DE60021650T2

DE60021650T2 - Kühlkanäle mit Tublenzerzeugern für die Austrittskanten von Gasturbinenleitschaufeln

Info

Publication number: DE60021650T2
Application number: DE60021650T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Carl Scotia Thatcher; Steven Sebastian Schenectady Burdgick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-05-13
Also published as: JP4554760B2; US6190120B1; EP1052372B1; DE60021650D1; EP1052372A2; KR20010007059A; EP1052372A3; JP2001073707A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinendüsen mit Kühldurchgängen, damit ein thermisches Medium von einem Hohlraum in der Düsenschaufel durch die Durchgänge in dem heißen Gaspfad zur Kühlung der Hinterkante strömen kann, und bezieht sich insbesondere auf Hinterkanten-Kühldurchgänge mit Turbulatoren und Kühldurchgangseinlässen, die angeordnet sind, um die Temperaturverteilung zu verbessern, thermische Spannungen und Hinterkantenrisse zu minimieren und die Größe der erforderlichen Zapfluft zu verringern.
Hinterkanten von Düsenschaufeln in Gasturbinen enthalten häufig Kühldurchgänge zur Kühlung der Hinterkanten. Typischerweise wird Kühlluft in einem Hohlraum in der Schaufel bereitgestellt und läuft durch eine Mehrzahl von Durchgängen, die voneinander entlang der Länge der Hinterkante der Schaufel beabstandet sind, und tritt in den heißen Gaspfad aus. Die Kühlluft kühlt das Metall der Hinterkante, das die Durchgänge umgibt, sowie entlang äußerer Oberflächen der Hinterkante. Herkömmlicherweise werden Wärmebarrierebeschichtungen entlang der Seitenwände der Hinterkante und um die Hinterkantenspitze bereitgestellt. Trotz Bemühungen, die Wärmebarrierebeschichtung gleichmäßig an den Seitenwänden und der Spitze der Hinterkante aufzubringen, bricht die Beschichtung häufig von der Spitze während der Handhabung ab, oder blättert von der Spitze während des Betriebs ab. Somit ist die Kühlung der Spitze der Hinterkante von besonderer Interesse und erfordert daher eine Steigerung der Wärmeübertragung zur wirksamen Kühlung.
Turbulatoren wurden ebenfalls in den Durchgängen zur Kühlung der Hinterkanten von Düsen benutzt. Die Turbulatoren unterbrechen die Kühlluftströmung, erzeugen Turbulenz und verursachen eine gesteigerte Kühlwirkung. Turbulatoren sind herkömmlicherweise entlang der gesamten Länge der Kühldurchgänge angeordnet. Dies führt daher zu einer gesteigerten Kühlung des umgebenden Metalls und der Hinterkantenoberflächen über die ganze Länge der Hinterkantendurchgänge. Das Material dieser Regionen wird jedoch zu einem großen Ausmaß durch die Wärmebarrierebeschichtung entlang der Seiten der Hinterkante geschützt. Folglich wird die Region, die eine Steigerung der Kühlung erfordert, d.h. die Spitze der Hinterkante, wirksam gekühlt, während diejenigen Regionen, die durch die Wärmebarrierebeschichtung geschützt sind und keine Steigerung der Kühlung erfordern, nichtsdestotrotz mit gesteigerten Kühlwirkungen durch die Turbulatoren versehen werden. Dies verursacht eine weitreichende Temperaturverteilung seitlich entlang der Hinterkante mit folglichen thermischen Fehlanpassungen, die zu hohen Spannungen in dem Metall der Hinterkante führen.
Es ist ferner ersichtlich, dass Luft zur Kühlung der Hinterkante von Düsenschaufeln, typischerweise Verdichteraustrittsluft, umfasst. Zu dem Ausmaß, dass Luft von dem Verdichter für Kühlzwecke entnommen wird, weist die Turbine einen verringerten Wirkungsgrad auf. Demgemäß besteht das vorliegende Problem darin, eine gesteigerte Kühlwirkung in den Regionen bereitzustellen, die eine gesteigerte Kühlung erfordern, während eine gesteigerte Kühlung für diejenigen Regionen der Hinterkante eliminiert wird, die keine gesteigerte Kühlung erfordern, während gleichzeitig die erforderliche Kühlzapfluft von dem Verdichteraustritt begrenzt wird.
Das Dokument US 5 752 801 zeigt eine Kühlvorrichtung für eine Turbine gemäß dem Stand der Technik.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinendüsenschaufel mit Hinterkanten-Kühldurchgängen zum Aufnehmen eines thermischen Mediums, vorzugsweise Luft, zum Kühlen der Hinterkante bereitgestellt, und wobei die Schaufel teilturbulierte Hinterkanten-Kühldurchgänge benutzt. Durch Bereitstellen von nur teilweise turbulierten Kühlluftdurchgängen wird eine Temperaturverteilung über die Hinterkante mit minimierten thermischen Gradienten und folglich verringerten Spannungen erreicht, während eine gesteigerte Kühlung entlang der Spitze der Hinterkante mit minimaler Verdichteraustrittszapfluft geboten wird. Um das Vorhergehende zu erreichen, wird eine Düsenschaufel-Hinterkante mit einer Mehrzahl von Kühldurchgängen bereitgestellt, die voneinander entlang der Länge der Hinterkante beabstandet sind und in Kommunikation mit einem Hohlraum in der Schaufel liegen. Kühlluft strömt von dem Hohlraum durch die Kühldurchgänge in den heißen Gasstrom. Die Durchgänge sind jedoch nur teilweise turbuliert und dann nur in Regionen, in denen eine gesteigerte Wärmeübertragung erforderlich ist. Somit werden die hinteren Abschnitte der Hinterkantendurchgänge benachbart der Spitze, d.h. benachbart dem Auslass der in den heißen Gasstrom strömenden Kühlluft, turbuliert, während die Mehrheit der Durchgänge vor den turbulierten Durchgangsabschnitten nicht turbuliert werden. Vorzugsweise weisen diese vorderen Durchgangsabschnitte glatten Bohrungen auf. Folglich minimiert die Temperaturverteilung in den die nicht turbulierten Durchgangsabschnitte umgebenden Metallregionen die thermischen Gradienten und verringert Spannungen, während die turbulierten hinteren Durchgangsabschnitte gesteigerte Kühlwirkungen in der Region entlang der Hinterkantenspitze bieten, wo sich die thermische Wärmebeschichtung abgenutzt oder während des Betriebs abgeblättert ist.
Außerdem wird Verdichteraustrittszapfluft zum Strömen durch die Kühldurchgänge durch Begrenzen der Größe der Eintrittsschlitze in die Durchgänge minimiert. Somit weist jeder Eintrittsschlitz benachbart dem vorderen Ende der Durchgänge einen verringerten Querschnitt auf, der die Luftströmung in dem Durchgang begrenzt. Auf diese Art und Weise wird eine verringerte Verdichteraustrittszapfluft erforderlich, wodurch ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad geboten wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlvorrichtung für eine Turbine bereitgestellt, die umfasst: eine Turbinenschaufel mit einer Hinterkante, die in einer hinteren Spitze endet, und einen Hohlraum vor der Hinterkante zum Aufnehmen eines thermischen Mediums aufweist, wobei die Hinterkante eine Mehrzahl von diskreten Durchgängen umfasst, die voneinander entlang der Länge der Hinterkante beabstandet sind, wobei die Durchgänge in Kommunikation an einem Ende mit dem Hohlraum liegen, um das thermische Medium von dem Hohlraum zur Strömung dahin durch zu Öffnungen entlang der Spitze der Hinterkante aufzunehmen, und Turbulatoren, die in Durchgängen entlang hinterer Abschnitte davon angeordnet sind, wobei Abschnitte der Durchgänge, die vor den hinteren Abschnitten liegen und die Mehrheit der Längen der Durchgänge bilden, ohne Turbulatoren sind, wobei jeder Turbulator eine anstoßende Oberfläche in dem hinteren Durchgangsabschnitt zum Erzeugen von Turbulenz in dem durch die hinteren Durch gangsabschnitte laufenden thermischem Medium bildet, wodurch die Hinterkante gekühlt und thermische Gradienten und Spannungen da entlang minimiert werden.
Die Erfindung wird nun ausführlicher beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 einen fragmentarischen Aufriss eines heißen Gaspfades einer Turbine, die in der Turbine liegende Düsenschaufeln und Rotorschaufeln veranschaulicht, wobei die Rotorschaufel mit einer Hinterkante dargestellt wird, die Kühldurchgänge gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht durch die Hinterkante einer Düsenschaufel gemäß dem Stand der Technik, die einen turbulierten Strömungsdurchgang darstellt;
3 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Durchgangs mit turbulierter Strömung des Stands der Technik; und
4 eine Querschnittsansicht, die 2 ähnlich ist, die einen teilweisen turbulierten Hinterkanten-Kühldurchgang für Gasturbinendüsen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 wird ein Abschnitt eines allgemein mit 10 bezeichneten Rotors und insbesondere erste und zweite Räder 12 bzw. 14 des Rotors dargestellt. Jedes der Räder 12 und 14 trägt ein Umfangs-Array von Blättern (buckets) 16 bzw. 18. Umfangs-Arrays von Düsenschaufeln der ersten und zweiten Stufe 20 bzw. 22 werden ebenfalls dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Blätter (buckets) 16 und 18 und die Düsenschaufeln 20 und 22 in dem heißen Gaspfad 21 der Turbine liegen. Bei der in 1 dargestellten Turbine wird die Düsenschaufel 22 von einer inneren Schale 24 getragen, deren Einzelheiten keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden. Es genügt zu sagen, dass die Düsenschaufeln 22 in dem heißen Gaspfad liegen und die Hinterkanten der Düsenschaufeln luftgekühlt werden, indem Kühlluft typischerweise von dem Verdichteraustritt in einen Hinterkantenhohlraum 26 zur Strömung durch Durchgänge durch die Hinterkantenspitze in den heißen Gasstrom strömt.
Mit Bezug auf 2 und 3 und wie oben bemerkt wurde die Luftkühlung der Hinterkanten von Düsenschaufeln in der Vergangenheit erreicht.
Typischerweise wird Luft in einen hinteren Hohlraum jeder Schaufel, beispielsweise den Hohlraum 26, geliefert, und eine Mehrzahl von Durchgängen 28, die voneinander entlang der der Länge der Schaufel beabstandet sind, werden durch die Hinterkante 30 ausgebildet, um Kühlluft von dem Hohlraum durch die entlang der Spitze 23 der Hinterkante beabstandete Durchgangsöffnungen in den heißen Gaspfad zu strömen zu lassen. Die Durchgänge 28 sind typischerweise mit Turbulatoren 32 ausgestattet, die voneinander gleichmäßig entlang der gesamten Länge jedes Durchgangs 28 beabstandet sind. Die Turbulatoren 32 können verschiedene Formen annehmen, und nehmen bei dem dargestellten Stand der Technik die Form von sich umfangsmäßig erstreckenden Rippen an, die axial und gleichmäßig voneinander entlang der Länge jedes Durchgangs 28 beabstandet sind. Die Turbulatoren stellen Turbulenz für die Luftströmung bereit und bieten eine erhöhte Kühlwirkung vor dem Verlassen der Hinterkante durch die Spitze 23.
Bei der in 4 dargestellten vorliegenden Erfindung weist die Hinterkante 40 einer Düsenschaufel, beispielsweise der Schaufel 22 von 1, eine Mehrzahl von Durchgängen 42 auf, die voneinander entlang der Länge der Hinterkante beabstandet sind. Jeder Durchgang liegt in Kommunikation mit einem Hohlraum 44, der mit Kühlluft, vorzugsweise Verdichteraustrittsluft, versorgt wird. Die gegenüberliegenden Enden der Durchgänge 42 öffnen sich durch Aperturen 45 durch die Spitze 46 der Hinterkante 40 zum Strömen der verbrauchten Kühlluft direkt in den heißen Gaspfad. In 4 ist ebenfalls eine Wärmebarrierebeschichtung (TBC = thermal barrier coating) 48 dargestellt, die entlang der Seitenflächen der Hinterkante 40 ausgebildet ist. Die TBC-Beschichtung wird typischerweise entlang der Spitze der Hinterkante aufgebracht, wobei sie jedoch manchmal durch Handhabung oder im tatsächlichen Betrieb von der Spitze 46 abkommt oder abblättert, was die Spitzenregion der Hinterkante 40 durch die TBC ungeschützt lässt. Folglich ist es bedeutsam, dass die Spitzenregion der Hinterkante eine gesteigerte Kühlung empfängt. Es ist ebenfalls bedeutsam, dass die Temperaturverteilungen seitlich über die Hinterkante verringerte thermische Gradienten aufweisen, um thermisch induzierte Spannungen zu minimieren. Um die Temperatur-Gradienten zu minimieren, jedoch außerdem eine gesteigerte Kühlung an der Spitzenregion der Hinterkante bereitzustellen, wird jeder der Kühldurchgänge 42 teilweise mit den Turbulatoren turbuliert, die benachbart einem hinteren Abschnitt 50 des Durchgangs 42 angeordnet sind. Wie in 4 dargestellt, weisen die Turbulatoren sich umfangsmäßig erstreckende Rippen 52 auf, die Stoßoberflächen bilden, die der durch die hinteren Durchgangsabschnitte 50 laufenden Luft Turbulenz bieten, wodurch gesteigerte Kühlwirkungen in der Spitzenregion der Hinterkante bereitgestellt werden. Es ist ersichtlich, dass die Turbulatoren 52 andere Formen, wie beispielsweise Stifte, Stäbe, aufgeraute Oberflächen oder dergleichen annehmen können. Vorzugsweise sind die Durchgänge 42 ebenfalls in der Querschnittskonfiguration kreisförmig. Es wurde gezeigt, dass Kühldurchgänge, die im Querschnitt kreisförmig sind, im Gegensatz zu anderen Querschnittsformen, die beispielsweise ovalförmig sind, ebenfalls gesteigerte Kühlwirkungen aufweisen.
Wie in 4 dargestellt, wird der größte Teil der Länge jedes Durchgangs 42 nicht turbuliert, d.h. der Hauptabschnitt 54 des Durchgangs 42 ist vorzugsweise eine glatte Bohrung. Die TBC-Beschichtung 48, wie dargestellt, erstreckt sich entlang der Seitenflächen der Hinterkantenschaufel. Folglich ist die Temperaturverteilung oder der Gradient seitlich entlang der Hinterkante minimal, wodurch unbedeutende thermische Spannungen minimiert werden.
Es ist ebenfalls bedeutsam, dass durch Verringern der Größe der Hinterkantenregionen, die eine gesteigerte Kühlwirkung erfordern, eine Verringerung in dem thermischen Medium, d.h. der Verdichteraustrittszapfluft für Kühlzwecke, bewirkt werden kann. Um die Kühlluftströmung zu begrenzen, weist somit jeder der Durchgänge 42 ein vorderes Ende 56 auf, das eine Strömungsbeschränkung zwischen dem glatten Bohrungsabschnitt mit größerem Durchmesser des Durchgangs 42 und dem Hohlraum 44 bildet. Eine begrenzte Größe von Kühlluft tritt somit in die Kühldurchgänge von dem Hohlraum 44 ein, wodurch die erforderliche Größe von Zapfluft von dem Verdichter verringert wird. Die Beschränkung 56 kann jede Anzahl von Formen annehmen und umfasst in dem dargestellten Fall eine kleinere glatte Bohrungsöffnung, die den verringerten Querschnitt der Einlässe in die Durchgänge 42 bietet.

Claims

Kühlvorrichtung für eine Turbine mit: einer Turbinenschaufel (22) mit einer Hinterkante (40), die in einer hinteren Spitze (46) und einem Hohlraum (44) vor der Hinterkante (40) zum Aufnehmnen eines thermischen Mediums endet; wobei die Hinterkante (40) eine Mehrzahl von diskreten Durchgängen (42) umfasst, die voneinander entlang der Länge der Hinterkante (40) beabstandet sind, wobei die Durchgänge (42) in Kommunikation an einem Ende mit dem Hohlraum (44) liegen und sich direkt in diesem öffnen, um das thermische Medium von dem Hohlraum (44) zur Strömung dahin durch zu Öffnungen (45) entlang der Spitze (46) der Hinterkante (40) aufzunehmen; gekennzeichnet durch Turbulatoren (52), die in den Durchgängen (42) entlang hinterer Abschnitte (50) davon angeordnet sind, wobei Abschnitte (54) der Durchgänge (42), die vor den hinteren Abschnitten (50) liegen und die Mehrheit der Längen der Durchgänge (42) bilden, ohne Turbulatoren sind (52), wobei jeder Turbulator (52) eine anstoßende Oberfläche in dem hinteren Durchgangsabschnitt (50) zum Erzeugen von Turbulenz in dem durch die hinteren Durchgangsabschnitte (50) laufenden thermischem Medium bildet, wodurch die Hinterkante (40) gekühlt und thermische Gradienten und Spannungen da entlang minimiert werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die vorderen Durchgangsabschnitte (54) glatte Bohrungen aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Durchgänge (42) kreisförmige Querschnitte aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Turbulatoren (52) eine Mehrzahl von Rippen umfassen, die radial nach innen in die Durchgänge (42) hineinragen.
Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei der die vorderen Abschnitte (54) der Durchgänge (42) Einlassöffnungen mit verringerter Strömung (56) benachbart von Verbindungsstellen des Hohlraums (44) und der Durchgänge (42) aufweisen, um die Strömung des thermischen Mediums in die Durchgänge (42) zu begrenzen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Turbulatoren ausschließlich entlang hinteren Abschnitten (50) der Durchgänge (42) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die vorderen Durchgangsabschnitte (54) glatte Bohrungen in ihren ganzen Längen aufweisen.