DE19860787B4

DE19860787B4 - Turbinenschaufel mit Kühlkanälen

Info

Publication number: DE19860787B4
Application number: DE19860787A
Authority: DE
Inventors: Prith Dr. Harasgama; Bruce Dr. Manchester Johnson
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2018-12-31
Also published as: DE19860787A1

Abstract

Turbinenschaufel mit Kühlkanälen, die sich in im Wesentlichen radialer Richtung durchgehend zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze erstrecken, und die von einem Kühlmedium, insbesondere von Dampf, durchströmbar sind, wobei das Kühlmedium über einen Abströmkanal aus der Schaufel abgeleitet und nicht in den die Turbinenschaufel umströmenden Heissgasstrom eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (10; 50; 60) einen in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) variierenden Querschnittsverlauf aufweisen und als Hohlräume zwischen radial durchgehenden Nuten (50), die an der Innenseite einer die Turbinenschaufel (5) bildenden Wand (52) geformt sind, und einem die Nuten (50) abdeckenden Einsatz (70) ausgeführt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit Kühlkanälen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist ganz allgemein bekannt, Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen zu versehen, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Hierdurch soll eine Absenkung der Bauteiltemperatur, insbesondere an thermisch hochbelasteten Abschnitten, erreicht werden.
In der Praxis finden zwei verschiedene Konzepte Anwendung. Die erste Variante besteht darin, Kühlmedium in Form von Luft oder auch Dampf durch Kühlkanäle hindurchzuleiten, die innerhalb der Turbinenschaufel angebracht sind. Das Kühlsystem ist hierbei vom Heißgasstrom getrennt. Typischerweise wird dieses Kühlkonzept bei stationären Turbinenanlagen im Kraftwerksbau verwendet, wobei als Kühlmedium Dampf eingesetzt wird.
Eine zweite Variante besteht darin, Turbinenschaufeln mittels eines Kühlmediums zu kühlen, das aus der Turbinenschaufel ausgeblasen wird. Typische Anwendungsfälle sind Fluggasturbinen, bei denen ein Teilluftstrom dem Verdichter entnommen und als Kühlmedium den zu kühlenden Turbinenschaufeln zugeführt wird.

Aus der DE-PS 853 534 ist eine Gasturbinenschaufel bekannt, die als Hohlschaufel ausgebildet ist. Das Innere der Turbinenschaufel steht damit als radial durchgehender Kühlkanal zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze zur Verfügung. Das Kühlmedium in Form von Kühlluft wird über eine Öffnung im Schaufelfuß zugeführt und verlässt die Turbinenschaufel über eine nicht näher dargestellte Öffnung im Bereich der Schaufelspitze. Im Inneren des Schaufelhohlraumes ist ein drallerzeugender Einsatz mit Schraubenleitflächen angeordnet, der der durch den Schaufelfuß eintretenden Kühlluft einen Drall erzeugt und den Luftstrom zu den Schaufelwänden hin umlenkt. Die hierdurch erzielte Durchwirbelung sorgt für ei nen verbesserten Wärmeübergang, wobei eine besonders gute Wärmeübertragung im Vorder- und Hinterkantenbereich infolge der dort erforderlichen starken Strömungsumlenkung gegeben ist.

Zur Abstimmung auf die radiale Temperaturverteilung mit einem Temperaturmaximum im mittleren Bereich des Heißgasstroms wird vorgeschlagen, die Steigung der Schraubenleitflächen in diesem Bereich flacher zu gestalten als im Bereich von Schaufelfuss und Schaufelspitze.

Nachteilig bei dieser luftgekühlten Gasturbinenschaufel ist der nach wie vor sehr hohe Verbrauch an Kühlluft, da der Kühlkanal im Wesentlichen aus dem gesamten Hohlvolumen des Schaufelblattes besteht. Hieran ändert auch der Einsatz wenig, da dieser lediglich einen schaufelfußnahen Teilbereich des gesamten Hohlraumes durchsetzt und zudem aus einem verdrehten Flacheisenstück aufgebaut ist, welches wenig Bauvolumen einnimmt.

Mit der EP 698725 A2 und der JP 09264103 A sind dampfgekühlte Gasturbinenschaufeln bekannt, deren Schaufelhohlraum jeweils in mehrere Kammern unterteilt ist. Bei beiden Lösungen wird der Dampf nach Durchströmen des Schaufelhohlraums über einen Abströmkanal aus der Schaufel abgeleitet, d.h. nicht in den die Turbinenschaufel umströmenden Heissgasstrom eingeleitet.

Gemäß einem aktuell im Einsatz befindlichen Kühlkonzepts, von dem auch die Erfindung ausgeht, ist die kühlbare Turbinenschaufel als Hohlschaufel ausgebildet. Die Kühlkanäle sind als radialverlaufende Durchgangsbohrungen in den das Schaufelblatt bildenden Wänden gestaltet. Sie sind in dichter Abfolge umlaufend und dicht an der Außenoberfläche der Wände angebracht und besitzen einen vergleichsweise geringen Durchmesser, der unter anderem auch von der lokalen Wanddicke bestimmt ist. Kühlmedium in Form von Dampf wird beispielsweise über eine Verteilerkammer von der Schaufelspitze her einer ersten Gruppe von Bohrungen zugeführt. Nach dem Durchsströmen der Kühlkanäle wird das Kühlmedium in einer im Schaufelfußbereich vorgesehenen Sammelkammer aufgefangen und einer zweiten Gruppe von Kühlkanälen zugeführt, durch die das Kühlmedium zu einer im Schaufelspitzenbereich vorgesehenen Abströmkammer zurückgeleitet wird. Da sich das Kühlmedium in Strömungsrichtung laufend erwärmt, befindet sich die erste Gruppe der Kühlkanäle auf der thermisch besonders beanspruchten Saugseite, wohingegen die zweite Gruppe von Kühlkanälen in der Hauptsache dem Druckseitenbereich der Turbinenschaufel zugeordnet ist.

Durch die vergleichsweise dichte Anordnung einer Vielzahl von Kühlkanälen kleinen Durchmessers gelingt zwar eine effektive Wärmeabführung bei verringertem Kühlmittelbedarf. Nachteilig bei diesem Konzept ist jedoch, dass die Kühlung nicht in der Lage ist, eine im Wesentlichen konstante Temperaturverteilung an der dem Heißgasstrom ausgesetzten Schaufeloberfläche zu erreichen, wie dies im Sinne einer maximalen Ausnutzung der Materialeigenschaften wünschenswert wäre.

Vorstehende Problematik führte deshalb zu einer weiten Verbreitung des weiteren Kühlkonzeptes, bei dem Kühlluft aus der Turbinenschaufel ausgeblasen wird. In thermisch hochbelasteten Abschnitten, beispielsweise im Vorderkantenbereich oder auf der Saugseite, sind Ausblasöffnungen vorgesehen, durch die Kühlluft austritt und einen geschlossenen Kühlfilm ausbildet, der als Trennschicht zwischen dem Heißgasstrom und der Oberfläche der Turbinenschaufel eine Wärmeübertragung erschwert und somit die Wandtemperatur unterhalb kritischer, materialspezifischer Grenzwerte hält.

Beispielsweise wird auf die DE-OS 25 55 049 verwiesen, aus der es bekannt ist, innerhalb einer Turbinenleitschaufel zwei voneinander getrennte, radial durchgehende Hohlräume zu bilden. Jedem der beiden Hohlräume sind Gruppen von Ausblasöffnungen zugeordnet, durch welche die in die jeweiligen Hohlräume eingeleitete Kühlluft an thermisch kritischen Abschnitten ausgeblasen wird. Jeder der Hohlräume weist einen radial durchgehenden, im Querschnitt U-förmigen Einsatz auf, der sich an Abstandsvorsprüngen, die an der Innenseite der jeweiligen Wandabschnitte angebracht sind, abstützen. Jeder der beiden Hohlräume wird somit in einen Zuführhohlraum, in den die Kühlluft eingespeist wird, und mehrere Zwischenhohlräume unterteilt. Hierdurch wird erreicht, dass der Hauptanteil der zugeführten Kühlluft durch den Zuführhohlraum strömt und von dort ungehindert durch die Ausblasöffnungen austreten kann, die in Bereichen besonders hoher thermischer Beanspruchung angeordnet sind, wie beispielsweise im Staupunktbereich. Ein kleinerer Anteil der zugeführten Kühlluft tritt durch Löcher, die am Einsatz angebracht sind, hindurch und wird über weitere Ausblasöffnungen, die den Zwischenhohlräumen zugeordnet sind, in Bereiche ausgeblasen, die thermisch etwas weniger stark belastet sind.

Auf diese Weise ist eine gezielte Beeinflussung der Kühlluftverteilung zwischen den einzelnen Ausblaseöffnungen erreichbar verbunden mit der Möglichkeit, die Kühlwirkung in axialer Richtung zu beeinflussen.

Auch ist es ganz allgemein bekannt, Ausblaseöffnungen im Mittenbereich der Heißgasströmung zu konzentrieren, da dort die Temperaturbelastung am größten ist. Somit gelingt es, der radialen Temperaturverteilung Rechnung zu tragen.

Obwohl sich derartige Kühlkonzepte dem Grunde nach insbesondere bei Fluggasturbinen bewährt haben, ist eine Übertragung auf den hier vorliegenden Fall eines Kühlkonzeptes, bei dem das Kühlmedium nicht in den Heißgasstrom eingeleitet wird, nicht möglich.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel mit Kühlkanälen der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglicht, die Kühlwirkung in radialer Richtung derart auf die vom Heißgasstrom ausgehende Wärmebelastung derart abzustimmen, dass sich ein im Wesentlichen konstantes Temperaturprofil für die Turbinenschaufel ergibt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Kühlkanäle einen in Strömungsrichtung des Kühlmediums variierenden Querschnittsverlauf aufweisen. Hierdurch ist es möglich, über die gezielte Beeinflussung von Durchflussmenge, Druckgefälle und/oder Temperaturanstieg des durch die Kühlkanäle hindurchgeleiteten Kühlmediums den Wärmefluss von der Oberfläche der Turbinenschaufel in den Kühlkanal hinein lokal so zu steuern, dass sich eine angenähert konstante Wandtemperatur an der Turbinenschaufel einstellt.

Dabei wird eine optimale Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Querschnittsverlaufs ermöglicht, indem die Kühlkanäle als Hohlräume zwischen radial durchgehenden Nuten, die an der Innenseite der die Turbinenschaufel bildenden Wände geformt sind, und einem die Nuten abdeckenden Einsatz ausgeführt sind. Die Nuten können eine an sich beliebige Form aufweisen, die sich kostengünstig durch gängige Gießverfahren oder durch mechanische oder elektrochemische Bearbeitungsverfahren umsetzen lassen. Somit ist es beispielsweise möglich, einen innenliegenden Radialabschnitt mit vergrößertem Querschnitt zu realisieren, falls dieser aus kühlungstechnischen Erwägungen heraus erforderlich sein sollte.

Bevorzugt ist der Einsatz aus einem Blech geformt, der unter Vorspannung gegen Stege gedrückt gehalten ist, welche zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten vorhanden sind. Durch das Anliegen des Einsatzes an den Stegen ist eine Abdichtung zwischen den einzelnen Kühlkanälen erreicht. Um ein sicheres Anliegen an den Stegen zu gewährleisten, sollten die Anlageflächen, und damit korrespondierend das Blech, in radialer Richtung geradlinig verlaufend gestaltet sein.

Eine erste Option besteht darin, bei konstant gehaltener Breite die Tiefe der Nuten zu variieren, das heißt in Strömungsrichtung des Mediums betrachtet abnehmen zu lassen. Diese Konfiguration ermöglicht einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten, der insbesondere von großer Bedeutung für diejenigen Verhältnisse von Bedeutung ist, bei denen das Temperaturgefälle infolge der zunehmenden Erwärmung des hindurchströmenden Kühlmediums abnimmt. Ferner lässt sich hiermit eine angenähert gleichförmige Wärmeübertragung zum Kühlmedium realisieren, sofern eine solche durch die externe Heißgasströmung eingehalten werden soll.

Eine weitere Variante sieht vor, die Breite der Nuten bei gleichzeitig konstant gehaltener Tiefe zu variieren. Zur Abstimmung auf die externe Wärmebelastung kann der Abstand zwischen den einzelnen Nuten bzw. Kühlkanälen in Strömungsrichtung verändert werden.

Schließlich ist es auch möglich, sowohl die Tiefe als auch die Breite der Nuten und damit der Kühlkanäle, zu variieren. Damit können die Wärmeübertragungsbedingungen quasi punktweise exakt auf die jeweils lokal erforderliche Wärmeabführung eingestellt und eine konstante Wandtemperatur sowohl in axialer als auch in radialer Richtung erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Darstellungen wiedergegeben. Es zeigen:
1 Turbinenschaufel mit Kühlkanälen in Form radialer Durchgangsöffnungen, perspektivische Ansicht;
2 Turbinenschaufel gemäß 1 im Axialschnitt;
3 erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit Kühlkanälen in Form radial durchgehender Nuten und Einsatz, im Axialschnitt.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In den 1 und 2 ist eine Turbinenschaufel 1 dargestellt, die sich in radialer Richtung r zwischen einem Fußsegment 30 und einem Deckbandsegment 20 erstreckt. Die Turbinenschaufel 1 ist als Hohlschaufel ausgeführt, das heißt sie ist aus einer die Profilform definierenden Wand 12 aufgebaut, wobei im Inneren ein Hohlraum 18 entsteht.
Die Wand 12 ist mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen 10 durchsetzt, die sich durchgehend zwischen einem Schaufelfuß 14 und einer Schaufelspitze 16 erstrecken und als Kühlkanäle für ein Kühlmedium, beispielsweise Dampf dienen. Die Kühlkanäle 10 sind dicht benachbart zur Außenseite der Wand 12 hin angebracht.
Das Kühlmedium K wird über einen Zuführkanal 22 in eine Verteilerkammer 24 eingespeist, die im Deckbandsegment 20 eingeformt ist. Die Verteilerkammer 24 erfasst eine erste Gruppe von Durchgangsöffnungen 10, welche bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einem thermisch besonders stark belasteten Wandabschnitt (Saugseitenabschnitt) zugeordnet sind. Von der Verteilerkammer 24 strömt das Kühlmedium K durch die entsprechenden Durchgangsöffnungen hin durch und tritt im Bereich des Fußsegments 30 in eine Sammelkammer 32 ein. Von dort wird das Kühlmedium einer zweiten Gruppe von Durchgangsöffnungen 10 zugeführt und strömt in radialer Richtung innerhalb der Turbinenschaufel 1 zurück zu einer im Deckbandsegment 20 integrierten Abströmkammer 26 und wird schließlich über einen Abströmkanal 28 abgeleitet.
Die Besonderheit dieser dem Grunde nach an sich bekannten Konzeption besteht nun darin, dass die Kühlkanäle 10 einen in Strömungsrichtung des Kühlmediums K variierenden Querschnittsverlauf aufweisen. Im konkret vorliegenden Fall besitzen die Durchgangsöffnungen 10 einen kreisförmigen Querschnitt, wobei der Radius in Strömungsrichtung des Kühlmediums K kontinuierlich abnimmt.
Bei einer vergleichbaren, hier nicht näher dargestellten Variante wird Dampf ausschließlich in einer radialen Richtung, beispielsweise vom Schaufelfuß 14 in Richtung der Schaufelspitze 16 durch die Durchgangsöffnungen 10 hindurchgeleitet, so dass die Strömungsumlenkung des Kühlmediums K im Bereich des Schaufelfußes 14 entfallen kann. In diesem Fall sind die Durchgangsöffnungen 10 mit einem kontinuierlich abnehmenden Durchmesser zwischen dem Schaufelfuß 14 und der Schaufelspitze 16 versehen. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass sich das Kühlmedium K in Strömungsrichtung erwärmt und somit das für die Wärmeübertragung maßgebliche Temperaturgefälle zwischen dem Heißgasstrom und dem Kühlmedium K abnimmt.
Die Variation der Querschnittsfläche in Strömungsrichtung des Kühlmediums K ermöglicht eine in radialer Richtung konstante Wandtemperatur. Zusätzlich kann durch eine weitere überlagerte Anpassung des Querschnittsverlaufes ein radiales Temperaturprofil kompensiert werden, um beispielsweise eine im mittleren Bereich zwischen dem Schaufelfuß 14 und der Schaufelspitze 16 auftretende Temperaturüberhöhung im Heißgasstrom auszugleichen.
Derartige Turbinenschaufeln 1 mit Durchgangsöffnungen 10 lassen sich durch elektrochemische Verfahren einfach und kostengünstig herstellen, sofern der Querschnittsverlauf in Strömungsrichtung des Kühlmediums K verjüngend, beispielsweise linear abnehmend, auszubilden ist. Ein typisches Anwendungsbeispiel hierfür sind konisch geformte Turbinenschaufeln, bei denen die (zu kühlende) Oberfläche direkt proportional zum Radius ist.
Eine völlig freizügige Gestaltung des Querschnittsverlaufs von Kühlkanälen ist bei der in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 5 möglich. In diesem Fall werden die Kühlkanäle zwischen radial durchgehenden Nuten 50, die an der Innenseite einer die Profilform der Turbinenschaufel 5 bildenden Wand 52 geformt sind, sowie einem die Nuten 50 abdeckenden Einsatz 70 gebildet. Die Nuten 50 können durch geeignete Formgebungsverfahren, wie beispielsweise Gießen oder elektrochemische Bearbeitungsverfahren an sich beliebig gestaltet werden. Je nach von außen aufgeprägtem Temperaturprofil kann punktweise der Wärmeübergang so eingestellt werden, dass sich eine konstante Temperatur sowohl in radialer als auch in axialer Richtung innerhalb der Wand 52 einstellt. Der Querschnittsverlauf der einzelnen Kühlkanäle 50 kann hierbei entweder durch Variation der Breite b oder der Tiefe t der jeweiligen Nut 50 vorgenommen werden. Weiterhin ist es auch möglich, sowohl die Breite b als auch die Tiefe t zu variieren, so dass ein doppelt konturierter Kühlkanal entsteht.
Die Abdichtung der einzelnen Kühlkanäle 50 untereinander ist auf einfache Art und Weise dadurch zu realisieren, dass als Einsatz ein geformtes Blech 70 verwendet wird, das unter Vorspannung gegen Stege 56 gedrückt gehalten ist, welche zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten 50 vorhanden sind. Zur Erzielung einer guten Dichtwirkung ist es von Vorteil, das Blech 70 in radialer Richtung r geradlinig verlaufend zu gestalten. In diesem Fall lässt sich das Blech 70 in radialer Richtung geradlinig einschieben und zur gleichmäßigen Anlage an sämtlichen Stegen 56 bringen. Im Inneren entsteht wiederum ein Hohlraum 58, der nicht vom Kühlmedium K durchströmt ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine effiziente und optimale Kühlung der Wand 52 gezielt so einzustellen, dass sich eine ideal gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt.
3 zeigt weiterhin, dass in einem Hinterkantenbereich 53 der Wand 52 weitere Kühlkanäle in Form von Durchgangsöffnungen 60 vorgesehen sind, um auch in diesem Bereich die Temperatur auf dem vorgesehenen Wert zu halten. Die Durchgangsöffnungen 60 haben ebenfalls einen in Strömungsrichtung des Kühlmediums K abnehmenden Querschnittsverlauf ähnlich dem Querschnittsverlauf der Durchgangsöffnungen 10 gemäß dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich eine überragende Möglichkeit, durch eine der abzuführenden Wärme optimal angepasste Kühlkanalkontur die Wandtemperatur von Turbinenschaufeln sowohl in axialer als auch in radialer Richtung konstant einzustellen.

1: Turbinenschaufel
5: Turbinenschaufel
10: Durchgangsöffnung, Kühlkanal
12: Wand
14: Schaufelfuß
16: Schaufelspitze
18: Hohlraum
20: Deckbandsegment
22: λZufuhrkanal
24: Verteilerkammer
26: Abströmkammer
28: Abströmkanal
30: Fußsegment
32: Sammelkammer
50: Kühlkanal, Nut
52: Wand
53: Hinterkantenbereich
56: Steg
58: Hohlraum
60: Durchgangsöffnung, Kühlkanal
70: Einsatz
ax: axiale Richtung
r: radiale Richtung
b: Breite der Nut 50
t: Tiefe der Nut 50
K: Kühlmedium

Claims

Turbinenschaufel mit Kühlkanälen, die sich in im Wesentlichen radialer Richtung durchgehend zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze erstrecken, und die von einem Kühlmedium, insbesondere von Dampf, durchströmbar sind, wobei das Kühlmedium über einen Abströmkanal aus der Schaufel abgeleitet und nicht in den die Turbinenschaufel umströmenden Heissgasstrom eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (10; 50; 60) einen in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) variierenden Querschnittsverlauf aufweisen und als Hohlräume zwischen radial durchgehenden Nuten (50), die an der Innenseite einer die Turbinenschaufel (5) bildenden Wand (52) geformt sind, und einem die Nuten (50) abdeckenden Einsatz (70) ausgeführt sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Einsatz (70) aus einem Blech geformt ist, das unter Vorspannung gegen Stege (56) gedrückt gehalten ist, welche zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten (50) vorhanden sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (70) in radialer Richtung (r) geradlinig verlaufend gestaltet ist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Nuten (50) in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) variiert.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der Nuten (50) in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) variiert.
Turbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Abstand jeweils zweier benachbarter Nuten (50) variiert.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Breite (b) als auch die Tiefe (t) der Nuten (50) in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) variieren.