EP3112593A1

EP3112593A1 - Innengekühlte turbinenschaufel

Info

Publication number: EP3112593A1
Application number: EP15175300.1A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad; Radan RADULOVIC
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2017-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10) die entlang einer Längsachse (12) aufeinanderfolgend einen Fußbereich (14) zur Befestigung der Turbinenschaufel an einem Schaufelträger, einen Plattformbereich (16) sowie ein aerodynamisch gekrümmtes innenkühlbares Schaufelblatt (18) umfasst, wobei das Schaufelblatt (18) eine saugseitige Schaufelblattwand sowie eine druckseitige Schaufelblattwand aufweist, die sich jeweils von einer Vorderkante (20) zu einer Hinterkante (22) erstrecken, wobei im Inneren des Schaufelblatts (18) ein an die Vorderkante (20) angrenzender Hohlraum (26a) vorgesehen ist, der von einer zumindest einer der beiden Schaufelblattwänden zugehörigen Innenfläche teilweise begrenzt ist und welche Innenfläche durch in der Turbinenschaufel (10) angeordnete Mittel (27a, 36, 50) prallkühlbar ist. Um eine einfach herstellbare und preisgünstige Turbinenschaufel anzugeben, wird vorgeschlagen, dass die Vorderkante (20) frei von Sprühkopf-Löchern ist, und dass zum Abführen des Prallkühlmediums (42) aus dem Hohlraum (26a) zumindest ein mit dem Hohlraum (26a) verbundener sich durch den Plattformbereich (16, 24) erstreckender, sowie an einem Rand des Plattformbereichs mündender Abströmkanal (38) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, die entlang einer Längsachse aufeinanderfolgend einen Fußbereich zur Befestigung der Turbinenschaufel an einem Schaufelträger, einen Plattformbereich sowie ein aerodynamisch gekrümmtes, innenkühlbares Schaufelblatt umfasst, wobei das Schaufelblatt eine saugseitige Schaufelblattwand und eine druckseitige Schaufelblattwand aufweist, die sich von einer Vorderkante des Schaufelblatts zu einer Hinterkante des Schaufelblatts erstrecken, wobei im Inneren des Schaufelblatts ein an die Vorderkante angrenzender Hohlraum vorgesehen ist, der von einer zumindest einer der beiden Schaufelblattwänden zugehörigen Innenfläche teilweise begrenzt ist und welche Innenfläche durch in der Turbinenschaufel angeordnete Mittel prallkühlbar ist.
Derartige Turbinenschaufeln sind im Stand der Technik bestens bekannt und umfassen in ihrer Vorderkante zumeist eine Vielzahl von sogenannten Sprühkopf-Löchern, welche im Englischen auch als Showerhead bezeichnet werden. Das Einbringen dieser Sprühkopf-Löcher ist jedoch vergleichsweise aufwändig, was als nachteilig empfunden wird. Gleichzeitig rufen die Sprühkopf-Löcher Kerbspannungen im die Löcher umgebenden Material hervor, was unter Betriebsbeanspruchung ein vorzeitiges Erreichen des Lebensdauerendes der Turbinenschaufel hervorrufen kann. In diesem Fall ist ein sicherer Betrieb einer mit dieser Turbinenschaufel ausgestatteten Gasturbine nicht mehr zuverlässig möglich, weswegen diese anschließend still zu setzen ist und die Turbinenschaufeln auszutauschen sind. Dies verringert die Verfügbarkeit der Gasturbine.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel mit einer verbesserten Lebensdauer, welche zudem kostengünstig herstellbar ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorderkante frei von Sprühkopf-Löchern ist und dass zum Abführen des Kühlmediums aus dem Hohlraum zumindest ein mit dem Hohlraum verbundener, sich durch den Plattformbereich erstreckender sowie an einem Rand des Plattformbereichs mündender Abströmkanal vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung von einer die Vorderkante schützenden Filmkühlung nicht immer zwingend erforderlich ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Prallkühlung der Vorderkante durch im Inneren der Turbinenschaufel angeordnete Mittel ausreichend sein kann, um das Material des Schaufelblatts im Bereich seiner Vorderkante hinreichend zu kühlen unter Erreichung der gewünschten Lebensdauer. Nach erfolgter Prallkühlung ist jedoch das Kühlmedium aus dem Vorderraum abzuführen. Entgegen der üblichen Vorgehensweise, dass durch die Prallkühlung erwärmte Medium durch Sprühkopf-Löcher abzuführen, wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest ein, vorzugsweise jedoch je Plattformbereich mehrere Abströmkanäle vorgesehen sind. Diese Abströmkanäle sind dabei derart angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen durch den Plattformbereich erstrecken und somit den Hohlraum mit einem an dem Rand des Plattformbereichs angrenzenden Raum strömungstechnisch verbinden, so dass am besagten Rand des Plattformbereichs das aufgewärmte Kühlmedium die Turbinenschaufel verlassen kann. Beim Durchströmen der Abschirmkanäle kann das den Plattformbereich bildende Material der Turbinenschaufel dadurch ebenso abkühlen. Das am Rand des Plattformbereichs austretende Kühlmedium kann anschließend vorteilhafterweise noch zum Sperren von Spalten verwendet werden, die durch die Aneinanderreihung von Plattformen benachbarter Turbinenschaufeln strukturgemäß inhärent innerhalb der Gasturbine vorhanden sind.
Insofern wird ein und dasselbe Kühlmittel für mehrere aufeinander folgende Funktionen genutzt: zuerst kühlt das Kühlmedium das Material der Vorderkante des Schaufelblatts durch Prallkühlung. Anschließend durchströmt das Kühlmedium die Abführkanäle, welche im Plattformbereich angesiedelt sind und kühlt währenddessen die Plattform der Turbinenschaufel. Schlussendlich dient das mittlerweile aufgeheizte Prallkühlmedium zum Sperren von Turbinenspalten und vermeidet somit den dortigen Heißgaseinzug.
Weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist, dass die Aufwendungen zum Einbringen der Sprühkopf-Löcher entfällt, so dass die Turbinenschaufel kostengünstiger herzustellen ist als die aus dem Stand der Technik bekannte. Ebenso ist ihr Kühlmediumbedarf verringert, gegenüber den bekannten Varianten.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung mündet der Abströmkanal in einer im Rand des Plattformbereichs versenkten Nut. Die im Rand des Plattformbereichs versenkte Nut dient zur Aufnahme von plattenförmigen Dichtelementen. Vorteil dieser optionalen Ausgestaltung ist es, dass die plattenförmigen Dichtelemente noch besser von den Einflüssen von Heißgas geschützt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Mittel eine die druckseitige Schaufelwand mit der saugseitigen Schaufelwand verbindende Rippe, in der die Prallkühlöffnungen vorgesehen sind. Derartige Rippen werden beim Gießen der zumindest die Plattform und das Schaufelblatt umfassenden Turbinenschaufel gleichzeitig hergestellt, wodurch sich eine einfache und kostengünstig herstellbare Turbinenschaufel ergibt.
Alternativ dazu kann das Mittel auch als Prallkühleinsatz ausgestaltet sein, welches in eine im Gießverfahren hergestellte Turbinenschaufel nachträglich eingesetzt ist. Der weiter oben bezeichnet Hohlraum ist dann derjenige Raum im Inneren der Turbinenschaufel, welcher zwischen der Innenfläche der gegossenen Schaufelwände und dem Prallkühleinsatz im Bereich der Vorderkante angeordnet ist.
Zweckmäßigerweise kann die Turbinenschaufel entweder als Turbinenlaufschaufel oder auch als Turbinenleitschaufel ausgestaltet sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Hierbei sind die Figuren lediglich schematisch dargestellt, wodurch insbesondere keine Einschränkungen der Ausführbarkeit der Erfindung die Folge ist.
Es zeigen:

FIG 1: einen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels und
FIG 2: einen Längsschnitt durch eine Turbinenschaufel gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.

In allen Figuren werden identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel 10, welche gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Leitschaufel ausgestaltet ist. Selbstverständlich könnte die erfindungsgemäße Turbinenschaufel auch als Laufschaufel ausgestaltet sein. Die Turbinenschaufel 10 umfasst entlang einer Längsachse 12 aufeinanderfolgend einen hakenförmigen Fußbereich 14, einen ersten Plattformbereich 16 sowie ein aerodynamisch gekrümmtes innenkühlbares Schaufelblatt 18. Aufgrund der Schnittdarstellung gemäß FIG 1 ist die innere Struktur des Schaufelblatts 18 dargestellt. Bekanntermaßen umfasst das Schaufelblatt 18 eine nicht näher dargestellte saugseitige Schaufelblattwand und eine druckseitige Schaufelblattwand, die sich von einer Vorderkante 20 des Schaufelblatts zu einer Hinterkante 22 des Schaufelblatts erstrecken. An einem dem ersten Plattformbereich 16 gegenüber liegenden Ende des Schaufelblatts 18 kann ein weiterer Plattformbereich 24 angeordnet sein.
Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind im Inneren des Schaufelblatts 18 insgesamt vier nebeneinander angeordnete Hohlräume 26a bis 26d angeordnet. Die Hohlräume 26 erstrecken sich von dem ersten Plattformbereich 16 zu dem weiteren Plattformbereich 24. Die Hohlräume 26b und 26c sind über einen ersten Umlenkbereich 28a miteinander verbunden, ebenso wie die Hohlräume 26c und 26d über einen zweiten Umlenkbereich 28b strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Im Hohlraum 26d sind zudem eine Vielzahl von sogenannten Sockeln 30 angeordnet. Diese Sockel 30 sind auch als Pin-Fins bekannt. Über durch Stege 32 voneinander getrennte Austrittsöffnungen 34 ist der Hohlraum 26 mit der Umgebung der Turbinenschaufel 10 in Strömungsverbindung.
Die Hohlräume 26 sind über sich parallel zur Längsachse 12 orientierte Rippen 27a, 27b und 27c teilweise voneinander getrennt. In der Rippe 27a sind eine Vielzahl von Prallkühlöffnungen 36 als ein die Prallkühlung der Vorderkante ermöglichendes Mittel vorgesehen, wodurch die Hohlräume 26a und 26b miteinander kommunizieren können. Des Weiteren sind in den Plattformbereichen 16, 24 Abströmkanäle 38 vorgesehen, wodurch der Hohlraum 26a mit der Umgebung der Turbinenschaufel 10 in Strömungsverbindung steht. Der Hohlraum 26b weist zudem eine Öffnung 29 auf, über die dem Schaufelblatt 18 der Turbinenschaufel 10 ein Kühlmedium 42 zuführbar ist.
Im bestimmungsgemäßen Einsatz der Turbinenschaufel 10 wird das Schaufelblatt 18 von einem Heißgas umströmt, wobei dieses zuerst die Vorderkante 20 anströmt, dann sowohl die saugseitige als auch die druckseitige Schaufelwand um- und an der Hinterkante 22 abströmt. Bei axial durchströmten Gasturbinen, welche die gezeigte Turbinenschaufel 10 beinhalten kann, wird der im Querschnitt ringförmige Strömungskanal der Gasturbine durch die Plattformen 16, 24 radial begrenzt. Damit das Material der Turbinenschaufel 10 die vorbestimmte Standfestigkeit erreicht, wird dieses durch Zuführen des Kühlmediums 42 von innen gekühlt. Dazu wird über die Zuführöffnung 29 das Kühlmedium 42 in das Innere der Turbinenschaufel 10 geführt. Es strömt sodann in den Hohlraum 26b ein von wo aus es sich in unterschiedliche Teilströme verteilt. Ein signifikanter Teilstrom gelangt zum der Öffnung 29 gegenüberliegendem Ende des Hohlraums 26b und strömt dort in den ersten Umlenkbereich 28a ein, wonach es anschließend durch den Hohlraum 26c strömt. Danach durchströmt das Kühlmedium 42 den zweiten Umlenkbereich 28b und strömt anschließend in den vierten Hohlraum 26d vorbei an den Sockeln 30, wonach es anschließend durch Durchströmen der Austrittsöffnungen 34 die Turbinenschaufel 10 verlässt.
Ein anderer Teil des Kühlmediums 42 durchströmt die einzelnen Prallkühlöffnungen 36, wodurch einzelne Prallkühlstrahlen 44 entstehen, welche auf diejenige Innenfläche der Schaufelwände aufprallt, die im Bereich der Vorderkante 20 von der saugseitigen Schaufelblattwand und/oder der druckseitigen Schaufelblattwand gebildet sind. Anschließend verlässt das Kühlmedium 42 den Hohraum 26a durch die Abströmkanäle 38. Je Plattformbereich 16 können mehrere Abströmkanäle 38 vorgesehen sein, wobei die Vorderkante 20 keine Sprühkopf-Löcher aufweist.
Die Abströmkanäle 38 können, wie für den Plattformbereich 16 exemplarisch dargestellt, in einer am Rand 43 der Plattform angeordneten Nut 45 münden.
FIG 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10. Nachfolgend werden jedoch nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel näher erläutert, ansonsten gelten die für das erste Ausführungsbeispiel gemachten Ausführungen ebenso für das zweite Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist anstelle der ersten Rippe 27a ein Prallkühleinsatz 50 als ein die Prallkühlung der Vorderkante ermöglichendes Mittel vorgesehen. Der Prallkühleinsatz 50 ist rohrförmig ausgebildet und weist an seiner der Innenfläche gegenüberliegenden Rohrwand 52 die Prallkühlöffnungen 36 auf. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Turbinenschaufel 10 neben einer ersten Zuführöffnung 29 für Kühlmedium eine weitere Zuführöffnung 31 auf. Die Zuführöffnung 31 ist Teil des Prallkühleinsatzes 50, wodurch diesem das Kühlmedium zuführbar ist. Das der Turbinenschaufel 10 über die Zuführöffnung 29 zuführbare Kühlmedium gelangt über die Hohlräume 26b, 26c und 26d zu den Austrittsöffnungen 34.
Der Prallkühleinsatz 50 weist an seinem der Zuführöffnung 31 gegenüber liegenden Ende 54 eine Passage 58 auf, durch welchen ein Teilstrom 56 des dem Prallkühleinsatz 50 zugeführten Kühlmediums austreten kann, um dort für weitere Zwecke verwendet zu werden.
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel 10 die entlang einer Längsachse 12 aufeinanderfolgend einen Fußbereich 14 zur Befestigung der Turbinenschaufel an einem Schaufelträger, einen Plattformbereich 16 sowie ein aerodynamisch gekrümmtes innenkühlbares Schaufelblatt 18 umfasst, wobei das Schaufelblatt 18 eine saugseitige Schaufelblattwand sowie eine druckseitige Schaufelblattwand aufweist, die sich jeweils von einer Vorderkante 20 zu einer Hinterkante 22 erstrecken, wobei im Inneren des Schaufelblatts 18 ein an die Vorderkante 20 angrenzender Hohlraum 26a vorgesehen ist, der von einer zumindest einer der beiden Schaufelblattwänden zugehörigen Innenfläche teilweise begrenzt ist und welche Innenfläche durch in der Turbinenschaufel 10 angeordnete Mittel 27a, 36, 50 prallkühlbar ist. Um eine einfach herstellbare und preisgünstige Turbinenschaufel anzugeben, wird vorgeschlagen, dass die Vorderkante 20 frei von Sprühkopf-Löchern ist, und dass zum Abführen des Prallkühlmediums 42 aus dem Hohlraum 26a zumindest ein mit dem Hohlraum 26a verbundener sich durch den Plattformbereich 16, 24 erstreckender, sowie an einem Rand des Plattformbereichs mündender Abströmkanal 38 vorgesehen ist.

Claims

Turbinenschaufel (10),
die entlang einer Längsachse (12) aufeinander folgend einen Fußbereich (14) zur Befestigung der Turbinenschaufel (10) an einem Schaufelträger, einen Plattformbereich (16) sowie ein aerodynamisch gekrümmtes, innenkühlbares Schaufelblatt (18) umfasst,
welches eine saugseitige Schaufelblattwand und eine druckseitige Schaufelblattwand aufweist, die sich jeweils von einer Vorderkante (20) zu einer Hinterkante (22) erstrecken,
wobei im Inneren des Schaufelblattes (18) ein an die Vorderkante (20) angrenzender Hohlraum (26a) vorgesehen ist, der von einer zumindest einer der beiden Schaufelblattwänden zugehörigen Innenfläche teilweise begrenzt ist und welche Innenfläche durch in der Turbinenschaufel (10) angeordnete Mittel prallkühlbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorderkante (20) frei von Sprühkopf-Löchern ist und dass zum Abführen des Kühlmediums (42) aus dem Hohlraum (26a)zumindest ein mit dem Hohlraum verbundener, sich durch den Plattformbereich (16) erstreckender sowie an einem Rand des Plattformbereichs mündender Abströmkanal (38) vorgesehen ist.
Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der der Abströmkanal (38) in einer im Rand des Plattformbereichs (16) versenkten Nut mündet.
Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das Mittel eine die druckseitige Schaufelwand mit der saugseitigen Schaufelwand verbindende Rippe (27a) umfasst, in der Prallkühlöffnungen (36) vorgesehen sind.
Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das Mittel als Prallkühleinsatz (50) ausgestaltet und in die Turbinenschaufel (10) eingesetzt ist.
Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgestaltet als Turbinenlaufschaufel oder als Turbinenleitschaufel.