DE19860244B4

DE19860244B4 - Turbinenschaufel mit aktiv gekühltem Deckbandelement

Info

Publication number: DE19860244B4
Application number: DE19860244A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Beeck; Ibrahim Dr. El-Nashar; Bernhard Dr. Weigand; Beat Von Arx
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: DE19860244A1

Abstract

Gekühlte Turbinenschaufel, welche an der Schaufelspitze ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement aufweist, wobei das Deckbandelement zur Kühlung von einer Mehrzahl von Kühlbohrungen durchzogen ist, welche eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel zur Schaufelspitze verlaufenden Kühlkanal in Verbindung stehen, und ausgangsseitig in den die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum münden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 17) zur Unterseite des Deckbandelementes (11) hin in den Aussenraum münden, dass die Kühlbohrungen (16, 17) mit einem in Strömungsrichtung zunehmenden Querschnitt ausgebildet sind, dass in das Deckbandelement (11) von der Unterseite her Vertiefungen (14a, 15a) eingelassen sind, und dass die Kühlbohrungen (16, 17) seitlich in die Vertiefungen (14a, 15a) münden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine luftgekühlte Turbinenschaufel, welche an der Schaufelspitze ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement aufweist, wobei das Deckbandelement zur Kühlung von einer Mehrzahl von Kühlbohrungen durchzogen ist, welche eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel zur Schaufelspitze verlaufenden Kühlluftkanal in Verbindung stehen, und ausgangsseitig in den die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum münden.

Eine solche Turbinenschaufel ist z. B. aus der Druckschrift DE 198 13 173 oder der US 5 785 496 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Moderne Gasturbinen arbeiten bei extrem hohen Temperaturen. Dies bedingt eine intensive Kühlung der Turbinenschaufeln, die heutzutage in modernen Gasturbinen eingesetzt werden. Hierbei ist es meist besonders schwierig, die exponierten Bereiche der Schaufeln gut zu kühlen. Einer dieser Bereiche ist das Deckband bzw. Deckbandelement der Schaufel. Möglichkeiten, das Deckbandelement zu kühlen, sind in der eingangs genannten Druckschrift DE 198 13 173 oder in GB 1 605 335 beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, das Deckbandelement durch eine Reihe paralleler Kühlbohrungen zu kühlen, die sich von der (zentralen) Laufschaufel durch das Deckbandelement hindurch zur äusseren Kante des Deckbandelementes erstrecken und dort in den Aussenraum münden.

Diese bekannte Lösung hat allerdings die folgenden Nachteile:

– Stossen zwei Deckbandelemente benachbarter Schaufeln seitlich aneinander (wie dies z. B. aus 3 der US 5 482 435 zu ersehen ist), werden die Mündungen der Kühlbohrungen zumindest teilweise verschlossen und das Deckbandelement wird im Betrieb überhitzt.
– Es werden in den Kühlbohrungen keine Massnahmen getroffen, um den Wärmeübergang zwischen der Kühlluft und dem Deckbandelement zu intensivieren.

Diesen Nachteilen sucht DE 2343639 dadurch abzuhelfen, dass die seitlichen Kühlmittelaustrittsbohrungen in einen divergierenden Teil münden, welcher in dem angrenzenden Deckbandelement strömungstechnisch seine Fortsetzung findet. Auf diese Weise kann das Kühlmittel zum einen ungehindert austreten und wird zum anderen in den Hohlraum an der Oberseite des Deckbands geleitet (siehe 2), wodurch nicht nur die Kühlung in diesem Bereich sondern auch die Wirkung der Labyrinthdichtung verbessert wird. Jedoch besteht ein Erfordernis zur Ableitung überschüssigen Kühlmittels. Zu diesem Zweck ist das Statorgehäuse zusätzlich mit einem kreisringförmigen Hohlraum zur Kühlmittelableitung ausgestattet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenschaufel mit luftgekühltem Deckbandelement zu schaffen, bei welcher die genannten Nachteile auf einfache Weise vermieden werden können, und die sich durch eine wirksame Kühlung des Deckbandelementes mit einem Kühlmedium auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Kern der Erfindung ist es, die durch das Deckbandelement verlaufenden Kühlbohrungen nicht an den seitlichen Kanten des Deckbandelementes in den Aussenraum münden zu lassen, sondern seitlich in Vertiefungen auf der Unterseite des Deckbandelementes, wobei die Kühlbohrungen mit einem in Strömungsrichtung zunehmenden Querschnitt ausgebildet sind. Hierdurch wird insbesondere ein Verschliessen der Mündungen durch benachbarte Deckbandelemente sicher vermieden. Andererseits wird durch Vermischung des austretenden Kühlmediums die Temperatur wirksam herabgesetzt und so eine Überhitzung des Deckbandes vermieden.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Turbinenschaufel nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufelspitze von innen nach aussen verlaufen.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlbohrungen Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Kühlluft und Deckbandelement vorgesehen sind, dass die Kühlbohrungen als Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs an den Bohrungswänden Rauhigkeiten, insbesondere in Form von Rippen und/oder Turbulatoren, umfassen, und dass die Kühlbohrungen mittels des sogenannten "STEM drilling"-Prozesses hergestellt sind. Insbesondere durch das "STEM drilling", das beispielsweise in der US-A-5,306,401 im Zusammenhang mit der Herstellung von Kühllöchern in Turbinenschaufeln beschrieben worden ist, lassen sich einfach und zuverlässig Kühlbohrungen mit verbesserten Wärmeübergangseigenschaften erzeugen.

Eine bessere Ausnutzung des Kühlmediums, in vielen Fällen handelt es sich um Kühlluft, aber nicht nur, kann weiterhin erreicht werden, wenn gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in den Kühlbohrungen jeweils eine Drosselstelle zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen ist, und die Drosselstellen jeweils an der Eingangsseite der Kühlbohrungen angeordnet sind.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in der Draufsicht von oben ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel nach der Erfindung mit den (gestrichelt angedeuteten) Kühlbohrungen im Deckbandelement;
2 eine weiteres Beispiel gemäss 1 mit diffusorartigen Kühlbohrungen;
3 von der Seite her gesehen die Spitze der Turbinenschaufel nach 1 innerhalb der Gasturbine mit der gegenüberliegenden Gehäusewand;
4 von der Seite her gesehen die Spitze der Turbinenschaufel nach 2 innerhalb der Gasturbine mit der gegenüberliegenden Gehäusewand, wobei hier die unteren Kühlbohrungen zudem ein Langloch bilden;
5 in einem Ausschnitt den Schnitt entlang einer Kühlbohrung durch die Spitze der Turbinenschaufel mit Deckbandelement nach 1.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist in der Draufsicht von oben ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel nach der Erfindung dargestellt. Die Turbinenschaufel 10 umfasst das eigentliche Schaufelprofil 23 und ein quer dazu an der Schaufelspitze angeordnetes Deckbandelement 11, welches zusammen mit den Deckbandelementen der anderen (nicht gezeigten) Schaufeln ein durchgehendes, mechanisch stabilisierendes Deckband ergibt. Das Schaufelprofil 23 ist im Inneren teilweise hohl und von einem oder mehreren Kühlluftkanälen 18 (in 1 gestrichelt angedeutet) durchzogen, die Kühlluft vom Schaufelfuss bis in die Schaufelspitze leiten. Das Deckbandelement 11 hat auf seiner Oberseite (22 in 2) zwei parallel in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze verlaufende Rippen 12 und 13, die zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand 20 der Gasturbine eine durch Spalte mit der Umgebung verbundene Kavität 21 bilden (3).
Im Inneren des Deckbandelementes 11 verlaufen zwischen und im wesentlichen parallel zu den Rippen 12, 13 mehrere Kühlbohrungen 16, 17 (in 1 und 3 gestrichelt eingezeichnet) von der Mitte ausgehend nach aussen. Die Kühlbohrungen stehen eingangsseitig mit dem Kühlluftkanal 18 in Verbindung und werden von diesem mit Kühlluft versorgt. Wie man aus 1 entnehmen kann, erstrecken sich die Kühlbohrungen 16, 17 nicht ganz bis zum seitlichen Ende bzw. Rand des Deckbandelementes 11, sondern münden jeweils von der Seite her in eine längliche, von der Unterseite her in das Deckbandelement 11 eingelassene Vertiefung 14a bzw. 15a (siehe 5, auch im Zusammenhang mit der Ausgestaltung der Kühlbohrungen allgemein). Dadurch ist gewährleistet, dass die Kühlluft immer durch die Kühlbohrungen hindurchtritt, auch wenn zwei (benachbarte) Deckbandelemente 11 in mechanischem Kontakt miteinander stehen. Es versteht sich von selbst, dass anstelle der durchgehenden Vertiefungen 14a, 15a auch jede der Kühlbohrungen 16, 17 für sich genommen mit einer separaten Vertiefung in Verbindung stehen kann. Weiterhin ist es auch denkbar, die Kühlbohrungen 16, 17 leicht schräg und von einer Parallelität untereinander abweichend verlaufen zu lassen, wenn es zur Optimierung der Kühlung über die gesamte Fläche des Deckbandelementes 11 nötig ist.
Die Kühlbohrungen 16, 17 in der gezeigten Kühlungsanordnung werden vorzugsweise mit dem sogenannten "STEM drilling"-Verfahren hergestellt, das in der US-A-5,306,401 in allen Einzelheiten beschrieben ist. Dadurch ist es (durch Veränderung des Vorschubs) möglich, die Kühlbohrungen 16,17 mit internen Rauhigkeiten wie z. B. Turbulatoren oder Rippen zu versehen. Dies führt zu einer deutlich effizienteren Kühlung, weil die Form der Kühlbohrung optimiert werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Kühlbohrungen 16, 17, vorzugsweise eingangsseitig, d. h. im Bereich der Kühlluftversorgung am Profil 23, jeweils mit einer Drosselstelle 19 auszustatten. Dadurch wird es möglich, den Kühlluftmassenstrom gezielt zu begrenzen und eine deutlich effizientere Kühlung zu erhalten.
2 unterscheidet sich gegenüber 1 dadurch, dass die Kühlbohrungen 16, 17 ab der Drosselstelle 19, welche jeweils an der Eingangsseite jeder Kühlbohrung 16, 17 angeordnet ist, als Diffusor 16a oder diffusorähnlich ausgebildet sind, während die gegenüberliegenden Kühlbohrungen Richtung Vertiefung 15a die Konfiguration eines Langloches 17a aufweisen. Die restlichen Aspekte des Erfindungsgegenstandes gemäss 2, 4 bleiben die gleichen wie sie unter den 1, 3, bereits beschrieben worden sind.
Die Kühlbohrungen 16, 17, können überdies in Strömungsrichtung eine andere Konfiguration als die oben beschriebenen aufweisen. Was den Strömungsquerschnitt betrifft, können diese Kühlbohrungen 16, 17 so ausgelegt sein, dass deren Wand in Umfangsrichtung oberflächenvergrössernd ausgelegt ist, beispielsweise durch regelmässig oder unregelmässig gehaltene Vertiefungen.
5 zeigt die von der Unterseite her in das Deckbandelement 11 eingelassene Vertiefung 15a und die Ausgestaltung der entsprechenden Kühlbohrung 17b: Diese verläuft ab Drosselstelle 19 mit einem in Strömungsrichtung zunehmenden Querschnitt.

10: Turbinenschaufel
11: Deckbandelement
12, 13: Rippe
14, 15: Vertiefung
16a, 17a, 17b: Ausführungsarten von Kühlbohrungen
18: Kühlkanal, Kühlluftkanal
19: Drosselstelle
20: Gehäusewand
21: Kavität
22: Oberseite (Deckbandelement)
23: Schaufelprofil
24: Heissgas

Claims

Gekühlte Turbinenschaufel, welche an der Schaufelspitze ein sich quer zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement aufweist, wobei das Deckbandelement zur Kühlung von einer Mehrzahl von Kühlbohrungen durchzogen ist, welche eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel zur Schaufelspitze verlaufenden Kühlkanal in Verbindung stehen, und ausgangsseitig in den die Turbinenschaufel umgebenden Aussenraum münden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 17) zur Unterseite des Deckbandelementes (11) hin in den Aussenraum münden, dass die Kühlbohrungen (16, 17) mit einem in Strömungsrichtung zunehmenden Querschnitt ausgebildet sind, dass in das Deckbandelement (11) von der Unterseite her Vertiefungen (14a, 15a) eingelassen sind, und dass die Kühlbohrungen (16, 17) seitlich in die Vertiefungen (14a, 15a) münden.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 17) im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufelspitze von innen nach aussen verlaufen.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlbohrungen (16, 17) Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Kühlluft und Deckbandelement (11) vorgesehen sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 17) als Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs an den Bohrungswänden Rauhigkeiten, insbesondere in Form von Rippen und/oder Turbulatoren, umfassen.
Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 17) mittels des sogenannten "STEM drilling"-Prozesses hergestellt sind.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlbohrungen (16, 17) jeweils eine Drosselstelle (19) zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstellen (19) jeweils an der Eingangsseite der Kühlbohrungen (16, 17) angeordnet sind.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Deckbandelementes (11) parallel zueinander verlaufende, voneinander beabstandete Rippen (12, 13) vorgesehen sind, welche zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand (20) der Gasturbine eine Kavität (21) bilden.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kühlbohrung (16, 17) in Strömungsrichtung einen Diffusor (16a) bildet oder diffusorähnlich ausgebildet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (16, 17) in ihrem Strömungsquerschnitt oberflächenvergrössernd ausgebildet sind.