DE69820881T2

DE69820881T2 - Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE69820881T2
Application number: DE69820881T
Authority: DE
Inventors: c/o Takasago Machinery Works S 2-chome AOKI; E. c/o Takasago Research & Dev. Cent 2-chome Takasago-shi ITO
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: US6206637B1; CA2280751C; CA2280751A1; EP1010860B1; EP1010860A1; WO2000001928A1; EP1010860A4; DE69820881D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel für eine Gasturbine und insbesondere auf eine Gasturbinenschaufel, die dazu geeignet ist, durch Kühldampf, der durch das Innere der Gasturbinenschaufel strömt, im Inneren gekühlt zu werden.
Beschreibung des Standes der Technik
US-A-5,536,143 offenbart eine mit dem Land verbundene Gasturbine in einem einfachen oder kombinierten Kreislauf. Die Turbinenschaufeln werden durch Kühldampf, der durch Kühldurchgänge strömt, gekühlt.
Andere Arten von Turbinenschaufeln sind in US-A-5,472,314 und US-A-5,480,285 offenbart.
Eine herkömmliche Gasturbine für einen kombinierten Kreislauf ist in den 5 bis 7 dargestellt. Wie in 5 dargestellt ist, umfasst die Gasturbine 1 mehrere abwechselnd angeordnete stationäre Schaufeln 2 und Laufschaufeln 4. Eine Hauptgasströmung mit hoher Temperatur wird der Gasturbine 1 von einer Brennkammer (nicht dargestellt) zugeführt, um über die stationären Schaufeln 2 auf die Laufschaufeln 4 einzuwirken und einen Rotor der Turbine mit einer hohen Geschwindigkeit zu drehen, um dadurch Strom zu erzeugen.
Jede der stationären Schaufeln 2 der Turbine ist mit Kühldampfrohren 3 ausgestattet. Ferner sind mehrere radiale Kühldampfströmungswegabschnitte a innerhalb der stationären Schaufel 2 ausgebildet, wie es aus 7 ersichtlich ist, wobei diese Kühldampfströmungswegabschnitte an einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt der stationären Schaufel fortlaufend verbunden sind, um dadurch einen serpentinenartigen Durchgang zu bilden, der sich von einer Eintrittskantenseite zu einer Austrittskantenseite der stationären Schaufel erstreckt.
Wenn die Gasturbine in Betrieb genommen wird, wobei der Gasturbine das Hauptgas mit hoher Temperatur zugeführt wird, erhitzt sich die stationäre Schaufel 2. In diesem Fall wird jedoch der Kühldampf dem Kühldampfströmungswegabschnitt a zugeführt, der innerhalb der stationären Schaufel 2 der Turbine und benachbart der Eintrittskante davon ausgebildet ist, um fortlaufend durch die Kühldampfströmungswegabschnitte, die den serpentinenförmigen Durchgang bilden, zu strömen. Folglich kann die stationäre Schaufel 2 der Turbine an ihren inneren Flächen gekühlt werden.
Darüber hinaus kann der zum Kühlen der stationären Schaufel 2 der Turbine verwendete Kühldampf nachfolgend durch ein Kühldampfrohr 3 wieder eingebracht werden, indem er dem nachfolgenden System zugeführt wird.
Wie aus dem Obigen ersichtlich wird, wurde in Kombi-Kraftwerken, in denen die Gasturbine in Verbindung mit einer Dampfturbine verwendet wird, die Dampfkühlung vorgeschlagen, um die Gasturbine zu kühlen, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern.
Als nächstes wird ein herkömmliches Luftprallkühlschema in den 8 bis 10 dargestellt. Einsätze 5a, 5b und 5c sind entsprechend innerhalb radial unterteilter Abteilungen einer stationären Schaufel 2 für eine Turbine angeordnet, wobei jeder Einsatz einen vorbestimmten Spalt relativ zu der Innenwandfläche der Abteilung und eine Anzahl kleiner Löcher 6, die darin ausgebildet sind, aufweist. Zusätzlich ist ferner eine Anzahl kleiner Löcher 7 in der Oberfläche der stationären Schaufel 2 der Turbine in einem vorbestimmten Muster ausgebildet.
Bei der stationären Turbinenschaufel 2 des oben erwähnten Aufbaus wird die in die Einsätze 5a, 5b und 5c einströmende Kühlluft durch die einzelnen kleinen Löcher 6, die in den Einsätzen 5a, 5b und 5c ausgebildet sind, ausgestoßen, um auf die Innenwandflächen der stationären Schaufel 2 der Turbine zu prallen, um dadurch die stationäre Schaufel 2 von der Innenseite (siehe 10) zu kühlen. Nachfolgend wird die Kühlluft aus den kleinen Löchern 7, die in der Oberfläche der stationären Schaufel ausgebildet sind, ausgestoßen, um eine Filmkühlung der letzteren zu bewirken.
Beim Aufprallkühlen unter Verwendung der Kühlluft wird das Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c der stationären Schaufel 2 der Turbine, wie es in 7 dargestellt ist, gewöhnlicher Weise derart ausgewählt, dass es wenigstens 0,2 beträgt, um das Einführen der Einsätze 5a bis 5c in das Innere der stationären Schaufel 2 der Turbine zu erleichtern und eine gleichförmige Druckverteilung innerhalb des Innenraums der einzelnen Einsätze zu sichern.
Jedoch benötigt eine stationäre Turbinenschaufel eines Profils mit dem Schaufeldicke/Sehnenlängenverhältnis t/c, das oben erwähnt wurde, eine große Menge Kühldampf, z. B. einen Hauptanteil des Dampfes für die Dampfturbine des kombinierten Kreislaufs, weil eine Konvektionskühlung zur Dampfkühlung angenommen werden muss.
Darüber hinaus wird das Entweichen des Kühldampfes in der Kühldampfverrohrung ernsthaft den kombierten Kreislauf (Nachschaltprozess) beeinflussen und möglicherweise die Funktion des Kraftwerks einschränken. Ferner müssen die Durchmesser der Rohre, die in einem komplizierten Kühldampfverrohrungssystem verwendet werden, aufgrund der Nachfrage für eine große Kühldampfmenge erhöht werden und dies stellt Probleme in bezug auf die Kosten und den Raum für die Installation der Kühldampfverrohrungsanordnung der einzelnen Rohre dar.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Angesichts des oben beschriebenen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaufel für eine Kombi-Kreislauf-Gasturbine bereitzustellen, die mit einer angemessenen Dampfmenge wirkungsvoll gekühlt werden kann, um dadurch die oben erwähnten Probleme zu lösen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand, wie er in Patentanspruch 1 definiert ist, gelöst.
Die vorliegende Erfindung stellt die folgenden Mittel bereit.
Das heißt, eine Schaufel für eine Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen intern ausgebildeten Kühldampfdurchgang zum Kühlen der Schaufel mit Kühldampf, der durch den Kühldampfdurchgang strömt, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Schaufeldicke der Gasturbinenschaufel zu der Sehnenlänge davon nicht größer als 0,15, sondern innerhalb eines Bereichs von 0,10 bis 0,15 liegt.
Aufgrund des Aufbaus der Gasturbinenschaufel, wie er oben erwähnt wurde, steigt bei einer vorgegebenen konstanten Strömungsgeschwindigkeit des Kühldampfes die Strömungsgeschwindigkeit des Kühldampfes, der durch den Kühldampfdurchgang strömt, wenn das Verhältnis der Schaufeldicke zu der Sehnenlänge kleiner wird. Ferner erhöht sich die Wärmeübergangsgeschwindigkeit an dem Innenwandflächenabschnitt der Schaufel entsprechend. Durch Auswählen des Verhältnisses t/c der Schaufeldicke zu der Sehnenlänge, so dass es nicht größer als 0,15 ist, was einer minimalen Wärmeübergangsgeschwindigkeit entspricht, die angesichts der notwendigen Kühlwirkung der Turbinenschaufel notwendig ist, kann folglich nicht nur die Turbinenschaufel wirkungsvoll gekühlt werden, sondern auch eine angemessene Dampfströmungsgeschwindigkeit für den kombinierten Kreislauf aufrecht erhalten werden. Selbst wenn ein Entweichen des Kühldampfes in der Kühldampfverrohrung auftritt, können somit die Auswirkungen eines derartigen Entweichens auf die Arbeitsweise des Kraftwerks auf ein Minimum gemindert werden, weil die inhärente Kühldampfmenge gering ist. Aufgrund der geringen Kühldampfmenge, die benötigt wird, kann darüber hinaus das Dampfverrohrungssystem unter Verwendung von Rohren mit kleinem Durchmesser implementiert werden. Somit können die Kosten und der Raum der zur Installation des komplizierten Verrohrungssystems für das Kraftwerk notwendig ist, reduziert werden.
Aufgrund des oben erwähnten Aufbaus wird eine wirkungsvolle Kühlung der Turbinenschaufel mit Kühldampf durchgeführt, während eine wirkungsvolle Wiederverwendung des wieder eingebrachten Kühldampfes gesichert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine stationäre Schaufel für eine Turbine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Schaufeldicke/Sehnenlänge der stationären Schaufel der Turbine gemäß der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, und der Dampf-Strömungsgeschwindigkeit darstellt.
3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Schaufeldicke/Sehnenlänge und der Wärmeübergangsgeschwindigkeit an einem Innenwandflächenabschnitt auf der einen Seite und der Metalltemperatur auf der anderen Seite der stationären Schaufel für die Gasturbine gemäß der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, darstellt.
4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Schaufeldicke/Sehnenlänge und dem Dampfdruckverlust in der stationären Schaufel für die Turbine gemäß der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, darstellt.
5 ist eine schematische Ansicht eines Aufbaus einer herkömmlichen Gasturbine des Kühldampftyps.
6 ist eine Detailansicht, die eine stationäre Schaufel für die herkömmliche Turbine des Kühldampftyps darstellt.
7 ist eine Ansicht entlang der durch die Pfeile A in 6 angedeuteten Richtung und zeigt einen Querschnitt einer herkömmlichen stationären Schaufel für eine Turbine des Kühldampftyps.
8 ist ein Vertikalschnitt einer herkömmlichen stationären Schaufel für eine Turbine des Luftkühltyps.
9 ist eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche stationäre Schaufel für eine Turbine des Luftkühltyps zeigt.
10 ist eine Detailansicht, die den Abschnitt B, der in 9 dargestellt ist, zeigt, um das Kühlen einer Innenfläche einer stationären Schaufel für ein Turbine, die Kühlluft verwendet, darzustellen.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit dem, was zum jetzigen Zeitpunkt als bevorzugte Ausführungsformen davon angesehen wird, unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 der begleitenden Zeichnungen, genau beschrieben. Darüber hinaus werden die Teile oder Abschnitte, die zuvor in Verbindung mit dem Stand der Technik erwähnt wurden, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und auf eine wiederholende Beschreibung davon wird verzichtet. Folglich wird die folgende Beschreibung hauptsächlich auf die vorliegende Erfindung gerichtet.
In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und zwar in allen Zeichnungen. Ferner ist verständlich, dass Begriffe, wie "rechts", "links", "oben", "unten" und ähnliche, Begriffe sind, die aus Gründen der Einfachheit in der folgenden Beschreibung verwendet wurden und nicht als begrenzende Begriff auszulegen sind.
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine stationäre Schaufel für eine Turbine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Unter Bezugnahme auf die Zeichnung weist eine stationäre Schaufel 2 für eine Gasturbine des Kühldampftyps ein Schaufelprofil auf, bei dem das Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c nicht größer als 0,15 ist. Vorzugsweise sollte das Verhältnis t/c der Schaufeldicke zur Sehnenlänge derart ausgewählt werden, dass es innerhalb eines Bereichs von 0,10 bis 0,15 liegt.
Bei der stationären Schaufel 2 der Turbine, die wie die oben erwähnte aufgebaut ist, kann der Kühldampf in einen Kühldampfströmungswegabschnitt a, der innerhalb der stationären Schaufel 2 der Turbine auf der Eintrittskantenseite davon vorgesehen ist, eintreten und in der radialen Richtung von einem unteren Endabschnitt der stationären Schaufel der Turbine in Richtung des oberen Endes davon strömen. Nachfolgend tritt der Kühldampf in einen nachfolgenden Kühldampfströmungswegabschnitt an dem oberen Ende der Schaufel ein, um von der Seite des oberen Endes in Richtung des unteren Endabschnitts zurückzuströmen. In einer ähnlichen Art strömt der Kühldampf nachfolgend von der Eintrittskantenseite zu der Auntrittskantenseite durch die Kühldampfströmungswegabschnitte, die innerhalb der stationären Schaufel 2 ausgebildet sind, um dadurch die stationäre Turbinenschaufel 2 von der Innenseite zu kühlen.
In diesem Fall wird angemerkt, dass wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Kühldampfes konstant ist, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühldampfes ansteigt, wenn das Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zur Sehnenlänge c kleiner wird, wie es aus der Beziehung zwischen dem Verhältnis der Schaufeldicke/Sehnenlänge t/c der stationären Turbinenschaufel 2 und der Dampf-Strömungsgeschwindigkeit ersichtlich ist, wie es in 2 dargestellt ist.
Wie darüber hinaus aus der Beziehung zwischen dem Verhältnis der Schaufeldicke/Sehnenlänge t/c und der Wärmeübergangsgeschwindigkeit an einem Innenwandflächenabschnitt der Schaufel auf der einen Seite und der Metalltemperatur auf der anderen Seite ersichtlich ist, wie es in 3 dargestellt ist, erhöht sich die Wärmeübergangsgeschwindigkeit an dem Innenwandflächenabschnitt, wenn das Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c der stationären Turbinenschaufel 2 geringer wird.
Es wird hier angemerkt, dass sich die minimale Wärmeübergangsgeschwindigkeit α₁, die im Hinblick auf die Kühlwirkung der Turbinenschaufel notwendig ist, abhängig von den Temperaturbedingungen des externen Gases und den Druckbedingungen der gekühlten Schaufel unterscheiden kann. ? Trotzdem kann die minimale Wärmeübergangsgeschwindigkeit definiert werden als die interne Wärmeübergangsgeschwindigkeit, die notwendig ist, damit die Metalltemperatur der Schaufel einen bestimmten Referenzwert (z. B. nicht höher als 900°C) nicht überschreitet. Wie aus 3 ersichtlich ist, wird die Wärmeübergangsgeschwindigkeit extrem gering, wenn das Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c einen Wert von 0,15 überschreitet und als Folge wird die Metalltemperatur der Schaufel extrem hoch und überschreitet den vorbestimmten Referenzwert.
Durch Auswählen des Verhältnisses t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c der stationären Schaufel 2 für die Gasturbine, so dass es nicht größer als 0,15 ist, was der minimalen Wärmeübergangsgeschwindigkeit α₁ entspricht, die im Hinblick auf die Kühlwirkung der Turbinenschaufel notwendig ist, kann folglich nicht nur die Turbinenschaufel wirkungsvoll gekühlt werden, sondern auch eine niedrige Dampf-Strömungsgeschwindigkeit aufrecht erhalten werden, die für den kombinierten Kreislauf geeignet ist.
Selbst wenn ein Entweichen des Kühldampfes in der Kühldampfverrohrung auftritt, können folglich die Auswirkungen eines derartigen Entweichens auf die Kraftwerkswirkung auf ein Minimum abgesenkt werden, weil die inhärente Kühldampfmenge gering ist. Aufgrund der geringen Kühldampfmenge, die benötigt wird, kann ferner das Dampfverrohrungssystem unter Verwendung von Rohren mit geringem Durchmesser implementiert werden. Somit können die Kosten und der Raum für das komplizierte Verrohrungssystem des Kraftwerks reduziert werden.
4 ist ferner ein Graph der die Beziehung zwischen dem Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c und dem Dampfdruckverlust darstellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, erhöht sich der Druckverlust des Dampfes extrem, wenn das Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c kleiner als 0,10 ist, was dazu führt, dass die Schaufel für die Dampfkühlung ungeeignet ist. Folglich ist es bevorzugt, dass das Verhältnis t/c der Schaufeldicke t zu der Sehnenlänge c innerhalb eines Bereichs von 0,10 bis 0,15 liegt, um eine wirkungsvolle Kühlung der Turbinenschaufel zu erreichen und eine effektive Wiederverwendung des wiedererlangten Kühldampfes zu erreichen.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann die Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung die für die Turbinenschaufel notwendige Kühlwirkung bei einer niedrigen Dampf-Strömungsgeschwindigkeit ausüben, weil das Verhältnis der Schaufeldicke zu der Sehnenlänge nicht größer als 0,15 ist. Durch Auswählen des Verhältnisses der Schaufeldicke zu der Sehnenlänge in dem Bereich von 0,10 bis 0,15 kann zusätzlich zu dem oben erwähnten vorteilhaften Effekt ferner eine wirkungsvolle Wiederverwendung des zurückgewonnenen Kühldampfes realisiert werden.
Im Vorstehenden wurde die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zum jetzigen Zeitpunkt als bevorzugt angesehen wird und andere alternativen Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genau beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, sondern andere verschiedenartige Anwendungen und Modifikationen der Schaufel für die Gasturbine durch den Fachmann leicht erreicht und realisiert werden können, ohne den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Schaufel für eine Gasturbine, die mit einem intern ausgebildeten Kühldampfdurchgang zum Kühlen der Schaufel mit Kühldampf ausgestattet ist, der durch den Kühldampfdurchgang strömt, wobei ein Verhältnis der Schaufeldicke der Gasturbinenschaufel zu der Sehnenlänge der Gasturbinenschaufel in einem Bereich von 0,10 bis 0,15 liegt.