EP1126134A1 - Luft- und dampfgekühlte Gasturbinenschaufel - Google Patents

Luft- und dampfgekühlte Gasturbinenschaufel Download PDF

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Publication number
EP1126134A1
EP1126134A1 EP00103261A EP00103261A EP1126134A1 EP 1126134 A1 EP1126134 A1 EP 1126134A1 EP 00103261 A EP00103261 A EP 00103261A EP 00103261 A EP00103261 A EP 00103261A EP 1126134 A1 EP1126134 A1 EP 1126134A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas turbine
blade
turbine blade
cavity
steam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00103261A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Dipl.-Ing. Tiemann
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP00103261A priority Critical patent/EP1126134A1/de
Publication of EP1126134A1 publication Critical patent/EP1126134A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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 gas turbine blade that is hollow executed and can be cooled by a cooling medium.
  • U.S. Patent 5,320,483 discloses how cooling fluid for cooling a Gas turbine blade in the form of cooling steam in a closed Circuit initiated in a gas turbine blade and after flowing through one with different flow chambers and interior walls equipped, interior Cavity of the turbine blade is brought out again.
  • the Cavity is surrounded by the outer wall of the turbine blade, which is flown by a hot action fluid of the gas turbine is.
  • the outer wall has a substantially constant thickness by considering a cross section through the airfoil area on.
  • Cast gas turbine blades result in over the boundary conditions of the casting process also certain minimum thicknesses.
  • the inevitably relatively thick trailing edges but run the aerodynamic requirements of the gas turbine blade contrary.
  • a loss-free outflow hot gas is only guaranteed with a thin trailing edge. Thick trailing edges in turn impair the efficiency of the gas turbine.
  • the object of the invention is accordingly a gas turbine blade and specify a gas turbine where one efficient cooling with high efficiency is ensured.
  • Another object of the invention is Specification of a method for cooling a Gas turbine blade.
  • a gas turbine blade with a blade wall which is an airfoil with an airfoil surface having, the blade wall a first cavity and a second completely separate from the first cavity Cavity limited, and wherein the first cavity opposite the Blade surface closed and the second cavity is open to the airfoil surface.
  • the first cavity is opposite the hot gas duct in the the gas turbine blade can be installed, is completely closed.
  • the second cavity opens in the hot gas duct.
  • the first cavity is used to guide Steam.
  • the second cavity is used to guide cooling air.
  • the part of the blade wall that delimits the first cavity can thus be cooled by steam cooling.
  • the second part the blade wall that delimits the second cavity cooled by cooling air.
  • the first cavity is part of the Blade wall bounded by a leading edge of the gas turbine blade forms.
  • the thermal load is particularly high Part of the gas turbine blade, namely the leading edge, Can be cooled particularly efficiently by steam cooling.
  • the second cavity is preferably formed by a part the blade wall delimits a trailing edge of the gas turbine blade forms. This is the trailing edge of the gas turbine blade Coolable by cooling air through the opening of the second cavity to the airfoil surface in the Hot gas duct emerges.
  • the second cavity is further preferred in the area of the trailing edge to the airfoil surface open. This has the particular advantage that the trailing edge can be made thin. Especially for Cast gas turbine blades are particularly thin trailing edges producible.
  • the opening of the second cavity the possibility of an additional bracket of the casting core in the casting process. This will in particular bending of the core during casting is reduced.
  • Gas turbine blades which are exclusively steam cooled are in the Usually only pourable so that the casting core in the head and foot area is held. In the middle is by necessity the production of closed cavities no bracket possible.
  • the cast core is bent straight in the Middle of the gas turbine blade may be so significant that caused by the wall thickness fluctuations set the minimum wall thickness for the gas turbine blade becomes.
  • With the additional bracket over an open trailing edge can keep wall thickness fluctuation less and thus, if necessary, the blade wall thickness is made thinner become. At the same time, however, it is still becoming significant Part of the gas turbine blade through steam cooling coolable.
  • the gas turbine blade is directed along a blade axis and has a suction side and a pressure side of the Blade on.
  • the first cavity is preferably through along a connecting the suction side and the pressure side inner rib directed towards the blade axis into second partial cavities divided. The separation of the two cavities is thus realized by an inner stiffening rib. she closes the first cavity completely from the second Cavity. An escape of cooling steam into the hot gas duct therefore does not take place.
  • the air-cooled part of the airfoil preferably extends just so far that the execution of a thin trailing edge is made possible.
  • the gas turbine blade is preferably like a guide blade, further preferred for a first gas turbine stage, educated.
  • a guide vane there is steam cooling easier to implement than with a moving blade because the steam can be supplied via the fixed housing of the guide vane is.
  • the guide vanes of a first gas turbine stage are exposed to high temperatures and must be cooled efficiently.
  • the object directed to a gas turbine is achieved according to the invention solved by a gas turbine with a gas turbine blade according to one of the versions described above, where the first cavity with a steam supply and the second cavity is connected to an air supply.
  • the object directed to a method is achieved according to the invention solved by a method for cooling one in a hot gas duct a gas turbine blade arranged in a gas turbine, where air and steam flow through the gas turbine blade at the same time is directed.
  • the steam is preferably without contact with the hot gas duct passed through the gas turbine blade while the air at least partially escapes into the hot gas duct.
  • a leading edge of the gas turbine blade is preferred with the steam and a trailing edge of the gas turbine blade cooled with the air. At least more are preferred three quarters of the blade wall of a blade of the gas turbine blade cooled with steam.
  • FIG. 1 shows a purely steam-cooled gas turbine blade 1 According to the state of the art.
  • the gas turbine blade 1 is directed along a blade axis 2.
  • the gas turbine blade 1 has a blade wall 3.
  • the blade wall 3 forms an airfoil 4.
  • a gas turbine blade 1 usually also a head and a foot part, which here for clarity are not shown for the sake of it.
  • the airfoil 4 has one Suction side 5 and a pressure side 7.
  • the Blade 4 has a leading edge 9 and a trailing edge 11 on.
  • the blade wall 3 delimits an inner cavity 13.
  • Flow channels 15 arranged.
  • Such a gas turbine blade 1 is one in the hot gas duct Arranged gas turbine and is surrounded by very hot gas.
  • the gas turbine blade is used to protect against damage 1 chilled. This happens through a closed Steam cooling.
  • steam 17 is injected into the inner cavity 13 passed and returned via the flow channels 15.
  • the steam 17 cools the blade wall very efficiently 3. As a result, the temperature of the blade wall 3 remains below a critical melting point.
  • FIG. 2 shows steam-cooled gas turbine blade 1.
  • the inner cavity 13 in Partial cavities 13A, 13B, 13C, 13D divided. This subdivision is directed along the blade axis 2, the Stiffening ribs connecting suction side 5 with pressure side 7 19 reached.
  • the cooling steam 17 now becomes like a serpentine through the partial cavities 13A, 13B, 13C, 13D and cools the gas turbine blade 1.
  • the gas turbine blades according to FIG. 1 and FIG. 2 show both a closed cooling system, i.e. Cooling steam 17 occurs nowhere in the hot gas duct over the surface of the Blade 4 on.
  • Cooling steam 17 occurs nowhere in the hot gas duct over the surface of the Blade 4 on.
  • the trailing edge 11 a certain Do not fall below the minimum thickness.
  • one Minimum wall thickness of 1.6 mm and a minimum cavity diameter of 1.6 mm are provided, so that a minimum thickness of approx. 5 mm also follows in the area of the trailing edge 11.
  • Hot gas duct closed cooling system With air-cooled turbine blades, there is no need for this Hot gas duct closed cooling system can be provided. This leads to a simplification of the manufacturing process especially with cast turbine blades, as well Possibility of designing relatively thin trailing edges. The resulting benefits in terms of efficiency due to the aerodynamically more favorable design however compensated for by the loss of combustion air sufficient pressure.
  • the cooling air must namely from Compressor of the gas turbine are branched off and is thus no longer with sufficiently high combustion pressure Available.
  • the gas turbine blade 1 from FIG. 3 shows those described above Disadvantages of purely steam-cooled blades on the one hand and purely air-cooled blades, on the other hand, do not more.
  • the gas turbine blade 1 has a first cavity 21, which corresponds to the inner cavity of the gas turbine blade 1 of Figure 2 divided into two part cavities 21A, 21B is. The division is made by an inner rib 22 causes that directed along the blade axis 2 Connects suction side 5 with the pressure side 7.
  • the shovel wall 3 of the gas turbine blade is partially double-walled.
  • a cooling chamber 27 lying in the blade wall 3 extends itself from the leading edge 9 to the end of the first Cavity 21, both on the suction side 5 and on the pressure side 7.
  • the cooling chamber 27 communicates with openings 29 with the first cavity 21.
  • a second cavity 23 is in the region of the trailing edge 11 of the gas turbine blade 1 arranged and partially bordered by the blade wall 3. For Trailing edge 11 is the second cavity 23 to the airfoil surface of the airf
  • the cooling of the gas turbine blades 1 works as follows:
  • the cooling steam 17 is conducted into the first partial cavity 21A.
  • the cooling steam 17 passes out of the partial cavity 21A the openings 29 into the cooling chamber 27 and flows in there Direction to the trailing edge 11. Via further openings 29 the cooling steam 17 again enters the first cavity 21, namely in the second partial cavity 21B.
  • Cooling air 25 is in the second cavity 23 initiated. This flows through the opening of the second cavity 23 past the trailing edge 11 into the hot gas duct. The rear part of the gas turbine blade 1 is thus through the cooling air 25 cooled.
  • the trailing edge 11 can now be thin be executed since no closed ram as with the Steam cooling of the front area must be provided.
  • This thin trailing edge 11 makes it aerodynamically very good reached favorable values so that the efficiency of a gas turbine, in which the gas turbine blade 1 is installed, increases.
  • the opening of the second cavity 23 a cast core also in the area between the head and the Foot side of the gas turbine blade 1 are held.
  • In order to bends of the casting core are significantly reduced and it can have a smaller wall thickness for the gas turbine blade 1 can be achieved.
  • With a smaller wall thickness of the blade wall 3 is a significantly better cooling of the gas turbine blade 1 reachable.
  • the combination of a simultaneous Air and steam cooling of the gas turbine blade 1 enables thus efficient cooling with high efficiency.
  • FIG. 4 schematically shows a gas turbine in a longitudinal section 31.
  • a gas turbine shaft 33 On a gas turbine shaft 33 are in a row arranged a compressor 35, a combustion chamber 39 and a Turbine part 37.
  • the turbine part 37 has a hot gas channel 38 on.
  • Gas turbine blades 1 are arranged in the hot gas duct 38. Vane rings are alternating in succession and blade rings are provided.
  • the in the direction of flow first gas turbine blades 1 belong to a guide vane ring a first stage of the gas turbine 31. This first stage is particularly high temperatures from out of the combustion chamber 39 escaping hot gas exposed.
  • the gas turbine blades 1 are - as explained above - via a combined air and cooled by steam cooling.
  • the compressor is 35 compressor air removed and via an air supply 45 to the gas turbine blades 1 fed.
  • Via a steam supply 43 steam is also supplied to the gas turbine blades 1.
  • this steam comes from a steam turbine one combined gas and steam process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel (1), die in getrennten Hohlräumen (21, 23) sowohl mit Luft (25) als auch mit Dampf (17) gekühlt wird. Insbesondere die Abströmkante 11 wird mit Luft (25) gekühlt, wodurch die Abströmkante (11) aerodynamisch günstig dünn ausführbar ist. Der größte Teil der Gasturbinenschaufel (1) wird Verdichterluft sparend dampfgekühlt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel, die hohl ausgeführt und durch ein Kühlmedium kühlbar ist.
Die US-PS 5,320,483 offenbart, wie Kühlfluid zur Kühlung einer Gasturbinenschaufel in Form von Kühldampf in einem geschlossenen Kreislauf in eine Gasturbinenschaufel eingeleitet wird und nach dem Durchströmen eines mit verschiedenen Strömungskammern und Innenwänden ausgestatteten, innenliegenden Hohlraums der Turbinenschaufel wieder herausgeführt wird. Der Hohlraum ist von der Außenwand der Turbinenschaufel umgeben, die von einem heißen Aktionsfluid der Gasturbine angeströmt ist. Die Außenwand weist eine im wesentlichen konstante Dicke über eine Betrachtung eines Querschnitts durch den Schaufelblattbereich auf.
Neben der Kühlung mittels Kühldampf ist vor allem eine Kühlung mit Luft üblich. Diese wird in der Regel dem Verdichter der Gasturbine entnommen. Hierdurch sinkt der Wirkungsgrad der Gasturbine, da diese Verdichterluft nicht mehr unter ihrem vollen Druck der Verbrennung zur Verfügung steht. Die Dampfkühlung spart nicht nur Verdichterluft, sondern ermöglicht auch eine hohe Kühlleistung. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Notwendigkeit der geschlossenen Führung von Dampf bei einer dampfgekühlten Gasturbinenschaufel - das heißt Kühldampf darf nicht in den Strömungskanal der Gasturbine austreten - konstruktive Nachteile für die Gasturbinenschaufel unvermeidlich sind. Insbesondere im Bereich der Abströmkante der Gasturbinenschaufel erfordert die geschlossene Dampfkühlung eine relativ hohe Mindestdicke, da sowohl die Schaufelwand als auch der dampfführende Hohlraum nicht beliebig dünn ausgeführt werden können. Bei gegossenen Gasturbinenschaufeln ergeben sich über die Randbedingungen des Gießprozesses auch bestimmte Mindestdicken. Die somit zwangsläufig relativ dicken Abströmkanten laufen aber den aerodynamischen Anforderungen der Gasturbinenschaufel zuwider. Ein möglichst verlustfreies Abströmen des Heißgases wird nur mit einer dünnen Austrittskante gewährleistet. Dicke Abströmkanten beeinträchtigen somit wiederum den Wirkungsgrad der Gasturbine.
Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, eine Gasturbinenschaufel und eine Gasturbine anzugeben, bei der eine effiziente Kühlung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad sichergestellt ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Kühlung einer Gasturbinenschaufel.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbinenschaufel gerichtete Aufgabe gelöst durch eine luft- und dampfgekühlte Gasturbinenschaufel.
Mit der Erfindung wird also erstmals der Weg eingeschlagen, eine Gasturbinenschaufel sowohl mit Luft als auch mit Dampf zu kühlen. Hierdurch werden die verschiedenen Vorteile dieser Kühlmedien so kombinierbar, dass sowohl die Verdichterluft sparende Dampfkühlung als auch die konstruktions-einfache Luftkühlung zum Einsatz kommen. Je nach den Einsatzbedingungen, den technischen Randbedingungen oder weiteren Konstruktionsanforderungen werden unterschiedliche Teile der Gasturbinenschaufel entweder mit Luft oder mit Dampf gekühlt.
Die auf eine Gasturbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Gasturbinenschaufel mit einer Schaufelwand, die ein Schaufelblatt mit einer Schaufelblattoberfläche aufweist, wobei die Schaufelwand einen ersten Hohlraum und einen vom ersten Hohlraum vollständig getrennten zweiten Hohlraum begrenzt, und wobei der erste Hohlraum gegenüber der Schaufelblattoberfläche geschlossen und der zweite Hohlraum zur Schaufelblattoberfläche hin offen ist.
Der erste Hohlraum ist gegenüber dem Heissgaskanal, in den die Gasturbinenschaufel einbaubar ist, vollständig geschlossen. Der zweite Hohlraum öffnet sich demgegenüber in den Heißgaskanal. Der erste Hohlraum dient der Führung von Dampf. Der zweite Hohlraum dient der Führung von Kühlluft. Der Teil der Schaufelwand, der den ersten Hohlraum begrenzt, ist somit durch eine Dampfkühlung kühlbar. Der zweite Teil der Schaufelwand, der den zweiten Hohlraum begrenzt, wird durch Kühlluft gekühlt. Durch diese Kombination sind die Anforderungen an die Gasturbinenschaufel hinsichtlich effizienter Kühlung und hohem Wirkungsgrad als auch hinsichtlich der konstruktiven und insbesondere gießtechnischen Randbedingungen in besonders hoher Güte erfüllbar.
Vorzugsweise wird der erste Hohlraum durch einen Teil der Schaufelwand begrenzt, der eine Anströmkante der Gasturbinenschaufel bildet. Somit wird der thermisch besonders hoch belastete Teil der Gasturbinenschaufel, nämlich die Anströmkante, besonders effizient durch eine Dampfkühlung kühlbar. Bevorzugtermaßen wird der zweite Hohlraum durch einen Teil der Schaufelwand begrenzt, der eine Abströmkante der Gasturbinenschaufel bildet. Somit ist die Abströmkante der Gasturbinenschaufel durch Kühlluft kühlbar, die durch die Öffnung des zweiten Hohlraums zur Schaufelblattoberfläche in den Heißgaskanal austritt. Weiter bevorzugt ist der zweite Hohlraum im Bereich der Abströmkante zur Schaufelblattoberfläche offen. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Abströmkante dünn ausgeführt werden kann. Gerade auch für gegossene Gasturbinenschaufeln sind besonders dünne Abströmkanten herstellbar. Zudem ergibt sich durch die Öffnung des zweiten Hohlraums die Möglichkeit einer zusätzlichen Halterung des Gußkerns im Gießprozess. Hierdurch wird insbesondere ein Biegen des Kerns beim Abguss verringert. Gasturbinenschaufeln, die ausschließlich dampfgekühlt sind, sind in der Regel nur so gießbar, dass der Gusskern im Kopf- und Fussbereich gehaltert wird. In der Mitte ist durch die Notwendigkeit der Herstellung geschlossener Hohlräume keine Halterung möglich. Hierdurch ist ein Biegen des Gusskerns gerade in der Mitte der Gasturbinenschaufel unter Umständen so erheblich, dass durch die dadurch verursachten Wanddickenschwankungen die Mindestwanddicke für die Gasturbinenschaufel festgelegt wird. Durch die zusätzliche Halterung über eine offene Abströmkante kann eine Wanddickenschwankung geringer gehalten und somit gegebenenfalls die Schaufelwanddicke dünner ausgeführt werden. Gleichzeitig wird aber immer noch ein erheblicher Teil der Gasturbinenschaufel durch eine Dampfkühlung kühlbar. Lediglich der Bereich der Abströmkante wird zusätzlich durch Luft gekühlt. Der so entstehende geringe Kühlluftverbrauch führt zu einer Wirkungsgradverbesserung gegenüber einer rein durch Luft gekühlten Gasturbinenschaufel. Auf der anderen Seite ergibt die dünne Abströmkante günstige aerodynamische Werte und wiederum einen verbesserten Wirkungsgrad gegenüber einer rein durch Dampf gekühlten Gasturbinenschaufel mit einer notwendigerweise dicken Abströmkante.
Die Gasturbinenschaufel ist entlang einer Schaufelachse gerichtet und weist eine Saugseite und eine Druckseite des Schaufelblatts auf. Vorzugsweise ist der erste Hohlraum durch eine die Saugseite und die Druckseite verbindende, entlang der Schaufelachse gerichtete innere Rippe in zweite Teilhohlräume unterteilt. Die Trennung der beiden Hohlräume wird somit durch eine innere Versteifungsrippe verwirklicht. Sie schließt den ersten Hohlraum vollständig gegenüber dem zweiten Hohlraum ab. Ein Austritt von Kühldampf in den Heißgaskanal erfolgt somit nicht.
Vorzugsweise begrenzen mindestens drei Viertel des Teils der Schaufelwand, der das Schaufelblatt bildet, den ersten Hohlraum. Somit sind mindestens drei Viertel des Schaufelblatts mit Dampfkühlung kühlbar. Der luftgekühlte Teil des Schaufelblatts erstreckt sich vorzugsweise immer gerade so weit, dass die Ausführung einer dünnen Abströmkante ermöglicht wird.
Bevorzugtermaßen ist die Gasturbinenschaufel wie eine Leitschaufel, weiter bevorzugt für eine erste Gasturbinenstufe, ausgebildet. Bei einer Leitschaufel ist eine Dampfkühlung einfacher zu verwirklichen, als bei einer Laufschaufel, da der Dampf über das feststehende Gehäuse der Leitschaufel zuführbar ist. Die Leitschaufeln einer ersten Gasturbinenstufe sind besonders hohen Temperaturen ausgesetzt und müssen besonders effizient gekühlt werden.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer Gasturbinenschaufel entsprechend einer der oben beschriebenen Ausführungen, bei der der erste Hohlraum mit einer Dampfzuführung und der zweite Hohlraum mit einer Luftzuführung verbunden ist.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Kühlung einer in einem Heißgaskanal einer Gasturbine angeordneten Gasturbinenschaufel, bei dem gleichzeitig Luft und Dampf durch die Gasturbinenschaufel geleitet wird.
Die Vorteile einer solchen Gasturbine bzw. eines solchen Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen einer luft- und dampfgekühlten Gasturbinenschaufel.
Vorzugsweise wird der Dampf ohne Kontakt zum Heißgaskanal durch die Gasturbinenschaufel geführt, während die Luft zumindest teilweise in den Heißgaskanal austritt.
Bevorzugtermaßen wird eine Anströmkante der Gasturbinenschaufel mit dem Dampf und eine Abströmkante der Gasturbinenschaufel mit der Luft gekühlt. Weiter bevorzugt werden mindestens drei Viertel der Schaufelwand eines Schaufelblatts der Gasturbinenschaufel mit dem Dampf gekühlt.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 und 2
jeweils eine dampfgekühlte Gasturbinenschaufel nach dem Stand der Technik,
FIG 3
eine luft- und dampfgekühlte Gasturbinenschaufel, und
FIG 4
eine Gasturbine.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt eine rein dampfgekühlte Gasturbinenschaufel 1 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbinenschaufel 1 ist entlang einer Schaufelachse 2 gerichtet. Die Gasturbinenschaufel 1 weist eine Schaufelwand 3 auf. Die Schaufelwand 3 bildet ein Schaufelblatt 4. Außer dem Schaufelblatt 4 weist eine Gasturbinenschaufel 1 üblicherweise auch noch ein Kopf- und ein Fußteil auf, welche hier aber der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Das Schaufelblatt 4 weist eine Saugseite 5 und eine Druckseite 7 auf. Weiterhin weist das Schaufelblatt 4 eine Anströmkante 9 und eine Abströmkante 11 auf. Die Schaufelwand 3 begrenzt einen inneren Hohlraum 13. In der Schaufelwand 3 sind entlang der Schaufelachse 2 gerichtete Strömungskanäle 15 angeordnet.
Eine solche Gasturbinenschaufel 1 ist im Heißgaskanal einer Gasturbine angeordnet und wird dort von sehr heißem Gas umströmt. Zum Schutz vor Beschädigungen wird die Gasturbinenschaufel 1 gekühlt. Dies geschieht durch eine geschlossene Dampfkühlung. Hierzu wird Dampf 17 in den inneren Hohlraum 13 geleitet und über die Strömungskanäle 15 wieder zurückgeführt. Der Dampf 17 kühlt dabei sehr effizient die Schaufelwand 3. Dadurch bleibt die Temperatur der Schaufelwand 3 unterhalb eines kritischen Schmelzpunktes.
Eine weitere, gemäß dem Stand der Technik ausgebildete rein dampfgekühlte Gasturbinenschaufel 1 zeigt Figur 2. Im Unterschied zur Gasturbinenschaufel gemäß Figur 1 ist bei der Gasturbinenschaufel gemäß Figur 2 der innere Hohlraum 13 in Teilhohlräume 13A, 13B, 13C, 13D unterteilt. Diese Unterteilung wird durch entlang der Schaufelachse 2 gerichtete, die Saugseite 5 mit der Druckseite 7 verbindende Versteifungsrippen 19 erreicht. Der Kühldampf 17 wird nun serpentinenartig durch die Teilhohlräume 13A, 13B, 13C, 13D geführt und kühlt dabei die Gasturbinenschaufel 1.
Die Gasturbinenschaufeln gemäß Figur 1 und Figur 2 zeigen beide ein geschlossenes Kühlsystem, d.h. Kühldampf 17 tritt an keiner Stelle in den Heißgaskanal über die Oberfläche des Schaufelblatts 4 auf. Dies führt aus konstruktiven Gründen dabei insbesondere im Bereich der Abströmkante 11 dazu, dass eine gegenüber den aerodynamisch günstigsten Formen zu dicke Kontur folgt. Sowohl durch eine Mindestgröße des Dampf-führenden Hohlraums im Bereich der Abströmkante 11 als auch für eine Mindestwanddicke kann die Abströmkante 11 eine bestimmte Mindestdicke nicht unterschreiten. Typischerweise muß eine Mindestwanddicke von 1,6 mm und ein Mindest-Hohlraumdurchmesser von 1,6 mm vorgesehen werden, so dass eine Mindestdicke von ca. 5 mm auch im Bereich der Abströmkante 11 folgt. Diese relativ hohe Dicke führt zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Gasturbine. Ein weiterer Faktor, der eine Mindestwanddicke beeinflußt, ist das Problem der Wanddickenschwankungen bei gegossenen Gasturbinenschaufeln. Bei einem geschlossenen Dampfkühlsystem einer Gasturbinenschaufel kann der Gusskern nur an der Kopf- und an der Fussseite der Gasturbinenschaufel 1 beim Giessprozess gehaltert werden. In der Mitte der Gasturbinenschaufel 1 ist der Gusskern nicht abgestützt. Beim Abguß kann es dadurch zu Verbiegungen des Gusskerns kommen, welche zu Wanddickenschwankungen für die Schaufelwand 3 führen. Diesen Wanddickenschwankungen muss mit der Mindestwanddicke begegnet werden.
Bei luftgekühlten Turbinenschaufeln muß kein gegenüber dem Heißgaskanal geschlossenes Kühlsystem vorgesehen werden. Dies führt sowohl zu einer Vereinfachung des Fertigungsprozesses insbesondere bei gegossenen Turbinenschaufeln, als auch zur Möglichkeit der Gestaltung relativ dünner Abströmkanten. Die sich daraus ergebenden Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades aufgrund der aerodynamisch günstigeren Gestaltung werden allerdings wieder kompensiert durch den Verlust an Verbrennungsluft ausreichenden Drucks. Die Kühlluft muß nämlich vom Verdichter der Gasturbine abgezweigt werden und steht somit nicht mehr mit ausreichend hohem Druck der Verbrennung zur Verfügung.
Die Gasturbinenschaufel 1 aus Figur 3 zeigt die oben beschriebenen Nachteile rein dampfgekühlter Schaufeln einerseits und rein luftgekühlter Schaufeln andererseits nicht mehr. Die Gasturbinenschaufel 1 weist einen ersten Hohlraum 21 auf, der entsprechend dem inneren Hohlraum der Gasturbinenschaufel 1 der Figur 2 in zwei Teilhohlräüme 21A, 21B unterteilt ist. Die Unterteilung wird durch eine innere Rippe 22 bewirkt, die entlang der Schaufelachse 2 gerichtet die Saugseite 5 mit der Druckseite 7 verbindet. Die Schaufelwand 3 der Gasturbinenschaufel ist teilweise doppelwandig ausgeführt. Eine in der Schaufelwand 3 liegende Kühlkammer 27 erstreckt sich von der Anströmkante 9 bis zum Ende des ersten Hohlraums 21, und zwar sowohl auf der Saugseite 5 als auch auf der Druckseite 7. Die Kühlkammer 27 kommuniziert mit Öffnungen 29 mit dem ersten Hohlraum 21. Ein zweiter Hohlraum 23 ist im Bereich der Abströmkante 11 der Gasturbinenschaufel 1 angeordnet und von der Schaufelwand 3 teilweise gegrenzt. Zur Abströmkante 11 hin ist der zweite Hohlraum 23 zur Schaufelblattoberfläche des Schaufelblatts 4 geöffnet.
Die Kühlung der Gasturbinenschaufeln 1 funktioniert folgendermaßen:
Der Kühldampf 17 wird in den ersten Teilhohlraum 21A geleitet. Aus dem Teilhohlraum 21A gelangt der Kühldampf 17 über die Öffnungen 29 in die Kühlkammer 27 und strömt dort in Richtung auf die Abströmkante 11. Über weitere Öffnungen 29 gelangt der Kühldampf 17 wiederum in den ersten Hohlraum 21, und zwar in den zweiten Teilhohlraum 21B. Dort wird der Kühldampf 17 wieder aus der Gasturbinenschaufel 1 geführt. Durch diesen Aufbau ergibt sich eine sehr effiziente Dampfkühlung des größten Teils der Gasturbinenschaufel 1, und zwar des thermisch besonders belasteten vorderen Teils der Gasturbinenschaufel 1. In den zweiten Hohlraum 23 wird Kühlluft 25 eingeleitet. Diese strömt über die Öffnung des zwieten Hohlraums 23 an der Abströmkante 11 vorbei in den Heißgaskanal. Der hintere Teil der Gasturbinenschaufel 1 ist somit durch die Kühlluft 25 gekühlt. Die Abströmkante 11 kann nun dünn ausgeführt werden, da kein geschlossener Ram wie bei der Dampfkühlung des vorderen Bereichs vorgesehen werden muss. Durch diese dünne Abströmkante 11 werden aerodynamisch sehr günstige Werte erreicht, so dass der Wirkungsgrad einer Gasturbine, in die die Gasturbinenschaufel 1 eingebaut ist, steigt. Weiterhin kann über die Öffnung des zweiten Hohlraums 23 ein Gusskern auch im Bereich zwischen der Kopf- und der Fussseite der Gasturbinenschaufel 1 gehaltert werden. Damit werden Biegungen des Gusskerns erheblich reduziert und es kann eine geringere Wanddicke für die Gasturbinenschaufel 1 erreicht werden. Mit einer geringeren Wanddicke der Schaufelwand 3 ist eine erheblich bessere Kühlung der Gasturbinenschaufel 1 erreichbar. Die Kombination einer gleichzeitigen Luft- und Dampfkühlung der Gasturbinenschaufel 1 ermöglicht somit eine effiziente Kühlung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad.
Figur 4 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine Gasturbine 31. Auf einer Gasturbinenwelle 33 sind hintereinander angeordnet ein Verdichter 35, eine Brennkammer 39 und ein Turbinenteil 37. Das Turbinenteil 37 weist einen Heißgaskanal 38 auf. Im Heißgaskanal 38 sind Gasturbinenschaufeln 1 angeordnet. Wechselnd aufeinander folgend sind Leitschaufelkränze und Laufschaufelkränze vorgesehen. Die in Strömungsrichtung ersten Gasturbinenschaufeln 1 gehören zu einem Leitschaufelkranz einer ersten Stufe der Gasturbine 31. Diese erste Stufe ist besonders hohen Temperaturen von aus der Brennkammer 39 austretendem Heißgas ausgesetzt. Die Gasturbinenschaufeln 1 werden - wie oben ausgeführt - über eine kombinierte Luft- und Dampfkühlung gekühlt. Dazu wird dem Verdichter 35 Verdichterluft entnommen und über eine Luftzuführung 45 den Gasturbinenschaufeln 1 zugeführt. Über eine Dampfzuführung 43 wird den Gasturbinenschaufeln 1 auch Dampf zugeführt. Vorzugsweise stammt dieser Dampf aus einer Dampfturbine eines kombinierten Gas- und Dampfprozesses.

Claims (13)

  1. Luft- und dampfgekühlte Gasturbinenschaufel (1).
  2. Gasturbinenschaufel (1) mit einer Schaufelwand (3), die ein Schaufelblatt (4) mit einer Schaufelblattoberfläche aufweist, wobei die Schaufelwand (3) einen ersten Hohlraum (21) und einen vom ersten Hohlraum (21) vollständig getrennten zweiten Hohlraum (23) begrenzt, und wobei der erste Hohlraum (21) gegenüber der Schaufelblattoberfläche geschlossen und der zweite Hohlraum (23) zur Schaufelblattoberfläche offen ist.
  3. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 2,
    mit einer Anströmkante (9) der Schaufelwand (3), wobei der erste Hohlraum (21) durch den die Anströmkante (9) bildenden Teil der Schaufelwand (3) begrenzt ist.
  4. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 2 oder 3,
    mit einer Abströmkante (11) der Schaufelwand (3), wobei der zweite Hohlraum (23) durch den die Abströmkante (11) bildenden Teil der Schaufelwand (3) begrenzt ist.
  5. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 4,
    bei der der zweite Hohlraum (23) im Bereich der Abströmkante (11) zur Schaufelblattoberfläche offen ist.
  6. Gasturbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gerichtet entlang einer Schaufelachse (2) und mit einer Saugseite (5) und einer Druckseite (7) des Schaufelblattes (4), wobei der erste Hohlraum (21) durch eine die Saugseite (5) und die Druckseite (7) verbindende, entlang der Schaufelachse (2) gerichtete innere Rippe (22) in zwei Teilhohlräume (21A, 21B) unterteilt ist.
  7. Gasturbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der mindestens drei Viertel des das Schaufelblatt (4) bildenden Teiles der Schaufelwand (3) den ersten Hohlraum (21) begrenzen.
  8. Gasturbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
    die als eine Leitschaufel, insbesondere für eine erste Gasturbinenstufe (41), ausgebildet ist.
  9. Gasturbine (31) mit einer Gasturbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6,
    bei der der erste Hohlraum (21) mit einer Dampfzuführung (43) und der zweite Hohlraum (23) mit einer Luftzuführung (45) verbunden ist.
  10. Verfahren zur Kühlung einer in einem Heißgaskanal (38) einer Gasturbine (31) angeordneten Gasturbinenschaufel (1), bei dem gleichzeitig Luft (25) und Dampf (17) durch die Gasturbinenschaufel (1) geleitet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    bei dem der Dampf (17) ohne Kontakt zum Heißgaskanal (38) durch die Gasturbinenschaufel (1) geführt wird und die Luft (25) zumindest teilweise in den Heißgaskanal (38) austritt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
    bei dem eine Anströmkante (9) der Gasturbinenschaufel (1) mit dem Dampf (17) und eine Abströmkante (11) der Gasturbinenschaufel (1) mit der Luft (25) gekühlt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    bei dem mindestens drei Viertel der Schaufelwand (3) eines Schaufelblattes (4) der Gasturbinenschaufel (1) mit dem Dampf (17) gekühlt werden.
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