-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung der Plattformen von Leitschaufeln
einer Gasturbine mit in den Brennkammer-Austrittswänden einer
ringförmigen
Gasturbinen-Brennkammer oder in den Plattformen stromauf der Leitschaufel-Anströmkante vorgesehenen
Kühlluft-Ausblaseöffnungen.
-
Die
Kühlung
der Plattformen von Leitschaufeln in den Hochdruck- Turbinenteilen
moderner Gasturbinen ist mittlerweile unumgänglich. Mit zunehmend höheren Turbinen-Eintrittstemperaturen
werden nämlich
die Temperaturprofile am den Leitschaufeln vorgeordneten Brennkammer-Austritt
immer flacher, was sich in extrem hohen Heissgas-Temperaturen nahe
den Plattformen der Leitschaufeln niederschlägt. Eine ausschliesslich konvektive
Kühlung
der dem Heissgasstrom abgewandten Seiten der Plattformen reicht
nicht mehr aus. Eine Ausblasung von Kühlluft in den Heissgasstrom,
beispielsweise zur Erzeugung eines Kühlungsfilmes auf der Plattformoberfläche, verspricht
hohe Kühleffektivität bei mässigem Kühlluftverbrauch,
bei geringen zusätzlichen
Fertigungskosten und nur mässigen
bis geringen Einbussen im Turbinenwirkungsgrad.
-
Bedingt
durch die dreidimensionale Strömung
des Heissgases im wandnahen Bereich der Plattformoberfläche ist
das Problem der Plattform-Filmkühlung
komplexer als dasjenige der Filmkühlung auf den Oberflächen von
Turbinenschaufeln. Die Wechselwirkungen der in den Heissgasstrom ausgeblasenen
Kühlluft
mit der eigentlichen Heissgasströmung
im Schaufelkanal beeinflussen nämlich nicht
nur die Ausbreitung der Kühlluft
und damit die Kühleffektivität, sondern
auch die Erzeugung aerodynamischer Verluste. Die Berechnung der
Kühlluftausblasung
und somit die Festlegung der Positionen von Kühlluft-Ausblaseöffnungen, über welche
Kühlluft dem
Heissgasstrom beigemengt wird, muss somit relativ zu den dreidimensionalen
Ablöselinien
auf den Leitschaufel-Plattformen betrachtet werden, und zwar auch
unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass diese sich unter Einfluss der Kühlluftausblasung verschieben
können.
-
Diesbezüglich wird
auf die beigefügte,
den Stand der Technik wiedergebende 4 verwiesen, anhand
derer zunächst
die grundsätzlichen
Nachteile der Kühlung
von Leitschaufel- Plattformen mittels Filmkühlung beschrieben werden. Dabei
sind mit den Bezugsziffern 1a, 1b zwei einander
benachbarte Turbinen-Leitschaufeln bezeichnet, die in üblicher
Weise stromab einer hier nicht dargestellten Austrittsöffnung einer
ringförmigen
Gasturbinen-Brennkammer zusammen mit einer Vielzahl weiterer nicht
gezeigter Turbinen-Leitschaufeln bezüglich der Turbinen-Längsachse über dem
Umfang (Umfangsrichtung 13) verteilt angeordnet sind. Wie
bei einer Gasturbinen-Brennkammer
nachgeschalteten Turbinen-Leitschaufeln üblich, weisen diese Leitschaufeln 1a, 1b sog.
Plattformen auf, zwischen denen sie gehalten sind, wobei hier nur
die innere Plattform 2 dargestellt ist. Diese Darstellung
ist analog der später noch
näher erläuterten 1, während die weiteren genannten
Elemente, wie die zweite äussere
Plattform und die Austrittsöffnung
der Gasturbinen-Brennkammer in den ebenfalls später noch ausführlich erläuterten 2, 3 dargestellt sind.
-
Die
Leitschaufeln 1a, 1b werden – wie üblich – von einem Fluid angeströmt, wobei
die Leitschaufel-Anströmkante
mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet ist. Die stromaufwärtige Plattform-Vorderkante
trägt die
Bezugsziffer 17. In 4 gestrichelt
dargestellt und mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet sind
nun die sog. 3D-Ablöselinien,
die sich bei Anströmung
der Leitschaufeln 1a, 1b auf der Oberfläche der
Plattform 2 einstellen. Bei diesen dreidimensionalen Ablöselinien 14 handelt
es sich um diejenigen gedachten Linien, entlang derer eine dreidimensionale
Grenzschichtablösung
auf der Oberfläche
der Plattform 2 stattfindet. Mit der Bezugsziffer 15 ist
das Gebiet auf der Plattformoberfläche stromauf der 3D-Ablöselinien 14 bezeichnet,
und mit der Bezugsziffer 16 dasjenige stromab der Ablöselinien 14.
-
Die
vorangegangene Erläuterung
anhand der
4 geht auf
die
EP 0 615 055 B1 zurück, die sich
auf eine Filmkühlung
der Plattformen bezieht. In diesem bekannten Stand der Technik sind
stromauf der Turbinen- Leitschaufeln Kühlluft-Ausblaseöffnungen
vorgesehen, mittels welcher. ein Kühlluftfilm auf die Plattformoberfläche gelegt
werden kann.
-
Unter
Bezugnahme auf die vorliegende 4 lässt sich
nun feststellen, dass eine Ausblasung von Kühlluft auf die Oberfläche der
Plattform 2 in das Gebiet 15 stromauf der Ablöselinien 14 zwar effizient
ist, da hierbei nur minimale zusätzliche
aerodynamische Verluste auftreten, und ferner einfach ist, da hierbei
quasi zweidimensionale Strömungsverhältnisse
vorliegen, jedoch erfolgt dabei die Kühlluft-Einblasung in ein Gebiet
mit niedrigem Kühlungsbedarf.
Stromab der Ablöselinien 14 hingegen
ist die Ausblasung schwieriger auszulegen, da dort dreidimensionale
Strömung
mit Wirbeln und Querströmung
vorherrscht; weiterhin ist diese Ausblasung auch mit höheren aerodynamischen
Verlusten verbunden. Eine Kühlluft-Einblasung
in das Gebiet 16 stromab der Ablöselinien 14 wäre jedoch
vorteilhaft, da es sich hierbei um ein Gebiet handelt, in welchem ein
hoher Kühlungsbedarf
besteht.
-
Es
ist bekannt, Kühlluft
mit unterschiedlichem Ausblasewinkel auszutragen. Ein flacher Ausblasewinkel
wird in
2A der
US 47 39 621 und ein steilerer
Ausblasewinkel wird in den
6 bis
8 der
AT
237 973 beschrieben, während
in der
US 45 65 490 ein
Ausblasewinkel von 90° offenbart
ist. Gemäß der
US 45 65 490 ist zwischen
einer inneren Plattform und einer äußeren Plattform eine Leitschaufel angeordnet. Über die
Leitschaufel und in den beiden Plattformen vorhandene Innen-Kühlkanäle erfolgt
die Kühlung
der Plattformen, wobei an der Vorderkante der unteren Plattform
als Auslassöffnungen
dienende Schlitze ausgebildet sind.
-
Ausgehend
von diesen Überlegungen
hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, Massnahmen
aufzuzeigen, mit Hilfe derer, bei minimalem Kühlluftverbrauch und minimalen
aerodynamischen Verlusten, diejenigen Regionen der Plattform-Oberfläche gekühlt werden,
die stromab der 3D-Ablöselinien
(14) liegen. Die Kühlluft-Ausblasung soll
dabei jedoch weiterhin stromauf der 3D-Ablöselinien (14) erfolgen,
um die diesbezüglichen
Vorteile, nämlich
die minimalen zusätzlichen
aerodynamische Verluste und die Ausblasung in eine quasi zweidimensionale
Strömung
zu nutzen.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 1 ausgebildeten Anordnung zur Kühlung der
Plattformen von Leitschaufeln gelöst.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist die übliche Filmkühlung ungeeignet,
denn es ist erforderlich, die Kühlluft über die
Wirbel der sich einstellenden sog. Sekundärströmung hinweg zu transportieren.
Als Sekundärströmung werden
dabei wie üblich
alle diejenigen Fluidströmungen
bezeichnet, die nicht in Richtung der idealen, zweidimensionalen
Hauptströmung strömen, d.
h. alle dreidimensionalen Effekte (Wirbel, Querströmungen,
usw.), welche überwiegend
in den wandnahen Bereichen und hier nahe der Plattform-Oberflächen auftreten.
-
Tatsächlich ist
es möglich,
Kühlluft,
die stromauf der 3D-Ablöselinien 14 (vgl. 4) in die Strömung eingebracht
wird, über
die Wirbel der Sekundärströmung hinweg
zu transportieren, wenn die stromauf der 3D-Ablöselinien
liegenden Kühlluft-Ausblaseöffnungen
geeignet angeordnet sind. Erforderlich ist hierzu eine Kühlluft-Ausblasung
unter einem relativ steilen Ausblasewinkel mit hohen Impulsverhältnissen.
Diese Art der Kühllufteinbringung
zur Kühlung
von Plattformen wird im folgenden als "Ballistische Kühlung" bezeichnet.
-
Es
wird vorgeschlagen, die Kühlluft-Ausblaseöffnungen
in Turbinen-Umfangsrichtung nicht gleichmässig verteilt anzuordnen, sondern
derart, dass die in der Nähe
der Plattform-Oberfläche
anzutreffende dreidimensionale Sekundärströmung zum Transport der über die
Ausblaseöffnungen
eingebrachten Kühlluft
ausgenutzt werden kann. Die Kühlluft-Ausblaseöffnungen
können
in der stromauf der Plattform-Vorderkante liegenden Brennkammer-Austrittswand angeordnet
sein oder sich unter Nutzung der im Wesentlichen gleichen Anwendungskriterien in
der Plattform selbst befinden, dabei jedoch ebenfalls stromauf der
3D-Ablösekennlinien
und somit auch stromauf der Leitschaufel-Ausströmkanten.
-
In
anderen Worten ausgedrückt
wird somit vorgeschlagen, jeweils in einem bestimmten Abschnitt
eine Gruppe von Kühlluft-Ausblaseöffnungen vorzusehen,
während
ein in Umfangsrichtung benachbarter Abschnitt überhaupt keine Kühlluft-Ausblaseöffnungen
aufweist. Dabei befinden sich diese Abschnitte entweder in der Plattform
selbst stromauf der Leitschaufel- Anströmkante oder in der stromauf der
Leitschaufel-Plattform liegenden Brennkammer-Austrittswand, wobei
die Lage dieser Abschnitte wie angegeben durch die Schaufelanströmkante sowie
durch die Druckseite der Leitschaufel definiert ist. Dabei werden
analog dem bspw. aus der
EP
0 615 055 B1 bekannten Stand der Technik die Vorteile einer
Kühlluftausblasung
stromauf der dreidimensionalen Ablöselinien genutzt. Mit Hilfe
der sog. "Ballistischen
Kühlung" ist es nunmehr jedoch
auch möglich, diejenigen
Regionen der Plattform zu kühlen,
welche stromab der Ablöselinien
liegen und einen grossen Kühlungsbedarf
haben.
-
Wie
bereits erwähnt
muss hierzu die über
die Ausblaseöffnungen
eingebrachte Kühlluft über die Wirbel
der sog. Sekundärströmung hinweg
transportiert werden. In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, dass
unabhängig
von der speziellen Geometrie des Schaufelkanales sowie spezieller
Randbedingungen eine Kühlluft-Ausblasung
nahe der Saugseite der Turbinenschaufel nicht zur Kühlung der
Plattform stromab der Ablöselinien
beiträgt.
Lediglich eine Ausblasung im Bereich der Druckseite der Turbinenschaufel
kann deren Plattform stromab der Ablöselinien kühlen. Deshalb wird vorgeschlagen,
die Kühlluftausblasung
stromauf der dreidimensionalen Ablöselinien nahe der Schaufel-Druckseite
durchzuführen.
Auf diese Weise kann die dreidimensionale Heissgasströmung zum
Transport der Kühlluft
benutzt werden, was ein wesentliches Kennzeichen der sog. "Ballistischen Kühlung" ist.
-
Im
folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Dabei zeigt
die beigefügte 1 in einer (der bereits
erläuterten 4 analogen) Prinzipdarstellung
zwei Turbinen-Leitschaufeln mit zugeordneter Plattform unter Angabe
des Ortes zweier Gruppen von Kühlluft-
Ausblaseöffnungen,
während
in 2 ein Längsschnitt durch
die diesen Turbinen-Leitschaufeln
vorgeordnete Brennkammer-Austrittswand dargestellt ist.
-
3 zeigt die Ansicht X aus 2 auf die dem Brennkammer-Austritt
nachgeordneten Turbinen-Leitschaufeln
mit zugeordneten Plattformen, wobei die Lage der Kühlluft-Ausblaseöffnungen
kenntlich gemacht ist.
-
Mit
der Bezugsziffer 1a ist somit abermals eine erste Turbinen-Leitschaufel
und mit der Bezugsziffer 1b eine zweite, der ersten benachbarte
Turbinen-Leitschaufel bezeichnet, die in üblicher Weise stromab der Austrittsöffnung 3 einer
ringförmigen Gasturbinen-Brennkammer 4 zusammen
mit einer Vielzahl weiterer nicht gezeigter Turbinen-Leitschaufeln
bezüglich
der Turbinen-Längsachse 5 über dem Umfang
(in Umfangsrichtung 13) verteilt angeordnet sind. Wie bei
einer Gasturbinen-Brennkammer
nachgeschalteten Turbinen-Leitschaufeln üblich, weisen diese Turbinen-Leitschaufeln 1a, 1b sog.
Plattformen 2, 2' auf,
zwischen denen sie gehalten sind. Deren stromaufwärtige Vorderkante
trägt (analog 4) die Bezugsziffer 17.
-
Wie
eingangs bereits erläutert,
müssen
die der zwischen den Turbinen- Leitschaufeln 1a, 1b hindurchgeführten Heissgasströmung ausgesetzten Oberflächen der
Plattformen 2, 2' gekühlt werden, wozu
Kühlluft über stromauf
der Leitschaufeln 1a, 1b bzw. stromauf deren Anströmkante 6 vorgesehene Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 in
die Heissgasströmung
eingeleitet wird. Die Einleitung von Kühlluft in die Heissgasströmung erfolgt
dabei derart, dass die zugeführte
Kühlluft
in diejenigen Regionen der Heissgasströmung eingebracht wird, welche
(dann zusammen mit der Kühlluft)
bedingt durch die Sekundärströmung stromab
der dreidimensionalen Ablöselinien 14 (diese
sind der Übersichtlichkeit
halber nur in 4, nicht
jedoch in 1 dargestellt,
liegen dabei jedoch analog) auf die Oberflächen der Plattformen 2, 2' auftreffen,
und zwar in dem mit der Bezugsziffer 16 (analog 4) bezeichneten Gebiet.
Dies ist das Wesen der sog. "Ballistischen
Kühlung", nämlich dass
die Heissgasströmung
die eingebrachte Kühlluft über die
Wirbel der Sekundärströmung transportiert und
im Gebiet 16 ablegt.
-
Eine
mögliche
Anordnung der Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 zur
Erzielung der beschriebenen Effekte zeigt 2. Demnach sind in der inneren sowie
in der äusseren
Brennkammer-Austrittswand 8 kurz stromauf der Austrittsöffnung 3 Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 unter
einer derartigen Neigung gegenüber
der gemäss
Pfeil X geführten
Heissgasströmung
vorgesehen, dass die aussenseitig an der Brennkammer 4 bzw.
an deren Austrittswand 8 vorbeigeführte und über die Ausblaseöffnungen 7 in
die Heissgasströmung
gelangenden Kühlluft-Teilströme in gewünschter
Weise stromab der 3D-Ablöselinien 14 (vgl.
abermals 4) auf den äusseren
und inneren Plattformen 2, 2' der Turbinen-Leitschaufeln auftreffen,
und zwar in dem Gebiet 16.
-
In
einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform der Erfindung können sich
die Kühlluft-Ausblaseöffnungen
7 in
den Plattformen
2,
2' selbst befinden, und zwar stromauf
der Turbinen-Leitschaufeln
1a,
1b bzw. stromauf
von deren Anströmkanten
6 (nämlich im
in
4 mit der Bezugsziffer
15 bezeichneten
Gebiet), so wie dies in der eingangs genannten
EP 0 615 055 B1 gezeigt
ist.
-
Wie
aus den 1, 3 hervorgeht, sind die Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 in
Umfangsrichtung 13 nicht gleichmässig über dem Umfang (bezogen auf die
Turbinen-Längsachse 5)
verteilt angeordnet. Dabei sind in 3 anstelle
der Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 lediglich
deren Zentralachsen dargestellt, jedoch werden diese der Einfachheit
weiterhin mit der Bezugsziffer 7 bezeichnet.
-
Auch
ist in der Darstellung nach 3 die sog.
Leitschaufel-Anströmkante 6 balkenförmig dargestellt,
da unter Berücksichtigung
der tatsächlichen Strömungsverhältnisse
diese Anströmkante 6 in
ihrer Lage in Umfangsrichtung 13 geringfügig variieren kann.
-
Die
Anordnung der Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 ist
nun derart getroffen, dass mehrere relativ nahe beieinander liegende
Kühlluft-Ausblaseöffnungen
jeweils zu einer sog. Gruppe 7' von Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 zusammengefasst
sind, wobei in Bezug auf eine von der Leitschaufel-Anströmkante 6 parallel
zur Turbinen-Längsachse 5 verlaufende
Referenzlinie 9 sich diese Gruppe 7 von dieser
Referenzlinie 9 in Richtung der Druckseite 10 der
entsprechenden Leitschaufel 1a bzw. 1b erstreckt.
-
Wie
dem Fachmann bekannt ist, weist eine Turbinen-Leitschaufel 1a, 1b bezüglich der
zwischen einander benachbarten Leitschaufeln 1a, 1b hindurchgeführten Heissgasströmung nämlich eine Druckseite 10 sowie
eine Saugseite 11 auf. Mit der vorliegenden Erfindung wurde
nun erkannt, dass bei einer Kühlluftausblasung
stromauf der 3D-Ablöselinien 14 (vgl. 4) auf den Plattformen 2, 2' lediglich die
nahe der Schaufel-Druckseite 10 ausgeblasene und somit
in die Heissgasströmung
eingebrachte Kühlluft
die Chance hat, die hinter den 3D-Ablöselinien 14 liegenden
Plattformregionen, nämlich
das auch in 4 mit der
Bezugsziffer 16 bezeichnete Gebiet unter Anwendung der
sog. "Ballistischen
Kühlung" zu kühlen.
-
Hingegen
würde ein
Anteil der Kühlluft,
der nahe der Schaufel-Saugseite 11 ausgeblasen würde, von
den Wirbeln der Sekundärströmung erfasst
und in der Hauptströmung
verbleiben, so dass dieser Kühlluft-Anteil
nicht zur Plattformkühlung
beitragen kann. Demzufolge wird auf eine Ausblasung und Einbringung
eines solchen unnützen
Kühlluftanteiles verzichtet.
Daher sind (vgl. die Darstellung nach 1, 3) in einem sog. Abschnitt 12,
der sich zwischen der ersten Leitschaufel 1a zugeordneten Gruppe 7' von Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 und
der zweiten Leitschaufel 1b zugeordneten Gruppe 7' von Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 befindet, überhaupt keine
Kühlluft-
Ausblaseöffnungen 7 vorgesehen. Dieser
sich in Umfangsrichtung 13 über ein gewisses Winkelsegment
erstreckende Abschnitt 12 liegt dabei in Richtung der Turbinen-Längsachse 5 betrachtet stromauf
der Saugseite 11 der jeweiligen Turbinen-Leitschaufel 1a bzw. 1b.
-
Sind
die Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 bzw. die
Gruppen 7' derselben
wie in 2 gezeigt in
der Brennkammer-Austrittswand 8 vorgesehen,
so handelt es sich bei den Abschnitten 12 ohne Kühlluft-Ausblaseöffnungen
7 um sich in Umfangsrichtung 13 erstreckende Abschnitte
bzw. Segmente der Brennkammer-Austrittswand 8. Sind hingegen
(wie oben bereits kurz erwähnt)
die Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 bzw.
die Gruppen 7' derselben
direkt in der oder den Plattformen 2, 2' vorgesehen,
so sind diese Abschnitte 12 ohne Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 bezüglich der
Plattform 2, 2' – jeweils
in Umfangsrichtung 13 betrachtet – zu definieren.
-
Wie
in den 1, 3 gezeigt, misst dieser keine
Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 aufweisende
Abschnitt 12 der Brennkammer-Austrittswand 8 oder der
Plattform 2, 2' in
Gasturbinen-Umfangsrichtung 13 im wesentlichen 50% des
Abstandes zwischen den Anströmkanten 6 einander
benachbarter Leitschaufeln 1a, 1b, jedoch kann
dieser Abschnitt 12 auch geringfügig grösser oder kleiner sein als
gezeigt. Darüber
hinaus kann die in der Figurendarstellung nach 1 erste linksseitige Kühlluft-Ausblaseöffnung 7 auch
bezüglich
der Referenzlinie 9 geringfügig anders, nämlich etwas
weiter links oder etwas weiter rechts als gezeigt liegen. Ferner
können
die einzelnen Kühlluft-
Ausblaseöffnungen 7 einer
Gruppe 7' auch
anders als hier gezeigt, nämlich
auch anders als in zwei Reihen angeordnet sein. Daneben sind selbstverständlich eine
Vielzahl weiterer Abwandlungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen
möglich,
ohne den Inhalt der Patentansprüche
zu verlassen.
-
Stets
erhält
man mit der beschriebenen Anordnung von Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 eine
gegenüber
dem bekannten Stand der Technik deutlich verbesserte Kühlung der
Plattformen 2, 2' der
Turbinen-Leitschaufeln 1a, 1b, wobei die Verbesserung darin
liegt, dass der eingebrachte Kühlluftstrom
im wesentlichen vollständig
zu Kühlzwecken
genutzt wird. Im konkreten Ausführungsbeispiel
sind dabei in Umfangsrichtung 13 betrachtet nur halb so
viele Kühlluft-Ausblaseöffnungen 7 erforderlich
als im bekannten Stand der Technik. Darüber hinaus erfahren genau diejenigen
Regionen der Plattformen 2, 2' eine bestmögliche Kühlung, die den höchsten Kühlungsbedarf
aufweisen, nämlich
die Gebiete 16, und zwar unter Nutzung der bereits mehrfach
genannten "Ballistischen
Kühlung".
-
- 1a
- (erste)
Turbinen-Leitschaufel
- 1b
- (zweite,
benachbarte) Turbinen-Leitschaufel
- 2
- (innere)
Plattform von 1a, 1b
- 2'
- (äussere)
Plattform von 1a, 1b
- 3
- Austrittsöffnung von 4
- 4
- ringförmige Gasturbinen-Brennkammer
- 5
- Turbinen-Längsachse
- 6
- Leitschaufel-Anströmkante
- 7
- Kühlluft-Ausblaseöffnung
- 7'
- Gruppe
von Kühlluft-Ausblaseöffnungen
- 8
- Brennkammer-Austrittswand
- 9
- Referenzlinie
- 10
- Druckseite
von 1a, 1b
- 11
- Saugseite
von 1a, 1b
- 12
- Abschnitt
ohne Kühlluft-Ausblaseöffnungen
- 13
- Umfangsrichtung
- 14
- 3D-Ablöselinie(n)
- 15
- Gebiet
auf Oberfläche
von 2 stromauf von 14
- 16
- Gebiet
auf Oberfläche
von 2 stromab von 14
- 17
- Plattform-Vorderkante