DE19926949A1

DE19926949A1 - Kühlungsanordnung für Schaufeln einer Gasturbine

Info

Publication number: DE19926949A1
Application number: DE19926949A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beeck; Bernhard Weigand
Original assignee: ABB Alstom Power Switzerland Ltd
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2019-06-15
Also published as: US6422811B1; DE19926949B4

Abstract

Kühlungsanordnung für Schaufeln (1) einer Gasturbine oder dergleichen, wobei die Schaufeln jeweils aus einer saugseitigen Wand (11) und einer druckseitigen Wand (12) aufgebaut sind, welche unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante (14), eine Hinterkante (14), eine Schaufelspitze (17) und einen Schaufelfuß (18) verbunden sind, und im Hohlraum ein Strömungspfad (10) integriert ist, der von einem Kühlmedium (K), insbesondere von Dampf, durchströmbar ist, und bei der die Strömungspfade jeweils zweier oder mehrerer benachbarter Schaufeln (1) derart miteinander verbunden sind, dass ein durchgehender, gegenüber dem Heißgasstrom (H) abgedichteter Kühlkanal (10) gebildet ist. Damit gelingt es, die Kühleffektivität durch bessere Ausnutzung des Kühlmediums zu erhöhen und gleichzeitig den konstruktiven Aufwand zu reduzieren.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung für Schaufeln einer Gasturbine oder dergleichen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist ganz allgemein bekannt, thermisch hochbelastete Schaufeln einer Gasturbi ne mit einer Kühlungsanordnung zu versehen. Bei den hier vorrangig interessie renden thermischen Kombikraftwerksanlagen wird zur Kühlung der thermisch be lasteten Komponenten häufig Luft aus dem Prozessgasstrom entnommen, wo durch sich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage zum Teil stark verschlechtert.

Es wurde deshalb gemäß der EP 0 674 099 A1 vorgeschlagen, zur Kühlung Satt dampf aus einem Abhitzedampferzeuger bzw. überhitzten Dampf aus dem Dampfkreislauf abzuziehen und den zu kühlenden Komponenten zuzuführen. Da nach wird der Dampf in eine Dampfturbine des Dampfkreislaufs an geeigneter Stelle zurückgeleitet. Ein Hauptvorteil dieses Konzeptes liegt darin, dass aufgrund der spezifischen Wärmekapazität von Dampf eine Verbesserung der Kühlwirkung erzielbar ist, so dass eine Auslegung auf eine höhere Heißgastemperatur möglich ist. Soweit darüberhinaus die Kühlung in einem geschlossenen Kreislauf durch geführt wird, ergibt sich ein verbesserter Wirkungsgrad der Kombianlage.

In diesem Zusammenhang kommt der Gestaltung der Kühlkanäle der zu kühlen den Schaufel besondere Bedeutung zu, da diese maßgeblich für die Ausnutzung des Kühlpotentiales des Dampfes und der Vergleichmäßigung der Bauteiltempe ratur sind. Aus der DE 198 60 787.3, von der die Erfindung ausgeht, ist eine opti mierte Kühlungsanordnung für Schaufeln einer Gasturbine bekannt, wobei die Schaufeln jeweils aus einer saugseitigen und einer druckseitigen Wand aufgebaut sind, welche unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante, eine Hinter kante, eine Schaufelspitze und einen Schaufelfuß miteinander verbunden sind. Im Hohlraum ist ein Strömungspfad in Form von einer Vielzahl von Kühlkanälen inte griert, die von einem Kühlmedium, insbesondere von Dampf, durchströmbar sind. Jede Schaufel einer entsprechenden Schaufelreihe besitzt einen Zuführkanal, über den der Dampf eingespeist wird, sowie einen Abströmkanal, über den der Dampf die jeweilige Schaufel wieder verlässt.

Obwohl sich derartige Kühlungsanordnungen bestens bewährt haben, sind sie unter dem Aspekt der Ausnutzung des Kühlpotentials des hindurchgeleiteten Dampfes in vielen Fällen als noch nicht optimal zu betrachten. Auch ist der kon struktive Aufwand beträchtlich, da jeder Schaufel sowohl ein Zufuhr- als auch ein Abströmkanal für den Dampf zuzuordnen ist. Schließlich treten nicht unerhebliche Strömungsverluste beim Hindurchleiten des Dampfes durch die Schaufel auf, da die Umlenkung des Dampfes im Bereich des Schaufelfußes auf äußerst be grenztem Raum erfolgen muss.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlungsanordnung für Schaufeln einer Gasturbine der eingangs genannten Art anzugeben, die eine verbesserte Ausnutzung des Kühl potentials des hindurchgeleiteten Dampfes ermöglicht und darüberhinaus einen vereinfachten konstruktiven Aufbau erlaubt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass jeweils zwei oder mehr be nachbarte Schaufeln zusammengefasst werden und die Strömungspfade als durchgehender, gegenüber dem Heißgasstrom abgedichteter Kühlkanal gestaltet werden. Auf diese Weise kann dem durchströmenden Dampf eine größere Wär memenge zugeführt werden, wodurch der Wirkungsgrad des Dampf-Kreispro zesses erhöht wird. Weiterhin reduziert sich die Zahl der erforderlichen Anschlüs se, da lediglich ein Zuführ- und ein Abströmkanal pro Schaufelgruppe vorzusehen ist. Bereits im Falle der Verbindung zweier Schaufeln zu einer Zwillingsschaufel halbiert sich die Zahl der erforderlichen Anschlüsse. Im Falle von Mehrlingsschau feln lässt sich dieser Effekt noch steigern, da die jeweils innenliegenden Schau feln ohne derartige Anschlüsse auskommen.

Zweckmäßigerweise wird das Kühlmedium zunächst einem Verteilerraum zuge führt, und von dort in die Kühlkanäle der diesem Verteilerraum zugeordneten Schaufeln eingeleitet. Austrittsseitig ist ein entsprechender Sammelraum vorge sehen, von dem aus der erhitzte Dampf abgeführt wird.

Besonders kostengünstig können Verteiler- und Sammelraum aus kreisbogenseg mentförmigen Rohren aufbauen. Diese erlauben eine jeweils deckungsgleiche Ausführung von Verteiler- und Sammelraum, wobei die Anbringung spiegelbildlich zueinander erfolgt. Auf diese Weise lässt sich die Bauteilvielfalt erheblich reduzie ren.

Bevorzugt sind der Verteiler- und der Sammelraum in einem Gehäuseabschnitt angebracht. Hierdurch kann eine äußerst platzsparende, axial kurzbauende Tur binenstufe realisiert werden.

Entsprechend hierzu kann ein Umlenkraum als Überleitung von einer Schaufel zur benachbarten im Bereich eines Plattformabschnittes integriert sein, wodurch zu sätzlich eine Kühlung des Schaufelfuß- und Nabenbereichs erfolgt.

In diese Richtung zielt auch eine weitere Variante, bei der der Dampf am Austritt der betreffenden Schaufel noch weiter zur Kühlung eines Wärmestausegmentes verwendet wird, welches eine benachbarte Laufschaufelreihe umgibt. Der Kühlka nal ist hierbei somit über den Bereich der primär zu kühlenden Schaufelreihe hin aus verlängert und ermöglicht damit die effiziente Kühlung einer vollständigen Tur binenstufe.

Je nach Aufbau der zu kühlenden Schaufel kann der Kühlkanal aus mehreren, im Wesentlichen parallel verlaufenden Teilkanälen aufgebaut sein. Diese Maßnahme erlaubt eine optimale Verteilung des Dampfes und die gezielte Abstimmung auf diejenigen Bereiche der Wandung, die thermisch besonders stark beansprucht sind.

Eine Variante sieht vor, einzelne Teilkanäle oder Gruppen von Teilkanälen fluid dicht voneinander getrennt anzuordnen. Diese Konzeption stellt sicher, dass keine Vermischung der einzelnen Teil-Kühlströme erfolgt. Dieser Effekt kann beispiels weise mit Vorteil dazu benutzt werden, entweder unterschiedliche Kühlmedien oder aber Kühlmedien unterschiedlicher Zustandsgrößen bestimmten Bereichen der Schaufel gezielt zuzuführen, um auf diese Weise eine optimale Abstimmung auf von außen aufgeprägte Temperaturverteilungen vorzunehmen.

Unter diesem Aspekt ist auch eine Reihe weiterer bevorzugter Ausführungsformen zu sehen, die insbesondere radiale Temperaturgradienten kompensieren soll und darüber hinaus der Tatsache Rechnung trägt, dass beim Durchtritt des Dampfes durch den Strömungskanal eine Erwärmung stattfindet, wodurch sich die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und der Schaufelwand ändert.

Zur Einstellung einer konstanten Wärmeabfuhr bzw. Wärmeübertragungsbedin gung kann einerseits ein in Strömungsrichtung des Kühlmediums abnehmender Querschnittsverlauf des Kühlkanals vorgesehen werden. Für die meisten, in der Praxis relevanten Anwendungsfälle ist es nicht erforderlich, eine idealisierte, kon tinuierliche Querschnittsverringerung zu realisieren. Vielmehr genügt es häufig, einen geometrisch einfach aufgebauten Verdrängungskörper im Strömungspfad an geeigneter Stelle zu integrieren. Ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau ergibt sich, wenn der Verdrängungskörper durchgehend zwischen Schaufelfuß und Schaufelspitze einer Schaufel angeordnet ist. Im Falle einer Zwillingsschaufel ist beispielsweise die erste Schaufel mit einem gradlinig verlaufenden Hohlraum versehen, wohingegen die zweite Schaufel bei übereinstimmender Hohlraumkon tur mit einem in den Hohlraum eingesetzten Verdrängungskörper versehen ist. Der Verdrängungskörper kann einen variablen Querschnitt aufweisen, beispiels weise einen in Strömungsrichtung zunehmenden Querschnittsverlauf, so dass der im Hohlraum verbleibende Restquerschnitt dem idealen rechnerischen Quer schnittsverlauf weitgehend angenähert ist.

Alternativ ist es auch möglich, den Querschnitt in Strömungsrichtung unverändert zu belassen und dafür turbulenzerzeugende Elemente, beispielsweise in Form von Prallblechen oder Stegen vorzusehen. Diese Elemente können ferner hin sichtlich ihrer Fläche in Strömungsrichtung zunehmen, wodurch der Erhöhung der Kühlmitteltemperatur durch eine Vergrößerung der Wärmeübertragungszahl Rechnung getragen wird. Die Anbringung empfiehlt sich insbesondere in Ab schnitten hoher thermischer Belastung, also insbesondere im Bereich der Vorder kante.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen wiedergegeben. Es zeigen:

Fig. 1 Zwillingsschaufel in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 Zwillingsschaufel gemäß Fig. 1, Axialschnitt;

Fig. 3 Zwillingsschaufel gemäß Fig. 1, Radialschnitt;

Fig. 4 Verteiler- und Sammelraum, Teilansicht;

Fig. 5 Verteilerraum in perspektivischer Ansicht;

Fig. 6 Verteiler- und Sammelraum in Draufsicht;

Fig. 7 Schaufel gemäß einer Ausführungsvariante, Radialschnitt.

In den Fig. 1 bis 3 ist die Zwillingsanordnung zweier Schaufeln 1 dargestellt. Die beiden Schaufeln 1 sind in radialer Richtung zwischen einem Gehäuseabschnitt 7 und einem Plattformabschnitt 8 gehalten.

Jede der Schaufeln 1 besteht aus einer saugseitigen Wand 11 und einer drucksei tigen Wand 12, die unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante 14 und eine Hinterkante 15 miteinander verbunden sind. Die saugseitige Wand 11 und die druckseitige Wand 12 gehen im Bereich einer Schaufelspitze 17 in den Ge häuseabschnitt 7 und im Bereich eines Schaufelfußes 18 in den Plattformab schnitt 8 über.

Im Inneren der Schaufel entsteht somit ein Hohlraum 10, der in der nachstehend näher beschriebenen Art und Weise von einem Kühlmedium K, insbesondere von Dampf durchströmbar ist. Der Strömungspfad 10 ist gegenüber einem Heißgas strom H abgedichtet, so dass keine Vermengung des Kühlmediums K mit Heißgas H erfolgen kann.

Ausgehend vom Strömungspfad 10 der in den Fig. 1 bis 3 links dargestellten Schaufel 1 entsteht ein Kühlkanal, der im Bereich eines Umlenkraumes 20, der im Plattformabschnitt 8 integriert ist, zu dem Strömungspfad 10 der rechts darge stellten Schaufel 1 übergeht.

In dem Strömungspfad 10 der rechten Schaufel 1 ist ein Verdrängungskörper 30 eingesetzt, der die Schaufel 1 in radialer Richtung durchgehend zwischen dem Plattformabschnitt 8 und dem Gehäuseabschnitt 7 durchsetzt. Der auf diese Wei se entstehende Kühlkanal besitzt somit am Eintritt der linken Schaufel, das heißt im Bereich deren Schaufelspitze 17 einen maximalen Querschnitt, der aufgrund der Schaufelgeometrie in Strömungsrichtung des Kühlmediums K zunächst bis zur Ebene des Schaufelfußes 18 kontinuierlich abnimmt. Im weiteren Verlauf, nämlich in der Ebene des Schaufelfußes 18 der rechten Schaufel 1 verringert sich der Querschnitt durch den Verdrängungskörper 30 weiter, bis er schließlich beim Verlassen der Schaufel 1 im Bereich der Schaufelspitze 17 seinen Minimalwert erreicht.

Die mit der Strömungsrichtung des Kühlmediums K fortschreitende Querschnitts verringerung ist so bemessen, dass die zunehmende Erwärmung des Kühlmedi ums K und die damit für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende abneh mende Temperaturdifferenz kompensiert werden.

Die Zu- und Abfuhr des Kühlmediums K erfolgt über einen Verteilerraum 28 und einen Sammelraum 29, wie sie insbesondere in den Fig. 4 bis 6 dargestellt sind. Der Verteilerraum 28 und der Sammelraum 29 sind als deckungsgleiche, kreisbo gensegmentförmige Rohre ausgeführt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Aufteilung in Halbbogen, um die bei stationären Gasturbinen häufig anzutreffende horizon tale Gehäuseteilung zu ermöglichen.

Die Zuführung des Kühlmediums K erfolgt über einen zentral am Verteilerraum bzw. Rohr 28 angeordneten Stutzen 28a und verlässt den Sammelraum bzw. das Rohr 29 über einen entsprechenden, ebenfalls zentral angeordneten Stutzen 29a. Zwischen dem Rohr 28 und den jeweiligen eintrittsseitigen Schaufeln sind Verbin dungsstücke 28b vorgesehen, korrespondierend hierzu sind austrittsseitig Verbin dungsstücke 29b am Rohr 29 befestigt.

Wie insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich ermöglicht die spiegelbildliche Anordnung der beiden Rohre 28, 29 die Anbindung jeweils jeder zweiten Schaufel an den Verteilerraum 28 bzw. den Sammelraum 29.

In Fig. 7 ist eine Schaufel 1 dargestellt, bei der der Hohlraum zwischen der saug seitigen Wand 11 und der druckseitigen Wand 12 durch eine Trennwand 13 in ei nen Teilkanal 10a und 10b aufgeteilt ist. Die Trennung zwischen den Teilkanälen 10a, 10b ist fluiddicht ausgeführt, so dass beispielsweise die Möglichkeit besteht, Dampf unterschiedlichen Drucks zu verwenden. So kann überhitzter Dampf mit höherem Druck zur Kühlung der thermisch höher belasteten Region der Schaufel 1 im Bereich der Vorderkante 14 verwendet werden, während Dampf mit niedri gem Druck zur Kühlung der schwächer belasteten Region im Bereich der Hinter kante 15 vorgesehen ist.

Zur weiteren Erhöhung der Kühleffektivität sind Prallbleche 32 eingesetzt, die als Turbulenzerzeuger dienen.

Es versteht sich von selbst, dass die Größe und/oder die Anordnungsdichte der Prallbleche 32 in Strömungsrichtung des Kühlmediums K betrachtet zunehmen kann, um der durch den Wärmeeintrag bewirkten Temperaturerhöhung Rechnung zu tragen. Ebenso ist es möglich, anstelle nachträglich eingesetzter Prallbleche 32 Stege vorzusehen, die beispielsweise während des Gießvorganges bei der Her stellung der Schaufel 1 direkt angeformt werden. Darüber hinaus bietet sich bei gegossenen Schaufeln an, den Querschnittsverlauf der Kühlkanäle 10, 10a, 10b bereits bei der Formgebung so zu konturieren, dass zusätzliche Maßnahmen zur Ausschnittsverengung, wie die vorstehend beschriebenen Verdrängungskörper 27, entfallen können.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, die Kühlkanäle 10, 10a, 10b zeitlich nacheinander mit unterschiedlichen Kühlmedien zu beaufschlagen. So steht im Falle einer Gasturbine eines Kombikraftwerkes beim Anfahren in der Regel noch kein Dampf zur Verfügung. Es bietet sich deshalb an, zunächst Luft aus dem Ver dichter abzuzweigen und zur Kühlung der Schaufeln zu verwenden. Sobald der Anfahrvorgang abgeschlossen und Dampf vorhanden ist, wird dieser anstelle der Verdichterluft eingespeist. Die Umschaltung erfolgt in an sich bekannter Weise mittels Ventilsteuerung.

Bezugszeichenliste

1

Schaufel

7

Gehäuseabschnitt

8

Plattformabschnitt

10

Strömungspfad, Kühlkanal

10

a Teilkanal

10

b Teilkanal

11

saugseitige Wand

12

druckseitige Wand

13

Trennwand

14

Vorderkante

15

Hinterkante

17

Schaufelspitze

18

Schaufelfuß

20

Umlenkraum

28

Verteilerraum, Rohr

28

a Stutzen

28

b Verbindungsstück

29

Sammelraum, Rohr

29

a Stutzen

29

b Verbindungsstück

30

Verdrängungskörper

32

Prallblech
H Heißgasstrom
K Kühlmedium

Claims

1. Kühlungsanordnung für Schaufeln einer Gasturbine oder dergleichen, wo bei die Schaufeln jeweils aus einer saugseitigen Wand und einer drucksei tigen Wand aufgebaut sind, welche unter Bildung eines Hohlraumes über eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Schaufelspitze und einen Schau felfuß verbunden sind, und im Hohlraum ein Strömungspfad integriert ist, der von einem Kühlmedium, insbesondere von Dampf, durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungspfade jeweils zweier oder mehrerer benachbarter Schaufeln (1) derart miteinander verbunden sind, dass ein durchgehender, gegenüber dem Heißgasstrom (H) abgedichteter Kühlkanal (10) gebildet ist.

2. Kühlungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen Verteilerraum (28), der mit dem Kühlkanal (10) einer ersten Gruppe von Schaufeln (1) verbunden ist, und wenigstens einen Sammelraum (29), der mit den Kühlkanälen (10) einer zweiten Gruppe von Schaufeln (1) ver bunden ist.

3. Kühlungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerraum (28) und der Sammelraum (29) aus kreisbogensegmentför migen Rohren aufgebaut sind, die vorzugsweise jeweils deckungsgleich ausgeführt und spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.

4. Kühlungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerraum (28) und der Sammelraum (29) in einem Gehäuse abschnitt (7) angebracht sind.

5. Kühlungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Umlenkraum (20), der vorzugsweise in einem Plattformab schnitt (8) integriert ist.

6. Kühlungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass der Kühlkanal (10) bzw. der Sammelraum (29) im Bereich eines Wärmestausegments einer axial benachbarten Laufschaufelreihe mündet.

7. Kühlungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) aus mehreren, im Wesentlichen pa rallel verlaufenden Teilkanälen (10a, 10b) aufgebaut ist.

8. Kühlungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkanäle (10a, 10b) oder Gruppen von Teilkanälen fluiddicht getrennt von einander angeordnet sind.

9. Kühlungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkanäle (10a, 10b) oder Gruppen von Teilkanälen von unterschiedlichen Kühlmedien (K) oder von Kühlmedien (K) unterschiedlicher Zustandsgrö ßen beaufschlagbar sind.

10. Kühlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) einen in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) abnehmenden Querschnittsverlauf aufweist.

11. Kühlungsanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch wenigstens einen, im Strömungspfad (10) integrierten Verdrängungskörper (30).

12. Kühlungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (30) durchgehend zwischen dem Schaufelfuß (18) und der Schaufelspitze (17) angeordnet ist.

13. Kühlungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch turbulenzerzeugende Elemente, insbesondere in Form von Prallblechen (32) oder Stegen, die im Strömungspfad (10) in Abschnitten besonders hoher thermischer Belastung, insbesondere im Bereich der Vor derkante (14) vorgesehen sind.