EP2384393B1 - Gekühlte schaufel für eine gasturbine - Google Patents

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EP2384393B1
EP2384393B1 EP10701389.8A EP10701389A EP2384393B1 EP 2384393 B1 EP2384393 B1 EP 2384393B1 EP 10701389 A EP10701389 A EP 10701389A EP 2384393 B1 EP2384393 B1 EP 2384393B1
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EP
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flow
pressure
trailing edge
cooling
flow direction
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Jörg KRÜCKELS
Thomas Heinz-Schwarzmaier
Brian Kenneth Wardle
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • 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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    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/122—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the trailing edge of a stator vane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • 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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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a cooled blade for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a cooled blade for a gas turbine of the type mentioned, which avoids the disadvantages of previous blades and at the same time characterized by low aerodynamic losses and a significantly reduced consumption of cooling air.
  • the object is solved by the entirety of the features of claim 1. It is essential for the inventive solution that the pressure-side wall ends in the flow direction to form a pressure-side lip at a distance from the trailing edge, such that the cooling air exits the interior of the pressure side, that the interior at a distance from the trailing edge by a Variety of parallel to the flow direction oriented ribs is divided into a plurality of parallel cooling channels, which cause a high pressure drop, and in which turbulators are arranged to increase the cooling effect, and that shortly before the exit of the cooling air from the interior in the flow path of the cooling air across distributed to the flow direction, a plurality of flow barriers are provided.
  • the invention is characterized in that the linear density of the flow barriers is smaller than the linear density of the ribs.
  • the flow barriers each have a teardrop-shaped edge contour, wherein the pointed end points in the flow direction.
  • the invention is characterized in that between the cooling channels and the flow barriers in a two-dimensional grid arrangement, a plurality of pins is arranged, which extend transversely to the flow direction between the suction side and pressure side wall through the interior.
  • the Figures 1 and 2 show the internal structure of the airfoil 24 of a blade 10 for a gas turbine according to an embodiment of the invention.
  • the blade 10 has a (convex) suction side 15 and a (concave) pressure side 16, of which in Fig. 1 only the portions lying near the trailing edge 13 are shown.
  • On the suction side 15, the airfoil 24 is delimited by a first wall 11, on the pressure side 16 by a second wall 12.
  • the two walls 11, 12 enclose an interior space 14, which is flowed through by cooling air for cooling the airfoil 24.
  • the hot gas of the turbine flows on the airfoil 24 in one of the (in Fig. 1 not shown) leading edge to the trailing edge 13 pointing flow direction 25 over.
  • the cooling air flows in the same direction through the interior 14 and exits Bech the trailing edge 13 of the blade 10 from.
  • the trailing edge 13 is formed by the end of the suction-side wall 11.
  • the pressure-side wall 12 terminates at a distance in front of this trailing edge 13, so that the cooling air in the resulting gap on the pressure side 16 exits even before the trailing edge 13 and a film cooling the Trailing edge 13 causes.
  • the staggered arrangement of the edges of the two walls 11 and 12 creates a particularly thin cooled trailing edge 13, which significantly reduces the aerodynamic losses at the trailing edge 13.
  • the supplied inside the blade 10 cooling air is sent on its way to the trailing edge 13, first by a plurality of parallel, oriented in the flow direction 25 cooling channels 23, which are formed by axial ribs 17 between the two walls 11 and 12.
  • cooling channels 23 turbulators 18 are arranged in the form of oblique ribs on the inner sides of the walls 11, 12, through which the heat exchange with the walls 11, 12 is increased.
  • pins 19 On the cooling channels 23 follow distributed in a kind of lattice structure arranged pins 19 which, like the axial ribs 17, extend between the two walls 11, 12 and improve the cooling of the wall in this area.
  • the cooling air passes through a single row of drop-shaped flow barriers 20 and then exits from the blade 10 between the pressure side lip 21 and the trailing edge 13 on the pressure side 16.
  • the cross-sectional shape of these flow barriers 20 is not limited to a drop shape. Other forms of flow may be used on a case by case basis. If the flow in a certain direction or strength to be influenced, the flow barriers 20 are designed accordingly.
  • the linear density of the flow barriers 20 is less than the linear density of the axial ribs 17. However, this is again not necessarily understand, because depending on the design, the density of the flow barriers 20 may be equal to or greater than the linear density of the axial ribs 17 are selected ,
  • a series of film cooling holes 22 is additionally provided in front of the cooling channels 23, exits through the cooling air on the pressure side 16 and forms a cooling film there.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Aus der Druckschrift US5288207 ist eine Leitschaufel mit einer Kühlanordnung bekannt. Aus der Druckschrift EP-A1-1 113 145 ist eine Leitschaufel aus der ersten Reihe einer Gasturbine bekannt, die eine typische Kühlanordnung für die Hinterkante der Schaufel zeigt. Eine Kombination von Rippen und Pins in der zur Hinterkante geleiteten Kühlluftströmung stellt eine effektive Kühlung sicher, wobei der Kühlluftmassenstrom durch eine Drosselvorrichtung an der Hinterkante gesteuert wird. Diese Art der Kühlung hat jedoch den Nachteil, dass vergleichsweise dicke Hinterkanten benötigt werden, wodurch erhebliche aerodynamische Verluste entstehen.
  • Zur notwendigen Optimierung der Effizienz und Ausgangsleistung ist es notwendig,
    • dass die Hinterkante der Schaufel möglich dünn ausgeführt wird, um die dortigen aerodynamischen Verluste zu minimieren, und
    • dass möglichst wenig Kühlluft verbraucht wird.
  • Ein geringerer Kühlluftverbrauch kann durch fortgeschrittene Kühlungstechnologien und die Verwendung von rückgekühlter Kühlluft erreicht werden. Die Hinterkanten lassen sich dünner gestalten, wenn die Kühlluft auf der Druckseite der Schaufel herausgelassen wird. Darüber hinaus erfordert der verringerte Kühlluftstrom eine Drosselung an der Hinterkante, die eine hohe Sperrwirkung entfaltet. Eine grosse Sperrwirkung führt jedoch zu einer in der Breite ungleichmässige Verteilung des an der Hinterkante sich ausbildenden Kühlluftfilms, die lokale Überhitzungen ("hot spots") zur Folge hat.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile bisheriger Schaufeln vermeidet und sich gleichzeitig durch geringe aerodynamische Verluste und einen deutlich verringerten Verbrauch an Kühlluft auszeichnet.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die erfindungsgemässe Lösung ist, dass die druckseitige Wand in Strömungsrichtung unter Ausbildung einer druckseitigen Lippe in einem Abstand vor der Hinterkante endet, derart, dass die Kühlluft aus dem Innenraum auf der Druckseite austritt, dass der Innenraum in einem Abstand vor der Hinterkante durch eine Vielzahl von parallel zur Strömungsrichtung orientierten Rippen in eine Vielzahl von parallelen Kühlkanälen unterteilt ist, welche einen hohen Druckabfall verursachen, und in welchen zusätzlich Turbulatoren zur Erhöhung der Kühlwirkung angeordnet sind, und dass kurz vor dem Austritt der Kühlluft aus dem Innenraum im Strömungsweg der Kühlluft quer zur Strömungsrichtung verteilt eine Mehrzahl von Strömungssperren vorgesehen sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Dichte der Strömungssperren kleiner ist, als die lineare Dichte der Rippen.
  • Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Strömungssperren jeweils eine tropfenförmige Randkontur auf, wobei das spitze Ende in Strömungsrichtung zeigt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Kühlkanälen und den Strömungssperren in einer zweidimensionalen Gitteranordnung eine Vielzahl von Pins angeordnet ist, die sich quer zur Strömungsrichtung zwischen der saugseitigen und druckseitigen Wand durch den Innenraum erstrecken.
  • Insbesondere können als Turbulatoren in den Kühlkanälen schräg stehende Rippen an den Innenseiten der saugseitigen und druckseitigen Wand eingesetzt werden.
  • Die gekühlte Schaufel wird auch so betrieben, dass im Innenraum einer solchen Schaufel axiale Rippen wirken, welche eine Vergrösserung der Oberfläche für einen Wärmeübergang zwischen Wänden und Kühlluftstrom erzeugen. Des Weiteren ergeben sich Vorteile, wenn in den Kühlkanälen (23) rippenförmige Turbulatoren orgesehen werden, welche im zugeordneten Wirkungsbereich den Wärmeübertragungskoeffizienten erhöhen. Sodann ergeben sich auch Vorteile, wenn die axialen Rippen und die Turbulatoren gleichzeitig eingebaut werden, welche dann einen Druckabfall bewirken, so dass als Folge am Ausgang der Hinterkante gezielt Strömungssperren vorgesehen werden können, welche im zugeordneten Wirkungsbereich bei einer minimierten Sperrwirkung eine Vergleichsmässigung der Kühlluftströmung erzeugen. Darüber hinaus können diese Strömungssperren durch eine tropfenförmige Ausbildung die laterale Ungleichverteilung des dort entstehenden Kühlluftfilms minimieren, so dass grosse Wirbelschleppen hinter diesen Strömungssperren gar nicht entstehen können.
    • 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 erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
    • Fig. 1
    den Ausschnitt eines Querschnitts durch eine Schaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    Fig. 2
    den Schnitt in der Ebene II-II der Fig. 1.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen den internen Aufbau des Schaufelblattes 24 einer Schaufel 10 für eine Gasturbine gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaufel 10 hat eine (konvexe) Saugseite 15 und eine (konkave) Druckseite 16, von denen in Fig. 1 nur die in der Nähe der Hinterkante 13 liegenden Abschnitte gezeigt sind. Auf der Saugseite 15 wird das Schaufelblatt 24 durch eine erste Wand 11 begrenzt, auf der Druckseite 16 durch eine zweite Wand 12. Die beiden Wände 11, 12 umschliessen einen Innenraum 14, der zur Kühlung des Schaufelblatts 24 von Kühlluft durchströmt wird. Das Heissgas der Turbine strömt am Schaufelblatt 24 in einer von der (in Fig. 1 nicht dargestellten) Vorderkante zur Hinterkante 13 zeigenden Strömungsrichtung 25 vorbei. Die Kühlluft strömt in derselben Richtung durch den Innenraum 14 und tritt im Beeich der Hinterkante 13 aus der Schaufel 10 aus.
  • Bei der Schaufel der Fig. 1 wird die Hinterkante 13 durch das Ende der saugseitigen Wand 11 gebildet. Die druckseitige Wand 12 endet in einem Abstand vor dieser Hinterkante 13, so dass die Kühlluft in der entstehenden Lücke auf der Druckseite 16 bereits vor der Hinterkante 13 austritt und eine Filmkühlung der Hinterkante 13 bewirkt. Durch die versetzte Anordnung der Kanten der beiden Wände 11 und 12 entsteht eine besonders dünne gekühlte Hinterkante 13, welche die aerodynamischen Verluste an der Hinterkante 13 deutlich herabsetzt.
  • Die im Inneren der Schaufel 10 zugeführte Kühlluft wird auf ihrem Weg zur Hinterkante 13 zunächst durch eine Vielzahl von parallelen, in Strömungsrichtung 25 orientierten Kühlkanälen 23 geschickt, die durch axiale Rippen 17 zwischen den beiden Wänden 11 und 12 gebildet werden. In den Kühlkanälen 23 sind an den Innenseiten der Wände 11, 12 Turbulatoren 18 in Form von schrägen Rippen angeordnet, durch die der Wärmeaustausch mit den Wänden 11, 12 erhöht wird. Auf die Kühlkanäle 23 folgen in einer Art Gitterstruktur verteilt angeordnete Pins 19, die sich, wie die axialen Rippen 17, zwischen den beiden Wänden 11, 12 erstrecken und die Kühlung der Wand in diesem Bereich verbessern. Schliesslich passiert die Kühlluft eine einzelne Reihe von tropfenförmigen Strömungssperren 20 und tritt dann zwischen Druckseitenlippe 21 und Hinterkante 13 auf der Druckseite 16 aus der Schaufel 10 aus. Dabei ist die Querschnittsform dieser Strömungssperren 20 nicht ausschliesslich auf eine Tropfenform beschränkt. Andere Strömungsformen können von Fall zu Fall zum Einsatz gelangen. Soll die Strömung in einer bestimmten Richtung oder Stärke beeinflusst werden, so werden die Strömungssperren 20 entsprechend ausgelegt. Die lineare Dichte der Strömungssperren 20 ist dabei geringer als die lineare Dichte der axialen Rippen 17. Dies ist aber wiederum nicht zwingend zu verstehen, denn je nach Auslegungsart kann die Dichte der Strömungssperren 20 gleich oder grösser als die lineare Dichte der axialen Rippen 17 gewählt werden.
  • Auf der Druckseite 16 ist vor den Kühlkanälen 23 zusätzlich eine Reihe von Filmkühlbohrungen 22 vorgesehen, durch die Kühlluft auf die Druckseite 16 austritt und dort einen kühlenden Film ausbildet.
  • Die Schaufel zeichnet sich somit durch die folgenden Eigenschaften und Vorteile aus:
    • Die axialen Rippen 17 ermöglichen eine Kühlanordnung für ein relativ breites aerodynamisches Profil. Die Kühlkanäle 23 zwischen den axialen Rippen 17 haben eine ausreichend kleine Querschnittsfläche, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten selbst für grosse Zwischenräume zwischen Saugseite und Druckseite zu erzielen.
    • Die axialen Rippen 17 vergrössern die Oberfläche für einen Wärmeübergang zwischen Wänden und Kühlluftstrom.
    • Die rippenförmigen Turbulatoren 18 in den Kühlkanälen 23 erhöhen den Wärmeübertragungskoeffizienten zusätzlich.
    • Die axialen Rippen 17 zusammen mit den Turbulatoren 18 bewirken einen grossen Druckabfall. Dies ermöglicht es, am Ausgang Strömungssperren 20 mit einer vergleichsweise geringen Sperrwirkung als Drosselungsvorrichtung einzusetzen, was zu einem sehr gleichmässigen Kühlluftfilm an der Hinterkante 13 führt.
    • Die Pin-Arrays 19 werden in einem Bereich eingesetzt, wo der Zwischenraum zwischen Saugseite und Druckseite bereits geringer ist.
    • Tropfenförmige Strömungssperren 20 werden eingesetzt, um die laterale Ungleichverteilung des Kühlluftfilms zu minimieren, indem grosse Wirbelschleppen hinter den Sperren vermieden werden.
    • Eine Reihe von Filmkühlbohrungen 22 auf der Druckseite 16 ermöglicht eine Verringerung der Temperatur im hinteren Teil der Druckseite 16.
    Bezugszeichenliste
    • 10
    Schaufel (Gasturbine)
    11
    Wand (Saugseite)
    12
    Wand (Druckseite)
    13
    Hinterkante
    14
    Innenraum
    15
    Saugseite
    16
    Druckseite
    17
    axiale Rippe
    18
    Turbulator
    19
    Pin
    20
    Strömungssperre
    21
    druckseitige Lippe
    22
    Filmkühlbohrung
    23
    Kühlkanal
    24
    Schaufelblatt
    25
    Strömungsrichtung

Claims (4)

  1. Gekühlte Schaufel (10) für eine Gasturbine, umfassend ein Schaufelblatt (24), welches sich in Strömungsrichtung (25) zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante (13) erstreckt und auf der Saugseite (15) und auf der Druckseite (16) jeweils durch eine Wand (11 bzw. 12) begrenzt ist, wobei die Wände (11, 12) einen Innenraum (14) einschliessen, in welchem Kühlluft in Strömungsrichtung (25) zur Hinterkante (13) strömt und im Bereich der Hinterkante nach aussen tritt, wobei die druckseitige Wand (12) in Strömungsrichtung (25) unter Ausbildung einer druckseitigen Lippe (21) in einem Abstand vor der Hinterkante (13) endet, derart, dass die Kühlluft aus dem Innenraum (14) auf der Druckseite (16) austritt, dass der Innenraum (14) in einem Abstand vor der Hinterkante (13) durch eine Vielzahl von parallel zur Strömungsrichtung (25) orientierten Rippen (17) in eine Vielzahl von parallelen, einen Druckabfall verursachenden Kühlkanälen (23) unterteilt ist, in welchen zusätzlich Turbulatoren (18) zur Erhöhung der Kühlwirkung angeordnet sind, und dass kurz vor dem Austritt der Kühlluft aus dem Innenraum (14) im Strömungsweg der Kühlluft quer zur Strömungsrichtung verteilt eine Anzahl von Strömungssperren (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet dass die lineare Dichte der Strömungssperren (20) kleiner ist als die lineare Dichte der Rippen (17) und dass zwischen den Kühlkanälen (23) und den Strömungssperren (20) in einer zweidimensionalen Gitteranordnung eine Vielzahl von Pins (19) angeordnet ist, die sich quer zur Strömungsrichtung (25) zwischen der saugseitigen und druckseitigen Wand durch den Innenraum (14) erstrecken
  2. Gekühlte Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungssperren (20) einen strömungskonformen oder quasiströmungskonformen Querschnitt aufweisen.
  3. Gekühlte Schaufel nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungssperren (20) jeweils eine tropfenförmige Randkontur aufweisen, wobei das spitze Ende in Strömungsrichtung (25) zeigt.
  4. Gekühlte Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Turbulatoren (18) in den Kühlkanälen (23) schräg stehende Rippen an den Innenseiten der saugseitigen und druckseitigen Wand (11 bzw. 12) vorgesehen sind.
EP10701389.8A 2009-01-30 2010-01-29 Gekühlte schaufel für eine gasturbine Active EP2384393B1 (de)

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CH00142/09A CH700321A1 (de) 2009-01-30 2009-01-30 Gekühlte schaufel für eine gasturbine.
PCT/EP2010/051112 WO2010086419A1 (de) 2009-01-30 2010-01-29 Gekühlte schaufel für eine gasturbine

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EP2384393A1 EP2384393A1 (de) 2011-11-09
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EP (1) EP2384393B1 (de)
CH (1) CH700321A1 (de)
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