EP2350441A1 - Leitschaufel für eine gasturbine und zugehörige gasturbine - Google Patents

Leitschaufel für eine gasturbine und zugehörige gasturbine

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EP2350441A1
EP2350441A1 EP09755892A EP09755892A EP2350441A1 EP 2350441 A1 EP2350441 A1 EP 2350441A1 EP 09755892 A EP09755892 A EP 09755892A EP 09755892 A EP09755892 A EP 09755892A EP 2350441 A1 EP2350441 A1 EP 2350441A1
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EP
European Patent Office
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slot
gas turbine
trailing edge
vane
guide vane
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Application number
EP09755892A
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English (en)
French (fr)
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EP2350441B1 (de
Inventor
Brian Kenneth Wardle
Andre Saxer
Beat Von Arx
Igor Tsypkaykin
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2350441B1 publication Critical patent/EP2350441B1/de
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    • 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
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2240/304—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the trailing edge of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine technology. It relates to a guide vane for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Such a gas turbine which has become known in the art as GT24 / 26, for example, from an article by 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, wherein the local Fig. 1 is reproduced in the present application as Fig. 1. Furthermore, such a gas turbine from EP-B1 - 0 620 362.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 10 with sequential combustion, in which along an axis 19, a compressor 1 1, a first combustion chamber 14, a high-pressure turbine (HDT) 15, a second combustion chamber 17 and a low-pressure turbine (NDT) 18 are arranged.
  • the compressor 1 1 and the two turbines 15, 18 are part of a rotor which rotates about the axis 19.
  • the compressor 1 1 sucks in air and compresses it.
  • the compressed air flows into a plenum and flows in from there
  • Premix burner where this air is mixed with at least one fuel, fuel supplied at least via the fuel supply 12.
  • Such Premix burners are fundamentally apparent from EP-A1-0 321 809 or EP-A2-0 704 657.
  • the compressed air flows into the premix burners, where the mixing, as stated above, takes place with at least one fuel.
  • This fuel / air mixture then flows into the first combustion chamber 14, into which this mixture passes to form a stable flame front for combustion.
  • the resulting hot gas is partially relaxed in the subsequent high-pressure turbine 15 under working performance and then flows into the second combustion chamber 17, where a further fuel supply 16 takes place. Due to the high temperatures, which still has the hot gas partially released in the high-pressure turbine 15, combustion takes place in the second combustion chamber 17, which combustion is based on autoignition.
  • the hot gas reheated in the second combustion chamber 17 is then expanded in a multistage low-pressure turbine 18.
  • the low-pressure turbine 18 comprises a plurality of rows of blades and vanes arranged alternately in the flow direction, which are arranged alternately.
  • the guide vanes of the third row of guide vanes in the direction of flow are designated in FIG. 1 by the reference numeral 20 '.
  • a gaseous cooling medium eg compressed air from the compressor of the gas turbine is shown or supplied with steam.
  • the cooling medium is sent through cooling channels formed in the blade (often in serpentines) and / or at different points of the blade through holes (holes, Slits) to form a cooling film, particularly on the outside of the blade (film cooling)
  • An example of such a cooled blade is described and illustrated in US-A-5,813,835.
  • the guide blade 20 ' accordinging to FIG. 1 has an airfoil extending in the radial direction between a blade head and a cover plate, wherein the airfoil extends transversely to the direction of the hot gas flow with a pressure side and a suction side between a front edge and a trailing edge and on the pressure side provided in front of the trailing edge is a cooling slot of the type described above, running parallel to the trailing edge, through which a cooling medium can emerge from the guide vane over the entire length of the vane and cool the trailing edge of the vane.
  • the trailing edge of the vane must be made comparatively thin. If, during operation, the blade end of the vane, which abuts the rotor as a result of sealing, is subjected to considerable mechanical forces on the trailing edge of the airfoil, resulting in cracks at the junction between the trailing edge and the inner platform and due to the small thickness of the trailing edge so that an undesirable limitation of the life can lead.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a guide vane of the type mentioned, in which the disadvantages of the previous solution can be avoided, and which is characterized overall by a not impaired due to the thin trailing end life.
  • the object is solved by the entirety of the features of claim 1.
  • Essential for the inventive solution is that means for reducing the thermal stresses are provided below the trailing edge and the cooling slot on the inner platform. By this means it is ensured that without changing the blade geometry, in particular without increasing the wall or material thicknesses, solely by a "decoupling" between the blade head and blade trailing edge, the life of the vane can be favorably influenced.
  • the means for reducing the thermal stresses comprise a slot extending through the inner platform, which is in particular substantially parallel to the plane of the inner platform and has a cross-sectional profile of the shape of a keyhole, with a parallel-sided wall portion and a round, in particular circular, end section arranged at the bottom of the slot.
  • the blade head has a quadrangular base surface, that the trailing edge opens into the blade head with the cooling slot arranged in front of it at one of the four corners, and that the slot intersects this corner.
  • the end portion of the slot with the side walls of the inner platform includes an acute angle, in particular such between 30 ° and 40 °.
  • the slot has a width of less than 1 mm in the region of the wall section, and the end section is formed circular with a radius greater than 1 mm.
  • the slot portion of the wall portion has a width of about 0.4 mm, and the end portion is formed circular with a radius of about 1, 25 mm.
  • the cooling slot in the guide vane is produced by casting.
  • the guide vane according to the invention is advantageously used in a gas turbine, wherein the vane is arranged in a turbine of the gas turbine.
  • the gas turbine is preferably a gas turbine with sequential combustion, the first combustion chamber with a downstream
  • High-pressure turbine and a second combustion chamber having a downstream low-pressure turbine wherein the guide vane is arranged in the low-pressure turbine.
  • the low-pressure turbine has a plurality of rows of guide vanes downstream of one another in the flow direction, and the guide vane is arranged in a middle row of guide vanes.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a gas turbine with sequential
  • FIG. 2 shows a perspective side view of a guide vane for the third row of guide vanes in the low-pressure turbine of a gas turbine with sequential combustion according to FIG. 1 according to a preferred exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 3 is another side perspective view of the blade of Fig. 2;
  • Flow direction (IV in Fig. 2); 5 shows the section through the inner platform in the plane VV in Fig. 4, and
  • FIGS. 2 and 3 show, in different perspective side views, a guide vane for the third row of guide vanes in the low-pressure turbine of a gas turbine with sequential combustion according to FIG. 1 in accordance with a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • the vane 20 comprises a curved airfoil 22 in the longitudinal direction (in radial
  • a cooling slot 29 extending parallel to the trailing edge 28 is arranged shortly before the trailing edge 28, through which cooling air exits from the blade interior and cools the blade area between the cooling slot 29 and the trailing edge 28 and the trailing edge 28 itself.
  • the vane 20 is secured by means of the formed on the top of the cover plate 21 hook-shaped fastening elements 24 and 25 on the turbine housing, while it rests sealingly with the blade head 23 on the rotor.
  • sealing grooves 26 are arranged, which receive strip seals for sealing the gaps between adjacent guide vanes.
  • a slot 33 is disposed substantially parallel to the plane of the platform, which can be seen in Fig. 4 in more detail.
  • the slot 33 has according to 5a shows a keyhole-like cross-sectional profile with a wall portion 33a (with parallel sides or walls) of the width b and a circular end portion 33b with the radius r placed at the bottom of the slot 33.
  • the width b of the wall portion 33a is less than 1 mm, preferably about 0.4 mm, while the radius r of the end portion 33b is greater than 1 mm, preferably about 1, 25 mm.
  • the aim in the dimensioning of the slot is to reduce the mechanical load on the trailing edge of the thermally bending blade head 23, without creating stress concentrations at the bottom of the slot 33 and large volumes in the slot, which result in additional thermal stresses when filled with cooling air could.
  • the blade head has a quadrangular (in particular diamond-shaped) base area.
  • the trailing edge 28 with the cooling slot 29 arranged in front of it opens at one of the four corners (bottom left in FIG. 5) in the blade head 23.
  • the slot 33 intersects this corner with a depth which ensures a sufficient distance of the slot bottom to the trailing edge, wherein the end portion 33b of the slot 33 with the side walls of the inner platform 23 includes an acute angle w, in particular such between 30 ° and 40 °.
  • Essential for the invention in the illustrated embodiment is a slot through the blade head 23, which changes the resulting due to thermal bending of the end-side part voltage flow and relieves the thin trailing edge of the blade with the pressure-side edge cooling.
  • the baseline (end portion 33b) of the slot is not perpendicular to the trailing edge line of curvature, and makes an acute angle with the side surface of the blade head 23 to balance the stresses at both ends of the slot, at the side and rear sides thereof.
  • the slot has the cross-sectional contour of a "keyhole" to reduce the stresses at the bottom of the slot and minimize the overall volume of the slot because a large cavity filled with cooling air would increase the temperature gradient and thus the stresses on the trailing edge.
  • the invention can be used with all turbine vanes. It is preferably used in large stationary gas turbines with sequential combustion, such as the Applicant's GT24 / 26, in the third row of vanes of the low-pressure turbine.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Eine Leitschaufel (20) für eine Gasturbine (10), insbesondere für die Niederdruckturbine (18) einer Gasturbine (10) mit sequentieller Verbrennung, weist ein sich in radialer Richtung zwischen einem Schaufelkopf (23) und einer Deckplatte (21 ) erstreckendes Schaufelblatt (22) auf, wobei sich das Schaufelblatt (22) quer zur Richtung des Heissgasstromes (30) zwischen einer Vorderkante (27) und einer Hinterkante (28) erstreckt und eine Druckseite (31 ) und eine Saugseite aufweist, und wobei auf der Druckseite (31 ) vor der Hinterkante (28) ein parallel zur Hinterkante (28) verlaufender Kühlschlitz (29) vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmedium über die gesamte Länge der Leitschaufel (20) aus der Leitschaufel (20) austreten und die Hinterkante (28) der Leitschaufel (20) kühlen kann. Bei einer solchen Leitschaufel wird die Lebensdauer dadurch verlängert, dass unterhalb der Hinterkante (28) und des Kühlschlitzes (29) an dem Schaufelkopf (23) Mittel (33) zum Reduzieren von thermischen Spannungen vorgesehen sind.

Description

LEITSCHAUFEL FÜR EINE GASTURBINE UND ZUGEHÖRIGE GASTURBINE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Gasturbinentechnik. 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.
Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 10 mit sequentieller Verbrennung, bei der entlang einer Achse 19 ein Verdichter 1 1 , eine erste Brennkammer 14, eine Hochdruckturbine (HDT) 15, eine zweite Brennkammer 17 und eine Niederdruckturbine (NDT) 18 angeordnet sind. Der Verdichter 1 1 und die beiden Turbinen 15, 18 sind Teil eines Rotors, der um die Achse 19 dreht. Der Verdichter 1 1 saugt Luft an und verdichtet sie. Die verdichtete Luft strömt in ein Plenum ein und strömt von dort in
Vormischbrenner, wo diese Luft mit mindestens einem Brennstoff, mindestens über die Brennstoffzufuhr 12 herangeführten Brennstoff vermischt wird. Solche Vormischbrenner gehen grundsätzlich aus EP-A1 -0 321 809 oder EP-A2-0 704 657 hervor.
Die verdichtete Luft strömt in die Vormischbrenner, wo die Vermischung, wie oben ausgeführt, mit mindestens einem Brennstoff stattfindet. Dieses Brennstoff/Luft- Gemisch strömt dann in die erste Brennkammer 14 ein, in welche dieses Gemisch unter Bildung einer stabilen Flammenfront zur Verbrennung gelangt. Das so entstehende Heissgas wird in der anschliessenden Hochdruckturbine 15 unter Arbeitsleistung teilweise entspannt und strömt sodann in die zweite Brennkammer 17 ein, wo eine weitere Brennstoffzufuhr 16 stattfindet. Durch die hohen Temperaturen, welche das in der Hochdruckturbine 15 teilentspannte Heissgas immer noch aufweist, findet in der zweiten Brennkammer 17 eine Verbrennung statt, welche auf Selbstzündung beruht. Das in der zweiten Brennkammer 17 nacherhitzte Heissgas wird dann in einer mehrstufigen Niederdruckturbine 18 entspannt.
Die Niederdruckturbine 18 umfasst in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet mehrere Reihen von Laufschaufeln und Leitschaufeln, die alternierend angeordnet sind. Die Leitschaufeln der in Strömungsrichtung dritten Leitschaufelreihe sind in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 20' versehen.
Bei den hohen Heissgastemperaturen in Gasturbinen der neuen Generationen ist es unabdingbar geworden, die Leit- und Laufschaufeln der Turbine nachhaltig zu kühlen. Dazu wird ein gasförmiges Kühlmedium (z.B. verdichtete Luft vom Verdichter der Gasturbine abgezeigt oder Dampf zugeführt. Bei allen Fällen wird das Kühlmedium durch in der Schaufelgebildete (häufig in Serpentinen verlaufende) Kühlkanäle geschickt und/oder an verschiedenen Stellen der Schaufel durch entsprechende Öffnungen (Bohrungen, Schlitze) nach aussen geleitet, um insbesondere auf der Aussenseite der Schaufel einen kühlenden Film auszubilden (Filmkühlung). Ein Beispiel für eine derartige gekühlte Schaufel ist in der Druckschrift US-A-5,813,835 beschrieben und dargestellt.
Im Rahmen der Schaufelkühlung wird häufig auch die Hinterkante der Schaufel gekühlt, indem Kühlmedium durch eine auf der Druckseite der Schaufel vor der Hinterkante angeordnete, im wesentlichen parallel zur Hinterkante verlaufende schlitzförmige Öffnung (Kühlschlitz) ausgestossen wird und über die Hinterkante und den zwischen Öffnung und Hinterkante liegenden Bereich der Schaufeloberfläche streicht. Eine solche Kühlung der Hinterkante ist in Fig. 3 der US-A-5,813,835 mit den Bezugszeichen 208 und 210 dargestellt.
Die Leitschaufel 20' gemäss Fig. 1 weist ein sich in radialer Richtung zwischen einem Schaufelkopf und einer Deckplatte erstreckendes Schaufelblatt auf, wobei sich das Schaufelblatt quer zur Richtung des Heissgasstromes mit einer Druckseite und einer Saugseite zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante erstreckt und auf der Druckseite vor der Hinterkante ein parallel zur Hinterkante verlaufender Kühlschlitz der oben beschriebenen Art vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmedium über die gesamte Länge der Leitschaufel aus der Leitschaufel austreten und die Hinterkante der Leitschaufel kühlen kann.
Durch den in das Schaufelblatt integrierten, insbesondere gusstechnisch erzeugten Kühlschlitz muss die Hinterkante der Leitschaufel vergleichsweise dünn ausgeführt werden. Wenn sich im Betrieb der an den Rotor dichtungsbedingt anstossende Schaufelkopf der Leitschaufel aufgrund der auftretenden Belastung ausgesetzt wird, werden dadurch erhebliche mechanische Kräfte auf die Hinterkante des Schaufelblattes ausgeübt, die aufgrund der geringen Dicke der Hinterkante zu Rissen an der Verbindungsstelle zwischen Hinterkante und innerer Plattform und damit einer unerwünschten Begrenzung der Lebensdauer führen kann.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leitschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Nachteile der bisherigen Lösung vermieden werden, und die sich gesamthaft durch eine aufgrund der dünnen Hinterkante nicht beeinträchtigte Lebensdauer auszeichnet. Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die erfindungsgemässe Lösung ist, dass unterhalb der Hinterkante und des Kühlschlitzes an der inneren Plattform Mittel zum Reduzieren der thermischen Spannungen vorgesehen sind. Durch diese Mittel wird sichergestellt, dass ohne Änderung der Schaufelgeometrie, insbesondere ohne Erhöhung der Wand- bzw. Materialstärken, allein durch eine „Entkopplung" zwischen Schaufelkopf und Schaufelhinterkante, die Lebensdauer der Leitschaufel günstig beeinflusst werden kann.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zum Reduzieren der thermischen Spannungen einen durch die innere Plattform verlaufenden Schlitz, der insbesondere im Wesentlichen parallel zur Ebene der inneren Plattform orientiert ist und ein Querschnittsprofil von der Form eines Schlüsselloches aufweist, mit einem Wandabschnitt mit parallelen Seiten und einem am Boden des Schlitzes angeordneten, runden, insbesondere kreisförmigen, Endabschnitt.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schaufelkopf eine viereckige Grundfläche aufweist, dass die Hinterkante mit dem davor angeordneten Kühlschlitz an einer der vier Ecken in den Schaufelkopf einmündet, und dass der Schlitz diese Ecke schneidet. Vorzugsweise schliesst dabei der Endabschnitt des Schlitzes mit den Seitenwänden der inneren Plattform einen spitzen Winkel, insbesondere einen solchen zwischen 30° und 40° ein.
Der Schlitz weist im Bereich des Wandabschnitts eine Breite von weniger als 1 mm auf, und der Endabschnitt ist kreisrund mit einem Radius grösser 1 mm ausgebildet. Insbesondere weist der Schlitz Bereich des Wandabschnitts eine Breite von etwa 0,4 mm auf, und der Endabschnitt ist kreisrund mit einem Radius von etwa 1 ,25 mm ausgebildet.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Kühlschlitz in der Leitschaufel gusstechnisch hergestellt. Die erfindungsgemässe Leitschaufel wird mit Vorteil in einer Gasturbine eingesetzt, wobei die Leitschaufel in einer Turbine der Gasturbine angeordnet ist.
Die Gasturbine ist dabei vorzugsweise eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, die eine erste Brennkammer mit einer nachgeschalteten
Hochdruckturbine und eine zweite Brennkammer mit einer nachgeschalteten Niederdruckturbine aufweist, wobei die Leitschaufel in der Niederdruckturbine angeordnet ist. Insbesondere weist die Niederdruckturbine in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Reihen von Leitschaufeln auf, und die Leitschaufel ist in einer mittleren Leitschaufelreihe angeordnet.
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 nicht wesentlichen 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 den prinzipiellen Aufbau einer Gasturbine mit sequentieller
Verbrennung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 in einer perspektivischen Seitenansicht eine Leitschaufel für die dritte Leitschaufelreihe in der Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach Fig. 1 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 eine andere perspektivische Seitenansicht der Schaufel aus Fig. 2;
Fig. 4 in einem Ausschnitt den Blick auf die innere Plattform entgegen der
Strömungsrichtung (IV in Fig. 2); Fig. 5 den Schnitt durch die innere Plattform in der Ebene V-V in Fig. 4, und
Fig. 5a das prinzipielle Querschnittsprofil des Schlitzes in der inneren
Plattform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 2 und 3 sind in unterschiedlichen perspektivischen seitlichen Ansichten eine Leitschaufel für die dritte Leitschaufelreihe in der Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach Fig. 1 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Leitschaufel 20 umfasst ein im Raum gekrümmtes Schaufelblatt 22, dass sich in Längsrichtung (in radialer
Richtung der Gasturbine) zwischen einem Schaufelkopf 23 und einer Deckplatte 21 erstreckt und in Richtung des Heissgasstromes 30 von einer Vorderkante 27 bis zu einer Hinterkante 28 reicht. Zwischen den beiden Kanten 27 und 28 ist das Schaufelblatt 22 nach aussen durch eine Druckseite 31 (in Fig. 2 dem Betrachter zugewandt) und eine (gegenüberliegende) Saugseite 32 (in Fig. 3 dem Betrachter zugewandt) begrenzt. Auf der Druckseite 31 ist kurz vor der Hinterkante 28 ein parallel zur Hinterkante 28 verlaufender Kühlschlitz 29 angeordnet, durch welchen Kühlluft aus dem Schaufelinneren nach aussen tritt und den Schaufelbereich zwischen Kühlschlitz 29 und Hinterkante 28 und die Hinterkante 28 selbst kühlt. Die Leitschaufel 20 ist mittels der auf der Oberseite der Deckplatte 21 ausgebildeten hakenförmigen Befestigungselemente 24 und 25 am Turbinengehäuse befestigt, während sie mit dem Schaufelkopf 23 dichtend am Rotor anliegt. In den Seitenflächen der Deckplatte 21 sind Dichtungsnuten 26 angeordnet, die Streifendichtungen zur Abdichtung der Spalte zwischen benachbarten Leitschaufeln aufnehmen.
Im Schaufelkopf 23 ist im wesentlichen parallel zur Ebene der Plattform ein Schlitz 33 angeordnet, der in Fig. 4 genauer zu erkennen ist. Der Schlitz 33 hat gemäss Fig. 5a ein Schlüsselloch-artiges Querschnittsprofil mit einem Wandabschnitt 33a (mit parallelen Seiten bzw. Wänden) der Breite b und einem am Boden des Schlitzes 33 platzierten kreisrunden Endabschnitt 33b mit dem Radius r. Die Breite b des Wandabschnitts 33a beträgt weniger als 1 mm, vorzugsweise etwa 0,4 mm, während der Radius r des Endabschnitts 33b grösser 1 mm, vorzugsweise etwa 1 ,25 mm ist. Ziel bei der Dimensionierung des Schlitzes ist es, die auf die Hinterkante wirkende mechanische Belastung des sich thermisch verbiegenden Schaufelkopfes 23 zu verringern, ohne Spannungskonzentrationen am Boden des Schlitzes 33 und grosse Volumina im Schlitz zu erzeugen, die durch Füllung mit Kühlluft zu zusätzlichen thermischen Spannungen führen könnten.
Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, hat der Schaufelkopf eine viereckige (insbesondere rautenförmige) Grundfläche. Die Hinterkante 28 mit dem davor angeordneten Kühlschlitz 29 mündet an einer der vier Ecken (in Fig. 5 unten links) im Schaufelkopf 23 ein. Der Schlitz 33 schneidet diese Ecke mit einer Tiefe, die einen ausreichenden Abstand des Schlitzbodens zur Hinterkante gewährleistet, wobei der Endabschnitt 33b des Schlitzes 33 mit den Seitenwänden der inneren Plattform 23 einen spitzen Winkel w, insbesondere einen solchen zwischen 30° und 40° einschliesst.
Wesentlich für die Erfindung in der dargestellten Ausführungsform ist ein Schlitz durch den Schaufelkopf 23, der den aufgrund thermischer Verbiegung des endseitigen Teils entstehenden Spannungsfluss verändert und die dünne Hinterkante der Schaufel mit der druckseitigen Kantenkühlung entlastet. Die Basislinie (Endabschnitt 33b) des Schlitzes ist nicht senkrecht zur Krümmungslinie der Hinterkante, und schliesst mit der Seitenfläche des Schaufelkopfes 23 einen spitzen Winkel ein, um die Spannungen an beiden Enden des Schlitzes, nämlich an der Seitenfläche und an der Rückseite desselben, auszugleichen. Der Schlitz hat die Querschnittskontur eines „Schlüssellochs", um die Spannungen am Boden des Schlitzes zu reduzieren und das Gesamtvolumen des Schlitzes zu minimieren, weil ein grosser mit Kühlluft gefüllter Hohlraum den Temperaturgradienten und damit die Spannungen an der Hinterkante vergrössern würde. Die Erfindung kann bei allen Turbinen-Leitschaufeln eingesetzt werden. Bevorzugt wird sie bei grossen stationären Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung, wie z.B. der GT24/26 der Anmelderin, in der dritten Leitschaufelreihe der Niederdruckturbine eingesetzt.
Durch den die Spannung reduzierenden Schlitz ist es möglich, auch bei Leitschaufeln mit dünner Hinterkante, wie sie bei druckseitiger Kühlung durch einen integrierten Kühlschlitz vorliegen, die gewünschte Lebensdauer zu erreichen.
Bezugszeichenliste
10 Gasturbine
1 1 Verdichter
12,16 Brennstoffzufuhr
13 EV-Brenner
14,17 Brennkammer
15 Hochdruckturbine
18 Niederdruckturbine
19 Achse
20,20' Leitschaufel
21 Deckplatte
22 Schaufelblatt
23 Schaufelkopf (Deckband)
24,25 Befestigungselement (hakenförmig)
26 Dichtungsnut
27 Vorderkante
28 Hinterkante
29 Kühlschlitz
30 Heissgasstrom
31 Druckseite
32 Saugseite
33 Schlitz
33a Wandabschnitt
33b Endabschnitt (Bohrung) b Breite (Schlitz) r Radius (Endabschnitt)
W Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Leitschaufel (20) für eine Gasturbine (10), insbesondere für die Niederdruckturbine (18) einer Gasturbine (10) mit sequentieller Verbrennung, welche Leitschaufel (20) ein sich in radialer Richtung zwischen einem Schaufelkopf (23) und einer Deckplatte (21 ) erstreckendes Schaufelblatt (22) aufweist, wobei sich das Schaufelblatt (22) quer zur Richtung des Heissgasstromes (30) zwischen einer Vorderkante (27) und einer Hinterkante (28) erstreckt und eine Druckseite (31 ) und eine Saugseite (32) aufweist, und wobei auf der Druckseite (31 ) vor der Hinterkante (28) ein parallel zur Hinterkante (28) verlaufender Kühlschlitz (29) vorgesehen ist, durch welchen ein Kühlmedium über die gesamte Länge der Leitschaufel (20) aus der Leitschaufel (20) ausströmt und so die Hinterkante (28) der Leitschaufel (20) kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der
Hinterkante (28) und des Kühlschlitzes (29) an dem Schaufelkopf (23) Mittel (33; 33a, 33b) zum Reduzieren von thermischen Spannungen vorgesehen sind.
2. Leitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Reduzieren der thermischen Spannungen einen durch den Schaufelkopf (23) verlaufenden Schlitz (33; 33a, 33b) umfassen.
3. Leitschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) im Wesentlichen parallel zur Ebene des Schaufelkopfes (23) orientiert ist.
4. Leitschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) ein Querschnittsprofil von der Form eines Schlüsselloches aufweist, mit einem Wandabschnitt (33a) mit parallelen Seiten und einem am
Boden des Schlitzes (33; 33a, 33b) angeordneten, runden, insbesondere kreisförmigen, Endabschnitt (33b).
5. Leitschaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelkopf (23) eine viereckige Grundfläche aufweist, dass die Hinterkante (28) mit dem davor angeordneten Kühlschlitz (29) an einer der vier Ecken in den Schaufelkopf (23) einmündet, und dass der Schlitz (33; 33a, 33b) diese Ecke schneidet.
6. Leitschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (33b) des Schlitzes (33, 33a, 33b) mit den Seitenwänden des Schaufelkopfes (23) einen spitzen Winkel (w) bildet, insbesondere einen solchen zwischen 30 ° und 40 °.
7. Leitschaufel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) im Bereich des Wandabschnitts (33a) eine Breite (b) von weniger als 1 mm aufweist, und der Endabschnitt (33b) kreisrund mit einem Radius (r) grösser 1 mm ausgebildet ist.
8. Leitschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (33; 33a, 33b) im Bereich des Wandabschnitts (33a) eine Breite (b) von etwa 0,4 mm aufweist, und der Endabschnitt (33b) kreisrund mit einem Radius (r) von etwa 1 ,25 mm ausgebildet ist.
9. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschlitz (29) in der Leitschaufel (20) gusstechnisch hergestellt ist.
10. Gasturbine (10) mit einer Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (20) in einer Turbine (15, 18) der Gasturbine (10) angeordnet ist.
1 1. Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (10) eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ist, die eine erste Brennkammer (14) mit einer nachgeschalteten Hochdruckturbine (15) und eine zweite Brennkammer (17) mit einer nachgeschalteten Niederdruckturbine (18) aufweist, und dass die Leitschaufel (20) in der Niederdruckturbine (18) angeordnet ist.
12. Gasturbine nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Niederdruckturbine in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Reihen von Leitschaufeln aufweist, und dass die Leitschaufel (20) in einer mittleren Leitschaufelreihe angeordnet ist.
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