EP2414639B1

EP2414639B1 - Gekühltes Bauteil für eine Gasturbine

Info

Publication number: EP2414639B1
Application number: EP10709734.7A
Authority: EP
Inventors: Jörg KRÜCKELS; Tanguy Arzel; Jose Anguisola Mcfeat; Martin Schneider
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2030-03-22
Also published as: WO2010112360A1; EP2414639A1; CH700687A1; EP2414639B8; US20120063891A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft ein gekühltes Bauteil für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Laufschaufeln, Leitschaufeln, Hitzeschilde oder andere dem Heissgasstrom einer Gasturbine ausgesetzte Bauteile müssen intensiv gekühlt werden, um den in der Maschine auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen während des Betriebs gewachsen zu sein. Eine Möglichkeit der Kühlung ist die Filmkühlung, bei der durch Öffnungen in der Wand des belasteten Bauteils ein Kühlmedium, in der Regel komprimierte Luft aus dem Kompressorteil der Gasturbine, in den Heissgaskanal austritt und einen kühlenden Film auf der dem Heissgas zugewandten Oberfläche des Bauteils bildet.
Eine andere Möglichkeit der Kühlung, die alternativ oder zusätzlich zur Filmkühlung eingesetzt werden kann, ist die Prallkühlung, bei welcher ein unter Druck stehendes Kühlmedium durch ein mit verteilten Öffnungen versehenes Prallkühlungsblech strömt, und die daraus entstehenden Strahlen auf die im Abstand angeordnete Innenwand des belasteten Bauteils treffen, und wobei das Kühlmedium bei diesem Auftreffen intensiv Wärme von der Wand aufnimmt und abführt.
Die Wirksamkeit der Prallkühlung hängt dabei insbesondere von Art und Verteilung der dafür vorgesehenen Öffnungen im Prallkühlungsblech, vom Abstand des Prallkühlungsblechs von der zu kühlenden Wand, von der gewählten Fortströmungstechnik des Kühlmediums nach dem Auftreffen, also die Fortströmung des Kühlmediums nach durchgeführter Kühlungsarbeit, und allgemein von der Differenz der vor und hinter dem Prallkühlungsblech herrschenden Drücke des Kühlmediums ab. Fliesst das Kühlmedium indessen aus der zwischen Prallkühlungsblech und zu kühlender Wand gebildeten Kammer durch Kanäle in der Wand in den Heissgasstrom ab, wird die Druckdifferenz von dem an dieser Stelle herrschenden statischen Druck im Heissgaskanal massgeblich mitbestimmt.
Die letztgenannte Konfiguration geht aus Fig. 1 hervor. Die Fig. 1 zeigt ein im Schnitt ein Gasturbinenbauteil 20 mit einem Körper 21, der auf der Aussenseite (die untere Seite in Fig. 1) thermisch hoch belastet ist. Auf der Innenseite des Körpers 21 ist eine Prallkühlungskammer 23 ausgebildet, die durch ein von der Innenwand beabstandetes Prallkühlungsblech 22 abgeschlossen ist. Das Prallkühlungsblech 22 hat eine Vielzahl von verteilt angeordneten Prallkühlungslöchern 25, durch die ein Kühlmedium strahlenförmig in die Prallkühlungskammer 23 eintritt und auf die Innenwand des Körpers 21 trifft (Pfeile in Fig. 1). Nachdem das Kühlmedium beim Aufprallen auf die Wand von dort Wärme aufgenommen hat, strömt es über eine (oder mehrere) Kühlbohrung(en) nach aussen in den Heissgaskanal ab.
Aus der Druckschrift EP-A2-0 698 723 ist ein gekühltes Leitschaufelsegment einer Gasturbine bekannt, das mittels eines geschlossenen Dampf-Kühlkreislaufs gekühlt wird. Dampf wird dabei durch einen Einlass zugeführt, kühlt die Innenseiten des Leitschaufelsegments mittels Prallkühlung und wird durch einen separaten Auslass wieder nach aussen abgeleitet. Das Segment ist durch Rippen in einzelne Kammern unterteilt, in denen jeweils Prallkühlungsbleche angeordnet sind. Die Prallkühlungskammern haben jedoch keine Verbindung zum Heissgaskanal.
Aus der Druckschrift WO-A1-02/50402 ist eine gekühlte Gasturbinenschaufel bekannt, bei der die innere Plattform mittels Prallkühlung gekühlt wird. Der Prallkühlungsbereich ist durch eine Rippe in zwei Zonen unterteilt, um die Kühlung beeinträchtigende Kreuzströmungen zu verringern und örtliche Wärmeübertragungskoeffizienten zu verkleinern. In einem beiden Zonen gemeinsamen Bereich sind Filmkühlungslöcher angeordnet, durch welche die Kühlluft aus beiden Zonen in den Heissgaskanal austritt.
Nachteilig ist bei diesen bekannten Lösungen, dass die Prallkühlung nicht direkt an die jeweiligen statischen Druckverhältnisse im Heissgaskanal und an die lokale thermische Belastung gleichermassen optimal angepasst ist.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein gekühltes Bauteil für eine Gasturbine anzugeben, welches die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass eine den lokalen thermischen Belastungen und statischen Druckverhältnissen optimal angepasste, gleichförmige Kühlung der belasteten Oberfläche erzielt wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die erfindungsgemässe Lösung ist, dass mehrere parallel arbeitende Prallkühlungskammern vorgesehen sind, die jeweils durch eigene Filmkühlbohrungen mit dem Heissgaskanal in Verbindung stehen, und dass die Dichte und/oder die Verteilung und /oder der Durchmesser der Prallkühlungslöcher resp. der Durchflussquerschnitt der Öffnungen in den Prallkühlungsblechen der einzelnen Prallkühlungskammern an die jeweilige thermische Belastung und/oder den jeweiligen im Betrieb herrschenden statischen Druck an der Aussenseite der Wand angepasst ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine mit einer Plattform versehene Schaufel der Gasturbine, insbesondere einer Leitschaufel, ist, und die prallgekühlte Wand eine Wand der Plattform ist.
Dokument EP 1 808 575 A offenbart eine zwischen einem äusseren und einem inneren Deckband angeordnete Turbinenschaufel, deren Längsachse gegenüber der Radialrichtung der Turbine verkippt ist. Hierdurch können Filmkühllöcher in einem Bereich des inneren Deckbandes, insbesondere zwischen Vorderkante und Saugseite der Schaufel, angeordnet werden. Es sind hier mehrere Kühlkammern im Bereich des inneren Deckbandes vorgesehen, wobei diese Kühlkammern mit einem Prallkühlbleck (54) abgedeckt sind. Im Betrieb wird der Durchfluss des Kühlmittels, das aus den Hohlräumen der Schaufel kommt, durch die Filmkühllöcher des inneren Deckbandes und durch die Prallkühllöcher (56) im Prallkühlblech dosiert.
Dokument EP 0 937 863 A zeigt eine Schaufelplattform (1), die mittels Prallkühlung gekühlt wird. Hierzu befinden sich auf der dem Heissgaskanal abgewandten Seite der Plattform (1) separate Kammern (2, 3, 4) die mit einer Prallkühlungsplatte (11) abgedeckt sind. Die Kühlluft wird durch Bohrungen (12) in der Prallkühlungsplatte (11) in die Kammern geblasen, und sie tritt jeweils durch eigene Filmkühlungsbohrungen wieder aus.
Dokument GB 2 210 415 A offenbart eine Turbinenschaufel, bei welcher ein, bezogen auf die longitudinale Richtung der Schaufel, mittlerer Bereich verstärkt gekühlt wird, um insgesamt eine möglichst gleichmässige Temperaturverteilung in der Schaufel zu erreichen. Die Schaufel weist einen innen liegenden Körper auf, der mit der Schaufelwand einen Hohlraum einschliesst. Im mittleren Bereich des Körpers sind Prallkühlungsöffnungen eingebracht, durch welche die Kühlluft auf die Wand prallt. Der obere und der untere Bereich der Schaufel werden konvektiv gekühlt.
DoKument US 6 471 480 B1 offenbart eine gekühlte Turbinenlaufschaufel, wobei im äußeren Deckband Kühlkammern angeordnet sind, welche Filmkühlungsöffnungen zum Heissgaskanal aufweisen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Plattform in eine sequentielle Kühlung der Schaufel eingebunden ist, bei der die Plattform und das Schaufelblatt der Schaufel von demselben Kühlmedium durchströmt werden.
Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel ein Schaufelblatt mit einer Vorderkante und einer Hinterkante umfasst, und dass eine stromabwärts der Hinterkante angeordnete Prallkühlungskammer mit ihrem Prallkühlungsblech für eine verstärkte Kühlung ausgelegt ist, die auf die erhöhte thermische Belastung durch die sich an der Hinterkante ausbildende Wirbelschleppe abgestimmt ist. Die stromab der Hinterkante angeordnete Prallkühlungskammer kann sich auch in einem Hitzeschild befinden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Hitzeschild ist, wo die Prallkühlung in verschiedenen Kammern angeordnet ist.

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. Es zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch ein herkömmlich gekühltes Gasturbinenbauteil mit einer durchgehenden Prallkühlungskammer, die von einem gleichförmigen Prallkühlungsblech abgedeckt ist;
Fig. 2: in perspektivischer Ansicht eine Schaufelplattform mit mehreren separaten, parallel arbeitenden Prallkühlungskammern gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 3: in einer vereinfachten Darstellung den Schnitt in der Ebene III-III durch die mit Prallkühlungsblechen versehene Schaufel gemäss Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines prallgekühlten Bauteils in Form einer Schaufel 10 einer Gasturbine wiedergegeben. Die Schaufel 10 hat ein sich in der Schaufellängsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 15, an das am einen Ende eine quer stehende Plattform 11 anschliesst. In Fig. 2 ist der Blick von hinten auf die Plattform 11 gezeigt, in Fig. 3 der Schnitt durch die Plattform 11 entlang der Linie III-III in Fig. 2. Die Plattform 11 hat eine im Wesentlichen senkrecht zur Schaufellängsrichtung orientierte Wand 28, mit der sie an den Heissgaskanal 27 der Gasturbine angrenzt. Im Heissgaskanal 27 beaufschlagt das Heissgas die dort angeordneten Lauf- und Leitschaufeln, wie dies in Fig. 3 durch die horizontalen Pfeile angedeutet ist.
Das Schaufelblatt 15 der Schaufel 10 ist stromaufwärts durch eine Vorderkante 16 und stromabwärts durch eine Hinterkante 17 begrenzt. Es hat eine konvex gebogene Saugseite und eine konkav gebogene Druckseite, die in den Figuren nicht direkt zu sehen sind. Bei stark thermisch belasteten Schaufeln ist der Innenraum 12 des Schaufelblattes 15 üblicherweise mit mehreren Kühlkanälen durchzogen durch welche ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, geleitet wird. Aufgrund der Strömungsverhältnisse im Heissgaskanal 27 und an den Schaufelblättern 15 ergeben sich um das Schaufelblatt 15 herum unterschiedliche Druck- und Temperaturverhältnisse, die in Fig. 3 dadurch angedeutet sind, dass an der Wand 28 der Plattform 11 im Bereich der Vorderkante 16 ein (statischer) Druck p_a und eine Temperatur T_a eingetragen sind, und im Bereich der Hinterkante 17 ein (statischer) Druck p_b und eine Temperatur T_b, die sich in der Regel von dem Druck p_a und der Temperatur T_a zum Teil auch stark unterscheiden.
Entsprechend diesen lokal variierenden thermischen Verhältnissen ist auch die thermische Belastung der Wand 28 der Plattform 11 auf der dem Heissgaskanal 27 zugewandten äusseren Seite lokal unterschiedlich. Ist die lokale Temperatur hoch, ist in der Regel auch die thermische Belastung hoch, und umgekehrt. Darüber hinaus spielen die lokalen Strömungsverhältnisse eine Rolle, weil der Wärmeübergang zwischen dem Heissgas und der Wand davon abhängt, ob die lokale Strömung laminar oder turbulent ausfällt, oder ob an der dortigen Stelle sogar eine Ruhezone vorliegt.
Die vorliegende Lösung schlägt daher vor, thermisch unterschiedlich belastete Bereiche der Wand 28 entsprechend unterschiedlich zu kühlen, um einerseits eine möglichst gleichmässige Kühlung bzw. Temperaturverteilung der Plattform 11 zu erreichen und andererseits möglichst wenig Kühlluft zu verbrauchen, da der Kühlluftverbrauch in den Wirkungsgrad der Maschine eingeht. Zu diesem Zweck ist die Prallkühlung auf der Rückseite der Wand 28 gezielt in unterschiedliche Bereiche unterteilt, die jeweils eine eigene Prallkühlungskammer 13 bzw. 13a, 13b aufweisen, wobei die kühlungstechnische Konfiguration dieser Prallkühlungskammern das jeweilige Belastungsverhältnis widerspiegelt. Jede der durch Trennwände 14 bzw. Stege voneinander getrennten, parallel arbeitenden Prallkühlungskammern 13a, 13b ist ein eigenes Prallkühlungsblech 19a, 19b zugeordnet, in den Prallkühlungsöffnungen 18a, 18b unterschiedlicher Anzahl und/oder Verteilung und/oder unterschiedlichen Durchmessers resp. Durchflussquerschnitts vorgesehen sind. Die Prallkühlungsbleche 19a, 19b können einzelne separate Bleche sein; sie können aber auch so gestaltet sein, dass durch ein grosses gemeinsames Prallkühlungsblech unterschiedliche Bereiche erfasst werden, so dass sich dieses Prallkühlungsblech dann über alle Prallkühlungskammern 13a, 13b erstreckt.
Die durch die Prallkühlungsöffnungen 18a, 18b in die Prallkühlungskammern 13a, 13b in Strahlen eintretende Kühlluft prallt auf die Innenseite der Wand 28, nimmt dabei Wärme von der Wand auf und transportiert sie ab, indem diese Kühlluft dann aus den Prallkühlungskammern 13a, 13b in den benachbarten Heissgaskanal 27 ausströmt. Der Austritt der aufgeheizten Kühlluft in den Heissgaskanal 27 erfolgt für jede Prallkühlungskammer 13a, 13b separat über eigene Filmkühlbohrungen 26a, 26b. Durch diese Filmkühlbohrungen 26a, 26b gelangt die aufgeheizte Kühlluft auf die Aussenseite der Wand 28 und bildet dort einen Film aus, der kühlt und gegen das Heissgas im Heissgaskanal 27 schützt. Durch diese Filmkühlbohrungen 26a, 26b koppelt die jeweilige Prallkühlungskammer 13a, 13b gleichzeitig an den dort im Heissgaskanal 27 herrschenden statischen Druck an. Im Beispiel der Fig. 3 ist für die Prallkühlungskammer 13a der statische Druck p_a im Heissgaskanal 27 relevant, während für die Prallkühlkammer 13b der statische Druck p_b im Heissgaskanal 27 von Bedeutung ist.
Ist der lokale statische Druck im Heissgaskanal 27 für eine Prallkühlungskammer gering, kann der Druck auf der anderen Seite der Wand 28 abgesenkt werden, um den Kühlluftmassenstrom durch diese Kammer zu begrenzen. Dies bedeutet gleichzeitig, dass der Druckabfall über dem zugehörigen Prallkühlungsblech grösser ausfällt und damit ein höherer Wärmeübergangskoeffizient bei der Prallkühlung erreicht werden kann. Ist der lokale statische Druck im Heissgaskanal 27 für eine Prallkühlungskammer dagegen hoch, muss der Druck auf der anderen Seite der Wand 28 höher ausgelegt werden, um ein Eindringen des Heissgases in die Kammer zu verhindern. Je nach dem herrschenden, lokalen statischen Druck und je nach der thermischen Belastung der Wand 28 in diesen Bereich können durch die abgetrennten und an den lokalen Druck angekoppelten Prallkühlungskammern der optimale Kühlmassenstrom und die optimale Kühlung so eingestellt werden, dass der Wirkungsgrad der Maschine nicht unnötig reduziert wird.
Die Plattform 11 kann mit Vorteil in eine sequentielle Kühlung der Schaufel 10 eingebunden werden. Die Kühlluft wird dabei durch den Innenraum 12 des Schaufelblatts 15 geleitet und strömt dann durch die Prallkühlungsbleche 19a, 19b hindurch in die Prallkühlungskammern 13a, 13b ein, um nach erfolgter Prallkühlung der Wand durch die Filmkühlungsbohrungen 26a, 26b in den Heissgaskanal 27 auszutreten.
Die lokal angepasste und optimierte Prallkühlung ist bei einer Schaufel von Vorteil, bei der eine erhöhte thermische Belastung durch eine sich an der Hinterkante 17 des Schaufelblatts 15 ausbildende Wirbelschleppe auftritt. Eine stromabwärts der Hinterkante 17 angeordnete Prallkühlungskammer 13b ist dann mit ihrem Prallkühlungsblech 19b für eine verstärkte Kühlung ausgelegt (erhöhte Lochdichte in Fig. 3), um die erhöhte thermische Belastung aufzufangen bzw. auszugleichen.
Der finale Zweck der Erfindung ist darin zu sehen, die Kühlung der Plattform so zu gestalten, dass auf die unterschiedlichen Druck- bzw. thermischen Verhältnisse, durch die unterhalb dieser Plattform herrschenden Strömungsverhältnisse Rechnung getragen wird, womit eine uniforme Kühlung der ganzen Plattform erzielt werden kann. Die unterschiedlichen Druckverhältnisse unterhalb der Plattform rühren daher, dass die beaufschlagte Schaufelkontur, insbesondere unmittelbar unterhalb der Plattform, unterschiedlichen Drücken ausgesetzt ist, weshalb auch bei einem erfindungsgemässen Vorschlag vorgesehen ist, die Kühlung der Plattform sektoriell durch einzelne Prallkühlungskammern vorzusehen, wie dies aus den Figuren hervorgeht. Dies führt dann kammerbedingt zu separierten Luftabflüssen, weshalb es wichtig ist, dass der dort herrschende statische Druck bei der Kühlung berücksichtigt wird. Die Ausblasung wird offen konzipiert. Bei der geometrischen Ausgestaltung ist es wichtig, dass die Druckdifferenz möglichst klein gehalten wird, aber doch noch so gross ist, dass die Heissgase nicht in die Kammern zurückschlagen können. Durch die individuelle sektorielle Kühlung wird erreicht, dass der Verbrauch an Kühlungsluft signifikant reduziert werden kann. Insgesamt beruht die erfindungsgemässe Lösung auf der Idee, die individuelle Ausgestaltung der Prallkühlungskammern in Abhängigkeit zu den sich effektiv unterhalb der Plattform bildenden thermischen Verhältnissen vorzunehmen.
Mit der Erfindung ergeben sich die folgenden Vorteile:

Der Kühlluftverbrauch wird reduziert.
Auch Spitzenbelastungen werden beherrscht.
Der Betrieb wird sicherer, wenn eine Lötverbindung ausfällt.
Die Kühlung kann an spezielle thermische Belastungen in bestimmten Bereichen der Schaufel individuelle angepasst werden.
Oberhalb des Prallkühlungsblechs können zusätzliche Öffnungen für die Umgehung einer Bugwelle an der Schaufel vorgesehen werden.
Die Kühlung kann mit sequentiellen Kühlungsanordnungen kombiniert werden, bei denen erst eine äussere Plattform gekühlt wird, und dann parallel das Schaufelblatt und eine innere Plattform.

Bezugszeichenliste

10: Schaufel (Gasturbine)
11: Plattform
12: Innenraum (Schaufelblatt)
13: Prallkühlungskammer
13a,b: Prallkühlungskammer
14: Trennwand
15: Schaufelblatt
16: Vorderkante
17: Hinterkante
18a,b: Prallkühlungsloch
19a,b: Prallkühlungsblech
20: Gasturbinenbauteil (Schaufelplattform, Hitzeschild)
21: Körper
22: Prallkühlungsblech
23: Prallkühlungskammer
24: Filmkühlbohrung
25: Prallkühlungsloch
26a,b: Filmkühlbohrung
27: Heissgaskanal
28: Wand

Claims

Gekühltes Bauteil (10,11), welches für eine Gasturbine geeignet ist, welches Bauteil mit der Aussenseite einer Wand (28) den Heissgaskanal (27) der Gasturbine begrenzt und auf der Innenseite eine Vorrichtung zur Prallkühlung aufweist, wobei die Prallkühlungsvorrichtung eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, parallel wirkenden, aneinander grenzenden Prallkühlungskammern (13a, 13b) umfasst, die durch mit Prallkühlungsöffnungen (18a, 18b) ausgestattete Prallkühlungsbleche (19a, 19b) abgedeckt und mit Kühlluft beaufschlagt werden, wobei die Prallkühlungskammern (13a, 13b) jeweils separate durch eigene Filmkühlbohrungen (26a, 26b) mit dem Heissgaskanal (27) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte und/oder die Verteilung und /oder der Durchmesser resp. Durchflussquerschnitt der Prallkühlungsöffnungen (18a, 18b) in den Prallkühlungsblechen (19a, 19b) der einzelnen Prallkühlungskammern (13a, 13b) an die jeweilige thermische Belastung und/oder dem jeweiligen im Betrieb herrschenden statischen Druck an der Aussenseite der Wand (28) angepasst ist.
Gekühltes Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine mit einer Plattform (11) versehene Schaufel (10) der Gasturbine ist, und die prallgekühlte Wand eine Wand (28) der Plattform (11) ist.
Gekühltes Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (11) in eine sequentielle Kühlung der Schaufel (10) eingebunden ist, bei der die Plattform (11) und das Schaufelblatt (15) der Schaufel (10) von dem Kühlmedium nacheinander durchströmt werden.
Gekühltes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (10) ein Schaufelblatt (15) mit einer Vorderkante (16) und einer Hinterkante (17) umfasst, und dass eine stromabwärts der Hinterkante (17) angeordnete Prallkühlungskammer (13b) mit ihrem Prallkühlungsblech (19b) für eine maximierte Kühlung ausgelegt ist, die in Wirkverbindung mit einer erhöhten thermischen Belastung auf Grund von sich an der Hinterkante (17) bildenden Wirbelschleppen steht.
Gekühltes Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Hitzeschild ist.
Gekühltes Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschild mit einer Prallkühlung in verschiedenen Kammern versehen ist.