EP0899425B1 - Turbinenschaufel einer Gasturbine - Google Patents

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EP0899425B1
EP0899425B1 EP98810770A EP98810770A EP0899425B1 EP 0899425 B1 EP0899425 B1 EP 0899425B1 EP 98810770 A EP98810770 A EP 98810770A EP 98810770 A EP98810770 A EP 98810770A EP 0899425 B1 EP0899425 B1 EP 0899425B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
blade
turbine blade
cooling passage
cooling system
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98810770A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0899425A2 (de
EP0899425A3 (de
Inventor
Wilhelm Dr. Endres
Hans Dr. Wettstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Publication of EP0899425A2 publication Critical patent/EP0899425A2/de
Publication of EP0899425A3 publication Critical patent/EP0899425A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0899425B1 publication Critical patent/EP0899425B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade of a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • the turbine blades are at least partially hollow in their interior and have one or more cooling channels.
  • the latter are from one Cooling fluid flows through, the cooling effect through convective heat transfer arises inside the blade body.
  • An additional film cooling is possible by placing parts of the cooling fluid through openings in the blade body on the Be guided outside of the turbine blade. A film of cooling fluid forms there, which the outside of the turbine blade from the hot working medium shields the turbine (see DE 36 42 789 C2).
  • cooling fluid are from the compressor the gas turbine plant or from an external source and under Overpressurized air or also appropriately treated water vapor are known.
  • steam cooling systems which come from a steam cycle First of all keep the steam in a closed cooling circuit.
  • the steam heated by the convective cooling process becomes the again Steam circuit supplied (see EP 06 98 723 A2).
  • They are also open steam cooling systems known in which the heated steam through openings in the blade body is directed to the outside of the turbine blade.
  • Hybrid steam cooling systems with a closed body and one in the area of the blade trailing edge open cooling system, the latter with Steam or air is operated.
  • Closed steam cooling systems have both open and opposite the above-mentioned hybrid steam cooling systems process advantages. The range of uses such systems are increasing today particularly because of their higher Efficiency.
  • a closed steam cooling system can penetrate foreign bodies in the cooling channel adjacent to the blade leading edge be severely damaged.
  • a lot of cooling steam escapes that downstream of the impact point is not sufficient Bucket cooling takes place more. This causes the material to overheat, which is why serious consequential damage can occur.
  • US-A-5,634,766 discloses a turbine vane with a closed one Steam cooling system.
  • the steam is passed through baffle plates and internal inserts.
  • US-A-5,603,606 discloses a turbine blade with an internal cooling system, which is located in the front edge of the turbine blade. Cooling air is drawn from a first Channel tangentially guided into an approximately circular second channel and swirled there. Thereafter, the air is passed through film cooling holes into those surrounding the turbine blade Hot gases blown in.
  • the document WO 98/45577 discloses a turbine blade with an outer wall, at least a cooling chamber thermally coupled to the outer wall with an inlet and an outlet for a cooling fluid is provided.
  • the cooling fluid supply and the cooling fluid discharge are fluidly connected to the cooling chamber.
  • the invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task To create turbine blades with increased functional reliability.
  • the open cooling system particularly advantageously consists of two parallel to one another arranged and connected to one another via several feed openings Cooling channels.
  • the cooling can also downstream of a leak of the first cooling channel by supplying the cooling medium from the second Cooling channel can be maintained.
  • a first embodiment of the invention that is the blade leading edge Adjacent cooling duct at least approximately with a circular cross section.
  • the film cooling holes are arranged tangentially starting from this first cooling channel, while the feed openings extend tangentially from the second cooling channel and also lead tangentially into the first cooling channel.
  • This is the cooling medium A rotating movement is impressed in the first cooling channel. This vortex of the cooling medium ensures improved convective cooling in the interior as well as for effective film cooling of the blade body.
  • the film cooling holes face the suction wall and at least approximately in the flow direction of the working fluid of the gas turbine are aligned.
  • the one emerging from the film cooling holes at high speed The desired flow direction is thus already the cooling medium specified. This can have a better effect on the suction side Wall of the turbine blade spreading cooling film and thus an improved Film cooling can be achieved.
  • the closed Steam cooling system also consists of at least two arranged parallel to each other Cooling channels, which are connected to each other via connection openings. After foreign objects have been struck, the cooling medium flows through the connection openings to the corresponding impact points, so that the cooling side downstream cooling sections can be filled with cooling medium. On in this way the functional reliability of the turbine blades can be further increased become.
  • the gas turbine system for example, does not show the compressor, the combustion chamber and the guide vanes of the gas turbine.
  • the flow direction the work equipment is marked with arrows.
  • the gas turbine has several rows of rotor and guide blades.
  • 1 shows one of the rotor blades 1 according to the prior art. It consists of one Blade root 2 and a blade body 3.
  • the blade body 3 of the moving blade 1 has a suction-side wall 4, one opposite, pressure-side Wall 5, a blade leading edge 6 and a blade leading edge 7 on. It has a hollow interior 8 which is in the area of the suction side Wall 4, the pressure side wall 5 and the blade leading edge 7 a closed Steam cooling system 9, with a cooling channel 10 (Fig. 2).
  • an open cooling system 11 with two in parallel mutually arranged cooling channels 14, 15 are formed. Between the closed Steam cooling system 9 and the open cooling system 11 is a partition 16 arranged.
  • the first cooling channel 14 of the open cooling system 11 is the blade leading edge 6 adjacent, circular and with the second cooling channel 15 over a plurality of feed openings 18 arranged in an intermediate wall 17 are connected.
  • the first cooling channel 14 can also have other suitable shapes, such as, for example approximately circular, elliptical or potato-shaped Have training (not shown).
  • the intermediate wall 17 is in the area of Blade root 2 connected to the suction-side wall 4 via a connecting piece 19, wherein in the connector 19 a plurality of cooling holes 20 for local cooling the suction-side wall 4 are arranged.
  • the feed openings 18 arranged in the intermediate wall 17 close tangentially to the two cooling channels 14, 15.
  • a film hole row 21 with each several tangential to the suction side wall 4 and approximately in the direction of flow 12 of the working fluid 13 of the gas turbine aligned film cooling holes 22 educated.
  • a plurality of rows of film holes 21 can also be arranged in the blade body 3 be what in Figure 3 by a second, dashed line of film holes 21 is indicated.
  • Air is used as the cooling medium 23.
  • the air 23 is in the blade root 2 arranged supply channel 24 introduced into the second cooling channel 15 and serves there the convective cooling of the blade body 3 Air 23 via the supply openings 18 in the first cooling channel 14, where they Blade body 3 also cools convectively.
  • the air 23 experiences the first cooling channel 14 and its tangential injection a rotating movement, which significantly improves the cooling effect.
  • the air 23 passes from the first cooling duct 14 through the tangential ones Film cooling holes 22 on the suction side wall 4.
  • Cooling film softer the outer surface of the blade body 3 from shields hot working fluid 13 of the gas turbine.
  • appropriately prepared water vapor can also be used as the cooling medium 23 Find use.
  • both the closed and the open cooling system 9, 11 operated with the same cooling medium 23, 26. Therefore no separate coolant supply is required, so that the partition between shortened the two cooling systems 9, 11 in the area of the blade root 2 can be trained (not shown).
  • the cooling medium that got into the working fluid 13 of the gas turbine during the cooling process 23 of the open cooling system 11 is in the downstream part of the turbine blading relaxed.
  • the closed steam cooling system 9 recycled steam used as cooling medium 26 and for example relaxed in the steam circuit of a steam turbine connected to the gas turbine (not shown).
  • the closed steam cooling system 9 designed as a serpentine cooling system. It consists of two parallel to each other arranged cooling channels 27, 28 which extend in the longitudinal direction of the blade from the blade root 2 extend to the tip of the blade 29.
  • the cooling channels 27, 28 are on the blade tip 29 is deflected in the direction of the blade root 2 of the rotor blade 1 (Fig. 3).
  • rib walls 30 Between the two parallel and in the same direction from steam 26 through which cooling channels 27, 28 are arranged are rib walls 30 which have a plurality of connection openings 31.
  • connection openings 31 FIG. 4
  • holes 25 can also be made in the area of the closed steam cooling system 9 can be compensated. It comes to Impact of foreign bodies in this area of the blade 1 flows the cooling medium from the cooling channel 27, 28 not affected by the Connection openings 31 to the corresponding holes 25, so that the Cooling section downstream of the cooling side can again be filled with steam 26.
  • the the Process sequences relating to open cooling system 11 are analogous to those from, for example, FIGS. 1 and 2 specified.
  • guide vanes can refer to a gas turbine their cooling are formed analogously.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die Leistungssteigerung und die Verbesserung des Wirkungsgrades der heutigen Gasturbinenanlagen werden nicht zuletzt durch eine Erhöhung der Temperaturen erzielt. Da die Temperaturfestigkeit des Materials der Gasturbine jedoch begrenzt ist, müssen die den höchsten Temperaturen ausgesetzten Bauteile gekühlt werden. Dies betrifft insbesondere auch die Leit- und Laufschaufeln der Gasturbine.
Dazu sind die Turbinenschaufeln in ihrem Inneren zumindest teilweise hohl ausgebildet und weisen einen oder mehrere Kühlkanäle auf. Letztere werden von einem Kühlfluid durchflossen, wobei die Kühlwirkung durch konvektiven Wärmeübergang im Inneren des Schaufelkörpers entsteht. Eine zusätzliche Filmkühlung ist möglich, indem Teile des Kühlfluids durch Öffnungen im Schaufelkörper auf die Aussenseite der Turbinenschaufel geleitet werden. Dort bildet sich ein Kühlfluidfilm, welcher die Aussenseite der Turbinenschaufel vom heissen Arbeitsmedium der Turbine abschirmt (s. DE 36 42 789 C2). Als Kühlfluid sind aus dem Verdichter der Gasturbinenanlage oder aus einer externen Quelle stammende und unter Überdruck stehende Luft oder auch entsprechend aufbereiteter Wasserdampf bekannt.
Technisch unterschiedlich sind Dampfkühlsysteme, die den aus einem Dampfkreislauf stammenden Dampf zunächst in einem geschlossenen Kühlkreislauf halten. Der durch den konvektiven Kühlprozess erwärmte Dampf wird erneut dem Dampfkreislauf zugeführt (s. EP 06 98 723 A2). Es sind auch offene Dampfkühlsysteme bekannt, bei denen der erhitzte Dampf über Öffnungen im Schaufelkörper auf die Aussenseite der Turbinenschaufel geleitet wird. Zudem gibt es sogenannte hybride Dampfkühlsysteme mit einem geschlossenen Hauptteil und einem im Bereich der Schaufelhinterkante offenen Kühlsystem, wobei letzteres mit Dampf oder mit Luft betrieben wird.
Geschlossene Dampfkühlsysteme besitzen gegenüber offenen und auch gegenüber den genannten hybriden Dampfkühlsystemen prozessuale Vorteile. Das Einsatzspektrum solcher Systeme steigt heute insbesondere wegen ihres höheren Wirkungsgrades. Jedoch kann ein geschlossenes Dampfkühlsystem durch Eindringen von Fremdkörpern in den der Schaufeleintrittskante benachbarten Kühlkanal stark geschädigt werden. Je nach Anzahl und Grösse der sich beim Aufschlagen der Fremdkörper in der Schaufeleintrittskante bildenden Löcher, kann so viel Kühldampf entweichen, dass stromab der Einschlagstelle keine ausreichende Schaufelkühlung mehr stattfindet. Dadurch wird das Material überhitzt, weshalb gravierende Folgeschäden auftreten können.
Die Schrift US-A-5,634,766 offenbart eine Leitschaufel einer Turbine mit einem geschlossenem Dampfkühlsystem. Der Dampf wird dabei durch Prallplatten und interne Einsätze geleitet. Zusätzlich ist ein offenes Kühlsystem, welche mit Luft arbeitet, an der Hinterkante vorhanden.
Die Schrift US-A-5,603,606 offenbart eine Turbinenschaufel mit einem internen Kühlsystem, welches sich in der Vorderkante der Turbinenschaufel befindet. Kühlluft wird von einem ersten Kanal tangential in einen annähernd kreisförmigen zweiten Kanal geleitet und dort verwirbelt. Danach wird die Luft durch Filmkühlungslöchern in die die Turbinenschaufel umgebenden Heissgase eingeblasen.
Die Schrift WO 98/45577 offenbart eine Turbinenschaufel mit einer Aussenwand, wobei zumindest eine an die Aussenwand wärmetechnisch gekoppelte Kühlkammer mit einem Einlass und einem Auslass für ein Kühlfluid vorgesehen ist. Die Kühlfluidzufuhr und die Kühlfluidabführung sind strömungstechnisch mit der Kühlkammer verbunden.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, Turbinenschaufeln mit erhöhter Funktionssicherheit zu schaffen.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass
  • sowohl Einlass- als auch Auslasskanäle des Dampfkühlsystems sich vom Schaufelfuss zur Schaufelspitze erstrecken und an der Schaufelspitze miteinander verbunden sind,
  • wobei innerhalb des Einlasskühlkanals und/oder des Auslasskühlkanals Rippenwände mit Verbindungsöffnungen angeordnet sind und
  • das offene Kühlsystem im Bereich der Schaufeleintrittskante mit zumindest einem Kühlkanal und mehreren den Schaufelkörper durchdringenden Filmkühllöchern ausgebildet ist.
Infolge der Trennung der Schaufelkühlung in zwei getrennte Kühlsysteme, ist bei Fremdkörpereinschlägen der üblichen Grösse nur das der Schaufeleintrittskante benachbarte, offene Kühlsystem betroffen. Die mittels Dampf konvektiv erfolgende Kühlung des Hauptteils des Schaufelkörpers bleibt jedoch gesichert. Im Bereich der Schaufeleintrittskante wird der Schaufelkörper über das offene Kühlsystem ebenfalls konvektiv und zusätzlich filmgekühlt.
Besonders vorteilhaft besteht das offene Kühlsystem aus zwei parallel zueinander angeordneten sowie über mehrere Zuführöffnungen miteinander verbundenen Kühlkanälen. Bei dieser Ausbildung kann die Kühlung auch stromab einer Leckagestelle des ersten Kühlkanals durch Zufuhr des Kühlmedium aus dem zweiten Kühlkanal aufrechterhalten werden.
In einer ersten Ausgestaltungsform der Erfindung ist der der Schaufeleintrittskante benachbarte Kühlkanal zumindest annähernd mit kreisförmig ein Querschnitt ausgebildet. Die Filmkühllöcher sind tangential von diesem ersten Kühlkanal ausgehend angeordnet, während die Zuführöffnungen tangential vom zweiten Kühlkanal ausgehen und ebenfalls tangential in den ersten Kühlkanal münden. Dadurch wird dem Kühlmedium im ersten Kühlkanal eine rotierende Bewegung aufgeprägt. Dieser Wirbel des Kühlmediums sorgt sowohl für eine verbesserte konvektive Kühlung im Innenraum als auch für eine effektive Filmkühlung des Schaufelkörpers.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Filmkühllöcher zur saugseitigen Wand und zumindest annähernd in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids der Gasturbine ausgerichtet sind. Dem mit hoher Geschwindigkeit aus den Filmkühllöchern austretenden Kühlmedium wird somit die gewünschte Strömungsrichtung bereits vorgegeben. Auf diese Weise kann eine bessere Wirkung des sich auf der saugseitigen Wand der Turbinenschaufel ausbreitenden Kühlfilmes und somit eine verbesserte Filmkühlung erreicht werden.
Entsprechend der Erfindung besteht das geschlossene Dampfkühlsystem ebenfalls aus zumindest zwei parallel zueinander angeordneten Kühlkanälen, welche über Verbindungsöffnungen miteinander verbunden sind. Nach Einschlägen von Fremdkörpern strömt das Kühlmedium durch die Verbindungsöffnungen zu den entsprechenden Einschlagstellen, so dass sich die kühlseitig stromab liegende Kühlstrecken wieder mit Kühlmedium füllen können. Auf diese Weise kann die Funktionssicherheit der Turbinenschaufeln weiter erhöht werden.
Schliesslich wird je nach Verfügbarkeit im offenen Kühlsystem Luft oder, wie im geschlossenen Kühlsystem, Dampf als Kühlmedium eingesetzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele anhand der Laufschaufel einer Gasturbine dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Teillängsschnitt einer Laufschaufel mit einem geschlossenen und einem offenen Kühlsystem nach dem Stand der Technik;
Fig. 2
einen Querschnitt durch Fig. 1 in der Ebene II-II (vergrössert);
Fig. 3
einen Teillängsschnitt einer Laufschaufel mit einem geschlossenen und einem offenen Kühlsystem gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4
einen Querschnitt durch Fig. 3 in der Ebene IV-IV (vergrössert).
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Gasturbinenanlage beispielsweise der Verdichter, die Brennkammer und die Leitschaufeln der Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die nicht dargestellte Gasturbine besitzt mehrere Reihen von Lauf- und Leitschaufeln. In Figur 1 ist eine der Laufschaufeln 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Sie besteht aus einem Schaufelfuss 2 und einem Schaufelkörper 3. Der Schaufelkörper 3 der Laufschaufel 1 weist eine saugseitige Wand 4, eine dieser gegenüberliegende, druckseitige Wand 5, eine Schaufeleintrittskante 6 und eine Schaufelaustrittskante 7 auf. Er besitzt einen hohlen Innenraum 8, welcher im Bereich der saugseitigen Wand 4, der druckseitigen Wand 5 und der Schaufelaustrittskante 7 ein geschlossenes Dampfkühlsystem 9, mit einem Kühlkanal 10 aufnimmt (Fig. 2). Dagegen ist im Bereich der Schaufeleintrittskante 6 ein offenes Kühlsystem 11 mit zwei parallel zueinander angeordneten Kühlkanälen 14, 15 ausgebildet. Zwischen dem geschlossenen Dampfkühlsystem 9 und dem offenen Kühlsystem 11 ist eine Trennwand 16 angeordnet.
Der erste Kühlkanal 14 des offenen Kühlsystems 11 ist der Schaufeleintrittskante 6 benachbart, kreisförmig ausgebildet und mit dem zweiten Kühlkanal 15 über mehrere in einer Zwischenwand 17 angeordnete Zuführöffnungen 18 verbunden. Natürlich kann der erste Kühlkanal 14 auch andere geeignete Formen, wie beispielsweise eine annähernd kreisförmige, eine ellipsen- oder eine kartoffelförmige Ausbildung aufweisen (nicht dargestellt). Die Zwischenwand 17 ist im Bereich des Schaufelfusses 2 über ein Verbindungsstück 19 mit der saugseitigen Wand 4 verbunden, wobei im Verbindungsstück 19 mehrere Kühllöcher 20 zur lokalen Kühlung der saugseitigen Wand 4 angeordnet sind.
Die in der Zwischenwand 17 angeordneten Zuführöffnungen 18 schliessen tangential an die beiden Kühlkanäle 14, 15 an. Ausgehend vom ersten Kühlkanal 14 ist im Schaufelkörper 3, diesen durchdringend, eine Filmlochreihe 21 mit jeweils mehreren tangentialen, zur saugseitigen Wand 4 sowie annähernd in Strömungsrichtung 12 des Arbeitsfluids 13 der Gasturbine ausgerichteten Filmkühllöchern 22 ausgebildet. Im Schaufelkörper 3 können auch mehrere Filmlochreihen 21 angeordnet sein, was in Figur 3 durch eine zweite, gestrichelt dargestellte Filmlochreihe 21 angedeutet ist.
Beim Betrieb der Gasturbinenanlage wird das aus der Brennkammer stammende heisse Arbeitsfluid 13 in die Gasturbine eingeleitet und dort über die Laufschaufeln 1 entspannt. Dabei können feste Partikel in die Gasturbine eindringen und mit deren Bauteilen kollidieren. Weil das offene Kühlsystem 11 im Bereich der Schaufeleintrittskante 6 und damit in Strömungsrichtung 12 des Arbeitsfluids 13 der Gasturbine am weitesten stromauf angeordnet ist, können die im Arbeitsfluid 13 enthaltenen und auf dem Schaufelkörper 3 der Laufschaufel 1 auftreffenden Partikel fast ausschliesslich das offene Kühlsystem 11 beschädigen, während das von diesem getrennte, geschlossene Kühlsystem 9 geschützt ist. Aus diesem Grund ist die Kühlung des Hauptteils des Schaufelkörpers 3 von vornherein abgesichert.
Im offenen Kühlsystem 11 wird entweder aus dem Verdichter der Gasturbinenanlage oder aus einer externen Quelle stammende und unter Überdruck stehende Luft als Kühlmedium 23 eingesetzt. Die Luft 23 wird über einen im Schaufelfuss 2 angeordneten Zuführkanal 24 in den zweiten Kühlkanal 15 eingeleitet und dient dort der konvektiven Kühlung des Schaufelkörpers 3. Anschliessend gelangt die Luft 23 über die Zuführöffnungen 18 in den ersten Kühlkanal 14, wo sie den Schaufelkörper 3 ebenfalls konvektiv kühlt. Infolge der kreisförmigen Ausbildung des ersten Kühlkanals 14 und ihrer tangentialen Eindüsung erfährt die Luft 23 eine rotierende Bewegung, was die Kühlwirkung deutlich verbessert. Ausgehend vom ersten Kühlkanal 14 gelangt die Luft 23 durch die ebenfalls tangential angeordneten Filmkühllöcher 22 auf die saugseitige Wand 4. Dort bildet sie einen dünnen Kühlfilm aus, weicher die äussere Oberfläche des Schaufelkörpers 3 vom heissen Arbeitsfluid 13 der Gasturbine abschirmt. Durch die Ausrichtung der Filmkühllöcher 22 wird die Luft 23 bereits annähernd in Strömungsrichtung 12 des Arbeitsfluids 13 der Gasturbine ausgedüst, was die Filmkühlung weiter verbessert.
Natürlich kann auch entsprechend aufbereiteter Wasserdampf als Kühlmedium 23 Verwendung finden. In diesem Fall werden sowohl das geschlossene als auch das offene Kühlsystem 9, 11 mit dem gleichen Kühlmedium 23, 26 betrieben. Daher ist keine getrennte Kühlmittelzufuhr erforderlich, so dass die Trennwand zwischen den beiden Kühlsystemen 9, 11 im Bereich des Schaufelfusses 2 verkürzt ausgebildet werden kann (nicht dargestellt).
Die im Arbeitsfluid 13 enthaltenen Partikel treffen mit grosser kinetischer Energie auf die Schaufeleintrittskante 6 der Laufschaufel 1 auf und können diese durchdringen. Dadurch werden in diesem Bereich Löcher 25 in den Schaufelkörper 3 geschlagen (Fig. 1, Fig. 2). Die durch die Löcher 25 entweichende Luft 23 wird durch zusätzliche Zuführung von Luft 23 aus dem zweiten Kühlkanal 15 kompensiert. Eventuell eindringendes heisses Arbeitsfluid 13 der Gasturbine wird zunächst im Zentrum der verwirbelten Luft 23 gehalten und schliesslich mit dieser verdünnt, so dass die Kühlung im offenen Kühlsystem 11 auch nach Einschlag von Partikeln aufrechterhalten werden kann.
Das beim Kühlvorgang in das Arbeitsfluid 13 der Gasturbine gelangte Kühlmedium 23 des offenen Kühlsystems 11 wird im stromab liegenden Teil der Turbinenbeschaufelung entspannt. Demgegenüber wird der im geschlossenen Dampfkühlsystem 9 als Kühlmedium 26 eingesetzte Dampf zurückgeführt und beispielsweise im Dampfkreislauf einer mit der Gasturbine verbundenen Dampfturbine entspannt (nicht dargestellt).
Im Ausführungsbeispiel ist das geschlossene Dampfkühlsystem 9 als Serpentinenkühlsystem ausgebildet. Es besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Kühlkanälen 27, 28, die sich in Schaufellängsrichtung vom Schaufelfuss 2 bis zur Schaufelspitze 29 erstrecken. Die Kühlkanäle 27, 28 werden an der Schaufelspitze 29 in Richtung Schaufelfuss 2 der Laufschaufel 1 umgelenkt (Fig. 3). Zwischen den beiden parallelen und in gleicher Richtung vom Dampf 26 durchströmten Kühlkanälen 27, 28 sind Rippenwände 30 angeordnet, welche mehrere Verbindungsöffnungen 31 aufweisen. Natürlich ist auch zwischen den in entgegengesetzter Richtung durchströmten Kühlkanälen 28, 27 eine Rippenwand 32 angeordnet. Diese besitzt jedoch keine Verbindungsöffnungen 31 (Fig. 4). An der Schaufelspitze 29 befinden sich Austrittsöffnungen 33 für eventuelle Schmutzpartikel oder andere Fremdkörper des Kühlmediums 26.
Beim Betrieb einer solchen Gasturbinenanlage können auch Löcher 25 im Bereich des geschlossenen Dampfkühlsystems 9 kompensiert werden. Kommt es zum Einschlagen von Fremdkörpern in diesem Bereich der Laufschaufel 1, so strömt das Kühlmedium aus dem jeweils nicht betroffenen Kühlkanal 27, 28 durch die Verbindungsöffnungen 31 zu den entsprechenden Löchern 25, so dass sich die kühlseitig stromab liegende Kühlstrecke wieder mit Dampf 26 füllen kann. Die das offene Kühlsystem 11 betreffenden Verfahrensabläufe sind analog den zum Beispiel aus Fig. 1 und 2 angegebene.
Natürlich können die nicht dargestellten Leitschaufeln einer Gasturbine bezüglich ihrer Kühlung analog ausgebildet werden.
Bezugszeichenliste
1
Laufschaufel
2
Schaufelfuss
3
Schaufelkörper
4
saugseitige Wand
5
druckseitige Wand
6
Schaufeleintrittskante
7
Schaufelaustrittskante
8
hohler Innenraum, von 3
9
Dampfkühlsystem, geschlossenes
10
Kühlkanal
11
Kühlsystem, offenes
12
Strömungsrichtung
13
Arbeitsfluid
14
Kühlkanal, erster
15
Kühlkanal, zweiter
16
Trennwand
17
Zwischenwand
18
Zuführöffnung
19
Verbindungsstück
20
Kühlloch
21
Filmlochreihe
22
Filmkühlloch
23
Kühlmedium, Luft, Wasserdampf
24
Zuführkanal
25
Loch
26
Kühlmedium, Dampf
27
Kühlkanal
28
Kühlkanal
29
Schaufelspitze
30
Rippenwand, zwischen 27 und 28
31
Verbindungsöffnung
32
Rippenwand, zwischen 28 und 27
33
Austrittsöffnung

Claims (10)

  1. Turbinenschaufel einer Gasturbine, mit einem
    aus einer Schaufelspitze und einem Schaufelfuss (2),
    einer Schaufeleintrittskante (6) und einer Schaufelaustrittskante (7),
    einer saugseitigen, sowie einer druckseitigen Wand (4, 5) und
    einem hohlen Innenraum (8) bestehenden Schaufelkörper (3),
    in dessen hohlen Innenraum (8) mehrere, zumindest ein Kühlmedium (23, 26) führende Kühlkanäle (10, 14, 15, 27, 28) angeordnet sind,
    wobei der Innenraum (8) im Bereich der saugseitigen Wand (4), der druckseitigen Wand (5) und der Schaufelaustrittskante (7) ein geschlossenes Dampfkühlsystem (9) mit mindest einem Einlasskühlkanal (10, 27, 28) und mindest einem Auslasskühlkanal (10, 27, 28) aufweist, und
    wobei im Innenraum zusätzlich mindestens ein offenes Kühlsystem angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sowohl Einlass- als auch Auslasskanäle (10, 27, 28) des Dampfkühlsystems sich vom Schaufelfuss (2) zur Schaufelspitze erstrecken und an der Schaufelspitze miteinander verbunden sind,
    wobei innerhalb des Einlasskühlkanals (10, 27, 28) und/oder des Auslasskühlkanals (10, 27, 28) Rippenwände (30) mit Verbindungsöffnungen (31) angeordnet sind und
    das offene Kühlsystem (11) im Bereich der Schaufeleintrittskante (6) mit zumindest einem Kühlkanal (14, 15) und mehreren den Schaufelkörper (3) durchdringenden Filmkühllöchern (22) ausgebildet ist.
  2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das offene Kühlsystem (11) aus zwei, parallel zueinander angeordneten sowie über mehrere Zuführöffnungen (18) miteinander verbundenen Kühlkanälen (14, 15) besteht.
  3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Filmkühllöcher (22) tangential vom der Schaufeleintrittskante (6) benachbarten, ersten Kühlkanal (14) ausgehend, die Zuführöffnungen (18) tangential vom zweiten Kühlkanal (15) ausgehend und in den ersten Kühlkanal (14) ebenfalls tangential mündend angeordnet sind.
  4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der erste Kühlkanal (14) zumindest annähernd mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
  5. Turbinenschaufel nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Filmkühllöcher (22) zur saugseitigen Wand (4) und zumindest annähernd in Strömungsrichtung (12) des Arbeitsfluids (13) ausgerichtet sind.
  6. Turbinenschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Auslasskühlkanal (10, 27, 28) der Schaufelaustrittskante (7) benachbart angeordnet ist.
  7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einlasslkühlkanal (10, 27, 28) zwischen dem Auslasskühlkanal (10, 27, 28) und dem offenem Kühlsystem (11 ) angeordnet ist.
  8. Turbinenschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    innerhalb des geschlossenen Dampfkühlsystems (9) an der Schaufelspitze mindestens eine Austrittsöffnung (33) für Fremdpartikel angeordnet ist.
  9. Turbinenschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Kühlmedium (23) im offenen Kühlsystem (11) Luft oder Dampf einsetzbar ist.
  10. Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Turbinenschaufel eine Laufschaufel ist.
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