DE19963099A1

DE19963099A1 - Kühlluftbohrungen in Gasturbinenkomponenten

Info

Publication number: DE19963099A1
Application number: DE19963099A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Haehnle; Bernhard Weigand
Original assignee: Alstom Power Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-12-25
Also published as: US20010014282A1; DE19963099B4; US6439848B2

Abstract

Bei einer von heißer Luft außenseitig umströmten Komponente (10) einer Gasturbine, welche Komponente (10) als Außenwände (12, 13, 21) und zwischen den Außenwänden angeordnete und die Außenwände wenigstens bereichsweise verbindende Leitwände (14, 15, 16) umfassendes Hohlprofil ausgebildet ist, und welche Komponente durch von den Außenwänden (12, 13, 21) und den Leitwänden (14, 15, 16) begrenzte Kühlkanäle (19, 20) strömende Kühlluft (17, 18) innenseitig gekühlt wird, wobei die Kühlluft (17, 18) Umlenkbereiche (22) durchströmt, in welchen die Kühlluft umgelenkt wird und in welchen Strömungsstagnationszonen (29, 30) vorhanden sind, wird eine effiziente Kühlung der Komponenten in den Bereichen von Stagnationszonen (29, 30) dadurch erreicht, dass im Bereich der Strömungsstagnationszonen (29, 30) ausgangsseitig des jeweiligen Umlenkbereiches (22) wenigstens eine Bohrung (24, 25) in der Außenwand (12, 13, 21) angeordnet ist, durch welche Bohrung (24) Kühlluft (17) aus dem Kühlkanal (19, 20, 22) auf die Außenseite der Komponente (10) ausströmen kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Komponenten von Gas turbinen und deren Kühlung. Sie betrifft eine von heisser Luft aussenseitig um strömte Komponente einer Gasturbine, welche Komponente als Aussenwände und zwischen den Aussenwänden angeordnete und die Aussenwände wenigstens be reichsweise verbindende Leitwände umfassendes Hohlprofil ausgebildet ist. Die Komponente wird durch von den Aussenwänden und den Leitwänden begrenzte Kühlkanäle strömende Kühlluft innenseitig gekühlt, wobei die Kühlluft Umlenkberei che durchströmt, in welchen die Kühlluft umgelenkt wird und in welchen Strö mungsstagnationszonen vorhanden sind.

STAND DER TECHNIK

Der Wirkungsgrad von Gasturbinen hängt in besonderem Masse von einer effizien ten Nutzung von Kühlluft ab. Sowohl die Betriebssicherheit als auch die Gewährlei stung einer vertretbaren Lebensdauer der beim Betrieb erhitzten Komponenten ma chen eine ausreichende Kühlung unabdingbar. Entsprechend wurde der Optimie rung der Kühlung bei Gasturbinen schon immer Aufmerksamkeit geschenkt.

Die Kühlung von Komponenten, welche beim Betrieb der Gasturbine von Heissgas umspült und entsprechend gekühlt werden müssen, kann auf verschieden Weise erfolgen. Einerseits ist es möglich, eine sogenannte Filmkühlung vorzusehen, bei der die aussenseitige Oberfläche der Komponente gezielt von Kühlluft umspült wird. Andererseits kann eine sogenannte Innenkühlung ermöglicht werden, bei der die Komponente in ihrem Inneren Kühlkanäle aufweist, welche durchströmt werden. Die Innenkühlung setzt voraus, dass die Komponenten als Hohlprofile oder zumindest mit Kanälen versehen sind, und dass diese eine gute Wärmeübertragung von au ssenseitigen Materialanteilen auf die Kühlluft ermöglichen. Die beiden Kühlmetho den werden häufig in Kombination eingesetzt, da einerseits die Innenkühlung nur in Bereichen möglich ist, in denen die Materialstärke der Komponente eine Strukturie rung als Hohlprofil oder die Anbringung von Kanalbohrungen ermöglicht, und da an dererseits eine wirksame Filmkühlung eine gute Verteilung der Kühlluft auf den au ssenseitigen Oberflächen bedingt und dies bei grösseren Oberflächen, starker Um strömung und möglichst geringem Kühlluftaufwand nur möglich ist, indem die Kühl luft wenigstens teilweise über innenliegende Kühlkanäle zugeführt wird.

Bei der Strukturierung von derartigen Komponenten als Hohlprofile tritt häufig das Problem auf, dass die Kanäle Bereiche aufweisen, in denen die Kühlluft umgelenkt wird, in welchen dann sog. Strömungsstagnationsbereiche auftreten bei welchen die Strömung stark dreidimensional wird und bei welchen dann auch entsprechend die Kühlung wenig effizient abläuft (sog. Totwassergebiete). Solche Strömungsstagnati onsgebiete ergeben sich meist notwendigerweise aus den geometrischen Vorgaben der Komponenten und der Kanäle einerseits, und andererseits aufgrund der Tatsa che, dass eine die Strömung gerade in den Umlenkungsbereichen optimal führende Gestaltung der Kühlkanäle in den Ecken Abrundungen voraussetzen würde. Solche massive, d. h. durch die Ausfüllung mit Material gestaltete Abrundungen hätten aber zur Folge, dass die Ecken schwerer und damit bei beweglichen Komponenten wie Turbinenschaufeln diese unwirtschaftlicher würden, und dass die Umlenkbereiche und Knicke in derartigen Ecken noch weniger gut gekühlt würden. Die Bildung von solchen Strömungsstagnationsbereichen wird häufig bekämpft, indem in die Kühlka näle Rippen oder Leitbleche eingebaut werden, welche die Kühlluft gezielt solchen Bereichen zu- und wieder abführen. Häufig reichen derartige Mittel aber nicht aus, um die Kühlung in den Umlenkbereichen genügend effizient zu gestalten.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Innenkühlung versehene Komponente für Gasturbinen zur Verfügung zu stellen, bei welcher beim Betrieb der Gasturbine, d. h. wenn die Komponente von heisser Luft umströmt wird, und bei gleichzeitigem Durchströmen der Komponente mit Kühlluft, eine effiziente Kühlung auch in Umlenkbereichen der Kühlluft ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Anbringen von Bohrungen in den Strömungsstagnationszonen ausgangsseitig der Umlenkbereiche führt dazu, dass diese Zonen nicht mehr eigentliche Totwas sergebiete sind. Die dort angebrachten Bohrungen bewirken, dass die Zonen durch strömt werden und dass damit die Kühlluft auch in diesen Zonen nicht zu lange ver weilt. Entsprechend der verkürzten Verweilzeit der Kühlluft in den Strömungsstagna tionszonen verbessert sich die Kühleffizienz in diesen Bereichen. Die aus der Boh rung bzw. den Bohrungen auf die Aussenseite strömende Kühlluft kann gleichzeitig bei geeigneter Anbringung der Bohrung immer noch als Filmkühlung auf der Au ssenseite der Komponente nutzbringend wirken. So kann bevorzugt die Bohrung, bzw. die Bohrungen in der der umströmenden Luft zugewandten, druckseitigen Au ssenwand angeordnet werden. Die austretende Kühlluft umströmt so die Aussenflä che bis zur Saugseite der Komponente und wirkt nicht nur als Belüftung der Strö mungsstagnationszonen, sondern auch als Filmkühlung entlang des Pfades um die Komponente herum auf die Saugseite.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere wenn die Komponente als von einem heissen Arbeitsluftstrom ange strömte Turbinenschaufel ausgebildet ist, die Leitwände in der Turbinenschaufel im wesentlichen radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors und im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Turbinenschaufelaussenfläche zwischen den Aussenwän den angeordnet sind, dass die so gebildeten radial verlaufenden, Kühlkanäle jeweils paarweise an der Spitze der Turbinenschaufel in strömungsmässiger Verbindung stehen, und dass bei dieser Verbindung ein Umlenkbereich der Kühlkanäle im Be reich der Spitze angeordnet ist. Gerade bei derartig gestalteten Komponenten ist das Problem der Kühlung in den Umlenkbereichen besonders ausgeprägt. Die Spit zen der Turbinenschaufeln sind im Betrieb einer hohen mechanischen und thermi schen Belastung ausgesetzt, und ohne genügende Kühlung ist eine starke Ermü dung und Abnutzung der Materialien im Spitzenbereich kaum vermeidbar. Auf der anderen Seite ist die Geometrie der Spitzen durch die Funktion der Schaufeln mehr oder weniger vorgegeben und so muss sich die Gestaltung der Kanäle anpassen. Gerade im Umlenkbereich der aus dem Nabenbereich mit Kühlluft versorgten und U-förmig von Kühlluft durchströmten Kühlkanäle bilden sich wesentliche Stagnations zonen, deren kühleffizienzvermindernde Wirkung aber durch Bohrungen vermieden oder zumindest stark reduziert werden kann.

Die Anordnung der Bohrung in der ausgangsseitigen Strömungsstagnationszone erweist sich als besonders vorteilhaft in Kombination mit beispielsweise eingangs seitig angebrachten, im wesentlichen radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors durch eine das Hohlprofil der Komponente in radialer Richtung abschliessende Spit zenabdeckung geführten Bohrungen. Diese radialen Bohrungen können dabei vor teilhafterweise in eine aussenseitige Vertiefung in der Spitzenabdeckung mündend geführt werden.

Die ausgangsseitigen Bohrungen können ausserdem gewissermassen L-förmig, d. h. sowohl nebeneinander parallel zur Spitzenabdeckung als auch nebeneinander radial entlang der ausgangsseitigen, hinteren Leitwand ums Eck angeordnet sein. Ebenso kann eine flächige, z. B. dreieckförmig ängeordnete Schar von Bohrungen vorteilhaft sein, welche einen Bereich der Stagnationszone abdeckt und z. B. gewissermassen die zwei Schenkel des L's miteinander verbindet.

Weitere Ausführungsformen der Komponente für Gasturbinen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen hang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von Schnitten durch eine Turbi nenschaufel mit Innenkühlung für eine Gasturbine; a) zeigt einen bezüglich der Rotorachse im wesentlichen tangentialen Schnitt, b) den in a) mit Y-Y angegebenen Schnitt, und c) den in a) mit X-X be zeichneten Schnitt durch das Hohlprofil des Schaufelblattes.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen bezüglich der Rotorachse des Turbinenrotors im wesentlichen tan gentialen Schnitt durch ein als Hohlprofil ausgebildetes Turbinenschaufelblatt 10. Das Rotorblatt 10 wird auf der sog. Druckseite vom heissen Arbeitsluftstrom 11 an geblasen und von diesem in Bewegung versetzt. Die Aussenform des Blattes 10 wird von der druckseitigen Aussenwand 12, der dem Luftstrom abgewandten, saugseiti gen Aussenwand 13 und einer das Blatt 10 radial nach aussen begrenzenden Spit zenabdeckung 21 gebildet (vgl. Fig. 1b), welche einen Schnitt entlang Y-Y darstellt, sowie Fig. 1c), einen Schnitt entlang X-X). Die Wände 12, 13 und 21 sind mitein ander und über radial bezüglich der Rotorachse und senkrecht bezüglich der Rotor blattebene verlaufende Leitwände 14, 15 und 16 miteinander verbunden. Diese Leitwände stabilisieren nicht nur das Blatt, sondern dienen gleichzeitig als Leitwän de für die durch das Hohlprofil strömende Kühlluft 17, 18. Normalerweise wird Kühl luft 17 von der Nabenseite her in einen aufsteigend belüfteten Kühlkanal 19 einge blasen und bis zur Spitze geleitet. An der Spitze befindet sich jeweils ein Durchbruch zu einem benachbarten Kühlkanal 20, durch welchen die Kühlluft 18 nach einer Umlenkung um 180° in der Zone 22 wieder radial in Richtung der Nabe geleitet wird. So sind jeweils Paare von Kanälen 19 und 20 miteinander strömungsmässig verbun den, und die Paare können innerhalb des Blattes 10 entweder mäandermässig nacheinander von Kühlluft durchströmt werden, oder einzeln versorgt werden.

In den Kühlkanälen können Rippen 23 oder Leitbleche vorhanden sein, welche zwecks einer besseren Wärmeübertragung zwischen Gehäuse, d. h. den Wänden 12-16 und 21 und der Kühlluft diese entweder z. B. mäanderartig zum Aufprall auf die Wände zwingt, oder auch in Umlenkbereichen eine optimale Strömung ermöglicht. Die Schaufel 10 kann ausserdem zusätzlich mit unabhängigen, oder der Innenküh lung angeschlossenen Mitteln zur Filmkühlung der Aussenseite versehen sein (in der Figur nicht angegeben).

Bei der Umlenkung der Kühlluft 17 an der Spitze der Schaufel bilden sich in den Ec ken des Umlenkbereiches meist Strömungsstagnationszonen. Eine davon meist an strömseitig 29, d. h. bei der Ecke beim Eingang in den Umlenkbereich 22, und eine andere ausströmseitig 30, bei der Ecke beim Ausgang des Umlenkbereichs 22. In den Zonen 29 und 30 verweilt das Kühlmedium länger als in anderen Bereichen, und es findet ein weniger effizienter Wärmeaustausch statt. Auch Leitrippen 23, welche das Kühlmedium in gezielter Weise leiten, können solche Totwassergebiete nicht wirklich verhindern, und die Leitwände 14 und 15, die Aussenwände 12 und 13, so wie die Spitzenabdeckung 21 erwärmen sich bei diesen Zonen stärker als andern orts.

Um die einströmseitige Zone 30 besser zu belüften kann z. B. eine Bohrung 25 in der Spitzenabdeekung 21 angeordnet werden, welche den Kühlkanal dort radial entlüf tet. Zweckmässigerweise mündet diese Bohrung 25 in eine aussenseitige Vertiefung in der Spitzenabdeckung 21.

Um die ausströmseitige (oder ggf. in analoger Weise auch die einströmseitige) Zone 30 besser zu belüften, werden nun in der druckseitigen Aussenwand 12 Bohrungen 24 angebracht. Diese Bohrungen 24 führen zu einer Strömung von Kühlluft durch die Bohrungen auf die Aussenseite. Auf der Aussenseite strömt die Kühlluft 27 anschlie ssend um die Spitze der Schaufel auf die Saugseite des Rotors und kühlt dabei die Spitze im Sinne einer Filmkühlung. Dabei kann die Spitze des Rotorblattes entweder einfach gestaltet sein, oder auch z. B. Rippenerweiterungen 26 an der Spitze zur Ab dichtung zwischen Rotor und Gehäuse aufweisen. Gerade im letzteren Fall kann sich der zusätzlich auftretende Filmkühleffekt als besonders vorteilhaft erweisen. Selbstverständlich können die Bohrungen 24 auch auf der Saugseite des Blattes 10 abgebracht werden, es fällt aber dann der günstige Filmkühleffekt im wesentlichen weg.

Die Bohrungen 24 können parallel zur Richtung der Spitzenabdeckung 21 neben einander als Reihe oder versetzt angeordnet sein und/oder entsprechend parallel zur hinteren Leitwand 15. Insbesondere die Reihe von Bohrungen parallel zur Leit wand 15, d. h. im wesentlichen radial zur Achse des Rotors, hat sich als wirksam zur Belüftung der Strömungsstagnationszonen erwiesen. Die Bohrungen 24 können, wie in Fig. 1b) angegeben, in einer L-förmigen Reihe angeordnet werden, oder auch flächig, d. h. in mehreren, nebeneinander angeordneten Reihen, einen ganzen Be reich entlüftend. Der Bereich kann dabei dreiecksförmig sein, d. h. die Schenkel der obigen L-förmigen Anordnung verbindend, oder auch eine andere, zur Strö mungsstagnationszone 30 aussenwandseitige Fläche abdecken.

Die Bohrungen können zylindrisch ausgestaltet werden, oder auch, und dies insbe sondere diejenigen, welche radial verlaufen und welche nicht direkt bei der Spitzen abdeckung liegen, nach aussen erweiternd (vgl. Aufweitung 28), d. h. gewisserma ssen tubenförmig ausgebildet werden, um ein besseres Strömungsverhalten zu ge währleisten. Die Bohrungen können senkrecht zur Ebene des Blattes 10 verlaufen, können aber auch schräg leicht radial nach aussen verlaufend gebohrt werden. Die Bohrungen können verschiedenen oder alle gleichen Durchmesser. Es kann aber auch zur Vermeidung von Verstopfungen wenigstens eine grosse Bohrung vorgese hen werden. Die Bohrungen sollten jeweils um wenigstens einen Bohrungsdurch messer voneinander beabstandet sein, und eine erste Reihe von Bohrungen 24 sollte um nicht mehr als fünf Bohrungsdurchmesser von der Spitzenabdeckung 21 respektive der hinteren Leitwand 15 beabstandet angeordnet sein.

BEZEICHNUNGSLISTE

10

Rotorblatt

11

Arbeitsluftstrom

12

druckseitige Aussenwand von

10

13

saugseitige Aussenwand von

10

14

vordere Leitwand von

19

15

hintere Leitwand von

20

16

zentrale Leitwand

17

Aufsteigender Kühlluftstrom

18

Absteigender Kühlluftstrom

19

Aufsteigend belüfteter Kühlluftkanal

20

Absteigend belüfteter Kühlluftkanal

21

Spitzenabdeckung von

10

22

Umlenkbereich des Kühlkanals

23

Leitrippe

24

Bohrungen in

12

25

Bohrung in

21

26

Rippenerweiterungen an der Spitze von

10

27

Filmkühlluftstrom

28

Aussenseitige Erweiterungen von

24

29

Anströmseitige Strömungsstagnationszone

30

Ausströmseitige Strömungsstagnationszone

Claims

1. Von heisser Luft (11) aussenseitig umströmte Komponente (10) einer Gasturbipe, welche Komponente (10) als Aussenwände (12, 13, 21) und zwischen den Aussenwänden angeordnete und die Aussenwände we nigstens bereichsweise verbindende Leitwände (14, 15, 16) umfassen des Hohlprofil ausgebildet ist, und welche Komponente durch von den Aussenwänden (12, 13, 21) und den Leitwänden (14, 15, 16) begrenzte Kühlkanäle (19, 20) strömende Kühlluft (17, 18) innenseitig gekühlt wird, wobei die Kühlluft (17, 18) Umlenkbereiche (22) durchströmt, in wel chen die Kühlluft umgelenkt wird und in welchen Strömungsstagnati onszonen (29, 30) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Strömungsstagnationszonen (29, 30) in der äusseren Ecke ausgangs des jeweiligen Umlenkbereichs (22) wenigstens eine Bohrung (24, 25) in der Aussenwand (12, 13, 21) angeordnet ist, durch welche Bohrung (24, 25) Kühlluft (17) aus dem Kühlkanal (19, 20,22) auf die Aussenseite der Komponente (10) ausströmen kann.

2. Komponente (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bohrung (24) in der der umströmenden Luft (11) zu gewandten, druckseitigen Aussenwand (12) angeordnet ist.

3. Komponente (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Komponente als von einem heissen Arbeitsluftstrom (11) angeströmte Turbinenschaufel (10) ausgebildet ist.

4. Komponente (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitwände in der Turbinenschaufel im wesentlichen radial zur Rotati onsachse des Turbinenrotors und im wesentlichen senkrecht zur Ebe ne der Turbinenschaufelaussenfläche zwischen den Aussenwänden (12, 13) angeordnet sind; dass die so gebildeten radial verlaufenden, Kühlkanäle (19, 20) jeweils paarweise an der Spitze der Turbinen schaufel (10) in strömungsmässiger Verbindung stehen, und dass bei dieser Verbindung ein Umlenkbereich (22) der Kühlkanäle im Bereich der Spitze angeordnet ist.

5. Komponente (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bohrung (24, 25) im wesentlichen radial zur Rotati onsachse des Turbinenrotors durch eine das Hohlprofil der Kompo nente (10) in radialer Richtung abschliessende Spitzenabdeckung (21), insbesondere bevorzugt in eine aussenseitige Vertiefung in der Spit zenabdeckung mündend geführt ist.

6. Komponente (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bohrungen (24) sowohl nebeneinander parallel zur Spitzen abdeckung (21) als auch nebeneinander radial entlang der ausgangs seitigen, hinteren Leitwand (15) ums Eck angeordnet sind.

7. Komponente (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (24) im wesentlichen zylindrisch und im wesentlichen senk recht zur Ebene der Aussenfläche (12, 13) gestaltet sind, und dass die Bohrungen (24) jeweils um wenigstens einen Bohrungsdurchmesser voneinander beabstandet und eine erste Reihe von Bohrungen um nicht mehr als fünf Bohrungsdurchmesser von der Spitzenabdeckung (21) respektive der hinteren Leitwand (15) beabstandet angeordnet sind.

8. Komponente (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, dass die entlang der hinteren Leitwand (15) angeord neten Bohrungen (24) sich in Richtung der Aussenseite der Kompo nente (10) konisch erweiternd ausgebildet sind.

9. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kühlkanäle (19, 20) die Kühlluft (17, 18) leitende Mittel (23) aufweist, welche insbesondere als Rippen oder Leitbleche ausgebildet sein können.