EP1013884A2 - Turbinenschaufel mit aktiv gekültem Deckbandelememt - Google Patents
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- EP1013884A2 EP1013884A2 EP99811187A EP99811187A EP1013884A2 EP 1013884 A2 EP1013884 A2 EP 1013884A2 EP 99811187 A EP99811187 A EP 99811187A EP 99811187 A EP99811187 A EP 99811187A EP 1013884 A2 EP1013884 A2 EP 1013884A2
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- F01D5/187—Convection cooling
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Definitions
- the present invention relates to the field of gas turbines. It affects an air-cooled turbine blade, which is vertical at the tip of the blade to the blade longitudinal axis extending shroud element, wherein the shroud element for the purpose of cooling a plurality of cooling holes is crossed, which on the input side with at least one through the Turbine blade in connection with the cooling air duct running at the tip of the blade stand and on the output side in the outside space surrounding the turbine blade flow out.
- Generic turbine blades are from DE 198 13 173 A1 or from US 5,785,496.
- the basic idea of the invention is, on the one hand, to guide the cooling bores through the shroud element in such a way that a high heat transfer between the shroud element and cooling air is ensured and, on the other hand, to allow these bores to open into the outside space in such a way that the exposed regions of the shroud reliably depend on Cooling air is applied and additionally cooled. This is achieved by proceeding from the cooling channel of the blade in the area of the shroud element, the cooling holes running essentially parallel to the direction of movement of the shovel tip from the inside to the outside and each opening in front of the outer edge of the shroud element in a recess in the surface open to the outside.
- recesses are made in the cover band element near the outer edge from the top, into which the cooling holes open laterally.
- the outlet of the cooling air on the top of the shroud element is particularly effective if, according to a preferred development, mutually spaced sealing ribs are provided on the top of the shroud element, which form a cavity in cooperation with the opposite housing wall of the gas turbine, and the cooling holes in open this cavity.
- the escaping cooling air leads to a pressure build-up in the cavity, as a result of which the penetration of hot gases is reduced.
- the side edges of the Shroud elements recesses into which the cooling holes open.
- the recesses Opposing shroud elements form a gap.
- the cooling air is divided into two partial flows. A part flows to the top and feeds the cavity mentioned between the spaced Sealing ribs with the above-mentioned effect.
- the other part flows to Underside of the cover tape and mixes there with the hot gases under setting a mixing temperature that reduces the thermal load in this area. Due to the gap geometry, the ratio of those flowing up and down can Partial quantities are influenced.
- the holes can be created using the so-called "STEM drilling” process.
- STEM drilling which has been described, for example, in US Pat. No. 5,306,401 in connection with the production of cooling holes in turbine blades, can be used to produce cooling bores with improved heat transfer properties simply and reliably.
- the turbine blade 10 comprises the actual one Blade profile 23 and one arranged transversely thereto at the tip of the blade Shroud element 11, which together with the shroud elements of the other Buckets (not shown) a continuous, mechanically stabilizing Cover band results.
- the blade profile 23 is partially hollow inside and of one or several cooling air channels 18, the cooling air from the blade root to the tip of the blade.
- the shroud element 11 has on its top 22 two sealing ribs running parallel in the direction of movement of the blade tip 12 and 13, which together with the opposite housing wall 20 of the gas turbine form a cavity 21 connected to the surroundings by gaps.
- cooling bores 17 are on the input side with the cooling air duct 18 in connection and are supplied by this with cooling air.
- the cooling bores 17 do not extend all the way to the side End or edge of the shroud element 11, but each open from the side into an elongated, on the top 22 in the shroud element 11 recessed recess 14.
- each of the cooling holes 17 taken for themselves can be connected to a separate depression.
- the cooling holes 17 slightly oblique and parallel to each other to be different if it is to optimize cooling over the entire area of the shroud element 11 is necessary.
- the cooling bores 17 in the cooling arrangement shown are preferably produced using the so-called "STEM drilling" method, which is described in detail in US Pat. No. 5,306,401. This makes it possible (by changing the feed) to equip the surface of the cooling bores 17 with roughness, ribs or turbulators. This leads to significantly more efficient cooling because the shape of the cooling hole can be optimized. Furthermore, it is advantageous to provide the cooling bores 17, preferably on the inlet side, ie in the area of the cooling air supply on the profile 23, with a throttle point 19. This makes it possible to limit the cooling air mass flow in a targeted manner and to obtain significantly more efficient cooling.
- the embodiment according to FIG. 2 differs from that according to FIG.
- cooling bores 17 are designed as a diffuser or similar to a diffuser from the throttle point 19, which is arranged on the input side of each cooling bore.
- the cooling holes have an oval configuration. This, like the provision of internal roughness or the diffuser-like enlargement, increases the effective surface available for heat transfer.
- the cooling bores 17 can have different configurations than those described above. As such, regular or irregular depressions or corrugations are conceivable.
- the cooling bores 17 emerge on the side edge 25 of the shroud element 11.
- the side edges 25 of the shroud elements 11 are, however, designed such that adjacent elements 11 are only in contact in some areas, but the area of the emerging cooling bores is in contrast recessed in a recess 15. Between the adjacent elements, the opposite depressions 15 form gaps 26 into which the cooling air enters.
- This design reliably prevents the mouths from being closed by adjacent shroud elements. It ensures that the cooling air can always pass through the cooling bores 17, even if two adjacent cover band elements 11 are in mechanical contact.
- the cooling air entering the gap 26 from the two adjacent elements 11 is divided into two partial flows.
- the ratio of the two partial flows can be influenced by the design of the gap.
- the top and bottom sides can have a different gap width or the boundary walls can be inclined or differently designed in terms of flow technology.
- FIG 8 shows an embodiment with a coolant outlet on the underside of the Shroud element.
- the cooling bores 17 open laterally into the recess 16. According to this variant, the mixing temperature in the area of the bottom of the Cover band lowered and thus the thermal load is reduced.
Abstract
Description
- Stossen zwei Deckbandelemente benachbarter Schaufeln seitlich aneinander (wie dies z.B. aus Fig. 3 der US 5,482,435 zu ersehen ist), werden die Mündungen der Kühlbohrungen zumindest teilweise verschlossen. Dies behindert Kühlluftaustritt und -verteilung. Das Deckbandelement wird im Betrieb überhitzt.
- Die bekannte Deckbandkühlung ändert wegen der seitlich angeordneten Mündungen nicht die Überströmbedingungen über das Deckband, das heisst, Druck und Temperatur auf der Oberseite des Deckbandes bleiben gleich. Dies wird auch nicht dadurch geändert, dass- wie in der US 5,460,486 vorgeschlagen - gewisse Kühlbohrungen auf der Unterseite des Deckbandelementes münden.
- Die Kühlwirkung beruht hauptsächlich auf der durch Vermischung der austretenden Kühlluft mit dem Heissgas abgesenkten Mischtemperatur in der Deckband umgebung. Es werden in den Kühlbohrungen keine Massnahmen getroffen, um den Wärmeübergang zwischen der Kühlluft und dem Deckbandelement zu intensivieren.
Dies wird erreicht, indem vom Kühlkanal der Schaufel ausgehend im Bereich des Deckbandelements die Kühlbohrungen im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufelspitze von innen nach aussen verlaufen und jeweils vor dem äusseren Rand des Deckbandelementes in eine zum Aussenraum hin offene Vertiefung der Oberfläche münden.
Durch Vermischen der austretenden Kühlluft mit den heissen Verbrennungsgasen, welche über die Oberseite des Deckbandelementes strömen, wird die Temperatur in diesem Bereich wirksam herabgesetzt und so eine Überhitzung des Deckbandes vermieden. Hierdurch wird eine gleichmässige Kühlung des Deckbandelements über die gesamte Fläche erreicht.
Neben einer wirkungsvollen Kühlung der Deckbandoberseite hat diese Konfiguration auch den Vorteil einer sehr einfachen Herstellung.
Besonders wirksam ist der Auslass der Kühlluft auf der Oberseite des Deckbandelementes, wenn gemäss einer bevorzugten Weiterbildung auf der Oberseite des Deckbandelementes parallel zueinander verlaufende, voneinander beabstandete Dichtrippen vorgesehen sind, welche im Zusammenwirken mit der gegenüberliegenden Gehäusewand der Gasturbine eine Kavität bilden, und die Kühlbohrungen in diese Kavität münden. Die austretende Kühlluft führt zu einem Druckaufbau in der Kavität, in dessen Folge das Eindringen von Heissgasen vermindert wird.
Die Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs an den Bohrungswänden können Rauhigkeiten, Rippen und/oder Turbulatoren umfassen. In an sich bekannter Weise können die Bohrungen mittels des sogenannten "STEM drilling"-Prozesses erstellt werden. Insbesondere durch das "STEM drilling", das beispielsweise in der US 5,306,401 im Zusammenhang mit der Herstellung von Kühllöchern in Turbinenschaufeln beschrieben worden ist, lassen sich einfach und zuverlässig Kühlbohrungen mit verbesserten Wärmeübergangseigenschaften erzeugen.
- Fig.1
- Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der Turbinenschaufel mit zur Deckbandoberseite hin austretenden Kühlbohrungen
- Fig.2
- eine weitere Ausführungsform gemäss Fig.1 mit diffusorartigen Kühlbohrungen
- Fig.3
- Seitenansicht eines Deckbandelements gemäss Fig.1 mit Kühlbohrungen von kreisförmigem Querschnitt
- Fig.4
- Seitenansicht eines Deckbandelements gemäss Fig.1 mit Kühlbohrungen von ovalem Querschnitt
- Fig.5
- Teilschnittdarstellung eines Deckbandelements gemäss Fig.1
- Fig.6
- Draufsicht zweier Deckbandelemente in einer Ausführungsform mit zur Seitenkante hin austretenden Kühlbohrungen
- Fig.7
- Teilschnittdarstellung eines Deckbandelements gemäss Fig.6
- Fig.8
- Teilschnittdarstellung eines Deckbandelements mit Kühlluftaustritt zur Unterseite des Deckbandelements hin
Die Ausführungsform gemäss Fig.2 unterscheidet sich von jener gemäss Fig.1 darin, dass die Kühlbohrungen 17 ab der Drosselstelle 19, welche jeweils an der Eingangsseite jeder Kühlbohrung angeordnet ist, als Diffusor oder diffusorähnlich ausgebildet sind.
Nach einer weiteren Ausführungsform - dargestellt in Fig.4 - weisen die Kühlbohrungen eine ovale Konfiguration auf. Dies erhöht, wie die Ausrüstung mit inneren Rauhigkeiten oder die diffusorartige Erweiterung, die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende wirksame Oberfläche.
Die Kühlbohrungen 17 können darüber hinaus oder alternativ andere Konfigurationen aufweisen als die oben beschriebenen. Als solche sind beispielsweise regelmässig oder unregelmässig gehaltene Vertiefungen oder Wellungen denkbar.
Diese Ausführung verhindert zuverlässig ein Verschliessen der Mündungen durch benachbarte Deckbandelemente. Sie gewährleistet, dass die Kühlluft immer durch die Kühlbohrungen 17 hindurchtreten kann, auch wenn zwei benachbarte Deckbandelemente 11 in mechanischem Kontakt stehen.
Die aus beiden benachbarten Elementen 11 in den Spalt 26 eintretende Kühlluft teilt sich in zwei Teilströme auf. Ein Teilstrom strömt nach oben und führt zu einem Aufblasen der Kavität 21 oberhalb des Deckbandes, während der andere Teilstrom auf die Unterseite des Deckbandes gelangt und sich dort mit den Heissgasen mischt. Die sich einstellende Mischtemperatur verringert die thermische Belastung in diesem Bereich.
Durch die konstruktive Gestaltung des Spaltes kann das Mengenverhältnis der beiden Teilströme beeinflusst werden. So können Ober- und Unterseite eine unterschiedliche Spaltweite aufweisen oder die Begrenzungswände geneigt oder strömungstechnisch unterschiedlich ausgebildet sein.
- 10
- Turbinenschaufel
- 11
- Deckbandelement
- 12,13
- Dichtrippen
- 14,15,16
- Vertiefung
- 17
- Kühlbohrunq
- 18
- Kühlluftkanal
- 19
- Drosselstelle
- 20
- Gehäusewand
- 21
- Kavität
- 22
- Oberseite (Deckbandelement)
- 23
- Schaufelprofil
- 24
- Heissgas
- 25
- Aussenkante des Deckbandelements
- 26
- Spalt zwischen den Deckbandelementen
Claims (14)
- Luftgekühlte Turbinenschaufel (10), welche an der Schaufelspitze ein sich senkrecht zur Schaufellängsachse erstreckendes Deckbandelement (11) aufweist, wobei das Deckbandelement (11) zwecks Kühlung von einer Mehrzahl von Kühlbohrungen (17) durchzogen ist, welche eingangsseitig mit wenigstens einem durch die Turbinenschaufel (10) zur Schaufelspitze verlaufenden Kühlluftkanal (18) in Verbindung stehen, und ausgangsseitig in den die Turbinenschaufel (10) umgebenden Aussenraum münden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlbohrungen (17) in dem Deckbandelement (11) zumindest annähernd parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufel (10) von innen nach aussen verlaufen und jeweils vor dem äusseren Rand (25) des Deckbandelements (11) in eine zum Aussenraum hin offene Oberflächenvertiefung (14) und/oder (15) münden. - Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zum Aussenraum hin offene Vertiefung (14) auf der Oberseite (22) des Deckbandelements (11) angeordnet ist und die Kühlbohrungen (17) seitlich in diese Vertiefung (14) münden. - Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zum Aussenraum hin offene Vertiefung (15) an der Seitenkante (25) des Deckbandelements (11) angeordnet ist. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Oberseite (22) des Deckbandelementes (11) mindestens zwei parallel zur Bewegungsrichtung der Schaufel verlaufende, voneinander beabstandete Dichtrippen (12, 13) vorgesehen sind, welche im Zusammenwirken mit der gegenüberliegenden Gehäusewand (20) der Gasturbine eine Kavität (21) bilden. - Turbinenschaufel nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlbohrungen (17) über die Vertiefungen (14) in die Kavität (21) münden. - Turbinenschaufel nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlbohrungen (17) in einen von den Vertiefungen (15) gebildeten Spalt (26) münden, und zumindest ein Teilstrom der dort austretenden Kühlluft in die Kavität (21) einströmt. - Turbinenschaufel nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mengenverhältnis der aus dem Spalt (26) in Richtung Deckbandoberseite und -unterseite austretenden Teilströme durch die Spaltgeometrie gesteuert wird. - Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
in den Kühlbohrungen (17) Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Kühlluft und Deckbandelement (11) vorgesehen sind. - Turbinenschaufel nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs an den Bohrungswänden (17) Rauhigkeiten, Rippen und/oder Turbulatoren, umfassen. - Turbinenschaufel nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlbohrungen (17) mittels des sogenannten "STEM drilling"-Prozesses hergestellt sind. - Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
in den Kühlbohrungen (17) jeweils eine Drosselstelle (19) zur Begrenzung des Kühlluftmassenstromes vorgesehen ist. - Turbinenschaufel nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drosselstellen (19) jeweils an der Eingangsseite der Kühlbohrungen (17) angeordnet sind. - Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlbohrungen (17) einen ovalen Querschnitt besitzen. - Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlbohrungen (17) in Strömungsrichtung einen Diffusor bilden oder diffusorähnlich ausgebildet sind.
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