DE60209654T2 - Verfahren zur Steuerung der Kühlungsströmung in eine Turbinenschaufel und Turbinenschaufel mit einer Strömungssteuerungsvorrichtung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen, die beispielsweise zur Stromerzeugung eingesetzt werden, und insbesondere die Steuerung der Kühlmittelströmung, um den Übergangsbereich der Düsenleitschaufeln der Turbine effektiv zu kühlen.
• Gasturbinen bestehen im Allgemeinen aus einer Verdichtereinheit, einem Brenner und einer Turbineneinheit. Die Verdichtereinheit zieht Umgebungsluft an und verdichtet sie. Der verdichteten Luft wird im Brenner Brennstoff hinzugefügt, und das Brennstoff-Luft-Gemisch wird gezündet. Das resultierende heiße Fluid gelangt in die Turbineneinheit, in der ihm Energie von Turbinenschaufeln entzogen wird, die an eine drehbare Welle montiert sind. Die drehbare Welle treibt den Verdichter in der Verdichtungseinheit und z.B. einen Generator zur Stromerzeugung an oder wird für andere Funktionen genutzt. Die Effizienz der Energieübertragung vom heißen Fluid auf die Turbinenschaufeln wird durch das Steuern des Winkels für den Gaspfad zu den Turbinenschaufeln mit Hilfe sich nicht drehender, blattförmiger Leitschaufeln oder Düsen verbessert. Diese Leitschaufelblätter leiten die eher parallele Strömung des Heißgases oder Fluids in eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Strömung auf die Turbinenschaufeln um. Da das heiße Fluid, wenn es mit dem Leitschaufelblatt in Kontakt gerät, eine sehr hohe Temperatur aufweist, ist das Leitschaufelblatt zwangsläufig über längere Zeiträume hohen Temperaturen ausgesetzt. Folglich werden die Leitschaufelblätter in konventionellen Gasturbinen im Allgemeinen intern gekühlt, beispielsweise indem ein Kühlmittel durch das Leitschaufelblatt geleitet wird.
• Im Leitschaufelblatt sind Rippen üblicherweise so angeordnet, dass sie sich zwischen der konvexen und der konkaven Seite des Leitschaufelblatts erstrecken, um zwischen der konkaven und der konvexen Seite des Leitschaufelblatts als mechanische Stütze zu dienen. Die Rippen werden benötigt, um die Unversehrtheit der Düse aufrechtzuerhalten und die Aufwölbebelastungen an der Druck- und an der Saugfläche des Leitschaufelblatts zu verringern. Die Aufwölbebelastungen resultieren aus Druckdifferenzen zwischen der inneren und der äußeren Wand des Leitschaufelblatts. Die Rippen definieren mehrere Hohlräume im Leitschaufelblatt und definieren wenigstens einen Teil der sich durch das Leitschaufelblatt erstreckenden Kühlmittelströmungspfade. Die Hohlräume können durch Prallkühlung mit Hilfe von Prallkühlungseinsätzen oder durch Konvektion mit oder ohne Turbolatoren an den Rippen und/oder Leitschaufelblattwänden gekühlt werden. Es ist jedoch schwierig, in den Übergangsbereichen zwischen dem Leitschaufelblatt und der Seitenwand am Austrittsende der Leitschaufelblatthohlräume die erforderliche Kühlwirkung zu erzielen. Wenn der Hohlraum prallgekühlt wird, können die Einsätze auf Grund von Einsetzbarkeitseinschränkungen nicht herausragen, um den erforderlichen Prallkühlungsspalt aufrechtzuerhalten. Wird dieser Bereich konvektiv gekühlt, ist der Wärmeübergangskoeffizient wegen des großen Strömungsquerschnitts nicht ausreichend, um für die erforderliche Teilelebensdauer in diesem Bereich zu sorgen. Daher wurde in früheren Bauweisen, in denen Kühltechniken mit verdichteter Luft zum Einsatz kamen, dieser Bereich durch Filmkühlung gekühlt.
• Bei fortgeschrittenen Gasturbinenbauweisen wurde erkannt, dass die Temperatur des an den Turbinenkomponenten vorbeiströmenden Heißgases höher sein kann als die Schmelztemperatur des Metalls. Es war daher notwendig, Kühlschemata zu entwickeln, welche die Heißgaskomponenten während des Betriebs besser schützen. In dieser Hinsicht wurde demonstriert, dass Dampf ein bevorzugtes Kühlmedium für Gasturbinendüsen (Leitradschaufeln), insbesondere für kombinierte Anlagen, sei. Siehe beispielsweise US-Patentschrift 5,253,976. Da Dampf jedoch eine höhere Wärmekapazität als das Verbrennungsgas aufweist, ist es ineffizient, das Vermischen des Kühldampfes mit dem Heißgasstrom zuzulassen. Infolgedessen ist es wünschenswert, Kühldampf im Innern der Heißgaskomponenten in einem geschlossenen Kreis zu belassen. Demgemäß ist in solch einem geschlossenen Kühlsystem die Filmkühlung des Übergangsbereichs nicht zulässig, so dass die effektive Kühlung dieses Bereichs problematisch bleibt.
• Wie eingangs erwähnt, ist in Turbinenleitschaufelblättern eine markante rückseitige Kühlung im Übergangsbereich nötig, in dem das Leitschaufelblatt mit der Seitenwand verbunden ist, damit die Anforderungen an die Teilelebensdauer erfüllt werden. Es ist eine Bauweise erforderlich, mit der sich die gewünschte Kühleffizienz erzielen und gleichzeitig die Menge der erforderlichen Kühlströmung minimieren lässt. Auch die stromabwärts erfolgende Kühlung anderer Bereiche der Seitenwand des Leitschaufelblatts darf nicht beeinträchtigt werden.
• Die vorliegende Erfindung ist in der Ausführungsform einer Strömungsbeeinflussungsstruktur realisiert, die eine Kühlmedienströmung in den Übergangsbereich kanalisiert. Genauer gesagt, kann die Erfindung in der Ausführungsform einer Strömungsbeeinflussungsstruktur realisiert werden, die einen Spalt mit dem Übergangsbereich definiert, damit zum Erfüllen der an die Teilelebensdauer gestellten Anforderungen die erforderlichen Wärmeübergangskoeffizienten in diesem Bereich erreicht werden.
• Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Turbinenleitschaufelsegment beschrieben, das die Merkmale aus Anspruch 1 aufweist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zum Kühlen des Übergangsbereichs einer Düse ein Verfahren beschrieben, das die in Anspruch 7 dargelegten Verfahrensschritte umfasst.
• Diese sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher und nachvollziehbarer durch die sorgfältige Lektüre der folgenden detaillierteren Beschreibung der zurzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, in der auf die folgenden beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
• 1 ist eine schematische Vorderansicht einer Düsenleitschaufel, in der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Aufteiler für die Austrittskühlmediumströmung bereitgestellt werden kann.
• 2 ist eine entlang der Linie 2-2 aus 1 erzeugte schematische Querschnittansicht der Düsenleitschaufel.
• 3 ist eine entlang der Linie 3-3 aus 2 erzeugte schematische Querschnittansicht, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Aufteilungsstruktur für die Kühlmittelströmung darstellt.
• 4 ist eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen Aufteilungsstruktur für die Kühlmittelströmung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• 5 ist eine perspektivische Ansicht von unten zur Darstellung der in 4 dargestellten Aufteilungskomponente.
• 6 ist eine schematische Vorderansicht von der Seite zur Darstellung des in den 4 und 5 dargestellten Strömungsaufteilers.
• Wie eingangs zusammengefasst, betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere Kühlkreise für z.B. die Düsen der ersten Stufe einer Turbine, wobei zu einer Darlegung verschiedener anderer Aspekte der Turbine, ihrer Konstruktion und Betriebsverfahren auf das zuvor genannte Patent Bezug genommen wird. In 1 ist schematisch von der Seite eine Vorderansicht eines Leitschaufelsegments 10 dargestellt, das eines der Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Segmenten von z.B. der Düse der ersten Stufe umfasst. Es ist nachvollziehbar, dass die Segmente so miteinander verbunden sind, dass die eine ringförmige Anordnung von Segmenten bilden, die den Heißgaspfad durch die Düse der ersten Turbinenstufe definiert. Jedes Segment enthält radial zueinander beabstandete, innere und äußere Wände 12, 14, wobei sich eine oder mehrere Düsenleitschaufeln 16 zwischen den äußeren und inneren Wänden erstrecken. Die Segmente sind um die Achse der Turbine (nicht dargestellt) angeordnet, wobei die benachbarten Segmente dichtend aneinander anschließen. In dieser Beschreibung wird die Leitschaufel als einzige Leitschaufel eines Segments beschrieben.
• Wie in der schematischen Darstellung in 1 gezeigt, weist die Leitschaufel 16 eine Vorderkante 18 und eine Hinterkante 20, Außenseitenränder (nicht dargestellt), einen Vorderrand 22 und einen Hinterrand 24 auf, die eine Sammelkammer 26 mit einer äußeren Abdeckplatte (nicht dargestellt) und einem Prallkühlblech (nicht dargestellt) definieren, das in der Sammelkammer im Abstand zur äußeren Wand zu deren Prallkühlung angeordnet ist. Im vorliegenden Dokument bezeichnen die Formulierungen „nach außen" und „nach innen" bzw. „äußere" und „innere" eine im Wesentlichen radiale Richtung in Bezug auf die Turbinenachse.
• In dieser exemplarischen Ausführungsform weist die Düsenleitschaufel eine Anzahl von Hohlräumen, beispielsweise einen Vorderkantenhohlraum 28, einen Hinterkantenhohlraum 30 und Zwischenhohlräume 32, 34 auf. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die Anzahl und Konfiguration der dargestellten Hohlräume beschränkt.
• Kühlmittel strömt zur Prall- und/oder Konvektionskühlung von der äußeren Sammelkammer 26 durch einen oder mehrere der Düsenhohlräume 28, 30, 32, 34 und in eine innere. Sammelkammer 36, die von der inneren Wand 12 und einer unteren Abdeckplatte (nicht dargestellt) definiert wird.
• Strukturelle Rippen 38 sind an die innere Wand angegossen, um ein in einem Abstand zur inneren Seitenwand angeordnetes Prallkühlblech 40 der inneren Seitenwand zu stützen. Nach der Prallkühlung strömt das Kühlmittel durch die übrigen Rückstromhohlräume zu einem Dampfauslass (nicht dargestellt). In der dargestellten exemplarischen Ausführungsform sind vier Hohlräume für die Kühldampfströmung bereitgestellt. Nur zu Erörterungszwecken werden der erste Vorderkantenhohlraum 28 und der zweite Zwischenhohlraum 32 als sich radial nach innen erstreckende, stromabwärts verlaufende Hohlräume und der dritte und vierte Hohlraum 34, 30 als sich radial nach außen erstreckende Hohlräume für den Kühlmittelrückstrom bezeichnet.
• Wie eingangs erwähnt, wurde die vorliegende Erfindung insbesondere zur Kühlung, beispielsweise zur Dampfkühlung, des Leitschaufelblatt-Übergangsbereichs der Düsenleitschaufel entwickelt. Die Erfindung betrifft insbesondere die Bereitstellung und Konfiguration eines Strömungsaufteilers, der die gewünschte Kühlung im Übergangsbereich der Leit schaufel erzielt und gleichzeitig die Menge der erforderlichen Kühlströmung minimiert.
• Eine exemplarische Ausführungsform eines Kühlmittelströmungsaufteilers 42 ist in den 4-5 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Strömungsaufteiler am Auslassende des zweiten, Zwischenkühlmittelhohlraums 32 des Leitschaufelblatts befestigt, obwohl es sich jedoch versteht, dass ein Strömungsaufteiler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung am Auslassende jedes Kühlmittelhohlraums befestigt werden kann, in dem eine verbesserte Kühlung des Übergangsbereichs für notwendig oder wünschenswert erachtet wird.
• Der Strömungsaufteiler 42 weist eine Basis 44 auf, um den Strömungsaufteiler in Bezug zum Leitschaufelblatthohlraum 32 zu befestigen. Die Basis weist eine untere oder innere Teilfläche 46 und eine äußere Teilfläche 48, ein vorderes Ende 50 und ein hinteres Ende 52 sowie sich zwischen diesen erstreckende Längsseitenkanten 54, 56 auf. Wie in 3 schematisch dargestellt, ist in einer exemplarischen Ausführungsform die Strömungsaufteilungsstruktur 42 an ihrer Basis 44 an den strukturellen Rippen 38 befestigt, die an die innere Wand 12 angegossen sind.
• Von der äußeren Teilfläche 48 der Strömungsaufteilerbasis 44 steht der Hauptkörper 58 des Strömungsaufteilers 42 hervor und ist so angepasst, dass er, wie insbesondere in 3 dargestellt, in den Übergangsbereich 60 eines entsprechenden Kühlmittelhohlraums des Leitschaufelblatts hineinragt. In der dargestellten Ausführungsform definiert der Hauptkörper 58 des Strömungsaufteilers einen Kamm oder Rücken 62, der dessen äußerste Ausdehnung in den entsprechenden Kühlmittelhohlraum darstellt und entsprechende druck- und saugseitige Schrägen 64, 66 vom Kamm zu den Längskanten der Strömungsaufteilerbasis bildet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kamm 62 des Strömungsaufteilers 42 im Allgemeinen leicht konturiert, um die Strömung zu den Spalten 65, 67 umzulenken, die in den entsprechenden saug- und druckseitigen Übergangsbereichen definiert sind.
• Wie am besten in den 4 und 5 dargestellt ist, weist der Hauptkörper 58 des Strömungsaufteilers wenigstens erste und zweite Bereiche 68, 70 unterschiedlicher radialer Höhe auf. In der dargestellten Ausführungsform weist der erste Bereich 68, der sich von der Vorderkante des Strömungsaufteilers über ungefähr ein Drittel der Länge des Hauptkörpers erstreckt, die größte radiale Höhe auf und geht dann über den Übergangsabschnitt 72 in den zweiten Bereich 70 über, der eine in Relation dazu geringere radiale Höhe aufweist und sich im Wesentlichen über die übrige Länge des Hauptkörpers des Strömungsaufteilers erstreckt. In der dargestellten Ausführungsform wird ein weiterer Übergangsabschnitt 74 der radialen Höhe an der Hinterkante des Hauptkörpers des Strömungsaufteilers definiert. Wie nachzuvollziehen ist, ermöglicht die Topographie des Strömungsaufteilers dem Strömungsaufteiler einen erwünschten und erforderlichen Wärmeübergangskoeffizienten im Übergangsbereich zu erzielen, um die an die Teilelebensdauer gestellten Anforderungen durch das Variieren des Spalts zwischen dem Strömungsaufteiler und dem Übergang zu erfüllen. Dadurch wird die gewünschte Kühlmittelströmung pro Flächeneinheit erzeugt, um die gewünschten Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen.
• Für die den entsprechenden Hohlraum verlassende Kühlströmung sind, wie dargestellt, erste und zweite Längsschlitze 76, 78 entlang jeder Längskante 54, 56 der Strömungsaufteilerbasis definiert. Wie eingangs erwähnt, ist eine Bauweise erforderlich, mit der sich Kühleffizienz erzielen und gleichzeitig die Menge der erforderlichen Kühlströmung minimieren lässt. Durch die oben beschriebene Strömungsaufteilungsstruktur kann der Spalt so variiert werden, dass die erforderliche Kühlwirkung erzielt wird.
• Ein zweites erwünschtes Merkmal der Bauweise ist, dass das den Übergangsbereich 60 verlassende Kühlmedium auf Grund der Präsenz des Strömungsaufteilers 42 nicht die stromabwärts erfolgende Kühlung anderer Bereiche der Leitschaufelblattseitenwand beeinträchtigt. Damit austretendes Kühlmedium die stromabwärts erfolgende Kühlung anderer Bereiche an der Leitschaufelblattseitenwand weder beeinträchtigt noch minimal beeinträchtigt, wurden in einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung Strömungsschilde 80, 82 bereitgestellt, die entlang jeder Längsseitenkante 54, 56 der Strömungsaufteilerbasis 44 gegenüber den Kühlströmungsschlitzen 76, 78 radial nach innen hervorstehen. Die Strömungsschilde isolieren die aus den Löchern im Prallkühlblech der Seitenwand austretende Kühlströmung und minimieren dadurch die Störung der stromabwärts erfolgenden Kühlung.
• Der Strömungsaufteiler 42 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wurde oben in diesem Dokument dadurch gekennzeichnet, dass er eine Basis 44 und einen Hauptkörper 58 aufweist. Es versteht sich, dass die Basis und der Hauptkörper als ein Gussteil oder, wie durch die Rückhaltevorrichtungen 84 schematisch dargestellt, als separate Gussteile geformt und dann zusammengeschweißt oder auf andere Weise miteinander mechanisch aneinander befestigt werden können, um eine Strömungsaufteilungsbaugruppe zu. bilden.
• Obwohl die Erfindung oben in diesem Dokument in der Ausführungsform einer am radialen inneren Ende einer Leit schaufel angeordnete Strömungsbeeinflussungsstruktur beschrieben wurde, versteht sich, dass eine Strömungsbeeinflussungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung am Austrittsende des Rückstromhohlraums am radialen äußeren Ende einer Düsenleitschaufel angeordnet sein kann.

Claims (7)

1. Turbinen-Leitschaufelsegment (10) zum Erzeugen eines Teils einer Düsenstufe einer Turbine, aufweisend: innere und äußere Wände (12, 14), die voneinander im Abstand angeordnet sind; eine sich zwischen den inneren und äußeren Wänden erstreckende und Vorder- und Hinterkanten (18, 20) aufweisende Turbinen-Leitschaufel (16), wobei die Leitschaufel mehrere diskrete Hohlräume (28, 30, 32, 34) zwischen den Vorder- und Hinterkanten und sich in Längsrichtung der Leitschaufel erstreckend enthält, um ein Kühlmedium durch die Leitschaufel strömen zu lassen; eine Sammelkammer (26, 36), die an eine von den inneren und äußeren Wänden angrenzend definiert ist, wobei wenigstens einer von den Hohlräumen (28, 30, 32, 34) der Leitschaufel mit der Sammelkammer über eine Öffnung an einem radialen Ende der Leitschaufel in Strömungsverbindung steht, um einen Durchtritt von Kühlmedium aus dem wenigstens einen Hohlraum in die Sammelkammer zu ermöglichen; und eine Strömungsbeeinflussungsstruktur (42) zum Kanalisieren von Kühlmedienströmung zu einem Übergangsbereich (60), der bei einem Übergang zwischen einer Wand der Leitschaufel (16) und der einen von den inneren und äußeren Wänden (12, 14) des Düsensegmentes definiert ist, um den Übergangsbereich zu kühlen, wobei die Strömungsbeeinflussungsstruktur aufweist: eine Basis (44); und einen Hauptkörper (58), wobei der Hauptkörper so konfiguriert ist, dass er im Wesentlichen an einem Quermittelabschnitt der Basis einen Kamm (62) und von dem Kamm zu den Längsseitenkanten (54, 56) der Basis hin schräge Wände (64, 66) definiert, um dadurch einen Spalt (65, 67) mit dem Übergangsbereich (60) zu definieren, um die Kühlmittelströmung entlang dem Übergangsbereich zu kanalisieren.
2. Turbinen-Leitschaufelsegment nach Anspruch 1, wobei die Strömungsbeeinflussungsstruktur (42) auf der Leitschaufel (16) und/oder der einen Wand (12, 14) so befestigt ist, dass sie den Spalt (65, 67) mit dem Übergangsbereich (60) definiert.
3. Turbinen-Leitschaufelsegment nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welches ferner erste und zweite Austrittsströmungsschlitze (76, 78) aufweist, die entlang Längsseitenkanten (54, 56) der Strömungsbeeinflussungsstruktur definiert sind, um einen Strömungspfad für die den Hohlraum verlassende Kühlmittelströmung zu definieren.
4. Turbinen-Leitschaufelsegment nach Anspruch 1, wobei der Hauptkörper (58) in die Öffnung des Hohlraums vorsteht.
5. Turbinen-Leitschaufelsegment nach Anspruch 4, wobei die Strömungsbeeinflussungsstruktur so konfiguriert ist, dass sie eine den Hohlraum verlassende Strömung in Strömungen entlang entsprechenden Übergangsbereichen auf jeder Seite der Leitschaufel aufteilt.
6. Turbinen-Leitschaufelsegment nach Anspruch 1, wobei eine Höhe des Kammes des Hauptkörpers entlang einer Längsverlaufs des Hauptkörpers variiert.
7. Verfahren zum Kühlen des Übergangsbereiches einer Düse, mit den Schritten: Bereitstellen eines Düsen-Leitschaufelsegments mit inneren und äußeren Wänden (12, 14), die voneinander in Abstand angeordnet sind; einer sich zwischen den inneren und äußeren Wänden erstreckenden und Vorder- und Hinterkanten (18, 20) aufweisenden Turbinen-Leitschaufel (16), wobei die Leitschaufel mehrere diskrete Hohlräume (28, 30, 32, 34) zwischen den Vorder- und Hinterkanten und sich in Längsrichtung der Leitschaufel erstreckend enthält, um ein Kühlmedium durch die Leitschaufel strömen zu lassen; einer Sammelkammer (26, 36), die angrenzend an eine von den inneren und äußeren Wänden definiert ist, wobei wenigstens einer von den Hohlräumen der Leitschaufel mit der Sammelkammer über eine Öffnung an einem radialen Ende der Leitschaufel in Strömungsverbindung steht, um einen Durchtritt von Kühlmedium aus dem wenigstens einen Hohlraum in die Sammelkammer zu ermöglichen; und einer Strömungsbeeinflussungsstruktur (42), die eine Basis (44) und einen Hauptkörper (58) aufweist, wobei der Hauptkörper so konfiguriert ist, dass er im Wesentlichen bei einem Quermittenabschnitt der Basis einen Kamm (62) und von dem Kamm zu den Längsseitenkanten (54, 56) der Basis hin schräge Wände (64, 66) definiert; Anordnen der Strömungsbeeinflussungsstruktur (42) an der Öffnung, mit dem Schritt der Befestigung der Strömungsbeeinflussungsstruktur zwischen einer Wand der Leitschaufel (16) und der einen von den inneren und äußeren Wänden (12, 14), um so einen Kühlmittelströmungsspalt (65, 67) mit dem Übergangsbereich (60) zu definieren; Durchleiten von Kühlmittelmedium durch den Hohlraum; Kanalisieren und Durchleiten von Kühlmittelmedium an dem Auslass mit der Strömungsbeeinflussungsstruktur zu einem Übergangsbereich (60), der an einem Übergang zwischen einer Wand der Leitschaufel und der einen Wand zur Kühlung des Übergangsbereiches definiert ist.