EP1320661B1

EP1320661B1 - Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: EP1320661B1
Application number: EP01980405A
Authority: EP
Inventors: Peter Tiemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: JP4669202B2; DE50113551D1; US6874988B2; WO2002027146A1; US20040022630A1; JP2004510091A; EP1320661A1; EP1191189A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel (1) mit einer kombinierten konvektiven Kühlung mittels eines mäanderförmi-gen Kühlkanals (21) und einer Prallkühlung über einen Prall-kühleinsatz (37). Der Prallkühleinsatz (37) ist in einem ent-lang der Schaufelblattvorderkante (8) verlaufenden ersten Teilabschnitt (23) des meanderförmigen Kühlkanals (21) ange-ordnet. Entlang diese ersten Teilabschnittes (23) verjüngt sich der Prallkühleinsatz (37).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel mit einer Schaufelblattvorderkante und einer Schaufelblatthinterkante und mit einer inneren Kühlstruktur, umfassend einen meanderförmigen Kühlkanal mit entlang der Schaufelachse gerichteten Teilabschnitten zur Führung eines Kühlfluides von der Schaufelblattvorderkante zur Schaufelblatthinterkante.
In der US 5,468,125 ist eine hohle, mittels Kühlluft kühlbare Gasturbinenschaufel offenbart. Die Kühlluft wird in parallel zur Schaufelachse verlaufende Kühlkammern der hohlen Gasturbinenschaufel eingeblasen, wo sie die Kammern durchlaufend von innen die heiße Oberfläche der Gasturbinenschaufel kühlt. Die eintretende, noch nicht aufgeheizte Kühlluft wird zunächst an der Eintrittskante der Gasturbinenschaufel vorbeigeführt, die besonders hohen Temperaturen ausgesetzt ist und daher besonders effizient gekühlt werden muß. Nachdem die Kühlluft auch die anderen Bereiche der Schaufel kühlend durch die Schaufel durchgeführt wurde, verläßt sie diese an der Abströmkante der Schaufel über Bohrungen.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbinenschaufel, die besonders effizient ein Kühlfluid zur Kühlung der Gasturbinenschaufel ausnutzt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Angabe einer entlang einer Schaufelachse gerichteten Gasturbinenschaufel mit einer Schaufelblattvorderkante und einer Schaufelblatthinterkante und mit einer inneren Kühlstruktur, umfassend einen mäanderförmigen Kühlkanal mit entlang der Schaufelachse gerichteten Teilabschnitten zur Führung eines Kühlfluides von der Schaufelblattvorderkante zur Schaufelblatthinterkante, wobei ein erster der Teilabschnitte entlang der Schaufelblattvorderkante verläuft und einen Eintrittsbereich für das Kühlfluid und einen Austrittsbereich für das Kühlfluid aufweist, wobei der der erste Teilabschnitt einen Prallkühleinsatz aufweist, der mit seiner zur Schaufelblattvorderkante gerichteten Einsatzvorderseite parallel zur Schaufelblattvorderkante verläuft, wobei sich der Prallkühleinsatz zum Austrittsbereich hin verjüngt.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß bei einer konventionellen inneren Kühlung einer Gasturbinenschaufel durch einen meanderförmigen Kühlkanal die Schaufelblattvorderkante nicht immer ausreichend effizient gekühlt werden kann, da der thermisch besonders hoch belasteten Außenseite der Schaufelblattvorderkante eine vergleichsweise geringe Oberfläche an der Innenseite der Schaufelblattvorderkante gegenübersteht. Eine rein konvektive Kühlung mittels eines Kühlfluidstromes im Meanderkanalteilbereich an der Schaufelblattvorderkante kann unter Umständen unzureichend sein, um die Temperatur der Schaufelblattvorderkante ausreichend zu senken. Andererseits geht die Erfindung von der Beobachtung aus, daß eine Kühlung alleine mittels eines Prallkühleinsatzes zwar gerade bei der Schaufelblattvorderkante durch die höhere Kühlleistung der Prallkühlung einen größeren Wärmeabtrag ermöglicht, die Kühlung des.Schaufelblattes insgesamt durch den Prallkühleinsatz aber vergleichsweise ineffizient ist, da das Kühlfluid insgesamt weniger Wärme aufnimmt. Bei einer durch Kühlluft gekühlten Gasturbinenschaufel mit einer Meanderkühlung ist beispielsweise das nach Durchlaufen des Meanderka nals aus der Hinterkante austretende Kühlfluid wärmer als das nach einer Prallkühlung ebenfalls aus einer Schaufelhinterkante austretende Kühlfluid.
Die Erfindung kombiniert nun erstmals eine Prallkühlung mit einer Meanderkanalkühlung dergestalt, daß die Vorteile dieser beiden Verfahren ausgenutzt werden, ohne dabei in gleichem Maße den Nachteilen der jeweiligen Verfahren ausgesetzt zu sein. Dies wird dadurch erreicht, daß die Schaufelblattvorderkante mit hoher Kühlleistung durch den Prallkühleinsatz gekühlt wird, der aber nur im ersten Teilabschnitt des meanderförmigen Kühlkanals eingesetzt ist. Der Prallkühleinsatz erstreckt sich dabei parallel zur Schaufelblattvorderkante, so daß die gesamte Schaufelblattvorderkante durch eine Prallkühlung gekühlt wird. Gleichzeitig verjüngt sich aber der Prallkühleinsatz vom Eintrittsbereich des ersten Teilabschnittes bis hin zum Austrittsbereich des ersten Teilabschnittes. Im ersten Teilabschnitt geht also die Art der Kühlung entlang der Strömungsrichtung des im ersten Teilabschnitts strömenden Kühlfluides von einer Prallkühlung zu einer konvektiven Kühlung mittels des im ersten Teilabschnitt strömenden Kühlfluides über: Die übrige Schaufel wird sodann durch das durch die weiteren Teilabschnitte strömende Kühlfluid konvektiv gekühlt. Hierdurch wird das Kühlfluid hinsichtlich seiner Kühlfähigkeit weitestgehend ausgenutzt, ohne dabei aber auf die besonders wirkungsvolle Prallkühlung im Bereich der Schaufelblattvorderkante zu verzichten. Selbstverständlich können weitere Kühlmaßnahmen für die Gasturbinenschaufel vorgesehen sein, z. B. eine Filmkühlung durch aus der Schaufelblattaußenwand austretendes Kühlfluid.

a) Vorzugsweise bedeckt der Prallkühleinsatz den gesamten Einströmbereich. Hierdurch wird zunächst das gesamte Kühlfluid in den Prallkühleinsatz geleitet.
b) Bevorzugt verjüngt sich der Prallkühleinsatz in seiner Querschnittsfläche proportional zu einer gemessen entlang der Schaufelachse auf dem Prallkühleinsatz austretenden Kühlfluidmenge. Die Verjüngung des Prallkühleinsatzes, d.h. die Verkleinerung seiner Querschnittsfläche entlang einer Richtung parallel zur Schaufelachse kann je nach Bedarf in unterschiedlicher Weise erfolgen. Eine Verjüngung proportional entlang der Schaufelachse aus dem Prallkühleinsatz austretenden Kühlluftmenge hat aber insbesondere den Vorteil, daß die Schaufelblattvorderkante überall gleichmäßig mit Prallkühlluft versorgt wird. Dies bedeutet eine besonders homogene Kühlung.
c) Der Prallkühleinsatz ist bevorzugt von quer zur Schaufelachse gerichteten Luftleitrippen umgeben, die aus dem Prallkühleinsatz austretendes Kühlfluid um den Prallkühleinsatz herum in Richtung auf die Schaufelblatthinterkante leiten. Durch solche Luftleitrippen wird also das Kühlfluid, nachdem es prallkühlend auf die Schaufelblattwand aufgetroffen ist, entlang der Außenwand des Prallkühleinsatzes von der Schaufelblattvorderkante weggeleitet und tritt anschließend in den freien Teil des ersten Teilabschnittes ein. Der freie Teil des ersten Teilabschnittes ist jener Teil, in dem der Prallkühleinsatz nicht angeordnet ist. Weiter bevorzugt sind die Luftleitrippen so gegenüber einer senkrecht zur Schaufelachse orientierten Ebene gerichtet, daß sie das Kühlfluid zusätzlich in eine Richtung vom Eintrittsbereich zum Austrittsbereich leiten. Das in den freien Teil des ersten Teilabschnittes eintretende Kühlfluid hat somit bereits eine Strömungskomponente in Richtung der Hauptströmung in diesem ersten Teilabschnitt. Die Strömungsführung mittels der Luftleitrippen ermöglichst somit eine möglichst wirbelfreie und damit hinsichtlich eines Druckverlustes besonders günstige Strömung des Kühlfluides durch die Gasturbinenschaufel.
d) Vorzugsweise ist die Gasturbinenschaufel als eine Leitschaufel ausgeführt, die mit einem Innenring ausgebildet ist. Der Innenring dient bei einer Verwendung der Leitschaufel in einer Gasturbine dazu, einen Heißgaskanal der Gasturbine gegenüber einem Rotor der Gasturbine abzudichten. Vom Prallkühleinsatz führt ein Innenringkühlkanal zum Innenring. Während bei einer konventionellen Kühlung der Gasturbinenschaufel allein durch konvektive Kühlung eines in einem Meanderkanal strömenden Kühlfluides die Effizienz der Kühlung eines Innenrings einer Gasturbinenleitschaufel dadurch herabgesetzt wird, daß das dem Innenring zugeleitete Kühlfluid bereits notwendigerweise durch ein Vorbeiströmen an der Schaufelblattvorderkante aufgeheizt ist, so bietet die Zuleitung von Kühlfluid aus dem Prallkühleinsatz zum Innenring den Vorteil, unaufgeheiztes Kühlfluid dem Innenring zuleiten zu können. Durch die höhere Kühlleistung des unaufgeheizten Kühlfluides ist dadurch der Verbrauch an Kühlfluid für die Innenringkühlung geringer. Dieser Vorteil der Zuleitung von Kühlfluid aus einem Prallkühleinsatz führt aber nun durch die besondere Konstruktion des sich verjüngenden Prallkühleinsatzes nicht zu dem oben beschriebenen Nachteil eines konventionellen Prallkühleinsatzes, der nämlich durch eine schlechte Ausnutzung der Kühlkapazität des Kühlfluides bei der Schaufelblattkühlung zu einem vergleichsweise hohen Verbrauch an Kühlfluid führt.

Die unter a) bis d) beschriebenen Ausführungen lassne sich auch beliebig untereinander kombinieren.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Längsschnitt eine Gasturbinenleitschaufel.
Die Gasturbinenleitschaufel 1 ist entlang einer Schaufelachse 3 gerichtet. Entlang der Schaufelachse 3 weist die Gasturbinenschaufel 1 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 5, einen Plattformbereich 6, einen Schaufelblattbereich 7 und einen Innenring 9 auf. Der Schaufelblattbereich 7 weist eine Schaufelblattvorderkante 8 und eine Schaufelblatthinterkante 10 auf. Der Befestigungsbereich 5 weist eine Verhakung 11 zur Verhakung der Gasturbinenschaufel 1 in einem nicht dargestellten Gehäuse einer Gasturbine auf. Der Innenring 9 weist Absätze 13 zum Eingriff in ein Abdichtungssystem zum Abdichten eines nicht dargestellten Heißgaskanales einer Gasturbine gegenüber einem ebenfalls nicht dargestellten Rotor der Gasturbine auf. Die Gasturbinenschaufel 1 ist hohl ausgeführt.
Ein inneres Kühlsystem der Gasturbinenschaufel 1 wird im folgenden näher erläutert:
Durch das Innere der Gasturbinenschaufel 1 führt ein meanderförmiger Kühlkanal 21. Der meanderförmige Kühlkanal 21 ist aus entlang der Schaufelachse 3 gerichteten Teilabschnitten 23, 25, 27 ausgebaut. Diese Teilabschnitte 23, 25, 27 sind voneinander durch Rippen 31 getrennt. Der erste Teilabschnitt 23 verläuft entlang der Schaufelblattvorderkante 8. In dem meanderförmigen Kühlkanal 21 sind an der Innenseite der Schaufelblattbereiches 7 Turbulatoren 29 angeordnet, die zur Erzeugung von Turbulenz in einem durch den meanderförmigen Kühlkanal 21 strömende Kühlfluid sorgen, was wiederum eine verbesserte Wärmeübertragung auf das Kühlfluid zur Folge hat. Der erste Teilabschitt 23 ist zum Befestigungsbereich 5 hin geöffnet und weist dort einen Eintrittsbereich 33 für Kühlfluid auf. Das an den Innenring 9 angrenzende Ende des ersten Teilabschnittes 23 bildet einen Austrittsbereich 35 für Kühlfluid aus dem ersten Teilabschnitt 23, welches anschließend in den zweiten Teilabschnitt 25 eintritt. In dem ersten Teilabschnitt 23 ist ein Prallkühleinsatz 37 angeordnet. Dieser Prallkühleinsatz 37 läuft sich verjüngend vom Eintrittsbereich 33 zum Austrittsbereich 35 hin konisch zu, so daß drei entlang der Schaufelachse drei aufeinander folgende Querschnittsflächen F1, F2, F3 im Vergleich zueinander entlang dieser Richtung kleiner werden. Der Prallkühleinsatz 37 ist dabei so orientiert, daß er mit seiner Einsatzvorderseite parallel zur Schaufelblattvorderkante 8 verläuft. Dabei erstreckt er sich über die gesamte Länge der Schaufelblattvorderkante 8. Durch die Verjüngung des Prallkühleinsatzes 37 wird in einer Richtung vom Eintrittsbereich zum Austrittsbereich der erste Teilabschitt 23 immer mehr freigegeben. Durch einen linearschrägen Verlauf einer der Einsatzvorderseite 39 gegenüberliegenden Einsatzrückseite 41 des Prallkühleinsatzes 37 wird somit der erste Teilabschnitt 23 gewissermaßen schräg halbiert in eine von dem Prallkühleinsatz 37 belegte Hälfte und eine vom Prallkühleinsatz 37 freie Hälfte.
Der Prallkühleinsatz 37 weist gleichmäßig verteilt Prallkühlbohrungen 43 auf. Auf der Innenseite des Schaufelblattbereiches 7 sind dem Prallkühleinsatz 37 umgebende Luftleitrippen 51 angeordnet. Diese Luftleitrippen 51 erstrecken sich quer zur Schaufelachse 3. Gleichzeitig sind sie gegenüber einer senkrecht zur Schaufelachse 3 orientierten Ebene geneigt. Die Luftleitrippen 51 enden jeweils, bevor sie in den freien Teil des ersten Teilabschnittes 23 eintreten.
Im Bereich der Schaufelblatthinterkante 10 sind im Schaufelblattbereich 7 Filmkühlöffnungen 53 vorgesehen.
Der Prallkühleinsatz 37 mündet im Bereich des Innenrings 9 an einem Innenringkühlkanal 55.
Im Einsatz der Gasturbinenleitschaufel 1 ist diese in einer nicht dargestellten Gasturbine angeordnet und wird von heißem Gas umströmt. Die hohe thermische Belastung erfordert eine Kühlung mittels eines Kühlfluides 61, welches der Gasturbinenleitschaufel 1 über den Eintrittsbereich 33 des ersten Teilabschnittes 23 zugeleitet wird. Da der Prallkühleinsatz 37 den Eintrittsbereich 33 völlig überdeckt, wird das Kühlfluid 61 zunächst vollständig in den Prallkühleinsatz 37 eingeleitet. Aus dem Prallkühleinsatz 37 tritt das Kühlfluid 61 über die Prallkühlbohrungen 43 senkrecht zur Wand des Schaufelblattbereich 7 aus und trifft auf diese kühlend auf. Insbesondere die Schaufelblattvorderkante 8 wird durch Vorderkantenprallkühlbohrungen 45 hierdurch sehr wirkungsvoll gekühlt. Das aus dem Prallkühleinsatz 37 ausgetretende Kühlfluid 61 wird nach erfolgter Prallkühlung sodann über die Luftleitrippen 51 in Richtung auf den freien Teil des ersten Teilabschnittes 23 geleitet, der durch die Verjüngung des Prallkühleinsatzes 37 entsteht. Die Querschnittsfläche des Prallkühleinsatzes 37 verjüngt sich dabei proportional zur aus dem Prallkühleinsatz 37 austretenden Kühlfluidmenge. Das Kühlfluid 61 ist hier Kühlluft. Die am Ende des Prallkühleinsatzes 37 im Bereich des Innenringes 9 verbleibende Prallkühlluft wird über den Innenringkühlkanal 55 in den Bereich des Innenrings 9 geleitet und dient zur Kühlung des Innenrings 9. Die in den freien Teil des ersten Teilabschnittes 23 über die Luftleitrippen 51 eingeleitete Kühlluft 61 wird in den zweiten Teilabschnitt 25 und anschließend in den dritten Teilabschnitt 27 eingeleitet. Von dort tritt sie aus den Filmkühlbohrungen 53 in den Heißgaskanal aus.
Die Schaufelblattvorderkante 8 wird besonders wirkungsvoll prallgekühlt, wobei aber das Kühlfluid 61 im weiteren Verlauf durch den meanderförmigen Kühlkanal 21 geleitet und damit in seiner Kühlwirkung möglichst effizient ausgenutzt wird. Weiterhin kann trotz der Kühlung mittels des meanderförmigen Kühlkanals 21 über den Prallkühleinsatz 37 unaufgeheizte Kühlluft 61 dem Innenring 9 zugeleitet werden, wodurch der Kühlluftverbrauch zur Kühlung des Innenrings 9 gering gehalten wird.

Claims

Entlang einer Schaufelachse (3) gerichtete Gasturbinenschaufel (1) mit einer Schaufelblattvorderkante (8) und einer Schaufelblatthinterkante (10) und mit einer inneren Kühlstruktur, umfassend einen meanderförmigen Kühlkanal (21) mit entlang der Schaufelachse (3) gerichteten Teilabschnitten (23,25,27) zur Führung eines Kühlfluides (61) von der Schaufelblattvorderkante (8) zur Schaufelblatthinterkante (10),
wobei ein erster der Teilabschnitte (23,25,27) entlang der Schaufelblattvorderkante (8) verläuft und einen Eintrittsbereich (33) für das Kühlfluid (61) und einen Austrittsbereich (35) für das Kühlfluid (61) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilabschnitt (23) einen Prallkühleinsatz (37) aufweist, der mit seiner zur Schaufelblattvorderkante (8) gerichteten Einsatzvorderseite (39) parallel zur Schaufelblattvorderkante (8) verläuft, wobei sich der Prallkühleinsatz (37) zum Austrittsbereich (35)hin verjüngt,
wobei im ersten Teilabschnitt (23) die Art der Kühlung des strömenden Kühlfluides im ersten Teilabschnitt (23) von einer Prallkühlung zu einer konvektiven Kühlung übergeht.
Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der der Prallkühleinsatz (37) den gesamten Eintrittsbereich (33) überdeckt.
Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der sich der Prallkühleinsatz (37) in seiner Querschnittsfläche (F1,F2,F3) proportional zu einer gemessen entlang der Schaufelachse (3) aus dem Prallkühleinsatz (37) austretenden Kühlfluidmenge verjüngt.
Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der der Prallkühleinsatz (37) von quer zur Schaufelachse (3) gerichteten Luftleitrippen (51) umgeben ist, die aus dem Prallkühleinsatz (37) austretendes Kühlfluid (61) um den Prallkühleinsatz (37) herum in Richtung auf die Schaufelblatthinterkante (10) leiten.
Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 4, bei der die Luftleitrippen (51) so gegenüber einer senkrecht zur Schaufelachse (3) orientierten Ebene gerichtet sind, dass sie das Kühlfluid (61) zusätzlich in einer Richtung vom Eintrittsbereich (33) zum Austrittsbereich (35)leiten.
Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, die als Leitschaufel mit einem Innenring (9) ausgebildet ist, wobei der Innenring (9) bei Einbau der Leitschaufel in eine Gasturbine einen Heißgaskanal der Gasturbine gegenüber einem Rotor der Gasturbine abdichtet und wobei ein Innenringkühlkanal (55) vom Prallkühleinsatz (37) zum Innenring (9) führt.