdurchgang,
um Kühlluft 100 zu dem Innendeckband 12 zu schicken, 19B,
19C, 19D, 19E und 19F bezeichnen Luftdurchgänge, in denen die
Kühlluft 100 abwechselnd aufeinanderfolgend nach oben und
nach unten strömt, um die Schaufel zu kühlen, wobei ein
schlangenförmiger Kühlströmungsweg ausgebildet wird, 20
bezeichnet mehrere Kühlluftlöcher, die an der Hinterkante der
stationären Schaufel 10 ausgebildet sind, 21 bezeichnet eine
Strömungsgeschwindigkeitsregulierungsöffnung zum Regeln der
Strömungsgeschwindigkeit von Luft, die in die Luftdurchgänge
19A und 19B strömt, und 22 und 23 bezeichnen Abdeckungen, die
später beschrieben werden.
Die Luftdurchgänge 19A bis 19F sind mit turbulenzerzeugenden
Einrichtungen 55 zum Verwirbeln der Luft und zum Erzeugen von
Turbulenzen in der Luft versehen, um die thermische
Leitfähigkeit zu steigern.
Fig. 2 zeigt das Außendeckband 11. In dieser Figur ist die
stationäre Schaufel 10 in die Luftdurchgänge 19A bis 19F, wie
oben beschrieben, unterteilt. Die oberen Seiten der
Luftdurchgänge 19A und 19B weisen jeweils Löcher 21A und 21B
auf und sind mit der
Strömungsgeschwindigkeitsregulierungsöffnung 21 zum Regeln
der Strömungsgeschwindigkeit von Kühlluft versehen, die in
die Luftdurchgänge strömt. Um das Rohr 13 herum ist eine
Abdeckung 22 zum Abdecken der Durchgänge 19C und 19D
angeordnet. Auch ist an der oberen Seite der Luftdurchgänge
19E und 19F eine Abdeckung 23 vorgesehen. Diese Abdeckungen
22 und 23 dichten die Luftdurchgänge luftdicht ab, so daß die
Kühlluft vollständig in die Schaufel strömt.
Fig. 3 zeigt das Innendeckband 12. In dieser Figur ist eine
Abdeckung 30 zum Abdecken der Luftdurchgänge 19B und 19C um
den unteren Teil des Rohrs 13 herum angeordnet. Weiterhin ist
eine Abdeckung 31 zum Abdecken der Luftdurchgänge 19D und 19E
und eine Abdeckung 32 zum Abdecken des Luftdurchgangs 19F
vorgesehen. Um den unteren Teil des Innendeckbandes 12 der
stationären Schaufel 10 herum ist ein Luftdurchgang 33
ausgebildet, der mit der Kühlluft 100 gefüllt ist, die den
Vorderkantenabschnitt während des Strömens in dem
Luftdurchgang 19A gekühlt hat.
Um den unteren Teil des Innendeckbandes 12 herum ist ein
Sperrgasraum (bzw. Luftdichtraum) 38 angeordnet, in den
Sperrgas (bzw. Dichtgas) 200, das aus Luft besteht, und aus
dem druckdichten Luftrohr 13 ausströmt, einströmt. Ferner ist
ein Durchgang 35 an der Hinterkantenseite vorgesehen, und
eine Aussparung 34 zum Verbinden des Durchgangs 35 mit dem
Luftdurchgang 33 ist in einem Bauelement 37 vorgesehen. Viele
Kühlluftlöcher 36 sind an der Hinterkante des Innendeckbandes
12 ausgebildet.
In der stationären Schaufel 10, die wie oben beschrieben
gestaltet und in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Sperrgas 200,
das aus Luft besteht, von der Außendeckbandseite 11 in das
Rohr 13 zugeführt, strömt durch das Rohr 13 und strömt in den
Hohlraum 14 hinein, so daß der Druck in dem Hohlraum 14 höher
gehalten wird, als der Druck im Verbrennungsgasdurchgang. Die
Luft, die in den Hohlraum 14 strömt, gelangt zu dem Durchgang
16 durch das Luftloch 17, das in dem druckdichten Kasten 15
ausgebildet ist, strömt durch den Durchgang 16 und wird in
den Verbrennungsgasdurchgang ausgegeben. Der Hochdruck in dem
Hohlraum 14 verhindert, daß Hochtemperaturverbrennungsgas in
die Schaufel eintritt.
Andererseits, wie in Fig. 2 gezeigt ist, strömt die Kühlluft
100 in die Luftdurchgänge 19A und 19B durch die Löcher 21A
und 21B der Strömungsgeschwindigkeitsregulierungsöffnung 21
mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit. Die
Kühlluft 100, die in den Luftdurchgang 19A an dem
Vorderkantenabschnitt strömt, strömt nach unten während diese
den Vorderkantenabschnitt der Schaufel kühlt, strömt aus dem
Luftdurchgang 19A heraus, wie in Fig. 3 gezeigt ist, füllt
den Luftdurchgang 33 um das Innendeckband 12 herum, strömt um
die Rückenseite, um das gesamte Deckband zu kühlen, strömt
durch die Aussparung 34, tritt in den Durchgang 35 ein und
strömt durch die Kühlluftlöcher 36 an der Hinterkante aus.
In Fig. 3 strömt das Luftsperrgas 200 aus dem Rohr 13 aus,
wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, tritt in
den druckdichte Sperrgasraum 38 ein, strömt in den Hohlraum
14, der mit dem Sperrgasraum 38 in Verbindung steht, um einen
Hochdruck in dem Hohlraum 14 zu erzeugen.
Die Kühlluft 100, die in den Luftdurchgang 19B strömt, strömt
abwechselnd in den Luftdurchgängen 19C, 19D, 19E und 19F nach
oben und nach unten, die die turbulenzerzeugenden
Einrichtungen 35 aufweisen, um das Schaufelinnere, wie bei
der herkömmlichen stationären Schaufel, zu kühlen, und strömt
durch die Kühlluftlöcher 20 an der Hinterkante aus. Da die
Endabschnitte dieser Luftdurchgänge an dem Außendeckband 11
und dem Innendeckband 12 durch die Abdeckungen 22, 23, 30, 31
und 32 verschlossen sind, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 und
3 beschrieben wurde, strömt die Kühlluft 100 ohne Leckage in
der Schaufel auf die Hinterkante zu.
Da ferner der Luftdurchgang 19A, der es gestattet, daß die
Kühlluft 100 zu dem Innendeckband 12 strömt, an dem
Vorderkantenabschnitt vorgesehen ist, strömt die Kühlluft 100
in das Innendeckband 12 von der Vorderkantenseite des
Innendeckbandes 12 und strömt von dem Deckbandvorderende zu
dem Hinterende des Deckbandes, so daß der gesamte
Umfangsbereich des Innendeckbandes 12 gleichmäßig gekühlt
werden kann.
Die Kühlschaufel 10 gemäß der oben beschriebenen
Ausführungsform ist so gestaltet, daß der
Vorderkantenabschnitt an der stromaufwärtigen Seite des
Hochtemperaturverbrennungsgases, der der höchsten Temperatur
ausgesetzt ist, gekühlt wird, indem es ermöglicht wird, daß
kalte Kühlluft in den Luftdurchgang 19A strömt, und es
ermöglicht wird, daß die Luft zu dem Luftdurchgang 33 in dem
Innendeckband 12 ausströmt, um gleichmäßig den
Umfangsabschnitt des Innendeckbandes 12 zu kühlen, in den
Durchgang 35 an der Hinterkantenseite eintritt und durch die
Kühlluftlöcher 36 ausgegeben wird, so daß der
Umfangsabschnitt des Innendeckbandes 12 gleichmäßig gekühlt
ist.
Der Abschnitt des Innendeckbandes 12 unter der Schaufel ist
gekühlt, indem es ermöglicht wird, daß Kühlluft durch das
Schlangenkühlsystem strömt, wie bei der herkömmlichen
stationären Schaufel. Darüber hinaus ist der Umfangsabschnitt
der Schaufel in der oben beschriebenen Art und Weise gekühlt.
Deshalb ist die Temperaturdifferenz, die durch
ungleichmäßiges Kühlen des Innendeckbandes 12 verursacht
wird, eliminiert, und das Auftreten thermischer Spannung kann
verhindert werden.
Claims (2)
1. Gekühlte stationäre Gasturbinenschaufel, die einen
Luftströmungseinlaß in einem Außendeckband (11) der
stationären Gasturbinenschaufel und mindestens einen
Luftdurchgang aufweist, der mit dem Schaufelinneren in
Verbindung steht, um das Schaufelinnere mit Kühlluft zu
kühlen, die durch den Luftströmungseinlaß strömt, wobei
der mindestens eine Luftdurchgang einen Durchgang (19B)
umfaßt, der mit dem Schaufelinneren in Verbindung steht,
um die Schaufel zu kühlen, und einen Durchgang (19A) der
sich in das Schaufelinnere unabhängig von dem Durchgang
(19B) erstreckt, in ein Innendeckband (12) eintritt und
mit einem Kühldurchgang (33) an dem Umfangsabschnitt des
Innendeckbandes (12) in Verbindung steht.
2. Gekühlte stationäre Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdurchgang (19A), der
mit dem Innendeckband (12) in Verbindung steht, an dem
Schaufelvorderkantenabschnitt angeordnet ist, und der
Luftdurchgang (19B), der mit dem Schaufelinneren in
Verbindung steht, dahinter angeordnet ist.
Applications Claiming Priority (1)
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