DE60112030T2

DE60112030T2 - Kühlstruktur für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE60112030T2
Application number: DE60112030T
Authority: DE
Inventors: Shunsuke Takasago Torii; Jun Takasago Kubota; Yasuoki Takasago Tomita; Hiroyuki Takasago Aoki; Masamitsu Takasago Kuwabara
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2021-11-24
Also published as: JP4508432B2; US20020090295A1; US6616405B2; CA2366726C; JP2002201905A; DE60112030D1; EP1221536B1; EP1221536A2; CA2366726A1; EP1221536A3

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlstruktur für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Im einzelnen bezieht sich diese Erfindung auf eine Kühlstruktur für eine Gasturbine, die in der Schichtkühlungsstruktur für Hochtemperaturelemente verbessert ist.
Hintergrund der Erfindung
Um den Wärmewirkungsgrad einer in einem Generator oder dergleichen verwendeten Gasturbine zu verbessern, ist es wirksam, die Temperatur des Hochtemperatur-Betriebsgases am Turbineneinlass anzuheben, die Turbineneinlasstemperatur kann aber nicht mehr einfach angehoben werden, da die Wärmewiderstands-Performance von Turbinenmaterialien, die einem Hochtemperaturgas ausgesetzt sind (nachstehend als Hochtemperaturelemente bezeichnet), wie z.B. die Turbinen-Laufschaufeln und Turbinen-Leitschaufeln, durch die physikalischen Eigenschaften der Materialien festgelegt ist.
Demgemäß ist der Versuch unternommen worden, den Wärmewirkungsgrad innerhalb des Bereichs einer Wärmewiderstands-Performance von Hochtemperaturelementen durch Anheben der Turbineneinlasstemperatur zu verbessern, während die Hochtemperaturelemente der Turbine durch ein Kühlmedium wie Kühlluft gekühlt wurden.
Kühlverfahren von Hochtemperaturelementen umfassen den Konvektionswärme-Übertragungstyp des Passierenlassens von Kühlluft in die Hochtemperaturelemente und des Niedriger-Haltens der Oberflächentemperatur der Hochtemperaturelemente als die Temperatur des Hochtemperaturgases durch Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturelementen zur Kühlluft, des Ausbildens einer Schutzschicht einer komprimierten Luftschicht niedriger Temperatur auf der Oberfläche der Hochtemperaturelemente und des Unterdrückens einer Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturgas zu der Oberfläche des Hochtemperaturelements und der diese zwei Typen kombinierenden Kühlungsart.
Der Konvektionswärme-Übertragungstyp umfasst eine Konvektionskühlung und eine Luftstromkühlung (Kollisionsstrahl), und der Schutzschichttyp umfasst eine Schichtkühlung und eine Exudationskühlung bzw. Ausscheidungskühlung, wobei unter diesen insbesondere die Exudationskühlung sehr wirkungsvoll zum Kühlen der Hochtemperaturelemente ist. Es ist jedoch schwierig, das bei der Exudationskühlung verwendete poröse Material zu verarbeiten, wobei keine gleichmäßige Exudation zu erwarten ist, wenn die Druckverteilung nicht gleichmäßig ist, und daher ist unter den in der Praxis einsetzbaren Verfahren die Kühlstruktur durch Schichtkühlung am wirksamsten zur Kühlung von Hochtemperaturelementen, und in der Gasturbine mit hohem Wärmewirkungsgrad wird die Kühlstruktur, welche die Konvektionskühlung und die Schichtkühlung kombiniert, weitverbreitet angewandt.
Hierbei ist es bei der Kühlstruktur durch Schichtkühlung erforderlich, Diffusionslöcher zum Ausblasen von Kühlluft, durch Behandeln der Austragung oder dergleichen von der Innenseite der Hochtemperaturelemente oder der Rückseite der dem Hochtemperaturgas ausgesetzten Oberfläche zu der dem Hochtemperaturgas ausgesetzten Oberfläche vorzusehen. Bisher wurden die Diffusionslöcher so ausgebildet, dass sie sich in der Richtung der Primärströmung von Hochtemperaturgas öffneten, das entlang der Hochtemperaturelemente strömte.
Die Strömung des Hochtemperaturgases wird jedoch gestört und bildet einen komplizierten Sekundärstrom, der in einer anderen Richtung als der Primärstrom infolge verschiedener Faktoren fortschreitet, wie z.B. Dichtungsluft, die zwischen der Platte einer Turbinen-Laufschaufel und dem Innendeckring der Turbinen-Leitschaufel entweicht, Luft, die zwischen dem Spaltring entweicht, der die Umfangswand ist, welche gegenüber der Außenseite (dem Vorderende in der Radial richtung) der Turbinen-Laufschaufel und dem Außendeckring der Turbinen-Leitschaufel angeordnet ist, sowie eine Druckdifferenz nach einer Kollision mit der Durchgangswand, wie z.B. einer Schaufel, einem Spaltring, einer Platte und einem Deckring.
Demgemäß wird die entlang der Primärströmungsrichtung ausgeblasene Kühlungsluft durch die Sekundärströmung zerstreut, und die Kühlwirkung an den Hochtemperaturelementen kann sich nicht ausreichend zeigen.
US-A-5533864 offenbart eine herkömmliche gekühlte Gasturbinen-Laufschaufel, die mit einer Vielzahl von Diffusionslöchern versehen ist, die in der Schaufel und in Abschnitten des Außen- und Innendeckrings zur Erzielung einer Schichtkühlung ausgebildet sind.
US-A-5382135 offenbart eine Laufschaufel mit einer gekühlten integralen Platte, in der die Diffusionslöcher zur Kühlung der Platte auf ähnliche Weise wie bei dem weiter unten beschriebenen Beispiel 1 angeordnet sind.
US-A-5503529 offenbart einen Gasturbinentriebwerks-Turbinenluftflügel mit mehreren Ausstoßschlitzen, die in einer Spalte durch die erste Seitenwand angeordnet sind. Mindestens einige der Ausstoßschlitze sind unter einem spitzen Ausstoßwinkel geneigt, welcher in der Größe variiert, um vorzugsweise mit der jeweiligen Neigung von Verbrennungsgas-Stromlinien, die über die Luftflügelfläche verlaufen, übereinzustimmen.
Abriss der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlstruktur für eine Gasturbine bereitzustellen, die in der Kühlwirkung einer Schichtkühlung des Deckrings der Turbinen-Leitschaufel im Vergleich zum Stand der Technik verbessert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlstruktur für eine Gasturbine bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Als Kühlmedium kann Kühlluft verwendet werden, und die Kühlluft kann beispielsweise durch Extrahieren eines Teils der dem Kompressor der Gasturbine zugeführten Luft und durch Kühlen der extrahieren Druckluft durch einen Kühler erhalten werden.
Die Sekundärströmung wird durch ein Lecken von Dichtungsluft bewirkt, oder infolge eines Druckunterschieds in dem Durchgang, nachdem Hochtemperaturgas mit der Schaufel kollidiert ist, wobei die Strömungsrichtung durch eine Strömungsanalyse oder ein Experiment mittels einer konkreten Vorrichtung bestimmt werden kann. Die fast mit der Sekundärströmungsrichtung koinzidierende Richtung liegt in einem Bereich von etwa ±20 Grad der Sekundärströmungsrichtung, vorzugsweise in einem Bereich von ±10 Grad, und am bevorzugtesten in einem Bereich von ±5 Grad.
Weitere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine halbe Schnittansicht zur Darstellung einer ganzen Gasturbine gemäß einer Kühlstruktur einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2A und 2B Diagramme zur Darstellung von Hochtemperaturgas in einer Plattform in einem ersten Beispiel zur Erläuterung bestimmter Aspekte der Erfindung,
3A bis 3C eine erläuternde Darstellung der Sekundärströmung an der Schaufeloberfläche der Laufschaufel,
4 ein Diagramm zur Darstellung einer Plattform, in der Diffusionslöcher von Kühlluft nach dem ersten Beispiel ausgebildet sind,
5A und 5B Diagramme zur Darstellung des Details der Luftdiffusionslöcher,
6a und 6B erläuternde Diagramme eines Hufeisen-Wirbelstroms in einer Plattform in einem zweiten Beispiel zur Erläuterung bestimmter Aspekte der Erfindung,
7 ein Diagramm zur Darstellung einer Plattform, in der Diffusionslöcher von Kühlluft nach dem zweiten Beispiel ausgebildet sind,
8 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Strömung von Hochtemperaturgas in einem Deckring der Leitschaufel nach der ersten Ausführungsform der Erfindung,
9A und 9B Diagramme zur Darstellung von in einem Deckring ausgebildeten Diffusionslöchern von Kühlluft nach der ersten Ausführungsform,
10A und 10B Diagramme zur Darstellung von in einer Laufschaufel ausgebildeten Diffusionslöchern von Kühlluft nach einem dritten Beispiel,
11A und 11B Diagramme zur Darstellung von in einer Leitschaufel ausgebildeten Diffusionslöchern von Kühlluft nach einer zweiten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
Beispiele und Ausführungsformen einer Kühlstruktur für eine Gasturbine gemäß der Erfindung werden im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist aber anzumerken, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen allein beschränkt ist.
1 ist eine teilweise Längsschnittansicht einer Gasturbine 10 zur Erläuterung einer Kühlstruktur für eine Gasturbine nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Gasturbine 10 umfasst einen Kompressor 20 zum Komprimieren zugeführter Luft, eine Brennkammer 30 zum Einspritzen von Brennstoff zu der komprimierten Luft vom Kompressor 20 und zum Erzeugen eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases (Hochtemperaturgases), sowie eine Turbine 40 zum Erzeugen einer Drehantriebskraft durch das in der Brennkammer 30 erzeugte Hochtemperaturgas. Die Turbine 10 umfasst einen nicht dargestellten Kühler zum Extrahieren eines Teils der Druckluft von dem Kompressor 20 und zum Zuführen der extrahierten Druckluft zu einer Laufschaufel 42, einer Leitschaufel 45 und einer Plattform 43 der Turbine 40, sowie auch zu einem Innendeckring 46 und einem Außendeckring 47 der Leitschaufel 45.
Ein Laufschaufelkörper 41 der Turbine 40, wie in 2A gezeigt ist, besteht aus der Laufschaufel 42 und der Plattform 43, die mit einem nicht dargestellten Rotor gekoppelt ist, wobei die Richtung der Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas im Laufschaufelkörper 41 die Richtung eines in 2A gezeigten Pfeils ist.
2B ist eine Schnittansicht längs der Oberfläche, welche die Außenfläche der Plattform 43 in 2A umfasst, wobei die Richtung der Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas gemäß 2A spezieller eine Richtung ist, die annähernd parallel zu der Wölbungslinie C der Laufschaufel 42 ist.
In der Plattform 43 sind zum Schutz vor Hochtemperaturgas Diffusionslöcher zur Schichtkühlung ausgebildet, wobei die Diffusionslöcher zur Schichtkühlung bisher entlang der Richtung der Primärströmung V1 ausgebildet waren, das heißt in einer Richtung parallel zur Wölbungslinie C, so dass sie an der Außenflächenseite 43a der Strömung von Hochtemperaturgas von der Rückseite (Innenseite) 43b der Plattform 43 her geneigt waren und diese Seite durchsetzten.
Somit verläuft durch Öffnen der Diffusionslöcher in der Richtung der Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas die von den Diffusionslöchern zur Außenfläche 43a der Plattform 43 ausgeblasene Kühlluft entlang der Strömungsrichtung (Primärströmungsrichtung V1) von Hochtemperaturgas, und folglich wird die Kühlluft in ihrer Strömungsrichtung nicht durch die Strömung von Hochtemperaturgas gestört, und daher wurde vermutet, dass die Außenfläche 43a der Plattform 43 vor einem Verbrennen durch Hochtemperaturgas geschützt ist.
In der Gasturbine 10 sind die Diffusionslöcher entlang der Richtung der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas ausgebildet, und zwar von der Innenfläche 43b zur Außenfläche 43a der Plattform 43. Im einzelnen sind sie in der Richtung der Primärströmung V1, das heißt in einer Richtung parallel zu der Wölbungslinie C von der Innenfläche 43b zur Außenfläche 43a der Plattform 43 so ausgebildet, dass sie sich in einer Richtung zu der unterdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der angrenzenden Laufschaufel 42 hin öffnen, welche der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a von der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a der Laufschaufel 42 aus gegenüberliegt.
Ein Mechanismus zur Bildung der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas wird auf der Basis der Ergebnisse von Untersuchungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung erläutert.
Zunächst entweicht an der Plattform 43 Dichtungsluft (Durchspülungsluft) V3 von einem Spalt bzw. Zwischenraum zu dem Innendeckring 44 der Leitschaufel an der stromaufwärtigen Seite von Hochtemperaturgas, und die Relativströmungsrichtung der Dichtungsluft V3 zu dem Laufschaufelkörper 41, der sich in der Richtung eines Pfeils R dreht, wie in 2B gezeigt ist, ist eine Richtung, die von der Wölbungslinie C zu der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der benachbarten Laufschaufel 42 hin versetzt ist, welche der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a, von der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a der Laufschaufel 42 aus, gegenüberliegt. Durch die Strömung von Dichtungsluft V3 wird die Strömungsrichtung der Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas geändert, wobei die geänderte Strömung die Sekundärströmung V2 ist.
Die Sekundärströmung V2 wird nicht nur von der Dichtungsluft V3 erzeugt. Das heißt, dass in 3A, die eine Schnittansicht längs einer Linie A-A in 2B ist, das Hochtemperaturgas, das in den Laufschaufelkörper strömt, mit der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a der Laufschaufel 42 kollidiert, wobei das kollidierende Hochtemperaturgas eine Strömung entlang einem Spaltring 48 erzeugt, der an der Oberseite (Außenseite) der Laufschaufel 42 entlang der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a angeordnet ist, sowie eine Strömung zu der Plattform 43 hin.
Die Strömung zu dem Spaltring 48 hin strömt an der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der Laufschaufel 42 von einem Zwischenraum zwischen dem äußeren Ende der Laufschaufel 42 zu dem Spaltring 48. Andererseits strömt die Strömung zur Seite der Plattform 43 hin auf der Plattform 43 von der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a der Laufschaufel 42 zu der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der angrenzenden Laufschaufel 42, die der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a zugewandt ist, und steigt in der Richtung nach außen entlang der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der angrenzenden Laufschaufel nach oben.
Das heißt, die Strömung von Hochtemperaturgas an der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a jeder Laufschaufel 42 erfolgt wie durch einen Pfeil in 3B angegeben ist, und die Strömung von Hochtemperaturgas an der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b erfolgt wie durch einen Pfeil in 3C angegeben ist. Die Strömung von Hochtemperaturgas auf der Plattform 43 ist die Sekundärströmung V2 in 2B. Somit ist entlang der Richtung der Sekundärströmung V2 auf der Plattform 43 ein Modus der Ausbildung von Diffusionslöchern 43c in 4, 5A und 5B dargestellt.
Wie in 4, 5A und 5b gezeigt ist, sind die in einer Richtung von der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a der Laufschaufel 42 zu der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der angrenzenden Laufschaufel 42, welche der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a in einer Richtung parallel zu der Wölbungslinie C gegenüberliegt, versetzen Diffusionslöcher 43c von der Innenfläche 43b (siehe 5B) zur Außenfläche 43a (siehe 5B) der Plattform 43 angeordnet, und daher verläuft die von der Außenfläche 43a der Plattform 43 ausgeblasene Kühlluft entlang der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas an der Plattform 43, und die Kühlluft wird nicht durch die Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas gestört und bildet eine Kühlluftschicht auf der Außenfläche 43a, so dass eine gewünschte Kühlwirkung auf der Plattform 43 erhalten wird.
Diffusionslöcher 43c gemäß 4 entsprechen der in 2b gezeigten Sekundärströmung V2, und die Richtung der Diffusionslöcher in der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung ist nicht immer auf die in 4 gezeigte Konfiguration beschränkt, sondern kann frei sein, solange sie der durch Strömungsanalyse oder Experiment festgelegten Richtung der Sekundärströmung V2 entspricht.
5A zeigt Diffusionslöcher 43c, die an der Außenfläche 43a der Plattform 43 ausgebildet sind, und 5D ist eine Schnittansicht entlang einer Linie D-D in 5A. Wie in 5A gezeigt ist, ist das Mündungsende an der Außenfläche 43a der Plattform 43 der Diffusionslöcher 43c trichterartig geformt, wobei die Schrägung 43d der stromabwärtigen Seite der Sekundärströmung V2 weniger steil ist als die Schrägung 43e der stromaufwärtigen Seite, und gemäß dieser Struktur fließt die Kühlluft (50 in 5B), die von den Diffusionslöchern 43c ausgeblasen wird, da sie entlang der Schrägung 43d der stromabwärtigen Seite strömt, die weniger steil ist als die stromaufwärtige Seite der Sekundärströmung V2, an diesem Mündungsende gleichmäßiger entlang der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas, und die Zuverlässigkeit der Ausbildung einer Kühlluftschicht an der Außenfläche 43a der Plattform 43 wird verbessert, und durch die Kühlwirkung auf der Plattform 43 wird weiter verbessert, die Kühlstruktur für die Gasturbine der Erfindung ist jedoch nicht immer auf die Ausbildung eines solchen Mündungsendes beschränkt.
6a und 6B sind Diagramme zur Darstellung der Strömung von Hochtemperaturgas nahe dem Vorderende (stromaufwärtiges Ende von Hochtemperaturgas der Laufschaufel 42) 42c der Laufschaufel 42 zur Erläuterung der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung nach einem zweiten Beispiel, und 7 ist ein Diagramm zur Darstellung der Kühlstruktur der Plattform 43 der Gasturbine nach dem zweiten Beispiel.
Gemäß dem ersten Beispiel verläuft auf der Plattform 43 die Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas annähernd parallel zu der Wölbungslinie C der Laufschaufel 42. Am Vorderende 42c der Laufschaufel 42, wie in einer Schnittansicht in 6B gezeigt ist, wird ein hufeisenförmiger Wirbel V4 als Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas gebildet.
Dieser hufeisenförmige Wirbel V4 wird gebildet, wenn ein Teil der Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas, das in die Laufschaufel 42 strömt, mit dem Vorderende 42c der Laufschaufel 42 kollidiert, sich in die Richtung des Schaufelfußabschnitts (die Richtung der Plattform 43) der Laufschaufel 42 entlang der Laufschaufel 42c bewegt, an der Plattform 43 in einer Richtung verläuft, die von der Laufschaufel 42 wegführt, und in die Richtung der Niederdruck-Laufschaufeloberfläche 42b der Laufschaufel 42 gelangt.
Gemäß der Kühlstruktur der Gasturbine nach dem zweiten Beispiel sind die Diffusionslöcher 43f von Kühlluft der Plattform 43 nahe dem Vorderende 42c der Turbinen-Laufschaufel von der Innenfläche 43b (siehe 5B) zur Außenfläche 43a (siehe 5B) der Plattform 43 so ausgebildet, dass sie entlang der Strömungsrichtung des Hufeisen-Wirbelstroms V2 münden, der in der Richtung ausgehend vom Vorderende 42c der Laufschaufel 42 an der Plattform 43 strömt.
Da die Kühlluft-Diffusionslöcher 43f so ausgebildet sind, verläuft die von der Außenfläche 43a der Plattform 43 ausgeblasene Kühlluft entlang dem Hufeisen-Wirbel V4 von Hochtemperaturgas auf der Plattform 43, und die Kühlluft wird nicht von dem Hufeisen-Wirbel V4 von Hochtemperaturgas gestört, wodurch eine Kühlluftschicht auf der Außenfläche 43a so ausgebildet wird, dass eine gewünschte Kühlwirkung auf der Plattform 43 nahe dem Vorderende 42c der Laufschaufel 42 erzielt werden kann.
Am Mündungsende der Diffusionslöcher 43f nach dem zweiten Beispiel wird ebenso wie im Fall der Diffusionslöcher 43c nach dem ersten Beispiel die stromabwärtige Schrägung des Hufeisen-Wirbels V4 vorzugsweise wie ein Trichter einer weniger steilen Schrägung als die stromaufwärtige Schrägung bevorzugt. Er kann auch mit dem ersten Beispiel kombiniert werden.
8, 9A und 9B sind Diagramme zur Darstellung der Strömung von Hochtemperaturgas in einem Leitschaufelkörper 44 zur Erläuterung der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei 9A speziell Kühlluft-Diffusionslöcher 46c in einem Innendeckring 46 des Leitschaufelkörpers 44 zeigt, und 9B speziell Kühlluft-Diffusionslöcher 47c in einem Außendeckring 47 des Leitschaufelkörpers 44 zeigt.
Der Leitschaufelkörper 44 der Turbine 40 ist, wie in 8 gezeigt ist, aus einer Leitschaufel 45 und einem Außendeckring 47 sowie Innendeckring 46 gebildet, die in einem nicht dargestellten Gehäuse befestigt sind, wobei die Richtung der Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas in diesem Leitschaufelkörper 44 die Richtung des ausgesparten Pfeils ist.
9A ist eine Schnittansicht längs der Seite, welche die Oberfläche des Innendeckrings 46 in 8 enthält, und 9B ist eine Schnittansicht entlang der Seite, welche die Oberfläche des Außendeckrings 47 in 8 enthält. Bei diesen Innen- und Außendeckringen 46 und 47 ist die Richtung einer Primärströmung V1 von Hochtemperaturgas eine annähernd zu der Wölbungslinie C der Leitschaufel 45 parallele Richtung auf der Oberfläche der Deckringe 46, 47.
Andererseits wird ebenso wie bei der von der im ersten Beispiel erläuterten, von der Laufschaufel 42 bewirkten Sekundärströmung V2 auch auf dem Leitschaufelkörper 44 eine Sekundärströmung V2 durch die Leitschaufel 45 gebildet, wobei die Richtung der Sekundärströmung V2 ebenso wie im ersten Beispiel in der Richtung der Primärströmung V1 verläuft, das heißt in einer Richtung parallel zu der Wölbungslinie C, versetzt in eine Richtung von der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 45a der Leitschaufel 45 zu der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 45b der angrenzenden Leitschaufel 45, welche der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 45a zugewandt ist.
In der ersten Ausführungsform sind Diffusionslöcher 46c von Kühlluft des Innendeckrings 46 sowie Diffusionslöcher 47c von Kühlluft des Außendeckrings 47, wie jeweils in den 9A und 9B gezeigt ist, so ausgebildet, dass sie in einer von der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 45a der Leitschaufel 45 zu der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 45b der angrenzenden Leitschaufel 45 entlang der Richtung der Sekundärströmung V2 von Hochdruckgas münden, das heißt in der Richtung der Primärströmung V1 oder einer Richtung parallel zu der Wölbungslinie C.
Die von den so gebildeten Diffusionslöchern 46c, 47c ausgeblasene Kühlluft läuft entlang der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas am Innendeckring 46 und am Außendeckring 47, wobei die Kühlluft nicht von der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas gestört wird, wodurch eine derartige Kühlluftschicht gebildet wird, dass eine gewünschte Kühlwirkung am Innendeckring 46 und am Außendeckring 47 erzielt wird.
In 9A und 9B ist nur ein Diffusionsloch 46c, 47c in jedem Deckring 46, 47 dargestellt, dies dient jedoch nur der Vereinfachung der Zeichnung, und tatsächlich sind eine Vielzahl von Diffusionslöchern 46c, 47c entlang der Sekundärströmung V2 in der gesamten Struktur der Deckringe 46, 47 ausgebildet.
An den Öffnungsenden der Diffusionslöcher 46c, 47c wird vorzugsweise ebenso wie im Fall der Diffusionslöcher 43c im ersten Beispiel die Schrägung der stromabwärtigen Seite der Sekundärströmung V2 wie ein Trichter einer weniger steilen Schrägung als die stromaufwärtige Schrägung ausgebildet. Sie kann auch mit dem ersten Beispiel oder dem zweiten Beispiel kombiniert werden.
10A und 10B zeigen ein drittes Beispiel zur Erläuterung von Aspekten der Erfindung, die sich auf Kühlluft-Diffusionslöcher 42d in der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a und der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der Laufschaufel 42 beziehen.
Die Diffusionslöcher 42d sind so ausgebildet, dass sie sich längs der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas an den Schaufeloberflächen 42a, 42b der Laufschaufel 42 öffnen, wie in 3B und 3C gezeigt ist.
Die von den so gebildeten Diffusionslöchern 42d ausgeblasene Kühlluft verläuft entlang der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas auf der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a und der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b, wobei die Kühlluft nicht von der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas gestört wird, wodurch eine Kühlluftschicht der Art gebildet wird, dass eine gewünschte Kühlwirkung an der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 42a und der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 42b der Laufschaufel 42 erzielt wird.
An den Mündungsenden der Diffusionslöcher 42d der vierten Ausführungsform wird vorzugsweise ebenso wie im Fall der Diffusionslöcher 43c im ersten Beispiel die Schrägung der stromabwärtigen Seite der Sekundärströmung V2 wie ein Trichter einer weniger steilen Schrägung als an der stromaufwärtigen Seite ausgebildet. Sie kann auch mit dem ersten Beispiel und/oder dem zweiten Beispiel und/oder der ersten Ausführungsform kombiniert werden.
11A und 11B zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich auf Kühlluft-Diffusionslöcher 45c in der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 45a und der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 45b der Leitschaufel 45 bezieht.
Die Diffusionslöcher 45c sind so ausgebildet, dass sie entlang der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas an der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 45a und der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 45b der Leitschaufel 45 sowie entlang der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas jeder Schaufeloberfläche 42a, 42b der Laufschaufel 42 münden.
Die von den so ausgebildeten Diffusionslöchern 45c ausgeblasene Kühlluft verläuft entlang der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas auf der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 45a und der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 45b, wobei die Kühlluft nicht von der Sekundärströmung V2 von Hochtemperaturgas gestört wird, wodurch eine Kühlluftschicht der Art gebildet wird, dass eine gewünschte Kühlwirkung auf der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche 45a und der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche 45b der Leitschaufel 45 erzielt wird.
An den Öffnungsenden der Diffusionslöcher 45c der zweiten Ausführungsform wird ebenso wie im Fall der Diffusionslöcher 43c nach dem ersten Beispiel die Schrägung der stromabwärtigen Seite der Sekundärströmung V2 wie ein Trichter einer weniger steilen Schrägung als an der stromaufwärtigen Seite ausgebildet. Sie kann auch mit der ersten Ausführungsform kombiniert werden.
Entsprechend der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung verläuft das von den Diffusionslöchern des Deckrings der Turbinen-Leitschaufel als Hochtemperaturelement ausgeblasene Kühlmedium entlang der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas, das an der Außenfläche des Deckrings strömt, wobei das Kühlmedium nicht durch die Sekundärströmung von Hochtemperaturgas gestört wird, und eine Luftschicht an der Außenfläche ausgebildet wird, so dass eine gewünschte Kühlwirkung am Deckring der Turbinen-Leitschaufel erzielt wird. Der Deckring der Turbinen-Leitschaufel umfasst sowohl einen Außendeckring an dem Außenumfang als auch einen Innendeckring am Innenumfang.
Gemäß der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung verläuft das von den Diffusionslöchern des Deckrings ausgeblasene Kühlmedium entlang der Sekundärströmung zu der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche der Turbinen-Leitschaufel anstelle der Primärströmungsrichtung von Hochtemperaturgas entlang der Wölbungslinie der Turbinen-Leitschaufel, und daher wird das Kühlmedium nicht von der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas gestört und eine Luftschicht wird auf der Außenfläche derart ausgebildet, dass eine gewünschte Kühlwirkung am Deckring der Turbinen-Leitschaufel erzielt wird.
Gemäß der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung verläuft das von den Diffusionslöchern nahe dem Vorderende der Turbinen-Leitschaufel am Deckring ausgeblasene Kühlmedium entlang der Richtung der Sekundärströmung eines Hufeisen-Wirbels, der in der Umgebung des Vorderendes gebildet wird, und daher wird das Kühlmedium nicht von der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas gestört und eine Luftschicht wird auf der Außenfläche gebildet, so dass eine gewünschte Kühlwirkung am Deckring der Turbinen-Leitschaufel erzielt wird.
Gemäß der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung verläuft das von den Diffusionslöchern der Turbinen-Leitschaufel als ein von Hochtemperaturelementen ausgeblasenes Kühlmedium entlang der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas, das an der Außenfläche der Turbinenschaufel strömt, und das Kühlmedium wird nicht von der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas gestört und eine Luftschicht wird an der Außenfläche so ausgebildet, dass eine gewünschte Kühlwirkung an der Turbinenschaufel erzielt wird.
Gemäß der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung verläuft das von den Diffusionslöchern im oberen Teil der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche und im unteren Teil der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche der Turbinen-Leitschaufeln ausgeblasene Kühlmedium entlang der Richtung der Sekundärströmung, die von der Primärströmungsrichtung von Hochtemperaturgas entlang der Richtung parallel zu der Achse der Turbine zu einer über den Schaufeln versetzten Richtung gebildet wird, und daher wird das in diesem Bereich strömende Kühlmedium nicht von der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas gestört und eine Luftschicht wird auf der Außenfläche derart ausgebildet, dass eine gewünschte Kühlwirkung in diesem Bereich der Turbinenschaufeln erzielt wird, und außerdem verläuft das von den Diffusionslöchern im unteren Teil der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche und im oberen Teil der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche der Turbinenschaufeln ausgeblasene Kühlmedium entlang der Richtung der Sekundärströmung, die von der Primärströmungsrichtung von Hochtemperaturgas entlang Richtung der parallel zur Achse der Turbine zu einer unter den Schaufeln versetzten Richtung gebildet wird, und daher wird das in diesem Bereich strömende Kühlmedium nicht von der Sekundärströmung von Hochtemperaturgas gestört und eine Luftschicht wird auf der Außenfläche derart ausgebildet, dass eine gewünschte Kühlwirkung in diesem Bereich der Turbinenschaufel erzielt wird.
Gemäß der Kühlstruktur für eine Gasturbine der Erfindung strömt das von den Diffusionslöchern ausgeblasene Kühlmedium entlang stromabseitigen Schrägung, die weniger steil ist als die stromaufseitige Schrägung der Sekundärströmung am Öffnungsende, und folglich strömt sie gleichmäßiger entlang der Sekundärströmungsrichtung von Hochtemperaturgas, und die Zuverlässigkeit der Bildung einer Schicht auf der Oberfläche der Hochtemperaturelemente wird verbessert, und die Kühlwirkung an den Hochtemperaturelementen kann weiter verbessert werden.

Claims

Kühlstruktur für eine Gasturbine mit mehreren Diffusionslöchern (45c, 46c, 47c), die in Hochtemperaturelementen (45, 47, 46) der Gasturbine (10) zum Blasen eines Kühlmediums auf bzw. zu Außenflächen der Hochtemperaturelemente für eine Schichtkühlung derselben ausgebildet sind, wobei die Diffusionslöcher so ausgebildet sind, dass sie sich in einer Richtung öffnen, die mit einer Sekundärströmungsrichtung (V2) eines an den Außenflächen der Hochtemperaturelemente strömenden Hochtemperaturgases annähernd koinzidiert, und wobei die Hochtemperaturelemente einen Deckring (46, 47) einer Turbinen-Leitschaufel (45) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionslöcher (46c, 47c) in dem Deckring (46, 47) so ausgebildet sind, dass sie sich in einer von einer hochdruckseitigen Schaufeloberfläche (45a) der Turbinen-Leitschaufel (45) zu der der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche (45a) zugewandten niederdruckseitigen Schaufeloberfläche (45b) einer benachbarten Turbinen-Leitschaufel (45) verlaufenden Richtung öffnen, und so, dass sie von der Primärströmungsrichtung (V1) des Hochtemperaturgases entlang der Wölbungslinie (C) der Turbinen-Leitschaufel (45) versetzt sind.
Kühlstruktur für eine Gasturbine nach Anspruch 1, wobei die Sekundärströmung (V2) einen Hufeisen-Wirbelstrom (V4) von Hochtemperaturgas aufweist, der nahe dem Vorderende der Turbinen-Leitschaufel (45) gebildet wird, und die Diffusionslöcher nahe dem Vorderende der Turbinen-Leitschaufel (45) so ausgebildet sind, dass sie sich entlang der Strömungsrichtung des Hufeisen-Wirbelstroms (V4) öffnen.
Kühlstruktur für eine Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hochtemperaturelemente die Turbinen-Leitschaufeln (45) umfassen.
Kühlstruktur für eine Gasturbine nach Anspruch 3, wobei die Diffusionslöcher (45c) im oberen Teil der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche (45a) und im unteren Teil der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche (45b) der Turbinen-Leitschaufeln (45) so ausgebildet sind, dass sie sich von der Primärströmungsrichtung (V1) von Hochtemperaturgas entlang der Axialrichtung der Turbine (10) versetzt über den Turbinen-Leitschaufeln (45) öffnen, und die Diffusionslöcher (45c) im unteren Teil der hochdruckseitigen Schaufeloberfläche (45a) und im oberen Teil der niederdruckseitigen Schaufeloberfläche (45b) so ausgebildet sind, dass sie sich von der Primärströmungsrichtung (V1) von Hochtemperaturgas entlang der Axialrichtung der Turbine (10) unterhalb der Turbinen-Leitschaufeln (45) versetzt öffnen.
Kühlstruktur für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Öffnungsende der Diffusionslöcher wie ein Trichter ausgebildet ist, und die Neigung der stromabwärtigen Seite der Sekundärströmung weniger steil ist als die Neigung der stromaufwärtigen Seite.
Kühlstruktur für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mit der Sekundärströmungsrichtung (V2) annähernd koinzidierende Richtung in einem Bereich von etwa ±20 Grad der Sekundärströmungsrichtung liegt, vorzugsweise im Bereich von ±10 Grad und am bevorzugtesten im Bereich von ±5 Grad.