EP2260181B1 - Leitschaufel mit hakenförmigem befestigungselement für eine gasturbine - Google Patents

Leitschaufel mit hakenförmigem befestigungselement für eine gasturbine Download PDF

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EP2260181B1
EP2260181B1 EP09721575.0A EP09721575A EP2260181B1 EP 2260181 B1 EP2260181 B1 EP 2260181B1 EP 09721575 A EP09721575 A EP 09721575A EP 2260181 B1 EP2260181 B1 EP 2260181B1
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EP
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cover plate
gas turbine
guide vane
rear edge
vane
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Igor Tsypkaykin
Beat Von Arx
Christoph Nagler
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
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General Electric Technology GmbH
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    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a guide vane for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines with sequential combustion are known and have proven themselves in industrial use.
  • Such a gas turbine which has become known in the art as GT24 / 26, for example, from an article of Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24 / GT26 Gas Turbine Family", IGTI / ASME 98-GT-220, 1998 Sweden ,
  • the local Fig. 1 shows the basic structure of such a gas turbine, where the local Fig. 1 in the present application as Fig. 1 is reproduced. Furthermore, such a gas turbine goes out EP-B1-0 620 362 out.
  • the vanes 10 of Fig. 1 have a longitudinally extending airfoil 11, which in the flow direction of the hot gas (parallel arrows in Fig. 1 ) is bounded by a leading edge 14 and a trailing edge 15.
  • the blade 11 is bounded by a blade head 13 and an outer cover plate 12 (sometimes also referred to as shroud, this element being referred to below as the cover plate only).
  • the blade head 13 defines the annular hot gas channel of the turbine on the inside and usually abuts on the rotor shaft of the turbine via a seal segment not shown in detail.
  • the cover plate 12 defines with its inner side 19 the hot gas channel to the outside.
  • a front and rear hook-shaped fastening element 16 and 17 are formed, which serve on the one hand for fastening the guide vane 10 on the inner housing of the turbine and on the other hand to Absorption and fixation of heat shields adjacent to each other in the flow direction ("heat shields" Fig. 2 , Pos. 24) are available.
  • a receiving groove 18 is provided on the rear fastening element 17, in which a heat recovery segment can be inserted.
  • the receiving groove 18 is limited to the cover plate 12 through a horizontal base surface 18 ', which together with the oblique inner side 19 of this cover plate 12 in the region of the trailing edge 15 forms a wedge-shaped portion 19', which is characterized by a large volume of material.
  • the transition 21 between the trailing edge 15 of the vane 10 and the cover plate 12 is a critical range for the life of the vane 10, since it sets a high thermal load resulting from a thermal-mechanical mismatch between the cover plate 12 and the blade 11 This results in a peak being superimposed on the stress resulting from the load of the airfoil 11 loaded by the hot gas flow.
  • the above-mentioned large volume of material in the wedge-shaped portion 19 'above the trailing edge 15 now leads to a significant increase in the thermal stresses in this important for the life of the vane 10 area and thus to a reduction in the life itself, bearing in mind the fact that modern gas turbines high Require temperatures related to the working fluids, which are in many cases beyond the permissible material temperature economically useful materials.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a guide vane for gas turbines, which avoids the disadvantages of the previous vanes with extremely small and targeted changes in the design and is characterized by a significantly improved life.
  • the object is solved by the entirety of the features of claim 1.
  • Essential to the invention is that means are provided on the cover plate of the guide vane between the receiving groove and the trailing edge, which ensure a reduction of the thermal and mechanical stresses in the region of the transition between the trailing edge and cover plate. As a result of this engagement directly on the cover plate in the region of the trailing edge, the thermal and mechanical loads with regard to the service life of the blade can be sustainably improved there in a very simple and efficient manner.
  • the cover plate has a reduced material thickness in the region between the trailing edge and the receiving groove. This material reduction effectively minimizes the stresses caused by thermal and mechanical stresses in this area.
  • the means for reducing the thermal and mechanical stresses preferably comprise a groove formed between receiving groove and trailing edge in the cover plate, which groove is arranged substantially parallel to the inside of the cover plate and directed counter to the flow direction.
  • the trailing edge of the blade is formed opposite to the fastening element in the flow direction set back by a distance.
  • the vane of the invention can be used to advantage in a gas turbine.
  • FIGS. 2 and 3 is in one too Fig. 1 comparable representation of a guide vane according to an embodiment of the invention.
  • the guide vane 20 in turn comprises an airfoil 11 with leading edge 14 and trailing edge 15 which is delimited in the longitudinal direction by a vane head 13 and a cover plate 12.
  • the cover plate 12 also here has an obliquely outwardly inclined inside in the flow direction 19.
  • hook-shaped fasteners 16 and 17 are formed, wherein the Rear fastening element 17 is formed on the rear side of a receiving groove 22 for an adjacent heat spreader 24.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Leitschaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung sind bekannt und haben sich im industriellen Einsatz bewährt.
    Eine solche Gasturbine, welche in Fachkreisen als GT24/26 bekannt geworden ist, geht beispielsweise aus einem Aufsatz von Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24/GT26 Gasturbine Family", IGTI/ASME 98-GT-220, 1998 Stockholm. Die dortige Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Gasturbine, wobei die dortige Fig. 1 in der vorliegenden Anmeldung als Fig. 1 wiedergegeben ist. Des Weiteren geht eine solche Gasturbine aus EP-B1-0 620 362 hervor.
  • Die Leitschaufeln 10 der Fig. 1 haben ein sich in Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 11, das in Strömungsrichtung des Heissgases (parallele Pfeile in Fig. 1) von einer Vorderkante 14 und einer Hinterkante 15 begrenzt ist. In der Längsrichtung wird das Schaufelblatt 11 von einem Schaufelkopf 13 und einer äusseren Deckplatte 12 (bisweilen auch Deckband genannt, wobei dieses Element im folgenden nur noch Deckplatte genannt wird) begrenzt. Der Schaufelkopf 13 begrenzt den ringförmigen Heissgaskanal der Turbine auf der Innenseite und stösst ublicherweise über ein nicht näher gezeigtes Dichtungssegment an die Rotorwelle der Turbine an. Die Deckplatte12 begrenzt mit ihrer Innenseite 19 den Heissgaskanal nach aussen.
  • An der Aussenseite der Deckplatte 12, die mit einem Kühlmedium (z. B. Kühlluft) durchströmt ist, sind ein vorderes und hinteres hakenförmiges Befestigungselement 16 bzw. 17 angeformt, die einerseits zur Befestigung der Leitschaufel 10 am inneren Gehäuse der Turbine dienen und andererseits zur Aufnahme und Fixierung von in Strömungsrichtung benachbarten Wärmestausegmenten ("heat shields". Siehe Fig. 2, Pos. 24) zur Verfügung stehen. Hierzu ist am hinteren Befestigungselement 17 eine Aufnahmenut 18 vorgesehen, in die ein Wärmestausegment eingeschoben werden kann. Die Aufnahmenut 18 ist zur Deckplatte 12 hin durch eine horizontale Grundfläche 18' begrenzt, die zusammen mit der schrägen Innenseite 19 dieser Deckplatte 12 im Bereich der Hinterkante 15 einen keilförmigen Abschnitt 19' bildet, der durch ein grosses Materialvolumen charakterisiert ist.
  • Der Übergang 21 zwischen der Hinterkante 15 der Leitschaufel 10 und der Deckplatte 12 stellt einen kritischen Bereich für die Lebensdauer der Leitschaufel 10 dar, da sich in ihm eine hohe thermische Belastung einstellt, die sich aus einer thermisch-mechanischen Fehlanpassung zwischen Deckplatte 12 und Schaufelblatt 11 ergibt, wobei dies dazu führt, dass eine Spitze in der mechanischen Spannung, welche aus der Belastung des durch die Heissgasströmung beaufschlagten Schaufelblattes 11 resultiert, überlagert wird. Das oben erwähnte grosse Materialvolumen im keilförmigen Abschnitt 19' oberhalb der Hinterkante 15 führt nun zu einem deutlichen Anstieg der thermischen Spannungen in diesem für die Lebensdauer der Leitschaufel 10 wichtigen Bereich und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer selbst, eingedenk der Tatsache, dass moderne Gasturbinen hohe Temperaturen betreffend die Arbeitsfluide erfordern, die in vielen Fällen jenseits der zulässigen Materialtemperatur wirtschaftlich einsetzbarer Werkstoffe liegen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leitschaufel für Gasturbinen zu schaffen, welche mit äusserst geringen und gezielten Änderungen im Design die geschilderten Nachteile der bisherigen Leitschaufeln vermeidet und sich durch eine deutlich verbesserte Lebensdauer auszeichnet.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass an der Deckplatte der Leitschaufel zwischen der Aufnahmenut und der Hinterkante Mittel vorgesehen sind, welche eine Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen im Bereich des Übergangs zwischen Hinterkante und Deckplattegewährleisten. Durch diesen Eingriff direkt an der Deckplatte im Bereich der Hinterkante können dort auf sehr einfache und effiziente Weise die thermischen und mechanischen Belastungen im Hinblick auf die Lebensdauer der Schaufel nachhaltig verbessert werden.
  • Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Deckplatte im Bereich zwischen Hinterkante und Aufnahmenut eine reduzierte Materialstärke auf. Durch diese Materialreduktion können wirkungsvoll die durch thermische und mechanische Spannungen hervorgerufenen Belastungen in diesem Bereich minimiert werden.
  • Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen eine zwischen Aufnahmenut und Hinterkante in die Deckplatte eingebrachte Hohlkehle, die im wesentlichen parallel zur Innenseite der Deckplatte angeordnet und entgegen der Strömungsrichtung gerichtet ist.
  • Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Hinterkante der Schaufel gegenüber dem Befestigungselement in Strömungsrichtung um einen Abstand zurückversetzt ausgebildet ist.
  • Die Leitschaufel nach der Erfindung kann mit Vorteil in einer Gasturbine eingesetzt werden.
    • Kurze Erläuterung der Figuren
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen
    • Fig. 1
    in einer Seitenansicht eine Leitschaufel, wie sie bisher in Gasturbinen eingebaut worden ist;
    Fig. 2
    in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Leitschaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
    Fig. 3
    einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 2 mit dem Übergang von der Hinterkante des Schaufelblattes zum hinteren Befestigungselement der Leitschaufel.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In Fig. 2 und 3 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Leitschaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Leitschaufel 20 umfasst wiederum ein Schaufelblatt 11 mit Vorderkante 14 und Hinterkante 15, das in Längsrichtung von einem Schaufelkopf 13 und einer Deckplatte 12 begrenzt ist. Die Deckplatte 12 hat auch hier eine in Strömungsrichtung schräg nach aussen geneigte Innenseite 19. Auf der Aussenseite der Deckplatte 12 sind wiederum hakenförmige Befestigungselemente 16 und 17 ausgebildet, wobei am hinteren Befestigungselement 17 auf der hinteren Seite eine Aufnahmenut 22 für ein angrenzendes Wärmestausegment 24 ausgebildet ist.
  • Zur Verringerung der thermischen und mechanischen Spannungen zwischen der Hinterkante 15 des Schaufelblattes 11 und der Deckplatte 12 ist nun unterhalb der Aufnahmenut 22 eine im wesentlichen parallel zur Innenseite 19 verlaufende Hohlkehle 23 vorgesehen, die zu einer deutlichen Reduktion der Dicke und damit des Materialvolumens der Deckplatte 12 im Bereich oberhalb der Hinterkante 15 führt. Gleichzeitig ist die Hinterkante 15 in Strömungsrichtung gegenüber dem hinteren Befestigungselement 17 mit einem Abstand a (Fig. 3) nach hinten versetzt wodurch eine weitere thermische und mechanische Entkopplung erreicht wird.
  • Insgesamt kann die Lösung gemäss der Erfindung wie folgt charakterisiert werden:
    • Eine Hohlkehle 23, die in ihrer Form hinsichtlich der thermisch-mechanischen Anpassung zwischen der Deckplatte 12 und der Hinterkante 15 optimiert ist, reduziert das Materialvolumen oberhalb der Hinterkante 15.
    • Die Hohlkehle 23 ist unterhalb der Aufnahmenut 22 angeordnet.
    • Die Hinterkante 15 ist gegenüber dem Befestigungselement 17 zurückversetzt, um die thermische Spannung an dem kritischen Übergang zwischen Hinterkante und Deckplatte 12 zu reduzieren.
    • Die Hohlkehle 23 wird so dimensioniert, dass die Reduktion des Materialvolumen oberhalb der Hinterkante 15 keine Festigkeitseinbusse am bestimmungsgemässen Gebrauch der Schaufel nach sich zieht.
    Bezugszeichenliste
    • 10,20
    Leitschaufel (Gasturbine)
    11
    Schaufelblatt
    12
    Deckplatte
    13
    Schaufelkopf
    14
    Vorderkante
    15
    Hinterkante
    16,17
    Befestigungselement (hakenförmig)
    18,22
    Aufnahmenut (Wärmestausegment)
    18'
    Grundfläche (Aufnahmenut)
    19
    Innenseite (äussere Plattform)
    19'
    Keilförmiger Abschnitt
    21
    Übergang (Hinterkante-äussere Plattform)
    23
    Hohlkehle
    24
    Wärmestausegment
    25
    Heissgas
    a
    Abstand

Claims (3)

  1. Leitschaufel (20) für eine Gasturbine, welche Leitschaufel (20) ein sich in Schaufellängsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (11) umfasst, das von einer Vorderkante (14) und einer Hinterkante (15) begrenzt ist, sowie eine Deckplatte (12) aufweist, deren Innenseite (19) dem durch die Gasturbine strömenden Heissgas ausgesetzt ist, und an der nach aussen abstehend im Bereich der Hinterkante mindestens ein hakenförmiges Befestigungselement (17) zum Befestigen der Leitschaufel (20) an einem Gehäuse oder an Elementen der Gasturbine vorgesehen ist, wobei das hakenförmige Befestigungselement oberhalb der Hinterkante (15) mindestens eine Aufnahmenut (22) zum Fixieren eines an die äussere Deckplatte (12) der Leitschaufel (20) in Strömungsrichtung des Heissgases anschliessenden Wärmestausegments (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Deckplatte (12) der Leitschaufel (20) zwischen der Aufnahmenut (22) und der Hinterkante (15) des Schaufelblattes (11) eine Hohlkehle (23) entgegen der Strömungsrichtung zur Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen im Bereich des Übergangs (21) zwischen Hinterkante (15) und Deckplatte (12) eingebracht ist, dass die Deckplatte (12) im Bereich zwischen Hinterkante (15) und Aufnahmenut (22) eine reduzierte Dicke aufweist,
    dass der Verlauf der Hohlkehle (23) im Wesentlichen parallel zur Innenseite (19) der Deckplatte (12) ausgebildet ist und dass die Hinterkante (15) in Strömungsrichtung gegenüber dem Befestigungselement (17) um einen Abstand (a) nach hinten versetzt ist.
  2. Anwendung der Leitschaufel (20) nach Anspruch 1 für eine Gasturbine.
  3. Anwendung der Leitschaufel (20) nach Anspruch 2 für eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung.
EP09721575.0A 2008-03-19 2009-02-18 Leitschaufel mit hakenförmigem befestigungselement für eine gasturbine Active EP2260181B1 (de)

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