EP0621920A1 - Kühlung des deckbandes einer turbinenschaufel. - Google Patents

Kühlung des deckbandes einer turbinenschaufel.

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EP0621920A1
EP0621920A1 EP94901787A EP94901787A EP0621920A1 EP 0621920 A1 EP0621920 A1 EP 0621920A1 EP 94901787 A EP94901787 A EP 94901787A EP 94901787 A EP94901787 A EP 94901787A EP 0621920 A1 EP0621920 A1 EP 0621920A1
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EP
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blade
cooling air
cooling
shroud segment
duct
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Neil Milner Evans
Paul Hayton
Stephen Hill
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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BMW Rolls Royce GmbH
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
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    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • F05D2240/81—Cooled platforms

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade of a gas turbine with at least one cooling air duct running in the blade, and with a shroud segment arranged at the blade tip, which together with other segments of adjacent blades forms a blade reinforcement band, and with one in the shroud segment in the essentially vertical to the blade axis and connected to the blade cooling air duct located in the blade inflow region, from which cooling air bores lead to the surface of the shroud segment.
  • Such a cooled gas turbine blade is shown in DE 39 30 324 AI.
  • Such cooling not only of the blade, but also of the shroud segment, can result in the thermal loads and geometric deformations of the blade and segment being kept low by thermal influences.
  • the thermal stress on a turbine blade is already considerably reduced, but further improved cooling measures are desirable, which the present invention has set out to demonstrate.
  • at least one further cooling branch duct runs in the shroud segment, which is connected to a further blade cooling duct located in the blade outflow region or in the center of the blade, and from which cooling air Bores lead to the surface of the shroud segment.
  • a shroud segment extends over the entire blade cross-section and can thus become relatively large, effective cooling with only a single cooling air branch duct and the cooling air bores branching therefrom cannot be sufficient.
  • at least two, preferably essentially parallel, cooling air branch ducts are provided, each of which is supplied directly by its own blade cooling air duct and which in each case provides effective cooling of essentially the entire shroud, in particular via branching film cooling holes or convection cooling bores. Effect segment.
  • both the cooling air branch duct and the cooling air bores which in comparison have a significantly smaller diameter, can be drilled into the shroud segment.
  • the cooling air holes should open on the surfaces of the shroud segment and thereby form film cooling holes or convection cooling bores
  • the cooling air branch channels should not open on the surface of the shroud segment, since relative to the respective one large cross-section cooling air branch duct, too large a cooling air partial flow would escape uselessly. Therefore, the ends of each cooling air branch duct, which preferably extends over the entire shroud segment, are closed on the end sides or on the surfaces of the shroud segment. This closing is preferably carried out by subsequent build-up welding.
  • FIG. 1 shows a top view of a shroud segment of a turbine blade according to the invention
  • FIG. 3 shows the view X from FIG. 1
  • Fig. 4 shows the view Y of Fig. 3, as well
  • FIG. 5 shows the view Z from FIG. 3.
  • Reference number 1 denotes a cooled turbine blade of a gas turbine, of which only the blade tip is shown in FIGS. 2 to 5.
  • This turbine blade 1 carries a shroud segment 2
  • the shape of the edge surfaces 22, 23 creates a positive connection between these turbine blades or their shroud segments 2, so that a circumferential blade reinforcement strip is formed.
  • This middle or rear cooling duct system consists of three meandering cooling air ducts 13.
  • the cooling air duct 3 on the blade inflow side and the further system of cooling air ducts 13 work independently of one another, i. H. the cooling air channels 3, 13 are supplied with cooling air separately from one another.
  • Two cooling air branch ducts 4, 14 and a parallel branch duct 15 are provided in the shroud segment 2.
  • the branch channels 4, 14 and the parallel branch channel 15 run essentially parallel to one another and essentially vertically to the longitudinal axis of the turbine blade 1 and, as can be seen, are essentially in the circumferential direction of the one formed by a plurality of adjacent cover band segments 2 , not shown Strengthening band of a conventional turbine blade arrangement oriented.
  • the cooling air is via a connecting channel 6 -Stichkanal 4 connected to the blade cooling air duct 3, d. H.
  • the cooling air branch duct 4 is supplied with cooling air from the blade cooling air duct 3.
  • a multiplicity of cooling air bores 7 branch off from the cooling air branch duct 4, which lead to the surface of the shroud segment 2 and open at this surface and thereby form so-called film cooling holes 8 or convection cooling bores 8. This enables convection cooling in the front region of the shroud segment 2 and additionally film cooling of the sealing edge 21 of this shroud segment.
  • the mutually adjacent edge surfaces 22, 23 of the individual shroud segments of mutually adjacent turbine blades are cooled in particular by the cooling air stream emerging via the film cooling holes 8.
  • the second cooling air branch duct 14 is connected to the blade cooling air duct 13 via a connecting duct 16. Cooling air bores 9 also branch off from the second cooling air branch duct 14 and also open on the surface of the shroud segment 2 as film cooling holes 10 or as convection cooling bores 10. At the same time, the parallel branch duct 15, which brings about an improved distribution of cooling air, is supplied with cooling air via these cooling air bores 9, which ensure cooling of the shroud segment 2 over a large area. In this case, only a part of the cooling air bores 9 extends from the surface of the shroud segment 2 beyond the parallel branch duct 15 to the cooling branch duct 14. The cooling air flow entering the parallel branch duct 15 can be determined via the number of these cooling air bores 9 connecting the cooling branch duct 14 to the parallel branch duct 15.
  • the cooling air branch channels 4, 14 and the parallel branch channel 15 are of relatively large cross section and are produced by drilling. These channels are closed on the end sides of the shroud segment 2, for example by welding. With the two cooling air branch ducts 4, 14 and the additional parallel branch duct 15 as well as with the film cooling holes 8 and the additional convection cooling holes or film cooling holes 10, uniform, effective cooling results not only of the shroud segment 2, but also of the latter Edge surfaces 22, 23 and its sealing edge 21. However, a large number of details can be designed quite differently from the exemplary embodiment shown, without departing from the content of the claims.

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Description

KÜHLUNG DES DECKBANDES EINER TURBINENSCHAUFEL
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel einer Gasturbine mit zumindest einem in der Schaufel verlaufen¬ den Kühlluftkanal, sowie mit einem an der Schaufelspitze angeordneten Deckband-Segment, das gemeinsam mit weiteren Segmenten benachbarter Schaufeln ein Schaufelverstär¬ kungsband bildet, sowie mit einem im Deckband-Segment im wesentlichen vertikal zur Schaufelachse verlaufenden und mit dem im Schaufel-Anströmbereich liegenden Schaufel- Kühlluftkanal verbundenen Kühlluft-Stichkanal, von dem aus Kühlluft-Bohrungen zur Oberfläche des Deckband-Seg¬ mentes führen.
Eine derartige gekühlte Gasturbinen-Schaufel ist in der DE 39 30 324 AI gezeigt. Durch eine derartige Kühlung nicht nur der Schaufel, sondern auch des Deckband-Segmen¬ tes kann erreicht werden, daß die thermischen Belastungen und geometrischen Verformungen von Schaufel und Segment durch thermische Einflüsse gering gehalten werden. Mit der bekannten Kühlluftführung wird die thermische Bean¬ spruchung einer Turbinenschaufel zwar bereits erheblich reduziert, dennoch sind weitere verbesserte Kühlungsmaß- nahmen wünschenswert, die aufzuzeigen sich die vorlie¬ gende Erfindung zur Aufgabe gestellt hat. Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß im Deck¬ band-Segment zumindest ein weiterer Kühl-Stichkanal ver¬ läuft, der mit einem weiteren im Schaufel-Abströmbereich oder in der Schaufelmitte liegenden Schaufel-Kühlkanal verbunden ist, und von dem aus ebenfalls Kühlluft-Bohrun¬ gen zur Oberfläche des Deckband-Segmentes führen. Vor¬ teilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind In¬ halt der Unteransprüche.
Da sich ein Deckband-Segment wie bekannt über den ge¬ samten Schaufel-Querschnitt erstreckt und somit relativ großflächig werden kann, kann eine effektive Kühlung nur mit einem einzigen Kühlluft-Stichkanal sowie den davon abzweigenden Kühlluft-Bohrungen nicht ausreichend sein. Erfindungsgemäß sind daher zumindest zwei bevorzugt im wesentlichen parallel verlaufende Kühlluft-Stichkanäle vorgesehen, die jeweils direkt von einem eigenen Schau- fel-Kühlluftkanal versorgt werden und die jeweils insbe- sondere über abzweigende Filmkühllöcher oder Konvektions- kühlbohrungen eine wirkungsvolle Kühlung im wesentlichen des gesamten Deckband-Segmentes bewirken. Während dabei schaufel-anströmseitig oder auch im Schaufelmittenbereich in einem Schaufel-Kühlluftkanal noch' eine ausreichend große Kühlluftmenge zur Versorgung eines angeschlossenen Kühlluft-Stichkanales vorhanden ist, ist schaufel-ab- strömseitig im Schaufel-Kühlluftkanal diese Kühlluftmenge bereits soweit reduziert, daß ein Kühlluft-Stichkanal, der von einem schaufei-abströmseitigen Schaufel-Kühlluft- kanal versorgt werden würde, kaum mehr Kühlluft erhalten würde. Daher wird vorgeschlagen, im Deckband-Segment nahe des Schaufel-Abströmbereiches zusätzlich einen sog. Parallel-Kanal vorzusehen, der von einem benachbarten Kühlluft-Stichkanal mit Kühlluft versorgt wird und hierzu mit diesem bevorzugt über mehrere Kühlluft-Bohrungen ver¬ bunden ist. Diese Bohrungen können dabei die gleichen sein, die als Filmkühllöcher auf der Oberfläche des Deck¬ band-Segmentes münden. Das Innere des Deckband-Segmentes ist damit quasi netzartig von mehreren Kühlluft- Stichkanälen sowie den hiervon abzweigenden Kühlluft-Boh- rungen durchzogen, die somit den größten Bereich des Deckband-Segmentes kühlungsmäßig abzudecken in der Lage sind.
Sowohl der Kühlluft-Stichkanal als auch die demgegenüber einen deutlich geringeren Durchmesser aufweisenden Kühl¬ luft-Bohrungen können durch Bohren in das Deckband-Seg¬ ment eingebracht werden. Während aber die Kühlluft-Boh¬ rungen an den Oberflächen des Deckband-Segmentes münden sollen und hierbei Filmkühllöcher oder Konvektions-Küh- lungsbohrungen bilden, sollten die Kühlluft-Stichkanäle nicht an der Oberfläche des Deckband-Segmentes münden, da über den jeweiligen, einen relativ großen Querschnitt aufweisenden Kühlluft-Stichkanal ein zu großer Kühlluft- Teilstrom nutzlos entweichen würde. Daher sind die Enden jedes sich bevorzugt über das gesamte Deckband-Segment erstreckenden Kühlluft-Stichkanales an den Endseiten bzw. auf den Oberflächen des Deckband-Segmentes verschlossen. Bevorzugt erfolgt dieses Verschließen durch nachträgli¬ ches Auftragsschweißen.
Dies sowie weitere Vorteile der Erfindung werden auch aus der im folgenden erläuterten Prinzipskizze eines bevor¬ zugten Ausführungsbeispieles ersichtlich.
Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf ein Deckband-Segment einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel,
Fig. 2 den Schnitt A-A aus Fig. 1,
Fig. 3 die Ansicht X aus Fig. 1, Fig. 4 die Ansicht Y aus Fig. 3, sowie
Fig. 5 die Ansicht Z aus Fig. 3.
Mit der Bezugsziffer 1 ist eine gekühlte Turbinenschaufel einer Gasturbine bezeichnet, von der in Fig. 2 bis 5 le¬ diglich die Schaufelspitze dargestellt ist. Diese Turbinenschaufel 1 trägt ein Deckband-Segment 2
über die einzelnen Deckband-Segmente 2 eineinander benachbarter Turbinenschaufeln wird durch die Formgebung der Randflächen 22, 23 eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen Turbinenschaufeln bzw. deren Deckband- Segmenten 2 hergestellt, so daß ein umlaufendes Schaufel- verstärkungsband gebildet wird.
In der Turbinenschaufel 1 verläuft, wie bekannt, ein vor¬ derer schaufelanströmseitiger Schaufel-Kühlluftkanal 3, sowie ein weiteres System von Kühlluftkanälen 13, die dem Schaufelmittenbereich sowie der Schaufelabströmkante zu¬ geordnet sind. Dieses mittlere bzw. hintere Kühlkanal¬ system besteht dabei aus drei mäanderförmig aneinanderge¬ reihten Kühlluft-Kanälen 13. Der schaufelanströ seitige Kühlluftkanal 3 sowie das weitere System von Kühl- luftkanälen 13 arbeiten unabhängig voneinander, d. h. die Kühlluftkanäle 3, 13 werden voneinander getrennt mit Kühlluft versorgt.
Im Deckband-Segment 2 sind zwei Kühlluft-Stichkanäle 4, 14 sowie ein Parallel-Stichkanal 15 vorgesehen. Die Stichkanäle 4, 14 sowie der Parallel-Stichanal 15 verlau¬ fen im wesentlichen parallel zueinander sowie im wesent¬ lichen vertikal zur Längsachse der Turbinenschaufel 1 und sind wie ersichtlich im wesentlichen in Umfangsrichtung des durch eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Deck¬ band-Segmenten 2 gebildeten, nicht gezeigten Schaufelver- Stärkungsbandes einer üblichen Turbinenschaufel-Anordnung orientiert.
Nicht nur die Schaufel-Kühlluf kanäle 3, 13 werden von- einander unabhängig mit Kühlluft versorgt, sondern auch die an die Schaufel-Kühlluftkanäle angeschlossenen Kühl¬ luft-Stichkanäle 4, 14 im Deckband-Segment 2. So ist über einen Verbindungskanal 6 der Kühlluft-Stichkanal 4 mit dem Schaufel-Kühlluftkanal 3 verbunden, d. h. der Kühl- luft-Stichkanal 4 wird vom Schaufel-Kühlluftkanal 3 mit Kühlluft versorgt. Vom Kühlluft-Stichkanal 4 zweigen eine Vielzahl von Kühlluft-Bohrungen 7 ab, die zur Oberfläche des Deckband-Segmentes 2 führen und an dieser Oberfläche münden und dabei sog. Filmkühllöcher 8 oder Konvektions- Kühlungsbohrungen 8 bilden. Dies ermöglicht eine Konvek- tions-Kühlung im vorderen Bereich des Deckband-Segmentes 2 und zusätzlich eine Filmkühlung der Dichtkante 21 die¬ ses Deckband-Segmentes. Gleichzeitig werden die einander benachbarten Randflächen 22, 23 der einzelnen Deckband- Segmente einander benachbarter Turbinenschaufeln insbe¬ sondere durch den über die Filmkühllöcher 8• austretenden Kühlluftstrom gekühlt.
über einen Verbindungskanal 16 ist der zweite Kühlluft- Stichkanal 14 mit dem Schaufel-Kühlluftkanal 13 verbun¬ den. Auch vom zweiten Kühlluft-Stichkanal 14 zweigen Kühlluft-Bohrungen 9 ab, die als Filmkühllöcher 10 oder als Konvektions-Kühlungsbohrungen 10 ebenfalls an der Oberfläche des Deckband-Segmentes 2 münden. Gleichzeitig wird über diese Kühlluft-Bohrungen 9, die eine großflä¬ chige Kühlung des Deckband-Segmentes 2 gewährleisten, der Parallel-Stichkanal 15, der eine verbesserte Verteilung von Kühlluft bewirkt, mit Kühlluft versorgt. Dabei er¬ streckt sich lediglich ein Teil der Kühlluft-Bohrungen 9 von der Oberfläche des Deckband-Segmentes 2 über den Parallel-Stichkanal 15 hinaus bis zum Kühl-Stichkanal 14. Über die Anzahl dieser den Kühl-Stichkanal 14 mit dem Parallel-Stichkanal 15 verbindenden Kühlluft-Bohrungen 9 ist der in den Parallel-Stichkanal 15 gelangende Kühl- luftstrom festlegbar.
Die Kühlluft-Stichkanäle 4, 14 sowie der Parallel-Stich¬ kanal 15 sind von relativ großem Querschnitt und werden durch Bohren erzeugt. An den Endseiten des Deckband-Seg¬ mentes 2 werden diese Kanäle verschlossen, beispielsweise durch Verschweißen. Mit den beiden Kühlluft-Stichkanälen 4, 14 sowie dem zusätzlichen Parallel-Stichkanal 15 sowie mit den Filmkühllöchern 8 und den zusätzlichen Konvek- tions-Kühllöchern oder Filmkühllöchern 10 ergibt sich eine gleichmäßige wirkungsvolle Kühlung nicht nur des Deckband-Segmentes 2, sondern auch von dessen Randflächen 22, 23 sowie dessen Dichtkante 21. Dabei können jedoch eine Vielzahl von Details durchaus abweichend vom gezeig¬ ten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel einer Gasturbine mit zumindest einem in der Schaufel (1) verlaufenden Kühlluftkanal
(3) sowie mit einem an der Schaufelspitze angeordne¬ ten Deckband-Segment (2) , das gemeinsam mit weiteren Segmenten benachbarter Schaufeln ein Schaufelver¬ stärkungsband bildet, ferner mit einem im Deckband- Segment (2) im wesentlichen vertikal zur Schau¬ felachse verlaufenden und mit dem im Schaufel-An¬ strömbereich liegenden Schaufel-Kühlluftkanal (3) verbundenen Kühlluft-Stichkanal (4) , von dem aus mehrere Kühlluft-Bohrungen (7) ∑2ur Oberfläche des Deckband-Segmentes (2) führen, dadurch gekennzeichnet, daß im Deckband-Segment (2) zumindest ein weiterer Kühl-Stichkanal (14) ver¬ läuft, der mit einem weiteren in der Schaufelmitte oder im Schaufelabströmbereich liegenden Schaufel- Kühlkanal (13) verbunden ist, und von dem aus eben¬ falls Kühlluft-Bohrungen (9) zur Oberfläche des Deckband-Segmentes (2) führen.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer, im wesentlichen parallel zum Kühl-Stichkanal (14) verlaufender Parallel-Stichkanal (15) vorgesehen ist, der mit dem Kühl-Stichkanal (14) über mehrere Kühlluft-Bohrungen (9) verbunden ist.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichkanäle (4, 14, 15) im wesentlichen in Richtung des umlaufenden Schaufelverstärkungsbandes orientiert und an den beiden Endseiten des Deckband-Segmentes (2) ver- schlössen sind.
4. Turbinenschaufel nach einem der vorangegangenen An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft-Bohrungen (7, 9) im wesentlichen vertikal zur Schaufelachse verlaufen und sich von der Oberfläche des Deckband- Segmentes (2) bis zu einem Stichkanal (4, 15) oder darüber hinaus erstrecken.
5. Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallel-Stichkanal (15) im Schaufel-Abströmbereich liegt.
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EP (1) EP0621920B1 (de)
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