EP2489837A1 - Drosseleinsatz für Turbinenschaufel und zugehörige Turbinenschaufel - Google Patents

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EP2489837A1
EP2489837A1 EP11154936A EP11154936A EP2489837A1 EP 2489837 A1 EP2489837 A1 EP 2489837A1 EP 11154936 A EP11154936 A EP 11154936A EP 11154936 A EP11154936 A EP 11154936A EP 2489837 A1 EP2489837 A1 EP 2489837A1
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EP
European Patent Office
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throttle
blade
turbine blade
flexible sealing
sealing elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11154936A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Winfried Esser
Giuseppe Gaio
Waldemar Heckel
Rudolf Küperkoch
Oliver Lüsebrink
Thorsten Mattheis
Mirko Milazar
Artur Mol
Uwe Paul
Oliver Ricken
Oliver Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • F01D5/188Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/10Stators
    • F05D2240/12Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/122Fluid guiding means, e.g. vanes related to the trailing edge of a stator vane
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/20Rotors
    • F05D2240/30Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/304Characteristics 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/614Fibres or filaments

Definitions

  • the invention relates to a throttle insert according to the preamble of claim 1, as well as a turbine blade according to claim 6.
  • Turbine blades in particular those for gas turbines, must be cooled.
  • coolant is blown out through corresponding openings in the outer walls from the interior of the turbine blade to the outer surface of the blade walls.
  • the amount of blown coolant must be set as accurately as possible. This is done today via throttle inserts in the turbine blades whose throttle openings are dimensioned accordingly.
  • a generic turbine blade with a throttle insert is for example from the EP 1 717 416 A1 known and in FIG. 5 shown.
  • the turbine blade 21 has, along a blade longitudinal axis 23, a blade root 25, a platform region 27, and a blade profile 29 of a wing shape in succession.
  • the turbine blade is hollow in its interior for guiding coolant 51, preferably cooling air, so that it can withstand the high temperatures of the hot gas flowing around as the working medium of the gas turbine.
  • the blade profile 29 has a leading edge 31 for the inflowing hot gas and an outflow edge 33, at which the hot gas flowing around the blade profile 29 leaves the turbine blade 21.
  • a sheet-like throttle insert 39 is provided over approximately the full height of the blade profile 29, into which a plurality of throttle openings 41 introduced in the form of holes 43 are.
  • the throttle insert 39 may here be part of the mold for casting the turbine blade 21, which remains in the casting after casting, or it was subsequently inserted into the casting and sealed by welding, soldering or other suitable method between the pressure side wall 37 and the suction side wall 35 attached.
  • the object of the invention is to provide a throttle insert and a turbine blade, which overcome the disadvantage described above.
  • the flexible sealing elements either on one side or on the front side to the edge regions of the throttle plate.
  • FIG. 1 shows a partial section of a first embodiment of a throttle insert with a throttle plate B with throttle openings D, in which metal wool is soldered as a flexible sealing element A on one side to the edge regions of the throttle plate B.
  • FIG. 2 shows a detail of a second embodiment in which the metal wool A is applied on the front side on two opposite edge regions of the throttle plate B.
  • FIG. 3 is a training in which additional metal wool on a third edge area, here the front side, is applied.
  • FIG. 4 shows in section a section of a turbine blade with the two walls W1 and W2 of the concave curved pressure side wall and a spaced apart convexly curved suction side wall. Both walls W1 and W2 have on opposite sides at the point where the throttle insert to be introduced corresponding guide elements S1 and S2, which are designed here as guide grooves in which the throttle insert is inserted and fixed.
  • FIG. 4 also shows in enlarged detail the inserted into the guide grooves S1 and S2 and accordingly 1 to 3 trained throttle inserts.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drosseleinsatz zum Unterteilen eines kühlmitteldurchströmten Hohlraums einer Turbinenschaufel in zwei Teilräume, wobei der Hohlraum durch Schaufelwandungen der Turbinenschaufel begrenzt ist, und wobei der Drosseleinsatz ein Drosselblech mit Durchführungen aufweist, deren Gesamtgröße eine Drosselleistung des Kühlmittelstroms zwischen den Teilräumen bestimmt. Erfindungsgemäß sind an Randbereichen des Drosselblechs flexible Dichtelemente zum Abdichten angebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drosseleinsatz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 6.
  • Turbinenschaufeln insbesondere solche für Gasturbinen müssen gekühlt werden. Dazu wird Kühlmittel über entsprechende Öffnungen in den Außenwandungen aus dem Innern der Turbinenschaufel heraus an die außenliegende Oberfläche der Schaufelwandungen ausgeblasen. Für eine effiziente und an die Leistung der Gasturbine angepasste Kühlung der Schaufelwandungen, muss dazu die Menge an ausgeblasenem Kühlmittel möglichst exakt eingestellt werden. Dies geschieht heute über Drosseleinsätze in den Turbinenschaufeln, deren Drosselöffnungen entsprechend dimensioniert sind.
  • Eine gattungsgemäße Turbinenschaufel mit einem Drosseleinsatz ist beispielsweise aus der EP 1 717 416 A1 bekannt und in FIG 5 dargestellt. Die Turbinenschaufel 21 weist entlang einer Schaufellängsachse 23 aufeinander folgend einen Schaufelfuß 25, ein Plattformbereich 27 und ein im Querschnitt tragflügelförmiges Schaufelprofil 29 auf. Die Turbinenschaufel ist in ihrem Inneren zur Führung von Kühlmittel 51, vorzugsweise Kühlluft, hohl ausgebildet, damit sie den hohen Temperaturen des umströmenden Heißgases als Arbeitsmedium der Gasturbine widerstehen kann. Das Schaufelprofil 29 weist eine Anströmkante 31 für das anströmende Heißgas und eine Abströmkante 33 auf, an der das, das Schaufelprofil 29 umströmende Heißgas die Turbinenschaufel 21 verlässt. Zwischen der Anströmkante 31 und der Abströmkante 33 erstreckt sich eine konvex gebogene Saugseitenwand 35 und eine dazu beabstandete, konkav gebogene Druckseitenwand 37. Im Bereich der Abströmkante 33 ist hier ein blechförmiger Drosseleinsatz 39 über annähernd die vollständige Höhe des Schaufelprofils 29 vorgesehen, in den mehrere Drosselöffnungen 41 in Form von Bohrungen 43 eingebracht sind. Der Drosseleinsatz 39 kann hier Teil der Gießform zum Gießen der Turbinenschaufel 21 sein, welcher nach dem Gießen im Guss verbleibt, oder er wurde nachträglich in den Guss eingesetzt und durch Schweißen, Löten oder ein anderes geeignetes Verfahren zwischen der Druckseitenwand 37 und der Saugseitenwand 35 dicht befestigt. Wird ein solches Drosselblech aber auf eine solche Art und Weise fest mit den gegossenen Turbinenwandungen verbunden, kann es aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften während des Betriebs der Gasturbine aufgrund der hohen Temperaturen des Heißgases und der damit bewirkten unterschiedlichen Materialausdehnungen zu Spannungen an einer solchen Verbindung kommen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Drosseleinsatz und eine Turbinenschaufel bereitzustellen, die den zuvor beschriebenen Nachteil überwinden.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Drosseleinsatz mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie der Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
  • Dadurch, dass an Randbereichen des Drosselblechs flexible Dichtelemente, wie beispielsweise Metallwolle, zum Abdichten angebracht sind, können sich Turbinenschaufelwandungen und Drosselblech unterschiedlich ausdehnen, ohne dass es zu Spannungskräften an der Verbindung zwischen den Stützelementen der Wandungen und des Drosseleinsatzes kommt.
  • Je nach Geometrie der Turbinenschaufel kann es dabei vorteilhaft sein, die flexiblen Dichtelemente entweder einseitig oder stirnseitig an den Randbereichen des Drosselblechs anzubringen.
  • Besonders vorteilhaft ist bei einer Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit tragflügelförmig ausgebildeten Schaufelwandungen die Ausbildung der Führungselemente als Führungsnuten, da dann der Drosseleinsatz in Richtung der Schaufellängsachse eingeschoben werden kann und an Schaufelfuß oder Schaufelkopf nur an einer einzigen Stelle fest fixiert werden muss. Seitlich wird der Drosseleinsatz über die flexiblen Dichtelemente dicht in die Führungsnuten eingebracht und selbst schon fixiert.
  • Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
  • FIG 1
    schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführung eines Drosseleinsatzes,
    FIG 2
    schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausführung eines Drosseleinsatzes,
    FIG 3
    schematisch eine dritte erfindungsgemäße Ausführung eines Drosseleinsatzes,
    FIG 4
    ein Schnittbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenschaufel mit Drosseleinsatz,
    FIG 5
    ein Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Turbinenschaufel mit Drosseleinsatz.
  • FIG 1 zeigt einen Teilausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Drosseleinsatzes mit einem Drosselblech B mit Drosselöffnungen D, bei dem Metallwolle als flexibles Dichtelement A einseitig an den Randbereichen des Drosselblechs B aufgelötet ist.
  • FIG 2 zeigt ausschnittsweise ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem die Metallwolle A stirnseitig auf zwei gegenüberliegenden Randbereichen des Drosselblechs B aufgebracht ist.
  • FIG 3 ist eine Weiterbildung bei der zusätzlich Metallwolle auf einen Dritten Randbereich, hier stirnseitig, aufgebracht ist.
  • FIG 4 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt aus einer Turbinenschaufel mit den beiden Wandungen W1 und W2 der konkav gebogene Druckseitenwand und einer dazu beabstandeten konvex gebogenen Saugseitenwand. Beide Wandungen W1 und W2 weisen an gegenüberliegenden Seiten an der Stelle an der der Drosseleinsatz eingebracht werden soll entsprechende Führungselemente S1 und S2 auf, die hier als Führungsnuten ausgebildet sind in die der Drosseleinsatz einschiebbar und fixierbar ist. FIG 4 zeigt zudem in vergrößerten Ausschnitten die in die Führungsnuten S1 und S2 eingesetzten und entsprechend FIG 1 bis 3 ausgebildeten Drosseleinsätze.

Claims (8)

  1. Drosseleinsatz zum Unterteilen eines kühlmitteldurchströmten Hohlraums einer Turbinenschaufel in zwei Teilräume, wobei der Hohlraum durch Schaufelwandungen der Turbinenschaufel begrenzt ist, und wobei der Drosseleinsatz ein Drosselblech (B) mit Durchführungen (D) aufweist, deren Gesamtgröße eine Drosselleistung des Kühlmittelstroms zwischen den Teilräumen bestimmt
    dadurch gekennzeichnet, dass an Randbereichen des Drosselblechs (B) flexible Dichtelemente (A) zum Abdichten angebracht sind.
  2. Drosseleinsatz nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Dichtelemente (A) an den Randbereichen einseitig auf dem Drosselblech (B) angebracht sind.
  3. Drosseleinsatz nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Dichtelemente (A) an den Randbereichen stirnseitig auf dem Drosselblech (B) angebracht sind.
  4. Drosseleinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Dichtelemente (A) Metallwolle ist.
  5. Drosseleinsatz nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Metallwolle (A) an den Randbereichen aufgelötet ist.
  6. Turbinenschaufel für eine Gasturbine mit tragflügelförmig ausgebildeten Schaufelwandungen (W1,W2), die einen Hohlraum zur Führung eines Kühlmittelstroms ausbilden, mit einem im Hohlraum angebrachten und den Hohlraum unterteilenden Drosseleinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an den Schaufelwandungen (W1,W2) Führungselemente (S1,S2) so ausgebildet sind, dass der Drosseleinsatz über die flexiblen Dichtelemente dicht daran anbringbar ist.
  7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (S1,S2) in Schaufellängsachse an den beiden gegenüberliegenden Schaufelwandungen (W1,W2) als Führungsnuten ausgebildet sind, in die der Drosseleinsatz in Richtung der Schaufellängsachse eingeschoben und über die flexiblen Dichtelemente in den Führungsnuten dicht fixiert ist.
  8. Turbinenschaufel nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der eingeschobene Drosseleinsatz im Bereich des Schaufelfußes oder Schaufelkopfes fest fixiert ist.
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