DE19813173C2 - Gekühlte Gasturbinen-Laufschaufel - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gekühlte Gasturbinen- Laufschaufel, deren Dicke gering ist, und die darin einen Hohlraum aufweist, und ist insbesondere für eine große Schaufel anwendbar, die in einer Endstufe einer Gasturbine verwendet wird.

In jüngster Zeit wurden Gasturbinen entwickelt, die bei höheren Temperaturen betrieben werden, und die Leistung der Gasturbinen wurde vergrößert. Demzufolge neigt auch eine Laufschaufel dazu, besonders groß ausgebildet zu werden. Insbesondere wurden die Laufschaufeln, die in einer Endstufe verwendet werden, groß. Beispielsweise sind Laufschaufeln bekannt geworden, die eine Größe von 50 bis 60 cm aufweisen. In einer derart großen Laufschaufel erhöht sich das Gewicht der Laufschaufel selbst, und es vermehren sich ferner Schwingungen der Laufschaufel, so daß die Belastung, die durch eine Zentrifugalkraft, die in der Laufschaufel durch die Drehung erzeugt wird, verglichen mit herkömmlichen Schaufeln erheblich vergrößert wird. Demzufolge wird in derartigen Laufschaufeln die Dicke eines Schaufelquerschnitts soweit wie möglich verringert, um die Laufschaufel hinsichtlich ihres Gewichts leicht auszubilden. Ferner werden die Laufschaufeln in Richtung des Schaufelendes kleiner in der Dicke ausgebildet, indem die Laufschaufel sich verjüngend ausgeführt wird.

Stand der Technik

Fig. 5 zeigt ein Beispiel der erwähnten großen herkömmlichen Laufschaufel. Fig. 5(A) ist eine Längsschnittansicht eines mittleren Abschnitts dieser Laufschaufel. Fig. 5(B) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C in Fig. 5(A). In Fig. 5(A) bezeichnen die Referenznummern 10, 11 und 12 jeweils eine gesamte Laufschaufel, einen Nabenabschnitt und einen Schaufelabschnitt. Die Referenznummern 13 und 14 bezeichnen jeweils einen Hohlraum und eine Stützrippe innerhalb des Hohlraums 13. Diese Stützrippe 14 ist derart angeordnet, daß sie einen Keramikkern stützt, der zum Zeitpunkt des Gießens als ein Kern zum Ausbilden des Hohlraums 13 wirkt, und weist ferner eine Verstärkungsfunktion auf.

Wie in Fig. 5(B) gezeigt ist, sind viele Löcher 15 innerhalb der Schaufel 12 in Richtung eines Schaufelendes 16 gebohrt. Ein Deck- oder Schaufelversteifungsband 17 ist an das Ende der Schaufel 12 angebracht. Der Schaufelgrundabschnitt 18 nimmt etwa 25% der axialen Länge der Schaufel von dem Nabenabschnitt 11 zu dem Schaufelende ein. Der Hohlraum 13 ist innerhalb des Schaufelgrundabschnitts 18 ausgebildet. Ein Schaufelwurzelabschnitt 19 bildet zusammen mit den erwähnten Teilen die große Laufschaufel 10.

Bei der Laufschaufel mit dem beschriebenen Aufbau tritt, wenn Kühlluft 20 von einem nicht dargestellten Turbinenläufer abgegeben wird, diese Kühlluft 20 in den Hohlraum 13 ein und kühlt die gesamte Laufschaufel 10, während die Kühlluft durch die Löcher 15 tritt. Die Kühlluft wird dann von einer nicht dargestellten Öffnung, die in dem Schaufelende 16 oder dem Deckband 17 ausgebildet ist, zu einem Verbrennungsluftdurchgang abgelassen.

Jedoch ist es in einer derartigen Laufschaufel 10 mit der beschriebenen Kühlstruktur darin schwierig, zum Zeitpunkt der Herstellung einen Gießkern zum Ausbilden des Hohlraums 13 auszubilden, und es ist schwierig, einen Gießkern innerhalb der Laufschaufel 10 mit dem Hohlraum 13 anzuordnen.

Ferner wird, da die Temperatur und der Druck zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine immer noch erhöht werden, die Kühlung der Laufschaufel 10, die in der Gasturbine verwendet wird, die etwa eine Turbineneinlaßtemperatur von 1500°C aufweist, unzureichend, wenn der Hohlraum 13 einfach in dem erwähnten Schaufelgrundabschnitt 18 ausgebildet ist, und die Kühlluft 20 in die Viellöcher 15 innerhalb der Laufschaufel 10 eingeführt wird. Das Fehlen einer hinreichenden Kühlung würde eine verringerte Dauerdehngrenze in dieser Laufschaufel 10 verursachen.

Ferner kann, wenn die Kühlung nur unter Verwendung der Löcher 15 durchgeführt wird, und die Kühlluft 20 lediglich durch die Löcher 15 tritt, die Kühlwirksamkeit nicht weiter verbessert werden. Zusätzlich kann der Hohlraum in der Schaufel nicht vergrößert werden, um die Laufschaufel leichtgewichtig auszubilden, und bei der Herstellung der Schaufel ist ein Bohrvorgang erforderlich.

Deshalb gibt es Raum für Verbesserungen bei der Herstellung und Bearbeitung einer derartigen Laufschaufel.

Darstellung der Erfindung

Deshalb liegt zur Lösung einiger der mit einer herkömmlichen großen, dünnen Laufschaufel einer Gasturbine verbundenen Probleme die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Laufschaufel zu schaffen, die leicht bearbeitet werden kann, und zwar ohne den herkömmlichen Bearbeitungsvorgang hinsichtlich der Löcher, und die ein verringertes Gewicht aufweist, indem der Anteil des Hohlraums in der Schaufel vergrößert wird, und die ferner bei einer Gasturbine mit einer höheren Einlaßtemperatur verwendbar ist, indem verglichen mit den Schaufeln mit Löchern die Kühlwirksamkeit weiter verbessert wird.

Die vorliegende Erfindung sorgt für die folgenden Maßnahmen (1) und (2), um die genannte Aufgabe zu lösen.

• 1. Ein Hohlraum ist in dem Inneren der Laufschaufel ausgebildet, der sich von einem Wurzelabschnitt der Laufschaufel zu einem Ende der Laufschaufel erstreckt, und mehrere Verwirbelungseinrichtungen sind an einer Innenwand des Hohlraums ausgebildet.
• 2. In einer gekühlten Laufschaufel einer Gasturbine ist ein Deckband an einem Ende der Laufschaufel angeordnet, und ein Durchgang für Kühlluft ist sich von einem Wurzelabschnitt der Laufschaufel zu dem Deckband erstreckend ausgebildet, und die Laufschaufel und das Deckband werden durch Kühlluft gekühlt, die durch diesen Durchgang strömt und von dem Deckband abgelassen wird. Dieser Durchgang für Kühlluft ist ein Hohlraum, der in dem Inneren der Laufschaufel von dem Wurzelabschnitt der Laufschaufel zu dem Ende der Laufschaufel ausgebildet ist, und mehrere Verwirbelungseinrichtungen sind an einer Innenwand des Hohlraums ausgebildet.

In der gekühlten Laufschaufel einer Gasturbine gemäß den Ausführungsformen (1) und (2) der vorliegenden Erfindung ist der Hohlraum in dem Inneren der Laufschaufel von dem Schaufelwurzelabschnitt zu dem Ende der Laufschaufel ausgebildet, und es sind viele Verwirbelungseinrichtungen oder Turbulenz erzeugende Einrichtungen vorgesehen. Deshalb wird eine Strömung der Kühlluft durch die Verwirbelungseinrichtungen verwirbelt oder in eine turbulente Strömung umgewandelt, wenn die Kühlluft von dem Schaufelwurzelabschnitt in den Hohlraum strömt und innerhalb der Laufschaufel ansteigt. Deshalb wird die Frequenz oder Häufigkeit, mit der die Kühlluft auf die Innenwand der Laufschaufel trifft, vergrößert, so daß die Wärmeübertragungsrate verbessert wird. Deshalb wird die Kühlwirksamkeit verglichen mit der Kühlung eines herkömmlichen Systems mit Viellöchern verbessert. Die Kühlluft wird von dem Endabschnitt der Laufschaufel nach außen abgelassen. Bei der Ausführungsform (2) wird die Kühlluft von dem Deckband nach außen abgelassen.

Gemäß der gekühlten Laufschaufel der Gasturbine in jeder der beiden genannten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist keine herkömmliche Bohrbearbeitung von vielen Öffnungen erforderlich, und es müssen lediglich der Hohlraum und die Verwirbelungseinrichtungen ausgebildet werden, so daß die Laufschaufel leichter hergestellt werden kann. Da die Laufschaufel infolge des großen Hohlraums in der Schaufel leichter wird, werden Schwingungen mit geringer Frequenz verringert, und der nachteilige Einfluß von Vibrationsbelastungen, die durch die Zentrifugalkraft erzeugt werden, wird verringert.

Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung bei der ersten Ausführungsform ein Hohlraum in dem gesamten Innenraum der Laufschaufel von dem Schaufelwurzelabschnitt zu dem Ende der Laufschaufel ausgebildet, und mehrere Verwirbelungseinrichtungen sind an der Innenwand dieses Hohlraums ausgebildet. Ferner ist gemäß der Ausführungsform (2) in einer gekühlten Laufschaufel einer Gasturbine ein Deckband an einem Ende der Laufschaufel angeordnet, und ein Durchgang für Kühlluft ist sich von einem Wurzelabschnitt der Laufschaufel zu dem Deckband erstreckend ausgebildet, und die Laufschaufel und das Deckband werden durch Kühlluft gekühlt, die durch diesen Durchgang strömt und von dem Deckband abgelassen wird. Dieser Durchgang für Kühlluft ist ein Hohlraum, der in dem Inneren der Laufschaufel von dem Wurzelabschnitt der Laufschaufel zu dem Ende der Laufschaufel ausgebildet ist, und mehrere Verwirbelungseinrichtungen sind an einer Innenwand des Hohlraums ausgebildet. Demzufolge wird eine Strömung der Kühlluft, die in den Hohlraum strömt, durch die Verwirbelungseinrichtungen verwirbelt, so daß eine Wärmeübertragung verbessert wird, und die Kühlwirksamkeit verglichen mit der Kühlung der herkömmlichen Vielöffnungen verbessert wird.

Ferner gibt es keinen derartigen Bearbeitungsvorgang wie die spanende Bearbeitung im Rahmen der Bohrung der Vielöffnungen usw., so daß die Laufschaufel leichter hergestellt werden kann. Da der Hohlraum ausgebildet ist, vergrößert sich der Anteil eines Hohlraums in der Schaufel. Hierdurch wird die Laufschaufel leichtgewichtiger, und ein Einfluß von Schwingungen, die durch Zentrifugalkraft erzeugt werden, wird verringert. Somit kann die Laufschaufel für eine bei hohen Temperaturen arbeitende Gasturbine ohne Schwierigkeiten dünn und leichtgewichtig ausgebildet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines mittleren Abschnitts einer gekühlten Laufschaufel einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Ansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1.

Fig. 4 ist eine Ansicht eines Deckbandes, das als ein gegenüber der Fig. 3 modifiziertes Beispiel gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt eine herkömmliche gekühlte Laufschaufel einer Gasturbine, wobei Fig. 5(A) eine Querschnittsansicht eines mittleren Abschnitts der herkömmlichen gekühlten Laufschaufel einer Gasturbine ist, und Fig. 5(B) eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C von 5(A) ist.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines mittleren Abschnitts einer gekühlten Laufschaufel einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Ansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1.

Fig. 4 ist eine Ansicht entlang der Linie B-B zur Darstellung eines modifizierten Beispiels einer Schaufelgestaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist.

Gemäß Fig. 1 weist die Laufschaufel 1 einen Schaufelwurzelabschnitt 2 auf. Ein Hohlraum 31 ist innerhalb dieser Laufschaufel 1 ausgebildet und steht von dem Schaufelwurzelabschnitt 2 zu einem Ende der Laufschaufel 1 in Verbindung. Eine Kernstützrippe 4 stützt den Kern innerhalb des inneren Hohlraums 31 ab. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind viele Verwirbelungseinrichtungen 5 an einer Innenwand des Hohlraums 31 ausgebildet. Diese sind bezüglich der Achse der Laufschaufel geneigt und parallel zueinander angeordnet. Die Verwirbelungseinrichtungen können in der Tat eine beliebige Form annehmen, solange sie die Strömung von Kühlluft zu einem veränderlichen Ausmaß verwirbeln oder in eine turbulente Strömung umwandeln können. In dieser Ausführungsform sind sie als geradlinige Vorsprünge mit einer bestimmten Breite gezeigt. Ein Schirmblech oder Deck- oder Schaufelversteifungsband 6 ist an dem Ende der Laufschaufel 1 angeordnet. Eine Kühlluft-Öffnung 9 und ein Kühlluft-Auslaß 7 stehen mit dem Hohlraum 31 um dieses Deckband 6 herum in Verbindung. Die Referenznummer 8 bezeichnet einen Nabenabschnitt eines oberen Abschnitts des Schaufelwurzelabschnitts 2.

Fig. 3 ist eine Ansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1 zur Darstellung des Inneren des Deckbandes. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, stehen viele Deckband-Kühlluft-Öffnungen 9 mit dem Hohlraum 31 in einem Schaufelendabschnitt in Verbindung und sind parallel zueinander zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand des Deckbandes ausgebildet. Eine jede der Deckband-Kühlluft-Öffnungen 9 ist nach außen zu dem Kühlluft- Auslaß 7 geöffnet. Demzufolge weist die Laufschaufel eine Gestalt auf, mit der Kühlluft nach außen abgelassen werden kann.

Fig. 4 zeigt ein weiteres modifiziertes Beispiel des Deckbandes. Das Deckband 6a ist verformt und weist einen schmalen mittleren Abschnitt auf, so daß dieses Deckband leichtgewichtig gemacht wird. In ähnlicher Weise sind viele Deckband-Kühlluft-Öffnungen 9a parallel zueinander derart ausgebildet, daß eine Gestalt vorgesehen wird, mittels derer die Kühlluft von dem Kühlluft-Auslaß 7 nach außen abgelassen werden kann.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Deckband 6a wird das Gewicht eines Schaufelendes, das in großem Ausmaß durch die Zentrifugalkräfte beeinflußt wird, verringert, so daß Schwingungen des Schaufelendes unterbunden werden können, was in vorteilhafter Weise für eine verbesserte Schwingungsfestigkeit der Laufschaufel sorgt.

Bei der Laufschaufel 1 mit dem beschriebenen Aufbau tritt die Kühlluft von einem nicht dargestellten Turbinenläufer in den Schaufelwurzelabschnitt 2 von einem Kühlluft-Einlaß 30 ein und wird durch den Hohlraum 31 übertragen. Eine Strömung dieser Kühlluft wird innerhalb des Hohlraums 31 durch viele Verwirbelungseinrichtungen 5, die an der Innenwand der Laufschaufel 1 ausgebildet sind, verwirbelt, so daß die Berührung dieser Strömung mit der Innenwand der Schaufel vergrößert wird. Deshalb wird die Wärmeübertragung verbessert, und die Kühlwirkungen verstärkt, während die Kühlluft von dem Kühlluft-Auslaß 7 durch die Kühlluft- Öffnungen 9 des Deckbandes 6 an dem Ende der Laufschaufel zu der Außenseite der Laufschaufel 1 strömt.

Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Hohlraum in dem Innenraum der Schaufel 1 durchgehend von dem Wurzelabschnitt 2 der Laufschaufel 1 zu dem Schaufelende ausgebildet, und die Verwirbelungseinrichtungen 5 sind an der Innenwand der Schaufel ausgebildet. Demzufolge kann die Laufschaufel verglichen mit dem herkömmlichen Aufbau mit den Vielöffnungen 15 leichter hergestellt werden. Ferner erhöht sich der Anteil von Hohlraum in der Laufschaufel, und die Laufschaufel kann leichtgewichtiger gemacht werden. Die Kühlwirksamkeit der Laufschaufel wird verglichen mit derjenigen der vielen Öffnungen 15 ebenso erheblich verbessert, da die Wärmeübertragung durch die Wirkung der inneren Verwirbelungseinrichtungen 5 verbessert wird.

Ferner werden, da die Laufschaufel 1 eine hohle Form mit dem Hohlraum 31 aufweist und leichtgewichtiger ist, Schwingungen mit niedriger Frequenz verringert, und die Schwingungseigenschaften werden verbessert, so daß ein Einfluß der Schwingungen auf die Festigkeit der Laufschaufel verringert werden kann. Ferner wird, da kein Bohrvorgang und ähnliches bei der Herstellung der Laufschaufel 1 erforderlich ist, das Ausmaß der Gestaltungsfreiheit vergrößert, und die in einer Gasturbine mit hohen Temperaturen verwendete Laufschaufel kann mit einer verringerten Dicke ausgeführt werden.

Claims (2)

1. Gekühlte Laufschaufel einer Gasturbine, mit einem Hohlraum (31) im Inneren der Laufschaufel (1) für einen Kühlmittelfluss von einem Wurzelabschnitt (2) der Laufschaufel (1) zu einem Ende der Laufschaufel (1), dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Laufschaufel (1) lang und dünn ist;
• - daß im Inneren der Laufschaufel (1) zumindest eine Stützrippe (4) vorgesehen ist, die sich in einer Blattachsenrichtung und innerhalb des Kühlmittelflusses erstreckt, so dass die Flussrichtung an gegenüberliegenden Seiten der Stützrippe (4) die gleiche ist; und
• - daß mehrere Verwirbelungseinrichtungen (5) an einer Innenwand des Hohlraums (31) ausgebildet sind.

2. Gekühlte Laufschaufel einer Gasturbine mit einem Deckband (6), das an einem Ende der Laufschaufel (1) angeordnet ist, und einem Durchgang für Kühlluft, der von einem Wurzelabschnitt (2) der Laufschaufel (1) zu dem Deckband (6) erstreckend ausgebildet ist, und der Durchgang für Kühlluft ein Hohlraum (31) ist, der im Inneren der Laufschaufel (1) von dem Wurzelabschnitt (2) der Laufschaufel (1) zur Spitze der Laufschaufel (1) ausgebildet ist, wobei die Laufschaufel (1) und das Deckband (6) durch Kühlluft gekühlt werden, die durch diesen Durchgang strömt und von dem Deckband (6) abgelassen wird, wobei die gekühlte Laufschaufel der Gasturbine dadurch gekennzeichnet ist,

• - daß die Laufschaufel (1) lang und dünn ist;
• - daß im Inneren der Laufschaufel (1) zumindest eine Stützrippe (4) vorgesehen ist, die sich in einer Blattachsenrichtung und innerhalb des Kühlmittelflusses erstreckt, so dass die Flussrichtung an gegenüberliegenden Seiten der Stützrippe (4) die gleiche ist; und
• - daß mehrere Verwirbelungseinrichtungen (5) an einer Innenwand des Hohlraums (31) ausgebildet sind.