DE69504400T2

DE69504400T2 - Gekühlte Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE69504400T2
Application number: DE69504400T
Authority: DE
Inventors: Masao C/O Takasago Machinery Worksof Arai-Cho Takasago-Shi Hyogo-Ken Terazaki; Keizo C/O Takasago Machinery Worksof Arai-Cho Takasago-Shi Hyogo-Ken Tsukagoshi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1995-04-11
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2015-04-12
Also published as: EP0677644B1; EP0677644A1; JPH07279612A; US5577889A; DE69504400D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Gasturbinenschaufel, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht zur Darstellung der Kühlstruktur der herkömmlichen hohlen Gastürbinen- Leitschaufel. Eine hohle Leitschaufel 11 wird einstückig mit inneren und äußeren (in der Figur nicht dargestellten) Schaufelumhüllungen bzw. Deckbändern oder -ringen (shrouds) durch Präzisionsformgießen ausgebildet. Innerhalb der hohlen Leitschaufel 11 ist ein Einsatz 13 mit einer Anzahl von Kühlungslöchern 12 installiert, und Kühlungsluft wird in diese von der äußeren Umhüllung hineingeblasen. Wie durch die Pfeile in der Figur dargestellt ist, wird die Kühlungsluft aus dem Loch des Einsatzes 13 herausgeleitet, in Kollision mit der Innenwand der hohlen Leitschaufel 11 gebracht, und es wird eine Beaufschlagungskühlung ausgeführt, worauf sie in eine hohle Kammer A, die zwischen dem Einsatz 13 und der hohlen Leitschaufel 11 ausgebildet ist, geleitet wird.
Dann wird die Leitschaufel gekühlt, während die Kühlungsluft zur Hinterkante der Schaufel hin geleitet wird, wobei ein Teil der Kühlungsluft aus einem Filmkühlungsloch 14 längs eines Schaufelprofils herausgeleitet wird, wodurch eine Schaufeloberfläche filmgekühlt bzw. schichtgekühlt wird. Die Schaufelhinterkante mit einer Nadelrippe 16 wird durch die aus dem darauf befindlichen Schlitz 15 austretende Kühlungsluft konvektionsgekühlt. Außerdem ist an einer Schaufelvorderkante, die den Hochtemperaturgasen am meisten ausgesetzt ist, ein Schaufelvorderkantenteil-Filmkühlungsloch 18, Duschkopf genannt, vorgesehen.
Wenn die gekühlte Gasturbinenschaufel eines derartigen herkömmlichen Typs zur Verbrennung von Schweröl etc., wie später beschrieben wird, verwendet wird, bleiben Ablagerungen 17 an einem Schaufelbauchteil haften, an dem eine Strömungsgeschwindigkeit relativ langsam ist, und verstopft das Filmkühlungsloch 14. Diese Ablagerungen sind Oxide, die aus so korrosiven Komponenten wie S (Schwefel), Na (Natrium) und dgl. bestehen, die in Brennstoffen vorhanden sind, und Ca (Calcium), Fe (Eisen), Si (Silizium) und andere, die in der Ansaugluft vorhanden sind. Sie verfestigen sich und bleiben an der gekühlten Schaufeloberfläche haften, wenn sie mit dieser in Kontakt gebracht werden, obwohl sie in einem Bereich eines Hochtemperaturgases an der Vorderstufe der Gasturbine geschmolzen werden, und sie bleiben eher an dem Schaufelbauchteil haften, an dem die Strömungsgeschwindigkeit relativ langsam ist.
In dem Fall, in dem die die oben beschriebene Kühlstruktur aufweisende gekühlte Gasturbinenschaufel für die Gasturbine verwendet wird, die durch Verbrennen von beispielsweise Rohöl und Schweröl, die von Standardbrennstoffen wie Kerosin, Gasöl, Rohbenzin und dgl. abweichen, betrieben wird, kommt es zu einer Anhäufung von Ablagerungen auf der Bauchseite der Turbinenschaufel, da viele Aschen und Restkohlenstoffe in dem Schweröl enthalten sind, und dadurch wird die Kühlleistung der luftgekühlten Schaufel innerhalb kurzer Zeit stark vermindert. Demzufolge wird eine Hochtemperaturkorrosion erzeugt.
Eine gekühlte Gasturbinenschaufel nach dem Stand der Technik ist in der EP-0-501 813 A1 beschrieben. Bei dieser Schaufel ist ein Paar Kühlungslöcher so vorgesehen, daß sie sich durch die Seitenwand der Schaufel in geneigter Beziehung zur externen Seitenwand erstrecken. Die Löcher gehen an der Innenseitenwand der Schaufelwand ineinander über und überschneiden sich, und sind an der externen Seitenwand der Schaufelwand zueinander in der stromabseitigen Richtung versetzt.

ABRISS DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gekühlte Gasturbinenschaufel bereitzustellen, bei der ein Anhaften von Ablagerungen an der Schaufeloberfläche zuverlässig verhindert wird, während die Kühlung der Schaufeloberfläche gewährleistet ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine gekühlte Gasturbinenschaufel, die umfaßt: eine erste Kühlungsbohrung zum Ausblasen von Kühlungsluft, wobei die erste Kühlungsbohrung in einer Außenwand an einem Bauch- bzw. Unterseitenteil der Schaufel unter einem spitzen Winkel innerhalb eines Bereichs von 45º bis 90º zu der Außenfläche der Schaufel angeordnet ist, eine zweite Kühlungsbohrung zum Ausblasen von Kühlungsluft, wobei die zweite Kühlungsbohrung in der Außenwand stromab der ersten Kühlungsbohrung unter einem spitzen Winkel innerhalb eines Bereichs von 25º bis 40º zu der Außenfläche der Schaufel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlungsbohrung im Vergleich zur ersten Kühlungsbohrung verhältnismäßig klein ist.
Erzeugte Ablagerungen verfestigen sich leicht und bleiben an der stromabseitigen Oberfläche eines Filmkühlungslochs kleben, wenn sie mit der Filmschicht in Kontakt kommen, welche an der Grenzschicht der Schaufeloberfläche gebildet wird. Damit wird gemäß der vorliegenden Erfindung das relativ große Kühlungsloch, das in die Schaufeloberfläche eingelassen ist, stromauf des relativ kleinen Kühlungslochs zum Ausblasen eines Kühlungsluftstroms vorgesehen, das speziell zur Ausführung eines Kühlvorgangs längs der Schaufeloberfläche vorgesehen ist, wobei durch den Kühlungsluftstrahl von dem relativ großen Kühlungsloch, das die an der Schaufeloberfläche gebildete Grenzschicht durchsetzt, erzeugte Ablagerungen kurz vor dem Anhaften weggeblasen werden, wodurch deren Anhaften verhindert wird. Auch aus dem relativ kleinen stromabseitigen Kühlungsloch, das stromab angeordnet ist, wird ein Kühlungsluftstrahl längs der Schaufeloberfläche ausgeblasen, um den Kühlungseffekt des Kühlungsluftstrahls aus dem relativ großen stromaufseitigen Kühlunsloch zu ergänzen. Durch den Betrieb dieser beiden Löcher wird ein Anhaften von Ablagerungen verhindert, und damit kann eine Film bzw. Schichtkühlung zufriedenstellend durchgeführt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht zur Darstellung einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht zur Darstellung eines Teils der obigen Ausführungsform, in der Kühlungslöcher vorgesehen sind,
Fig. 3 eine Ansicht zur Darstellung des Beispiels der Anordnung relativ großer und kleiner Kühlungslöcher, und
Fig. 4 eine Schnittansicht zur Darstellung der Kühlungsstruktur der hohlen Leitschaufel der herkömmlichen Gasturbine.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Gemäß Fig. 1 und 2 ist die gekühlte bzw. Kühl- Leitschaufel 1 einer Gasturbine mit einem Einsatz 2 versehen, der eine Anzahl von Kühlungslöchern 2' zur Beaufschlagung der Kühlung auf die Innenseite aufweist, sowie ein Loch 3 zur Film- bzw. Schichtkühlung zum Zweck der Verstärkung eines Kühlbetriebs, während ein Schaufelvorderkantenteil- Filmkühlungsloch 4 (Duschkopf) am Vorderkantenteil der Schaufel vorgesehen ist.
Am Bauch- bzw. Unterseitenteil der Schaufel sind in Kombination ein relativ großes Kühlungsloch 5, das in einem spitzen Winkel zur Schaufeloberfläche eingelassen und zur Schaufelrückseite hin geneigt ist, sowie ein relativ kleines Kühlungsloch 6, das in einem spitzeren Winkel zur Schaufeloberfläche stromab (Schaufelhinterkantenseite) davon eingelassen und zur Schaufelhinterkante geneigt und so angeordnet ist, daß es die Richtung des ausgeblasenen Kühlungsluftstroms längs der Schaufeloberfläche lenkt, vorgesehen.
Eine Hohlkammer A ist ähnlich wie die in Fig. 4 zwischen dem Einsatz 2 und der gekühlten Leitschaufel 1 ausgebildet, wobei Kühlungsluft von einer außenseitigen Umhüllung (in der Figur nicht dargestellt) in den Einsatz 2 geleitet wird und aus einem Schlitz an der Schaufelhinterkante ausgeblasen wird.
Gemäß dieser Ausführungsform wird eine große Menge Luft zur Film- bzw. Schichtkühlung der Schaufeloberfläche von dem relativ großen Kühlungsloch 5, das auf der Bauchseite bzw. Unterseite der Schaufel ausgebildet ist, ausgeblasen, wodurch Ablagerungen kurz vor dem Anhaften auf der Bauchfläche der Schaufel ausgeblasen werden können. Aus dem relativ kleinen Kühlungsloch 6, das stromab des großen Kühlungslochs 5 angeordnet ist, wird Kühlungsluft längs der Schaufeloberfläche ausgestoßen, um die Kühlwirkung der aus dem Loch 5 austretenden Luft zu ergänzen. Durch die von diesen beiden Löchern 5 und 6 ausgeblasene Luft kann eine Filmkühlungswirkung aufrechterhalten werden und Ablagerungen, die sich leicht an der Bauch- bzw. Unterseitenfläche der Schaufel anhäufen, können ausgeblasen werden, wodurch ihr Anhaften verhindert wird.
Ferner muß das relativ große Kühlungsloch 5 mit einem Ausstoßwinkel α innerhalb des Bereichs von ≥45º bis ≤90º ausgebildet sein, so daß die ausgestoßene Luft in eine längs der Schaufeloberfläche gebildete Grenzschicht eindringt. Auf diese Weise werden Ablagerungen kurz vor ihrem Anhaften an der Schaufeloberfläche durch die in die Grenzschicht mit der langsamen Strömungsgeschwindigkeit eintretende Luft ausgeblasen, und damit kommt es kaum dazu, daß sich Ablagerungen an der Schaufelfläche festsetzen.
Andererseits muß das relativ kleine Kühlungsloch 6, das stromab des relativ großen Kühlungslochs 5 (am besten unmittelbar danach) vorgesehen ist, mit einem Außstoßwinkel β innerhalb des Bereichs von ≥20º bis ≤40º, vorzugsweise 30º, ausgebildet sein, um die Wirksamkeit des Films am besten zu gestalten. Damit wird ein Schichtkühlungsfilm längs der Schaufeloberfläche gebildet.
Ferner wird eine Angleichung bzw. Verstellung des Drucks der ausgeblasenen Luft für den innerhalb der Schaufel vorgesehenen Einsatz 2 ausgeführt, und eine Ausblasrate (sh. unten) wird auf etwa 1,0 festgelegt, bei der die Wirksamkeit des Films als am höchsten angesehen wird.
Ausblasrate = pv (Ausblasen/p'v'(Hauptstrom)
Dabei stellen p, v Dichte und Geschwindigkeit ausgeblasener Luft dar, während p', v' Dichte und Geschwindigkeit des Hauptstromfluids sind.
Auf diese Weise kann ein Luftfilm auf der stromabseitigen Schaufeloberfläche des relativ kleinen Kühlungslochs 6 gebildet werden, ohne dabei die an der Schaufelfläche zu bildende Grenzschicht zu durchdringen.
Die gekühlte Gasturbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur für die Gasturbine nützlich, die durch Verbrennen von Rohöl und Schweröl betrieben wird, sondern auch für diejenigen, die durch Verbrennen von in Chemiewerken erzeugtem Nebenproduktgas, flüssigen Nebenprodukt-Brennstoffen und Hochofengas betrieben werden, oder für andere Arten, einschließlich einer Gasturbine für vergaste Kohle etc., die viele Ablagerungen erzeugen können.
Ferner ist es von Nutzen, den Filmkühleffekt ohne Anhaften von Ablagerungen an der Bauchseite bzw. Unterseite der Schaufel durch Kühlungslöcher mit kleinem und großem Durchmesser aufrechtzuerhalten, die an dieser mit verschiedenen Winkeln zur Schaufeloberfläche eingelassen sind, wie es in den Ansprüchen beschrieben ist.
Damit ist die gekühlte Gasturbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, solche Probleme wie eine Verringerung der Kühlleistung der durch Verbrennen von Schweröl etc. betriebenen gekühlten Gasturbinenschaufel in kurzer Zeit sowie eine Erzeugung von Hochtemperaturkorrosion aufgrund dessen zu lösen, was bei der Verbesserung und Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit der Gasturbine äußerst effektiv sein kann.

Claims

1. Gekühlte Gasturbinenschaufel (1), die umfaßt:

eine erste Kühlungsbohrung (5) zum Ausblasen von Kühlungsluft, wobei die erste Kühlungsbohrung (5) in einer Außenwand an einem Bauch- bzw. Unterseitenteil der Schaufel (1) unter einem spitzen Winkel innerhalb eines Bereichs von 45º bis 90º zu der Außenfläche der Schaufel (1) angeordnet ist,

eine zweite Kühlungsbohrung (6) zum Ausblasen von Kühlungsluft, wobei die zweite Kühlungsbohrung (6) in der Außenwand stromab der ersten Kühlungsbohrung (5) unter einem spitzen Winkel innerhalb eines Bereichs von 25º bis 40º zu der Außenfläche der Schaufel (1) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlungsbohrung (6) im Vergleich zur ersten Kühlungsbohrung (5) verhältnismäßig klein ist.

2. Gekühlte Gasturbineneschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis Abstand/Durchmesser der ersten und zweiten Kühlungsbohrungen (5, 6) innerhalb eines Bereichs von 1 bis 3 festgesetzt ist.