EP1267041A2 - Gekühlte Turbinenschaufel - Google Patents

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EP1267041A2
EP1267041A2 EP02405389A EP02405389A EP1267041A2 EP 1267041 A2 EP1267041 A2 EP 1267041A2 EP 02405389 A EP02405389 A EP 02405389A EP 02405389 A EP02405389 A EP 02405389A EP 1267041 A2 EP1267041 A2 EP 1267041A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
edge
cavity
blade
side wall
cooling
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.)
Granted
Application number
EP02405389A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1267041A3 (de
EP1267041B1 (de
Inventor
Norman Roeloffs
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 Technology AG
Alstom Schweiz 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 Alstom Technology AG, Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1267041A2 publication Critical patent/EP1267041A2/de
Publication of EP1267041A3 publication Critical patent/EP1267041A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1267041B1 publication Critical patent/EP1267041B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/20Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186Film cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • This invention relates to internally cooled Blades for gas turbines and in particular on one Cooling construction for the tip area of the bucket.
  • Blades for gas turbines are usually cooled, around the material of the blades from the high gas temperatures to protect and prevent its oxidation. Cooling effectively increases durability of the blades and extends their service life.
  • a proven and successful cooling construction for turbine blades is internal cooling.
  • a liquid or gaseous cooling fluid - in usually air drawn from the compressor of the turbine is - through channels in a cavity between the pressure side wall of the blade, the suction side Wall and a lace cap.
  • the lace area includes usually the tip cap and a scraping edge, which is along the pressure side and suction side Wall extends radially away. The rubbing edge has been proportionate thin walls and is relatively far from that Cooling air is removed from inside the blade.
  • the cooling channels guide from the cavity inside the blade either through the Pointed cap to a half space from the brushing edge is enclosed, or by the rubbing edge Crown of this rubbing edge.
  • the liquid or gaseous Cooling fluid flows through these channels, cools the half-space and the brushing edge from the inside and - after the Exit from the outlet openings on the outer surface and finally mixes into the leakage current the gas turbine.
  • a typical problem with the operation of turbines is the occasional, deliberate or accidentally rubbing the tip of the blade against the outer heat shield or against other components, which are attached to the turbine housing.
  • the Rubbing the tip of the blade leads to smearing of material on the blade tip and into one Blockage or even complete blockage the outlet openings of the cooling channels on the blade tip.
  • the cooling of the blade tip is then reduced or even completely interrupted and may be due to overheating to considerable damage the shovel lead.
  • European patent application EP 816 636 discloses a blade for a gas turbine with a typical Scraping edge at the blade tip and cooling channels, designed for cooling the rubbing edge have been.
  • the channels extend from a cavity inside the blade to the pressure side of the blade as well as through the tip cap from the brushing edge enclosed half space. If the contact edge against an outer heat shield or other component As the gas turbine rubs, material can enter the exhaust ports fall on the top cap and the channel for block the liquid or gaseous cooling fluid. About that in addition, the arrangement of the cooling channels does not provide for optimal cooling of the outermost tip of the brushing edge.
  • the cooling structure cooling channels that differ from one Cavity inside the blade through the brushing edge on the suction side to the crown of the brushing edge extend on the suction side. This ensures efficient Cooling the extreme tip area. Indeed there is a high risk of rubbed material the outlet holes of the cooling channels are smeared and clogged.
  • U.S. Patent 5,476,364 discloses a turbine blade without a scraping edge at the tip and with cooling channels, which extend from an inner cooling channel to Extend the pressure side of the blade tip.
  • the cooling channels are at a special angle to the tip surface the shovel arranged.
  • the Outlet openings of the cooling channels in particular one Cavity through a side wall parallel to the surface the shovel runs and through the side wall the outlet opening is formed. This hollowing out is to prevent the outlet opening with material is clogged by an annular shroud over the blades are rubbed off. Instead, that's supposed to rubbed material the coolant flow in one direction distract the more beneficial to the performance of the turbine is.
  • This cooling structure should work provided the abraded material particles are small are. However, if the particles are larger than the cooling channel are likely to clog up.
  • the aim of this invention is to provide a Blade for gas turbines with a scraping edge and a cooling structure for this scraping edge that it allows the cooling fluid to reach the extreme edge of the Touching edge can reach.
  • the Cooling construction also for sufficient cooling worry after an intentional or unintentional Rub with the outer heat shield or one other turbine component has occurred and the Cooling channels due to different particles being rubbed off Size has been blocked or soiled.
  • a turbine blade for a gas turbine which extends from a root to a tip and has a pressure side and a suction side, comprises a pressure-side wall, a suction-side wall and a tip cap.
  • the tip of the blade includes the tip cap and a scraping edge, which extends radially from the pressure-side and suction-side wall to a tip crown on the pressure and suction side. Together with the outer surface of the tip cap, the brushing edge forms a half-space.
  • the rubbing edge comprises a cavity which extends from the half space into the rubbing edge. This cavity extends into the cooling channels, which extend from the cavity within the blade to the tip crown, so that these cooling channels are divided into a first and a second part. The first part leads from the cavity to an outlet opening in the cavity, and the second part leads from the cavity to an outlet opening on the tip crown.
  • the cavity in the brushing edge provides an additional exit opening so that the cooling fluid can exit in the direction of the tip area.
  • the rubbing edge with the second area of the cooling channel protects the cavity and the additional outlet opening from contact with the outer heat shield or other components and from material which is rubbed off when such contact is made.
  • the exit openings on the tip crown are partially or completely blocked by the abraded material, and the cooling fluid can no longer flow through the second region of the cooling channel to the tip crown in order to cool the contact edge from the inside. Instead, the cooling fluid exits through the additional outlet opening in the cavity, flows into the half-space and from there around the contact edge to the tip crown.
  • the liquid or gaseous cooling fluid can flow unhindered through the first area into the cavity and from there through the second area of the cooling channel to the tip crown, cooling the contact edge from the inside by convection.
  • the cooling structure according to the invention thus ensures for cooling even if the outlet opening has been smeared. In particular, this achieves Cooling fluid the outermost edge of the rubbing edge both in cases where the outlet openings are free are, as well as in the cases where the outlet openings are blocked. In addition, the Cooling structure regardless of the size of the rubbed Material particles for cooling.
  • the hollow in the contact edge on both the Pressure side as well as provided on the suction side of the blade is especially for blades suitable, the outlet openings on the top crown both on the pressure side and on the suction side the scoop have.
  • the hollow in the rubbing edge is only provided on the suction side.
  • the outlet openings of the cooling channels the pressure side of the lace area below the lace crown arranged.
  • the blocking problem is not as serious as at the outlet openings on the top crown of the Suction side, and therefore measures to protect the Outlet openings are not absolutely necessary.
  • the cavity according to the invention has a first side wall which lies substantially in the plane of the outer surface of the tip cap.
  • a second side wall of the cavity extends from this first side wall of the cavity to a third side wall which is substantially parallel to the crown of the rubbing edge.
  • the second side wall of the cavity is either curved or straight, with sharp corners to the first and third side walls of the cavity.
  • a cavity with curved or rounded side walls is most conveniently made by casting.
  • a cavity with a straight sidewall and sharp corners is more conveniently made by other methods, such as electrochemical ablation methods.
  • the brushing edge comprises rounded corners or sharp, for example rectangular, corners. Sharp corners on the brushing edge are advantageous with regard to the leakage current at the blade head, since the sharp corners ensure a higher flow rate.
  • Figure 1 shows a perspective view of a Blade according to the invention with a brushing edge and outlet openings of the second parts of the cooling channels on the top crown of the suction side and a hollow in the brushing edge, which is the outlet openings of the first parts of the cooling channels.
  • Figure 2 shows a cross section along the line II-II the tip area of a blade according to the invention with the hollow in the brushing edge and the first and second part of a cooling channel.
  • FIG. 1 shows a perspective illustration of the radially outer region of a rotor blade 1 for a gas turbine according to the invention with a pressure-side wall 2, a suction-side wall 3 and a tip cap 4 at the radial end of the blade.
  • a cooling fluid - usually air, which is taken from the compressor of the turbine - circulates within the cavity 5 and cools the pressure - and suction side wall from the inside by convection.
  • the figure shows in particular the tip area of the blade, which includes a brushing edge 6 and protects the tip area of the blade from damage in the event of contact with the housing of the gas turbine.
  • the contact edge extends radially from the pressure and suction side walls 2 and 3 to the top crown of the pressure side 7 and the top crown of the suction side 8.
  • the contact edge 6 forms a half space 9 together with the tip cap 4.
  • the cooling channels extend from the cavity 5 within the Scoop through the brushing edge 6 to the tip area of the scoop. The cooling fluid flows through these cooling channels and cools the contact edge by cooling from the inside. The cooling fluid then exits the channels through the outlet openings, cools the brushing edge by flowing around the crown, and finally mixes with the gas turbine leakage.
  • a plurality of outlet openings 10 of cooling channels are arranged on the brushing edge and somewhat below the tip crown 7.
  • the abradable edge comprises a cavity which extends from the tip cap 4 into the abradable edge 6.
  • the cavity divides the cooling channels near the suction side into a first part, which extends from the cavity 5 to the outlet openings 11 ′ in the cavity, and into a second part, which extends from the cavity to the outlet openings 11 on the tip crown 8 the suction side extends.
  • Figure 2 shows the cross section along the line II-II the tip area of the blade 1 with the pressure side Wall 2 and the suction side wall 3.
  • the cavity 5 is through the inner surface 12 and the inner Surface 13 of the pressure or suction side Wall and the inner surface 14 of the tip cap 4 formed.
  • a cooling channel 15 extends in a first part 17 from the cavity 5 through the tip cap 4 to the outlet opening 11 'and into the cavity 16.
  • the second part 18 of the channel 15 extends from the cavity 16 through the rubbing edge 6 to the outlet opening 11 on the top crown 8 of the suction side.
  • the cooling fluid 20 freely to the outermost edge of the rubbing edge flow and mix into the leakage current 22.
  • the cooling fluid takes a path 23 from the cavity 16 in the half space 9 and around the brushing edge Lace crown 8. In both cases, an adequate Cooling of the brushing edges including the outermost Edge reached, regardless of in what extent the second part 18 of the cooling channel is blocked is.
  • the cavity 16 is here with a rounded or curved side wall formed the most appropriate is made by casting. A rectangular excavation is most economical through a cutting Shape produced. Both forms are from the standpoint the coolant flow and the effectiveness of the cooling suitable.
  • the brushing edge 6 has a shape with either sharp, for example, rectangular, corners or rounded Corners. Regarding the blade tip leakage current sharp corners lead to a better flow rate.
  • Another cooling channel 25 extends from the cavity 5 to the pressure side of the blade 1.
  • the channel 25 leads to a Outlet opening 10 on the pressure side of the Bucket and below the tip crown 7 of the pressure side is arranged.
  • the cooling fluid 26 through this Outlet opening 10 flows, flows around the brushing edge 6 around, over the top crown 7 of the pressure side in the Half space 9 and from there into leakage current 22.
  • the outlet openings 10 below the top crown are arranged, they are not so susceptible to one Clogging with abraded material such as the outlet openings on the top crown of the suction side and need therefore no protection.
  • the cooling channels extend over the pressure side all the way up to the top crown like this along the suction side of the blade is the case.
  • the brushing edge Similar to the cooling structure on the suction side, which in the figure is specified, the brushing edge also includes a cavity on the pressure side, which is the cooling channel - in the same way as on the suction side of the Bucket divided into two parts.
  • cooling channels provide the pressure side lead, as shown in the figure, for sufficient cooling of the brushing edge so that a construction with a hollow on this side is not necessary.

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Abstract

Eine Schaufel (1) für eine Gasturbine umfasst eine Spitzenkappe (4) und eine Anstreifkante(6) und Kanäle (15, 25) für ein Kühlfluid, die sich von einem Hohlraum (5) zur Anstreifkante (6) erstrecken. Gemäß der Erfindung weist die Anstreifkante (6) eine Aushöhlung (16) auf, die sich von einem Halbraum (9) in die Anstreifkante(6) erstreckt, so dass der Kühlkanal in einen ersten und einen zweiten Teil (17, 18) mit einer Austrittsöffnung (11') in der Aushöhlung (16) beziehungsweise mit einer Austrittsöffnung (11) auf der Spitzenkrone (8) unterteilt wird. Falls die Austrittsöffnung (11) auf der Spitzenkrone (8) blockiert wird, kann das Kühlfluid durch die zusätzliche Austrittsöffnung (11') in den Halbraum(9) strömen und die Anstreifkante (6) kühlen. <IMAGE>

Description

Anwendungsbereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf von innen gekühlte Schaufeln für Gasturbinen und insbesondere auf eine Kühlkonstruktion für den Spitzenbereich der Schaufel.
Hintergrundinformationen zum Stand der Technik
Schaufeln für Gasturbinen werden in der Regel gekühlt, um das Material der Schaufeln vor den hohen Gastemperaturen zu schützen und dessen Oxidation zu verhindern. Die Kühlung erhöht in wirksamer Form die Beständigkeit der Schaufeln und verlängert ihre Lebensdauer im Betrieb. Eine bewährte und erfolgreiche Kühlkonstruktion für Turbinenschaufeln ist die Innenkühlung. Dabei strömt ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid - in der Regel Luft, die von dem Verdichter der Turbine entnommen wird - durch Kanäle in einen Hohlraum zwischen der druckseitigen Wand der Schaufel, der saugseitigen Wand und einer Spitzenkappe. Der Spitzenbereich umfasst in der Regel die Spitzenkappe und einer Anstreifkante, der sich entlang der druckseitigen und saugseitigen Wand radial weg erstreckt. Die Anstreifkante hat verhältnismäßig dünne Wände und ist relativ weit von der Kühlluft im Inneren der Schaufel entfernt. Aus diesem Grund ist er besonders anfällig auf die hohen Temperaturen des Gasstromes. Daher ist die Kühlung dieses Spitzenbereiches besonders wichtig. Um die Kühlung des Spitzenbereichs sicherzustellen, führen die Kühlkanäle vom Hohlraum innerhalb der Schaufel entweder durch die Spitzenkappe zu einem Halbraum, der von der Anstreifkante umschlossen ist, oder durch die Anstreifkante zur Krone dieser Anstreifkante. Das flüssige oder gasförmige Kühlfluid strömt durch diese Kanäle, kühlt den Halbraum und die Anstreifkante von innen sowie - nach dem Austritt aus den Austrittsöffnungen auf der äußeren Oberfläche und mischt sich schließlich in den Leckstrom der Gasturbine. Ein typisches Problem, das bei dem Betrieb von Turbinen auftritt, ist das gelegentliche, absichtliche oder unabsichtliche Reiben der Schaufelspitze gegen den äußeren Hitzeschild oder gegen andere Komponenten, die am Turbinengehäuse angebracht sind. Das Reiben der Schaufelspitze führt zu einem Verschmieren von Material auf der Schaufelspitze und zu einem Verstopfen oder gar zu einem vollständigen Blockieren der Austrittsöffnungen der Kühlkanäle auf der Schaufelspitze. Die Kühlung der Schaufelspitze wird dann reduziert oder sogar vollständig unterbrochen und kann aufgrund der Überhitzung zu einer beträchtlichen Beschädigung der Schaufel führen.
Um ein Verstopfen oder Blockieren der Kühlkanäle zu verhindern, sind mehrere Lösungen vorgelegt worden.
Die europäische Patentanmeldung EP 816 636 offenbart eine Laufschaufel für eine Gasturbine mit einer typischen Anstreifkante an der Schaufelspitze und Kühlkanälen, die für die Kühlung der Anstreifkante konzipiert worden sind. Die Kanäle erstrecken sich von einem Hohlraum innerhalb der Schaufel zur Druckseite der Schaufel sowie durch die Spitzenkappe zum von der Anstreifkante umschlossenen Halbraum. Falls die Anstreifkante gegen einen äußeren Hitzeschild oder eine andere Komponente der Gasturbine reibt, kann Material in die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkappe fallen und den Kanal für das flüssige oder gasförmige Kühlfluid verstopfen. Darüber hinaus sorgt die Anordnung der Kühlkanäle nicht für eine optimale Kühlung der äußersten Spitze der Anstreifkante.
Bei einer Anstreifkante mit einer ähnlichen Form umfasst die Kühlkonstruktion Kühlkanäle, die sich von einem Hohlraum innerhalb der Schaufel durch die Anstreifkante auf der Saugseite bis zur Krone der Anstreifkante an der Saugseite erstrecken. Dies sorgt für eine effiziente Kühlung des äußersten Spitzenbereichs. Allerdings besteht ein hohes Risiko, dass abgeriebenes Material die Ausgangslöcher der Kühlkanäle verschmiert und verstopft.
Das US-Patent 5,476,364 offenbart eine Turbinenschaufel ohne eine Anstreifkante an der Spitze und mit Kühlkanälen, die sich von einem inneren Kühlkanal bis zur Druckseite der Schaufelspitze erstrecken. Die Kühlkanäle sind in einem speziellen Winkel zur Spitzenoberfläche der Schaufel angeordnet. Weiterhin umfassen die Austrittsöffnungen der Kühlkanäle insbesondere einen Hohlraum, der durch eine Seitenwand parallel zur Oberfläche der Schaufel verläuft und durch die Seitenwand der Austrittsöffnung gebildet wird. Diese Aushöhlung soll verhindern, dass die Austrittsöffnung mit Material verstopft wird, das von einem ringförmigen Deckband über den Schaufeln abgerieben wird. Stattdessen soll das abgeriebene Material den Kühlmittelstrom in eine Richtung ablenken, die für die Leistung der Turbine vorteilhafter ist. Diese Kühlkonstruktion dürfte funktionieren, sofern die abgeriebenen Materialpartikel klein sind. Falls jedoch die Partikel größer als der Kühlkanal sind, wird sich dieser wahrscheinlich verstopfen.
Darstellung der Erfindung
Das Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaufel für Gasturbinen mit einer Anstreifkante und einer Kühlkonstruktion für diese Anstreifkante, die es ermöglicht, dass das Kühlfluid den äußersten Rand der Anstreifkante erreichen kann. Insbesondere soll die Kühlkonstruktion auch dann für eine ausreichende Kühlung sorgen, nachdem ein absichtliches oder unabsichtliches Reiben mit dem äußeren Hitzeschild oder einer anderen Turbinenkomponente aufgetreten ist und die Kühlkanäle durch abgeriebene Partikel unterschiedlicher Größe blockiert oder verschmutzt worden sind.
Eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, die sich von einem Fuß bis zu einer Spitze erstreckt und eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, umfasst eine druckseitige Wand, eine saugseitige Wand und eine Spitzenkappe. Die inneren Oberflächen der druckseitigen und saugseitigen Wand bilden zusammen mit der inneren Oberfläche der Spitzenkappe einen Hohlraum mit Kühlkanälen, durch die ein Kühlfluid strömt und die Schaufel von innen durch Konvektion kühlt. Die Spitze der Schaufel umfasst die Spitzenkappe und eine Anstreifkante, der sich radial von der druckseitigen und saugseitigen Wand zu einer Spitzenkrone an der Druck- und der Saugseite erstreckt. Zusammen mit der äußeren Oberfläche der Spitzenkappe bildet die Anstreifkante einen Halbraum. Weitere Kühlkanäle erstrecken sich von dem Hohlraum innerhalb der Schaufel zur Anstreifkante und ermöglichen, dass das Kühlfluid aus dem Hohlraum innerhalb der Schaufel austritt und die Anstreifkante kühlt.
Gemäß der Erfindung umfasst die Anstreifkante eine Aushöhlung, die sich vom Halbraum in die Anstreifkante erstreckt. Diese Aushöhlung reicht bis in die Kühlkanäle hinein, die sich vom Hohlraum innerhalb der Schaufel bis zur Spitzenkrone erstrecken, so dass diese Kühlkanäle in einen ersten und einen zweiten Teil unterteilt werden. Der erste Teil führt vom Hohlraum zu einer Austrittsöffnung in der Aushöhlung, und der zweite Teil führt von der Aushöhlung zu einer Austrittsöffnung auf der Spitzenkrone.
Die Aushöhlung in der Anstreifkante stellt eine zusätzliche Austrittsöffnung bereit, damit das Kühlfluid in Richtung des Spitzenbereichs austreten kann. Die Anstreifkante mit dem zweiten Bereich des Kühlkanals schützt die Aushöhlung und die zusätzliche Austrittsöffnung vor einer Berührung mit dem äußeren Hitzeschild oder anderen Komponenten und vor Material, das bei einer solchen Berührung abgerieben wird. Im Falle einer solchen Berührung werden die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone durch das abgeriebene Material teilweise oder vollständig blockiert, und das Kühlfluid kann nicht mehr durch den zweiten Bereich des Kühlkanals zu der Spitzenkrone strömen, um die Anstreifkante von innen zu kühlen. Statt dessen tritt das Kühlfluid durch die zusätzliche Austrittsöffnung in der Aushöhlung aus, strömt in den Halbraum und von dort um die Anstreifkante herum bis zur Spitzenkrone. Es kühlt die Anstreifkante in wirksamer Weise an dessen äußerer Oberfläche durch Filmkühlung und mischt sich schließlich in den Leckstrom der Gasturbine.
Sofern es nicht zu einem Reiben mit den Turbinenkomponenten kommt, kann das flüssige oder gasförmige Kühlfluid ungehindert durch den ersten Bereich in die Aushöhlung und von dort weiter durch den zweiten Bereich des Kühlkanals zu der Spitzenkrone fließen, wobei es die Anstreifkante von innen durch Konvektion kühlt.
Die Kühlkonstruktion gemäß der Erfindung sorgt so selbst dann für eine Kühlung, wenn die Austrittsöffnung verschmiert worden ist. Insbesondere erreicht das Kühlfluid den äußersten Rand der Anstreifkante sowohl in den Fällen, in denen die Austrittsöffnungen frei sind, als auch in den Fällen, in denen die Austrittsöffnungen blockiert sind. Darüber hinaus sorgt die Kühlkonstruktion ungeachtet der Größe der abgeriebenen Materialpartikel für eine Kühlung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aushöhlung in der Anstreifkante sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Schaufel bereitgestellt. Diese Lösung ist besonders für Schaufeln geeignet, die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Schaufel aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aushöhlung in der Anstreifkante nur auf der Saugseite bereitgestellt. Bei einigen Schaufeltypen werden die Austrittsöffnungen der Kühlkanäle auf der Druckseite des Spitzenbereichs unterhalb der Spitzenkrone angeordnet. Für diese Austrittsöffnungen ist das Problem des Blockierens nicht so schwerwiegend wie bei den Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone der Saugseite, und demzufolge sind Maßnahmen zum Schutz der Austrittsöffnungen nicht unbedingt notwendig.
Die Aushöhlung gemäß der Erfindung hat eine erste Seitenwand, die im wesentlichen in der Ebene der äußeren Oberfläche der Spitzenkappe liegt. Eine zweite Seitenwand der Aushöhlung erstreckt sich von dieser ersten Seitenwand der Aushöhlung zu einer dritten Seitenwand, die im wesentlichen parallel zur Krone der Anstreifkantes ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Seitenwand der Aushöhlung entweder gekrümmt oder gerade, mit scharfen Ecken zur ersten und dritten Seitenwand der Aushöhlung. Eine Aushöhlung mit gekrümmten oder gerundeten Seitenwänden wird am zweckmäßigsten durch Guss hergestellt. Eine Aushöhlung mit einer geraden Seitenwand und scharfen Ecken wird zweckmäßiger durch andere Verfahren, wie zum Beispiel durch elektrochemische Abtragungsmethoden, hergestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anstreifkante abgerundete Ecken oder scharfe, beispielsweise rechteckige, Ecken.
Scharfe Ecken an der Anstreifkante sind hinsichtlich des Leckstroms an dem Schaufelkopf vorteilhaft, da die scharfen Ecken eine höhere Durchflusszahl gewährleisten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Laufschaufel gemäß der Erfindung mit einer Anstreifkante und Austrittsöffnungen der zweiten Teile der Kühlkanäle auf der Spitzenkrone der Saugseite und einer Aushöhlung in der Anstreifkante, welche die Austrittsöffnungen der ersten Teile der Kühlkanäle aufzeigt.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II des Spitzenbereichs einer Laufschaufel gemäß der Erfindung mit der Aushöhlung in der Anstreifkante und dem ersten und zweiten Teil eines Kühlkanals.
Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des radial äußeren Bereichs einer Laufschaufel 1 für eine Gasturbine gemäß der Erfindung mit einer druckseitigen Wand 2, einer saugseitigen Wand 3 und einer Spitzenkappe 4 am radialen Ende der Schaufel. Innerhalb der Laufschaufel 1 bilden die innere Oberfläche der Spitzenkappe 4 und die inneren Oberflächen der druckseitigen und der saugseitigen Wand einen Hohlraum 5. Ein Kühlfluid - in der Regel Luft, die vom Verdichter der Turbine entnommen wird - zirkuliert innerhalb des Hohlraums 5 und kühlt die druck- und saugseitige Wand von innen durch Konvektion.
Die Abbildung zeigt insbesondere den Spitzenbereich der Schaufel, die eine Anstreifkante 6 umfasst und den Spitzenbereich der Schaufel vor Schäden im Falle einer Berührung mit dem Gehäuse der Gasturbine schützt. Die Anstreifkante erstreckt sich radial von der druck- und saugseitigen Wand 2 und 3 zur Spitzenkrone der Druckseite 7 beziehungsweise der Spitzenkrone der Saugseite 8. Die Anstreifkante 6 bildet zusammen mit der Spitzenkappe 4 einen Halbraum 9. Die Kühlkanäle erstrecken sich von dem Hohlraum 5 innerhalb der Schaufel durch die Anstreifkante 6 bis zum Spitzenbereich der Schaufel. Das Kühlfluid strömt durch diese Kühlkanäle und kühlt die Anstreifkante durch Kühlung von innen. Das Kühlfluid tritt dann aus den Kanälen durch die Austrittsöffnungen, kühlt die Anstreifkante, indem es um die Krone strömt, und vermischt sich schließlich mit dem Leckstrom der Gasturbine. Auf der Druckseite der Schaufel 1 sind mehrere Austrittsöffnungen 10 von Kühlkanälen auf der Anstreifkante und etwas unterhalb der Spitzenkrone 7 angeordnet. Mehrere zusätzliche Austrittsöffnungen 11 der Kühlkanäle sind auf der Spitzenkrone der Saugseite 8 angeordnet. Gemäß der Erfindung umfasst die Anstreifkante eine Aushöhlung, die sich von der Spitzenkappe 4 in die Anstreifkante 6 erstreckt. Die Aushöhlung unterteilt die Kühlkanäle in der Nähe der Saugseite in einen ersten Teil, der sich von dem Hohlraum 5 zu den Austrittsöffnungen 11' in der Aushöhlung erstreckt, und in einen zweiten Teil, der sich von der Aushöhlung zu den Austrittsöffnungen 11 auf der Spitzenkrone 8 der Saugseite erstreckt.
Figur 2 zeigt den Querschnitt entlang der Linie II-II des Spitzenbereichs der Laufschaufel 1 mit der druckseitigen Wand 2 und der saugseitigen Wand 3. Der Hohlraum 5 wird durch die innere Oberfläche 12 und die innere Oberfläche 13 der druck- beziehungsweise der saugseitigen Wand sowie der inneren Oberfläche 14 der Spitzenkappe 4 gebildet. Ein Kühlkanal 15 erstreckt sich in einem ersten Teil 17 vom Hohlraum 5 durch die Spitzenkappe 4 zur Austrittsöffnung 11' und in die Aushöhlung 16. Der zweite Teil 18 des Kanals 15 erstreckt sich von der Aushöhlung 16 durch die Anstreifkante 6 zur Austrittsöffnung 11 auf der Spitzenkrone 8 der Saugseite.
Sofern der zweite Teil des Kühlkanals und dessen Austrittsöffnungen 11 auf der Spitzenkrone frei sind, kann das Kühlfluid 20 ungehindert zum äußersten Rand der Anstreifkante strömen und sich in den Leckstrom 22 mischen. Falls jedoch die Austrittsöffnung 11 durch Material verstopft ist, das von dem äußeren Hitzeschild oder der Spitzenkrone der Schaufel abgerieben wurde, nimmt das Kühlfluid einen Weg 23 von der Aushöhlung 16 in den Halbraum 9 und um die Anstreifkante herum zur Spitzenkrone 8. In beiden Fällen wird eine ausreichende Kühlung der Anstreifkantes einschließlich dessen äußerste Kante erreicht, und zwar unabhängig davon, in welchem Umfang der zweite Teil 18 des Kühlkanals verstopft ist.
Die Aushöhlung 16 ist hier mit einer gerundeten oder gebogenen Seitenwand ausgebildet, die am zweckmäßigsten durch Guss hergestellt wird. Eine rechteckige Aushöhlung wird am wirtschaftlichsten durch eine spanabhebende Formgebung hergestellt. Beide Formen sind vom Standpunkt des Kühlmittelstroms und der Wirksamkeit der Kühlung geeignet.
Die Anstreifkante 6 hat eine Form mit entweder scharfen, beispielsweise rechteckigen, Ecken oder gerundeten Ecken. Hinsichtlich des Leckstroms der Schaufelspitze führen scharfe Ecken zu einer besseren Durchflusszahl.
Ein weiterer Kühlkanal 25 erstreckt sich vom Hohlraum 5 zur Druckseite der Schaufel 1. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung führt der Kanal 25 zu einer Austrittsöffnung 10, die auf der Druckseite der Schaufel und unterhalb der Spitzenkrone 7 der Druckseite angeordnet ist. Das Kühlfluid 26, das durch diese Austrittsöffnung 10 fließt, strömt um die Anstreifkante 6 herum, über die Spitzenkrone 7 der Druckseite in den Halbraum 9 und von dort aus weiter in den Leckstrom 22. Da die Austrittsöffnungen 10 unterhalb der Spitzenkrone angeordnet sind, sind sie nicht so anfällig auf ein Verstopfen mit abgeriebenem Material wie die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone der Saugseite und benötigen deshalb keinen Schutz.
In einer Variante der dargestellten Ausführungsform, einer allgemeineren Ausführungsform der Erfindung, erstrecken sich die Kühlkanäle auf der Druckseite über den ganzen Weg bis zur Spitzenkrone, wie dies entlang der Saugseite der Schaufel der Fall ist. Ähnlich wie die Kühlkonstruktion auf der Saugseite, die in der Figur angegeben ist, umfasst die Anstreifkante ebenfalls eine Aushöhlung auf der Druckseite, welche den Kühlkanal - in der gleichen Weise wie auf der Saugseite der Schaufel in zwei Teile unterteilt.
In den meisten Fällen sorgen Kühlkanäle, die zur Druckseite führen, wie es in der Figur dargestellt ist, für eine ausreichende Kühlung der Anstreifkante, so dass eine Konstruktion mit einer Aushöhlung auf dieser Seite nicht notwendig ist.
Begriffe, die in den Abbildungen verwendet werden
1
Laufschaufel
2
druckseitige Wand
3
saugseitige Wand
4
Spitzenkappe
5
Hohlraum
6
Anstreifkante
7
Spitzenkrone auf der Druckseite
8
Spitzenkrone auf der Saugseite
9
Halbraum
10
Austrittsöffnung des Kühlkanals auf der Druckseite
11
Austrittsöffnung des Kühlkanals auf der Saugseite
11'
Austrittsöffnung innerhalb der Aushöhlung an der Anstreifkante an der Saugseite
12
Innere Oberfläche der druckseitigen Wand
13
Innere Oberfläche der saugseitigen Wand
14
Innere Oberfläche der Spitzenkappe
15
Kühlkanal auf der Saugseite
16
Aushöhlung in der Anstreifkante
17
Erster Teil des Kühlkanals auf der Saugseite
18
Zweiter Teil des Kühlkanals auf der Saugseite
20
Kühlmittelstrom auf der Saugseite durch die Spitzenkrone
22
Leckstrom der Gasturbine
23
Kühlmittelstrom auf der Saugseite der Schaufel in den Halbraum und um die Spitzenkrone der Saugseite herum
25
Kühlkanal auf der Druckseite
26
Kühlmittelstrom auf der Druckseite

Claims (6)

  1. Schaufel (1) für eine Gasturbine, bestehend aus einer druckseitigen Wand (2) und einer saugseitigen Wand (3), einer Spitzenkappe (4), einem Hohlraum (5), der durch die innere Oberfläche (12, 13, 14) der druckseitigen Wand (2), der saugseitigen Wand (3) und der Spitzenkappe (4) gebildet wird, und einer Anstreifkante (6), der sich radial von der druckseitigen und saugseitigen Wand (2, 3) erstreckt, einem Halbraum(9), der durch die äußere Oberfläche der Spitzenkappe (4) und der Anstreifkantes(6) gebildet wird, und Kühlkanälen (15, 25), die vom Hohlraum (5) zur Anstreifkante(6) führen;
    dadurch gekennzeichnet, dass die Anstreifkante(6) eine Aushöhlung aufweist, die sich vom Halbraum(9) in die Anstreifkante erstreckt, so dass die Aushöhlung (16) den Kühlkanal in einen ersten Teil und einen zweiten Teil unterteilt, wobei der erste Teil eine Austrittsöffnung in der Aushöhlung aufweist, durch ein Kühlfluid in den Halbraum(9) und um die Anstreifkante (6) fließen kann, und der zweite Teil eine Austrittsöffnung auf der Spitzenkrone der Anstreifkantes aufweist.
  2. Schaufel (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aushöhlung in der Anstreifkante (6) sowohl entlang der Druckseite als auch entlang der Saugseite der Schaufel (1) erstreckt.
  3. Schaufel (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aushöhlung (16) in der Anstreifkante (6) entlang der Saugseite der Schaufel (1) erstreckt.
  4. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (16) eine erste Seitenwand aufweist, die im wesentlichen in der Ebene der äußeren Oberfläche der Spitzenkappe(4) liegt, und eine zweite Seitenwand, die sich von der ersten Seitenwand zu einer dritten Seitenwand erstreckt, wobei die dritte Seitenwand im wesentlichen parallel zu der Spitzenkrone (8) der Anstreifkante verläuft.
  5. Schaufel (1) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seitenwand der Aushöhlung (16) entweder gekrümmt oder gerade verläuft und scharfe Ecken zu der ersten und der dritten Seitenwand aufweist.
  6. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Anstreifkante (6) gerundete Ecken oder scharfe, beispielsweise rechteckige, Ecken umfasst.
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