EP1113144B1

EP1113144B1 - Gekühlte Strömungsumlenkvorrichtung für eine bei hohen Temperaturen arbeitende Strömungsmaschine

Info

Publication number: EP1113144B1
Application number: EP00127254A
Authority: EP
Inventors: Jörgen Ferber
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2020-12-18
Also published as: EP1113144A3; DE19963716A1; EP1113144A2; US6419449B2; DE50015339D1; US20020018711A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine gekühlte Strömungsumlenkvorrichtung für eine bei hohen Temperaturen arbeitende Strömungsmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Strömungsumlenkvorrichtung ist beispielsweise in Form einer gekühlten Leit- oder Laufschaufel für eine Gasturbine aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.

STAND DER TECHNIK

Heutige Strömungsumlenkvorrichtungen, speziell Leit- oder Laufschaufeln in einer Gasturbine, sind Umgebungstemperaturen ausgesetzt, die über der zulässigen Materialtemperatur liegen. Der Einsatz spezieller interner Kühlkanäle ermöglicht das Herabsetzen der Metalltemperatur auf einen der Lebensdauer der Vorrichtung entsprechend geforderten Wert.
In den Fig. 1 und 2 ist im Querschnitt bzw. Längsschnitt eine beispielhafte Laufschaufel einer Gasturbine wiedergegeben, wie sie derzeit Anwendung findet. Die Schaufel 10 besteht im wesentlichen aus einem Schaufelblatt 11 und einem Schaufelfuss 12, mit dem sie am Rotor der Gasturbine befestigt wird. Im Inneren des (hohlen) Schaufelblattes 11 verlaufen in Längsrichtung der Schaufel 10 mehrere Kühlkanäle 17, durch welche ein durch den Schaufelfuss 12 eintretendes Kühlfluid, in der Regel Kühlluft, strömt. Das Kühlfluid streicht in den Kühlkanälen 17 kühlend an den Innenseiten der Heissgaswände 14 entlang und tritt dann (zur Filmkühlung) durch entsprechende Filmkühlungsöffnungen nach aussen, die an der Vorderkante 18, der Hinterkante 19, und an der Schaufelspitze angeordnet sind (das ausströmende Kühlfluid ist in Fig. 2 durch die Pfeile dargestellt). Die einzelnen Kühlkanäle 17 sind durch Trennwände 13 voneinander getrennt, die zugleich durch Umlenkungen 16 dafür sorgen, dass das Kühlfluid benachbarte Kühlkanäle nacheinander in wechselnder Richtung durchströmt.
Bisher, und hier speziell bei rotierenden Leitvorrichtungen wie den Laufschaufeln, werden die Kühlkanäle 17 bzw. deren Trennwände 13 gegossen.
Die bekannten gegossenen Trennwände 13 und Umlenkungen 16, die auch als Rippen bezeichnet werden, haben jedoch mehrere Nachteile:

der Uebergangsbereich (15 in Fig. 1) von der Heissgaswand 14 zur Trennwand (Rippe) 13 ist durch die lokale Materialanhäufung ein schlecht zu kühlender Bereich. Ein erhöhter Wärmeübergang verbunden mit erhöhtem Kühlluftverbrauch ist notwendig, um dort eine ausreichende Festigkeit zu sichern.
durch die von Kühlluft umspülten kalten Trennwände (Rippen) 13 kommt es zu thermischen Spannungen mit der Heissgaswand 14.
ein Giessen der internen Kanäle führt zu einem hohen Schaufelgewicht, welches sowohl für den Schaufelfuss 12 als auch Ufer das Schaufelblatt 11 zu hohen Fliehkraftspannungen führen kann.
der komplizierte Guss verlängert die Gussentwicklung und erhöht den Ausschuss.

Aus der US-A-3,369,792 ist eine Leitschaufel für ein Turbinentriebwerk bekannt, bei der in das hohle Innere zur Ausbildung von gegenläufigen radialen Kühlkanälen dünne, gerade Trennelemente eingesetzt sind.
Aus der US-A-2,817,490 ist eine Schaufel bekannt, bei der das Innere durch Einbau einer Vielzahl von parallelen, gleich langen Blechstreifen in eine Vielzahl von Kanälen unterteilt wird, in denen das Kühlmedium ohne Umlenkung parallel strömt.
Aus der US-A-4,257,734 ist eine Gasturbinen-Leitschaufel bekannt, bei der durch Blecheinsätze eine Aufteilung des Innenraums bewirkt wird, ohne das untereinander verbundene, antiparallele Kühlkanäle mit Umlenkeinrichtung entstehen.
In der US-A-5,193,980 ist eine Schaufele eines Turbinentriebwerks offenbart, bei dem die Unterteilung in parallele Kühlkanäle ohne Umlenkung durch eingesetzte Blechteile vorgenommen wird.
Aus der JP-A-09 151 703 ist eine Schaufel bekannt, bei der im Inneren eine Prallkühlung durch Wand-parallele Einsätze bewirkt wird.
Die US-A-4,252,501 offenbart eine vergleichbare Anordnung von Einsätzen in einer gekühlten Schaufel.
Aus der US-A-5,507,621 ist eine Gasturbinen-Leitschaufel bekannt, bei der im Verbindungsbereich zweier gegenläufiger, radialer Kühlkanäle, die durch feste, gegossene Wände getrennt sind, eine Umlenkhilfe in Form eines gebogenen Blecheinsatzes angeordnet ist.
Die EP-A-0 534 586 zeigt eine Gasturbinenschaufel, bei der ein vorzugsweise gegossenes, separates Leitelement ("baffle") fest zwischen zwei separate Vorder-und Hinterteile der Schaufel eingefügt ist.
Aus der US-A-3,806,275 ist schliesslich eine gekühlte Turbinenschaufel bekannt, bei der durch gelochte Blecheinsätze die turbulente Kühlung der Innenwände verbessert wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Strömungsumlenkvorrichtung zu schaffen, welche die aufgeführten Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermeidet und insbesondere einfach herzustellen, flexibel an die jeweilige Anwendung anpassbar, und effizient gekühlt ist.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die der Abgrenzung der Kühlkanäle dienenden Trennwände nicht länger gemeinsam mit der Vorrichtung herzustellen, insbesondere zu giessen, sondern als separate Einschübe auszubilden, die später in die Vorrichtung eingeschoben und dort befestigt werden. Besonders einfach und günstig wird es dadurch, dass das Kühlfluid in zwei benachbarten Kühlkanälen jeweils gegenläufig strömt, das Kühlfluid vom Ausgang des einen Kühlkanals in den Eingang des anderen Kühlkanals mittels einer Umlenkung umgelenkt wird, und die Umlenkung durch eine U-förmig gebogene Trennwand erzeugt wird.
Die Erfindung unterscheidet sich damit massgeblich von Lösungen, wie sie z.B. in der US-A-5,145,315 oder der US-A-5,516,260 beschrieben sind, bei denen spezielle Einsätze in gegossenen Kühlkanälen zur speziellen Lenkung des Kühlfluids verwendet werden.
Der Einsatz von (bei Schaufeln z.B. durch den Schaufelfuss oder durch die Schaufelspitze eingefuehrten) Einschüben aus Metall - oder Nichtmetall-Werkstoffen als Ersatz für gegossene Trennwände und ggf. Umlenkungen hat mehrere Vorteile:

es findet keine Materialanhäufung im Uebergangsbereich von Heissgaswand zum Einschub (zur Trennwand) statt.
es kommt zu keinen thermischen Spannungen zwischen Einschub (Trennwand) und der Heissgaswand.
bei rotierenden Schaufeln werden das Schaufelgewicht und somit die Fliehkraftspannungen sowohl im Schaufelfuss als auch im Schaufelblatt reduziert.
bei gegossenen Schaufeln wird der Gusskern einfacher, wodurch sowohl seine als auch die Herstellbarkeit der Schaufel einfacher werden.
es wird ein einfache Justierbarkeit des Kühlsystems durch einen Austausch der Einschübe möglich, durch z.B. Aendern des Umlenkungsradius bei Umlenkungen oder Einfügen von Verbindungsquerschnitten zwischen zwei Kühlkanälen.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Strömungsumlenkvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsumlenkvorrichtung als hohles Gussteil ausgebildet ist, und dass im Inneren der Strömungsumlenkvorrichtung schienenförmige Aufnahmen angeformt sind, in welche die Trennwände eingeschoben sind. Hierdurch werden Montage und Befestigung der Einschübe massgeblich erleichtert, sowie eine gute randseitige Dichtigkeit der Trennwände bzw. Einschübe erzielt. Die Trennwände sind dabei vorzugsweise als flache Streifen aus einem metallischen oder hitzebeständigen nichtmetallischen (keramischen oder Verbund-) Werkstoff ausgebildet.
Ein sicherer Sitz der Einschübe wird erreicht, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die eingeschobenen Trennwände zur Befestigung stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten oder Schweissen, mit der Strömungsumlenkvorrichtung verbunden sind.
In der einfachsten Form können die Trennwände gerade ausgebildet sein.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Strömungsumlenkvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsumlenkvorrichtung eine Schaufel einer Gasturbine ist. Hier ergeben sich aufgrund der vergleichsweise komplizierten Geometrie der Schaufel durch die Erfindung erhebliche Vereinfachungen.
Eine andere Ausführungsform, die vor allem für schnell rotierende Laufschaufeln von Vorteil ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlkanäle bzw. Trennwände im wesentlichen in radialer Richtung im Bezug auf die Rotationsachse der Gasturbine erstrecken, dass die eingeschobenen Trennwände zur Befestigung stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten oder Schweissen, mit der Schaufel verbunden sind, und dass die stoffschlüssige Verbindung am achsennahen Ende der Trennwände angeordnet ist.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: den Querschnitt durch eine Turbinenschaufel mit gegossenen Kühlkanälen nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: den Längsschnitt durch die Schaufel gemäss Fig. 1;
Fig. 3: den zu Fig. 1 vergleichbaren Querschnitt durch eine Schaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 4: den zu Fig. 2 vergleichbaren Längsschnitt durch die Schaufel nach Fig. 3.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In den Figuren 3 und 4 ist im Querschnitt bzw. Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer gekühlten Strömungsumlenkvorrichtung nach der Erfindung in Form einer Laufschaufel für eine Gasturbine wiedergegeben. Die Schaufel 20 ist von der Geometrie her ähnlich aufgebaut wie die bekannte Schaufel 10 aus den Figuren 1 und 2.
Die Schaufel 20 besteht wiederum im wesentlichen aus einem Schaufelblatt 21 und einem Schaufelfuss 22, mit dem sie am Rotor der Gasturbine befestigt wird. Im Inneren des (hohlen) Schaufelblattes 21 verlaufen in Längsrichtung der Schaufel 20 mehrere Kühlkanäle 27, durch welche ein durch den Schaufelfuss 22 eintretendes Kühlfluid strömt. Das Kühlfluid streicht in den Kühlkanälen 27 kühlend an den Innenseiten der Heissgaswände 24 entlang und tritt auch hier durch entsprechende Filmkühlungsöffnungen nach aussen, die an der Vorderkante 28, der Hinterkante 29, und an der Schaufelspitze angeordnet sind. Die einzelnen Kühlkanäle 27 sind durch Trennwände 23 voneinander getrennt, die zugleich durch Umlenkungen 26 dafür sorgen, dass das Kühlfluid benachbarte Kühlkanäle nacheinander in wechselnder Richtung durchströmt.
Im Unterschied zu Fig. 1 und 2 sind hier die Trennwände 23 jedoch nicht gegossen, d.h., zusammen mit der Schaufel 20 in einem Guss hergestellt, sondern die Trennwände 23 sind als separate, streifenförmige Einschübe ausgebildet, die nach dem Giessen der Schaufel 20 durch den Schaufelfuss 22 oder die gegenüberliegende Schaufelspitze eingeführt werden. Damit sich die Trennwände 23 gezielt einführen und nach dem Einführen befestigen lassen, sind an den Innenseiten der Heissgaswände schienenförmige Aufnahmen 30 angeformt, in welchen die Trennwände 23 beim Einführen mit den Längskanten geführt werden.
Die Trennwände (Einschübe) 23 können eine beliebige Form haben. Sie können z.B. gerade sein. Sollen mehrere Kühlkanäle durch Umlenkungen 26 miteinander verbunden werden, ist es von Vorteil, wenn die Trennwände 23 U-förmig gebogen sind. Die Trennwände 23 können ein - oder mehrseitig befestigt werden, z.B. durch Löten oder Schweissen. Sie können im Schaufelspitzenbereich oder im Schaufelfussbereich fixiert werden. Letzteres hat den Vorteil, dass der Einschub bzw. die Trennwand bei den auftretenden Zentrifugalkräften auf Zug belastet wird, und so ein Ausbeulen vermieden wird.
Grundsätzlich werden die einschiebbaren Trennwände gleich bei der Herstellung der Schaufeln vorgesehen. Es ist aber im Rahmen der Erfindung auch denkbar, bei vollständig gegossenen Schaufeln gemäss Fig. 1 und 2 die gegossenen Trennwände später zu entfernen und als Ersatz dafür separate Trennwände einzuschieben und zu befestigen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10,20: Schaufel
11,21: Schaufelblatt
12,22: Schaufelfuss
13: Trennwand (Rippe)
14.24: Heissaaswand
15,25: Uebergangsbereich
16,26: Umlenkung
17,27: Kühlkanal
18,28: Vorderkante
19,29: Hinterkante
23: Einschub
30: Aufnahme (schienenförmig)

Claims

Gekühlte Strömungsumlenkvorrichtung (20) für eine bei hohen Temperaturen arbeitende Strömungsmaschine, welche Strömungsumlenkvorrichtung (20) im Inneren eine Mehrzahl von parallel verlaufenden, durch Trennwände (23) voneinander getrennten Kühlkanälen (27) zum Durchleiten eines Kühlfluids aufweist, wobei das Kühlfluid in zwei benachbarten Kühlkanälen (27) jeweils gegenläufig strömt, und das Kühlfluid vom Ausgang des einen Kühlkanals in den Eingang des anderen Kühlkanals mittels einer Umlenkung (26) umgelenkt wird,und wobei die Trennwände (23) als separate, nachträglich in die Strömungsumlenkvorrichtung (20) einschiebbare Einschübe ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (26) durch eine U-förmig gebogene Trennwand (23) erzeugt wird.
Strömungsumlenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsumlenkvorrichtung (20) als hohles Gussteil ausgebildet ist, und dass im Inneren der Strömungsumlenkvorrichtung (20) schienenförmige Aufnahmen (30) angeformt sind, in welche die Trennwände (23) eingeschoben sind.
Strömungsumlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (23) als flache Streifen ausgebildet sind.
Strömungsumlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeschobenen Trennwände (23) zur Befestigung stoffschlüssig mit der Strömungsumlenkvorrichtung (20) verbunden sind.
Strömungsumlenkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeschobenen Trennwände (23) zur Befestigung mit der Strömungsumlenkvorrichtung (20) durch Löten oder Schweissen verbunden sind.
Strömungsumlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsumlenkvorrichtung eine Schaufel (20) einer Gasturbine ist.
Strömungsumlenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (20) eine Laufschaufel ist, dass sich die Kühlkanäle (27) bzw. Trennwände (23) im wesentlichen in radialer Richtung im Bezug auf die Rotationsachse der Gasturbine erstrecken, und dass die eingeschobenen Trennwände (23) zur Befestigung stoffschlüssig mit der Schaufel (20) verbunden sind.
Strömungsumlenkvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeschobenen Trennwände (23) zur Befestigung durch Löten oder Schweissen mit der Schaufel (20) verbunden sind.