EP4048872A1 - Turbinenschaufel für eine stationäre gasturbine - Google Patents

Turbinenschaufel für eine stationäre gasturbine

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EP4048872A1
EP4048872A1 EP20824139.8A EP20824139A EP4048872A1 EP 4048872 A1 EP4048872 A1 EP 4048872A1 EP 20824139 A EP20824139 A EP 20824139A EP 4048872 A1 EP4048872 A1 EP 4048872A1
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EP
European Patent Office
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coolant passage
blade
coolant
turbine blade
cooling
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EP20824139.8A
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English (en)
French (fr)
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EP4048872B1 (de
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Philipp CAVADINI
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • 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
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    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade according to the Oberbe handle of claim 1.
  • Turbine blades of gas turbines are subject to the highest thermal and mechanical loads during operation, which is why they are nowadays designed to be cool and particularly robust with the help of complex, hollow internal geometries.
  • a gas turbine blade corresponding to the preamble of claim 1 is known from WO 1996/15358 A1, in which cooling air introduced tangentially into a leading edge cooling channel enables the leading edge to be cooled without further film cooling holes in it English often referred to as showerhead holes, which are required to cool.
  • showerhead holes which are required to cool.
  • a significant proportion of the cooling air flowing in the leading edge cooling duct is released from the turbine blade via film cooling holes, also known as gill holes, located in the suction side near the leading edge, whereas the remaining proportion of this cooling air is released below the blade tip Trailing edge is guided.
  • the remaining part of the airfoil is cooled via a serpentine cooling duct followed by a rear edge blow-out.
  • a so-called multi-layer turbine blade is known from WO 2017/039571 A1, which is also referred to in English as a “multiwall turbine blade”.
  • two displacement bodies are provided, with which the cooling air flowing inside the turbine blade is particularly important
  • An alternative embodiment of a multiwall turbine blade is also shown in EP 1783 327 A2.
  • US 2010/0239431 A1 shows a turbine blade with - based on the span - two adjacent meander cooling channels, which are switched in series via a channel cooling the leading edge.
  • the object of the invention is consequently to provide a long-lasting turbine blade with a further reduced consumption of coolant.
  • the present invention proposes a turbine blade for a stationary gas turbine, in particular for one of its high-pressure turbine stages, with a cooling system arranged in its interior, which has a first cooling path for comprises a first coolant flow and a second cooling path, which is substantially, preferably completely separate, from the first cooling path for a second coolant flow, in which the first cooling path comprises a first coolant passage which is set up for cyclone cooling of the leading edge and a second coolant passage adjoining the first coolant passage which extends below the blade tip from the leading edge in the direction of the trailing edge, the second cooling path being a serpentine coolant passage for cooling a central region of the airfoil arranged in the chord direction behind the leading edge region s and a first trailing edge coolant passage for at least partial cooling of an ordered trailing edge area of the airfoil that extends to the trailing edge behind the central area, the first trailing edge coolant passage having a plurality of first ones
  • the first cooling path further comprises: a third coolant passage adjoining the second coolant passage, which mainly extends radially inward, and a second trailing edge coolant passage adjoining the third coolant passage, which is used to cool a region of the blade tip Rear edge area is designed and is fluidically connected to a plurality of two th exit holes arranged in the rear edge.
  • the invention is based on the knowledge that a significant saving in coolant for cooling the turbine blade can only be achieved if the leading edge and / or the pressure-side wall and / or the suction-side side wall of the airfoil do not have any openings through which coolant can flow out and there can flow into a hot gas flowing around the turbine blade.
  • the coolant escapes at least at the rear edge and possibly also through the blade tip pointing outwards. In this respect, only those passages and channels with which the leading edge and a large part of the pressure sides and suction sides of the airfoil can be cooled should be set up for locally closed cooling.
  • neither showerhead holes nor gill holes nor other film cooling holes branch off from the first coolant passage and / or from the serpentine coolant passage; these are free of exit holes. Exit holes are only provided at the rear edge and possibly in the blade tip. A locally closed cooling is not understood to mean that no coolant at all may escape into the hot gas from the blade.
  • the first coolant flow used for the leading edge cooling also be used for the cooling of a radially outer part of the trailing edge region of the airfoil.
  • a rear separating rib is introduced into the system according to the invention, which redirects the coolant coming from the forward-flowing system inwards and finally to another rear edge Coolant passage leads.
  • the first coolant flow via a second coolant passage, which extends directly below the blade tip to the rear end of the airfoil, and via an adjoining third coolant passage to preferably about half the height of the rear edge, to then in a radially outwardly arranged Trailing edge coolant passage there to be used usefully. Because of this solution, the requirement for cooling air for the second flow path can be significantly reduced.
  • the approach proposed here offers a maximum benefit of the available cooling means due to a novel division and using a cooling concept, namely the cyclone cooling, which or for turbine blades of the first and / or second turbine stage of gas turbines with comparatively high compressor pressure ratios or High turbine inlet temperatures have hitherto been viewed as completely unsuitable and have therefore not been taken into account for their turbine blades.
  • Cyclone cooling is to be understood as such a type of cooling in which substantial proportions of the cooling medium flowing in a cooling channel or in a coolant passage flow in a twisted manner from a main inlet for the coolant to a main outlet. Twisted means that the essential part of the cooling medium flows along the relevant channel or passage in a helical or helical manner.
  • the twisted flow is to be distinguished from a turbulent flow. The latter is regularly caused by so-called turbulators and consequently occurs in spatially very limited areas, as only a very small proportion of the coolant is reached and manipulated by the turbulators. After leaving the area in question, the turbulence then disintegrated again.
  • a twisted main flow in locally very small areas can also have turbulent secondary flow components, but not vice versa.
  • the consumption of coolant can be reduced to an extent that cannot be expected in advance while at the same time providing adequate cooling of the entire blade. According to detailed simulations, this even applies to turbine blades that are installed in one of the two front turbine stages of a stationary gas turbine with a turbine inlet temperature of 1300 ° C and higher at ISO nominal operation or with a compressor pressure ratio of 19: 1 or higher. Even with such turbine blades, the amount of coolant could be reduced by about 30% compared to a conventional one with cooling holes arranged in the leading edge, while achieving the same service life.
  • one or more outlet holes for coolant which are fluidically connected to the second coolant passage, are arranged in the blade tip. This measure improves the fatigue strength of any rubbing edges protruding from the blade tip.
  • the first cooling path comprises a supply passage for the first coolant passage, which is arranged immediately next to the first coolant passage and is fluidically connected to the first coolant passage via a large number of openings, extending at least over a large part of the span of the blade, whereinthe passage openings have means to impart a swirl to the coolant flowing in the first coolant passage or to increase it.
  • the passage openings have a special alignment on. If, for example, the through-openings open tangentially, i.e.
  • the coolant flowing in the first coolant passage can be used for cyclone cooling with simple means Imprint or reinforce the required twist. Efficient cyclone cooling of the leading edge can thus be provided comparatively easily.
  • cyclone cooling of the leading edge that is adapted or homogenized over the height of the blade can be achieved in that a density of passage openings that can be determined in the spanwise direction is greatest at the base end, and preferably decreases gradually or continuously towards the tip of the blade. This allows the flow velocity in the first coolant passage to be kept almost constant over the span of the blade, which can also be achieved through a first coolant passage tapering in cross section to the blade tip.
  • a plurality of preferably rib-shaped, in particular inclined, turbulators are arranged on one or more inner surfaces of one or moredemit telpassagen in order to locally further increase the heat transfer into the first and / or seconddemit tel and / or around the swirl to support.
  • a plurality of sockets arranged in a pattern, ie in several rows, is provided in each trailing edge coolant passage.
  • This allows a suction-side and pressure-side trailing edge area of the airfoil, which adjoins the central area of the airfoil and extends to the rear edge of the airfoil, in a simple and efficient manner without outlet holes, ie locally closed cool.
  • the division of the cooling means for the two cooling paths and the pressure losses occurring therein can also be efficiently adjusted.
  • two cooling channel arms which widen the second coolant passage are provided, which widen radially inward with increasing extension in the direction of the chord and open out in the third coolant passage.
  • a partition is arranged between the second coolant passage and the serpentine coolant passage, which connects the two side walls to one another and extends in the direction of the chord, wherein the partition forms a displacement wedge, preferably tapering to a point, as it approaches the rear edge, which, in conjunction with the inner surfaces of the two side walls, laterally delimits the two cooling channel arms.
  • a rear separating rib extending in the spanwise direction is provided between the third coolant passage and the second rear edge coolant passage. If necessary, one or more holes can also be present in the rear separating rib in order to prevent local dead water areas in the second rear edge coolant passage.
  • the trailing edge has a normalized height of 100%, starting at its root end at 0% and ending at the blade tip at 100%, the two trailing edge coolant passages at least from a separating rib that extends mainly in the direction of the chord are essentially separated from one another, which is arranged at a height between 45% and 75% of the normalized height.
  • this enables a particularly efficient division of the total available amount of coolant to be achieved, with which, on the one hand, homogeneous cooling of the blade and, on the other hand, a further reduced coolant consumption per se can be achieved.
  • the cast cores required for casting the turbine blade which are later left behind by the two rear trailing edge coolant passages, and to avoid core breakage, it is helpful if these cast cores are directly connected to one another via a few supports. Although then leave the supports in the finished turbine blade openings in the partition rib, which cancels the full separation of the two trailing edge cooling channels, but the two trailing edge cooling channels are still essentially separated from each other.
  • the serpentine coolant passage comprises at least two channel sections extending in the spanwise direction and at least two reversal sections that alternate, the reversal section further downstream in the coolant flow with the first trailing edge coolant passage is directly connected fluidically.
  • the two channel sections by means of a displacement body and by means of the two side walls in a cross-sectional view of the blade are each essentially C-shaped with a Suction-side channel arm, a pressure-side channel arm and a connecting arm connecting the two channel arms are designed and arranged to one another in such a way that they almost completely surround the displacement body.
  • a turbine blade configured as a multiwall can be provided. Due to the design as a multiwall, it is on the one hand possible to produce a blade that has a relatively small curvature at the leading edge even with low consumption of resources. This slight curvature is of course very beneficial to the swirl generation in the first coolant passage.
  • the cooling sections can have comparatively small flow cross-sections.
  • the second coolant stream then flows through the channel sections or through the serpentine coolant passage at a sufficiently high speed and thus with the formation of a sufficiently high heat transfer.
  • This in particular reduces the amount of coolant required for efficient cooling of the central area of the airfoil between the leading edge and trailing edge area.
  • consumption can be reduced by about a further 40%, which means that the thermal efficiency of the turbine blade can then be brought comparatively close to the theoretical maximum.
  • the displacement body engages around a cavity in a cross-sectional view and is supported by webs on the two side walls.
  • the cavity cannot be flowed through by coolant, since it has no outlet opening for coolant.
  • the turbine blade according to the invention is preferably cast, with an opening which is present in the blade root after the casting of the turbine blade and which is in direct, i.e. immediate connection with the cavity, is closed by a separately produced cover plate.
  • an opening which is present in the blade root after the turbine blade has been cast and which is in direct, i.e. immediate connection, with the first trailing edge coolant passage Preferably, egg ne such is also closed by a separately produced cover plate from the opening in question is attached to the blade root so that it completely covers it.
  • one or more inlets are provided for each cooling path, which are fluidically connected with the first coolant passage or the supply passage or with the serpentine coolant passage or one of its channel sections.
  • the turbine blade preferably has an aspect ratio of a trailing edge span based on a chord length to be detected at the foot end, which is 3.0 or less, since it has been found that the proposed division of the available coolant into two preferably from each other separate coolant flows and the at the same time proposed division of the cooling of the trailing edge area, especially for such turbine shoveling allows a considerable saving in the amount ofmémit tel.
  • the turbine blade described above can be used both as a rotor blade attached to a rotor or as a guide blade attached to a static carrier.
  • the turbine blade described above can also be used in a first or second turbine stage of a stationary gas turbine that has a turbine inlet temperature of at least 1300 ° C and / or a compression ratio of 19: 1 or at ISO nominal operation has larger.
  • a turbine inlet temperature of at least 1300 ° C and / or a compression ratio of 19: 1 or at ISO nominal operation has larger.
  • aero derivatives do not fall under the definition of stationary gas turbines.
  • the invention is therefore not only suitable for those stationary gas turbines whose hot gas temperatures at the turbine inlet are viewed as comparatively low by today's standards.
  • Figure 1 is a side view of a turbine runner blade according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows the cooling scheme of the turbine blade according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows the longitudinal section through the turbine blade according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a cross section through the turbine rotor blade according to FIG. 3 along the section line A-
  • Figures 5 7 longitudinal sections through the turbine blade according to Figure 3 along the section lines B-B, C-C and D-D,
  • FIG. 8 shows a cross section through the turbine rotor blade according to FIG. 1 along the section line E-E and
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a stationary gas turbine.
  • FIG. 1 shows a turbine blade 10 in a side view.
  • the turbine blade 10 preferably produced in an investment casting process includes a blade foot 12 shown only in the approach.
  • the blade foot 12 can be designed in a known manner in a dovetail shape or a Christmas tree shape. This is followed by a platform 13, from which a blade 18 extends in the spanwise direction R from a foot-side end 20 to a blade tip 22.
  • the turbine rotor blade 10 is installed in a gas turbine through which there is an axial flow, the spanwise direction and the radial direction of the gas turbine coincide.
  • an aspect ratio HSP / SL of a trailing edge span HSP based on a chord length SL to be detected at the foot end is 1.9 and is preferably in the range between 1.5 and 3.
  • Outlet openings 28 likewise open out on a lateral surface of the platform 13.
  • the outlet holes 46, 56 and the outlet openings 28 are in flow connection with an inner cooling system of the turbine rotor blade 10.
  • the cooling system of the turbine blade 10 and in particular of the blade 18 is shown schematically in FIG. 2 as a cooling scheme.
  • a first coolant flow M1 and a second coolant flow M2 can be fed separately to the turbine rotor blade 10.
  • the first coolant flow Ml flows through a first cooling path 30, which is composed of several coolant passages 31, 32, 33, 34, 36a, 36b, 38, 40, 44 together. Downstream of an input (not shown in FIG. 2)
  • a supply passage 31 follows for the coolant flow Ml, which is in flow connection with a first coolant passage 32 via a plurality of passage openings 33.
  • the first coolant passage 32 is used for cyclone cooling of the leading edge 24 of the blade 18 and the immediately adjoining leading edge area 39.
  • the first coolant passage 32 merges into a second coolant passage 34, which is used to cool the blade tip 22
  • the leading edge 24 extends over a comparatively large chord length of the blade tip 22 in the direction of the trailing edge 26.
  • third outlet holes 67 can be arranged for cooling of rubbing edges explained later.
  • the second coolant passage 34 also comprises two cooling channel arms 36a, 36 which only begin in the second half of the second coolant passage 34 and which, like the downstream end of the second coolant passage 34, are connected to a third coolant passage 38.
  • the latter is fluidically connected via a Umledgeab 40 to a second trailing edge coolant passage 44.
  • the coolant flow Ml flowing through the first cooling path 30 can then leave the turbine rotor blade 10 at its rear edge 26 via a large number of second outlet holes 46.
  • a second cooling path 50 is arranged parallel to the first cooling path 30 and preferably completely separated from it in terms of flow, which has a serpentine coolant passage 52 downstream of an inlet not shown in further detail in FIG.
  • the serpentine coolant passage 52 comprises for cooling a central region 48 (FIG. 1) according to this exemplary embodiment two channel sections 55a, 55b which extend in the spanwise direction and which are connected to one another via a reversing section 57a arranged between them.
  • a second reversal section 57b connects, which fluidically connects the second Kanalab section 55b with a first trailing edge coolant passage 54.
  • the coolant flow M2 flowing through the second cooling path 50 can then, via a plurality of first outlet holes 46, the turbine running Schaufei 10 leave at their rear edge 26.
  • Both trailing edge coolant passages 44, 54 serve to cool a trailing edge region 59 (FIG. 1).
  • FIG. 3 shows, as a longitudinal section, an inner structure of the turbine rotor blade 10 according to FIG. 1, which is configured to correspond to the cooling scheme according to FIG.
  • the turbine blade 10 comprises a number of walls and ribs arranged differently, which separate the individual cooling paths and coolant passages from one another.
  • the look fuselage 12 two inlets 80 for the two coolant flows M1 and M2 or for the two cooling paths 30, 50 are provided. Between the two inlets 80 there is a front support rib 66v which connects the two side walls 14, 16 to one another and separates the first cooling path 30 from the second cooling path 50 for a first section.
  • a front separating rib 49v also separates the supply passage 31 from the first coolant passage 32, a plurality of passage openings 33 (detail to FIG. 4) being arranged in the front separating rib 49v.
  • a greater density of passage openings 33 is provided in the area close to the platform than in the area close to the tip.
  • the position and the orientation of the passage openings 33 in the front separating rib 49v is selected such that a comparatively strongly swirled coolant flow can arise in the first coolant passage 32.
  • a swirled coolant flow is to be understood as one which can form cyclone-like or analogously to a helical line or a helix from the foot-side end 20 to the blade tip 22. They are therefore arranged eccentrically in the front separating rib 49v and in particular aligned with the inner walls of the suction side wall 16 (or pressure side wall), possibly even at an incline towards the blade tip 22 in order to at least partially compensate for the weakening of the swirl when flowing through the first coolant passage 32 .
  • the outer end of the first coolant passage 32 is followed by the second coolant passage 34 for cooling a bottom 37 of the blade tip 22, the second coolant passage 34 being separated from the serpentine coolant passage 52 by a partition 60.
  • the third coolant passage 38 connects, which extends from the blade tip 22 in the direction of the root end 22, but only up to half the height of the blade 18, the height of the blade 18 at the trailing edge 26 is to be recorded.
  • This is followed by a further reversal section 40, by means of which the first coolant flow Ml can be fed to the second trailing edge coolant passage 44.
  • the third coolant passage 38 is largely separated from the second rear edge coolant passage 54 by a correspondingly configured rear separating rib 49h.
  • bases 53 around which the coolant Ml can flow are arranged one behind the other in several rows.
  • the bases are designed more like a racetrack with comparatively narrow passages in order to bring about the highest possible pressure loss.
  • the first cooling path 30 ends in second outlet holes 46 provided in the rear edge 26, through which at least a large part of the coolant flow Ml supplied through the associated inlet 80 can be released from the turbine rotor blade 10.
  • the second cooling path 50 for guiding the second coolant flow M2 and essentially comprises the serpentine coolant passage 52 and the first trailing edge coolant passage 44.
  • the former can be divided into four successive sections, the first of which is referred to as the first channel section 55a. This is followed by a first reversal section 57a, a second channel section 55b and a second reversal section 57b.
  • the latter connects the serpentine coolant passage 52 with the second trailing edge coolant passage 54, which is analogous to the first trailing edge coolant passage 44 arranged in several rows, racetrack-shaped sockets 53 is designed.
  • the two channel sections 55a, 55b of the serpentine coolant passage 52 extend along the span direction R over a large part of the airfoil 18.
  • the first channel section 55a and the second channel section 55b are, as additionally shown in FIG. 4, essentially U-shaped each with a duct arm 55as, 55bs arranged on the suction side, a duct arm 55ad, 55bd arranged on the pressure side and one of the respective duct arms connecting the connecting arm 55av, 55bv. Accordingly, the first duct section 55a is surrounded by the pressure-side side wall 14, by the front support rib 66v, by the suction-side side wall 16 and a displacement body 70 arranged in the interior - in cross section according to FIG. 4.
  • the second Kanalab section 55b is surrounded by the pressure-side side wall 14, by a rear support rib 66h, by the suction-side side wall 16 and the displacement body 70 arranged in the interior.
  • the displacement body 70 itself engages around a cavity 72 and is supported on the pressure-side Be tenwand 14 and the suction-side side wall 16 via webs 71.
  • the webs 71 extend approximately over the entire height of the blade 18 and serve on the one hand for monolithic fastening of the displacement body 70 in the turbine blade 10 and on the other hand for separating the two duct sections 55, 57.
  • the displacement body 72 is trimmed on the rear edge side at its radially outer end. This measure improves the mechanical integrity of the turbine rotor blade 10 and, in particular, its vibration resistance.
  • the two trailing edge coolant passages 44, 54 are separated from one another by a separating rib 64 that extends mainly in the chordal direction S, at least for the most part, if not completely. According to the gameliensbei the separating rib 64 ends at a height of 55% normalized blade height of the trailing edge 24. The separating rib 64 is preferably arranged at a height between 45% and 75% of the normalized height.
  • FIGS. 5 to 7 show sections through the tip of the turbine rotor blade 10 according to the three cutting lines B-B, C-C and D-D from FIG. 3.
  • rubbing edges 78 are provided on both the suction side and the pressure side.
  • the displacement body 70 is not closed at its radially outer end, but rather is open towards the first reversing section 57a. In this respect, an inflow of the seconddemit telflow M2 would be possible.
  • a cover plate 76a (FIG. 1) attached there after the casting, the cavity 72 is applied to outlet openings.
  • FIGS. 5 to 7 show how the dividing wall 60 forms a tapered displacement wedge 62 as it approaches the rear edge 24 which, in conjunction with the inner surfaces of the two side walls 14, 16, forms the two
  • Limiting cooling channel arms 36a and 36b each laterally.
  • the support of the displacement body 70 can be compensated, so that the coolant flow M2 can continue to be routed close to the side wall in the trimmed area and thus it can be efficiently cooled. If the support of the displacement body is not absolutely necessary, the size of the displacement reduction wedge. If necessary, it can even be dispensed with entirely.
  • FIG. 8 shows, in a view directed towards the blade tip 22 - that is, outward - a cross section of the downstream half of the blade tip 22 according to section line E-E from FIG.
  • a channel section on the blade root side can be provided, which can represent an extension of the first coolant passage 32 to the underside of the blade root 12.
  • suitable swirl generators for example spiral ribs, can be provided which twist the coolant flow Ml in a cyclonic manner when it flows through the channel section on the blade root side.
  • the first coolant passage 32 would be separated from the connecting channel 55av by the front support rib 66v, so that the passage opening 33 arranged in the front support rib 66v could promote a refreshing or amplification of the swirl impulse.
  • FIG. 9 shows only schematically a gas turbine 100 with a compressor 110, a combustion chamber 120 and a turbine unit 130.
  • a generator 150 for generating electricity is coupled to a rotor 140 of the gas turbine.
  • the compressor 110 is designed in such a way that, during operation under ISO standard conditions, it can generate a pressure ratio of compressed ambient air VL to ambient air L drawn in of 19: 1 or greater.
  • the compressed air VL is then mixed with a fuel F and burned to a hot gas HG.
  • Combustion chamber 120 and turbine unit 130 are designed in such a way that the hot gas HG flowing at the exit of the combustion chamber 120 or the entry of the turbine unit 130 has a temperature of at least 1300 ° C. under ISO standard conditions, the rotor and guide vanes in the first turbines stage or the second turbine stage are designed in the manner described here.
  • the hot gas HG expanded in the turbine unit 130 leaves it as flue gas RG.
  • a turbine blade 10 with a blade root 12 and a blade 18 is proposed with the invention, which extends along a span direction R from egg nem base end 20 to a blade tip 22 and ent long a tendon direction S arranged transversely to the span direction R from a leading edge 24 extends to a trailing edge 26, with a first cooling path 30 for a first coolant flow Ml and a second cooling path 50 for a second coolant flow M2 being designed in the interior of the blade 18, the first cooling path 30 being a first cooling medium passage 32 which leads to cyclone cooling of the leading edge 24 is set up and a second coolant passage 34 adjoining the first coolant passage 32 and extending below the blade tip 22 from the leading edge 24 in the direction of the trailing edge 26, the second cooling path 50 being a serpentine coolant passage 52 for cooling one behind in the tendon direction the leading edge area 39 of the airfoil 18 and a first trailing edge coolant passage 54 for at least partial cooling of a trailing edge area 59 of the airfoil 18
  • the first coolant passage 32 and / or the serpentine coolant passage 52 be directed for a locally closed cooling and the first cooling path 30 is a third coolant passage 38 that adjoins the second coolant passage 34 and extends mainly radially inward It stretches as well as a second trailing-edge coolant passage 44 adjoining the third coolant passage 38, which is designed to cool a region of the trailing edge area 59 on the blade tip side and with a plurality of second outlet holes 46 arranged in the trailing edge 26 in terms of flow connected is.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt (18), wobei im Inneren des Schaufelblatts (18) ein erster Kühlpfad (30) für einen ersten Kühlmittelstrom (M1) und ein zweiter Kühlpfad (50) für einen zweiten Kühlmittelstrom (M2) ausgestaltet sind, wobei der erste Kühlpfad (30)eine erste Kühlmittelpassage (32), die zu einer Zyklonkühlung der Vorderkante (24) eingerichtet ist und eine sich an die erste Kühlmittelpassage (32) anschließende zweite Kühlmittelpassage (34), die sich unterhalb der Schaufelspitze (22) von der Vorderkante (24) in Richtung der Hinterkante (26) erstreckt, umfasst, wobei der zweite Kühlpfad (50) eine Serpentinen- Kühlmittelpassage (52) zur Kühlung eines Mittelbereichs (48) des Schaufelblatts (18) und eine erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) zur teilweisen Kühlung eines Hinterkantenbereichs (59) umfasst.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine
Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbe griff von Anspruch 1.
Turbinenschaufeln von Gasturbinen unterliegen im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Belastungen, weswegen diese heutzutage Mithilfe von komplexen, hohlen Innen- Geometrien kühlbar und besonders robust ausgestaltet sind.
So ist beispielsweise eine dem Oberbegriff des Anspruch 1 entsprechende Gasturbinenschaufel aus der WO 1996/15358 Al bekannt, bei der Mithilfe von tangential in einen Vorderkan- ten-Kühlkanal eingebrachter Kühlluft eine Kühlung der Vorder kante ermöglicht wird, ohne dass darin weitere Filmkühllö cher, im Englischen häufig auch als Showerhead-Holes bezeich net, zu deren Kühlung erforderlich sind. Ein signifikanter Anteil der im Vorderkanten-Kühlkanal strömenden Kühlluft wird jedoch über in der Saugseite, nahe der Vorderkante angeordne te Filmkühllöcher, im Englischen auch als Gill-Holes bezeich net, aus der Turbinenschaufel entlassen, wohingegen der rest liche Anteil dieser Kühlluft unterhalb der Schaufelspitze zur Hinterkante geführt wird. Der restliche Teil des Schaufel blatts hingegen wird über einen Serpentinen-Kühlkanal mit an schließender Hinterkanten-Ausblasung gekühlt.
Des Weiteren ist aus der WO 2017/039571 Al eine sogenannte Mehrlagen-Turbinenschaufel bekannt, die im englischen auch als „Multiwall-Turbine Blade" bezeichnet wird. In ihrem Inne ren sind zwei Verdrängungskörper vorgesehen, mit denen die im Inneren der Turbinenschaufel strömende Kühlluft besonders nah an die Innenflächen der Außenwände gedrängt werden soll. Eine alternative Ausgestaltung einer Multiwall-Turbinenschaufel zeigt zudem die EP 1783 327 A2. Darüber hinaus zeigt die US 2010/0239431 Al eine Turbinenschaufel mit - bezogen auf die Spannweite - zwei benachbarten Mäander-Kühlkanälen, die über einen die Vorderkante kühlenden Kanal in Reihe geschal tet sind.
Im Streben nach weiter erhöhten Wirkungsgraden von Turbinen besteht ein fortwährender Bedarf an Kühllufteinsparung, da die eingesparte Kühlluft als Primärluft zur Oxidation von fossilen oder synthetischen Brennstoffen effizienzsteigernd verwendet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist folglich die Bereitstellung ei ner langlebigen Turbinenschaufel mit einem weiter reduziertem Kühlmittelverbrauch .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbi nenschaufel gemäß Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Turbinenschaufel für eine insbesondere axial durchströmte, stationäre Gasturbine, insbesondere für eine ihrer Hochdruck-Turbinenstufen, mit einem in ihrem Inneren angeordneten Kühlsystem vor, welches einen ersten Kühlpfad für einen ersten Kühlmittelstrom und einen vom ersten Kühl pfad im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig getrennten zweiten Kühlpfad für einen zweiten Kühlmittelstrom umfasst, bei dem der erste Kühlpfad eine erste Kühlmittelpassage, die zu einer Zyklonkühlung der Vorderkante eingerichtet ist und eine sich an die erste Kühlmittelpassage anschließende zweite Kühlmittelpassage, die sich unterhalb der Schaufelspitze von der Vorderkante in Richtung der Hinterkante erstreckt, wobei der zweite Kühlpfad eine Serpentinen-Kühlmittelpassage zur Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Vorderkantenbe reich angeordneten Mittelbereichs des Schaufelblatts und eine erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage zur zumindest teilweisen Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Mittelbereich an geordneten, bis zur Hinterkante reichenden Hinterkantenbe reichs des Schaufelblatts umfasst, wobei die erste Hinterkan- ten-Kühlmittel-passage mit einer Vielzahl von ersten, in der Hinterkante angeordneten Austrittslöchern strömungstechnisch verbunden ist, wobei die erste Kühlmittelpassage für eine austrittslochfreie, d.h. lokal geschlossene Kühlung einge- richtet ist und der erste Kühlpfad weiter umfasst: eine sich an die zweite Kühlmittelpassage anschließende dritte Kühlmit telpassage, die sich hauptsächlich radial nach innen er streckt sowie eine, sich an die dritte Kühlmittelpassage an schließende zweite Hinterkanten-Kühlmittelpassage, welche zur Kühlung einer schaufelspitzenseitigen Region des Hinterkan tenbereichs ausgestaltet ist und mit einer Vielzahl von zwei ten, in der Hinterkante angeordneten Austrittslöchern strö mungstechnisch verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine signi fikante Einsparung von Kühlmittel zur Kühlung der Turbinen schaufel nur dann erreicht werden kann, wenn die Vorderkante und/oder die druckseitige Seitenwand und/oder die saugseitige Seitenwand des Schaufelblatts keine Öffnungen aufweisen, durch welche Kühlmittel ausströmen und dort in ein die Turbi nenschaufel umströmendes Heißgas einströmen kann. Um eine einfache Konstruktion der Turbinenschaufel zu ermöglichen, entweicht das Kühlmittel zumindest an der Hinterkante und ggf. auch noch durch die nach außen weisende Schaufelspitze. Insofern sollen lediglich diejenigen Passagen und Kanäle, mit denen die Vorderkante und ein Großteil der Druckseiten und Saugseiten des Schaufelblatts gekühlt werden können, zu einer lokal geschlossenen Kühlung eingerichtet sein. Mit anderen Worten: von der ersten Kühlmittelpassage und/oder von der Serpentinen-Kühlmittelpassage zweigen weder Showerhead-Holes, noch Gill-Holes, noch andere Filmkühllöcher ab; diese sind austrittslochfrei. Austrittslöcher sind lediglich an der Hin terkante und ggf. in der Schaufelspitze vorgesehen. Unter ei ner lokal geschlossenen Kühlung wird nicht verstanden, dass aus dem Schaufelblatt gar kein Kühlmittel ins Heißgas austre ten darf.
Um dennoch eine hinreichende Kühlung der Vorderkante zu er reichen, insbesondere von thermisch äußerst hochbelasteten Turbinenschaufeln, besteht eigentlich in einem Fall von einer lokal geschlossenen, d.h. austrittslochfreien Vorderkanten kühlung ein gesteigerter Bedarf an Kühlmittel. Mit der Erfin- düng wird nun jedoch erstmalig vorgeschlagen, den für die Vorderkanten-Kühlung eingesetzte erste Kühlmittelstrom auch noch für die Kühlung eines radial äußeren Teils des Hinter kantenbereichs des Schaufelblatts zur verwenden. Anstatt das Kühlmittel wie im Stand der Technik über Gill-Holes und an der Hinterkante direkt zu entlassen, wird erfindungsgemäß ei ne hintere Trennrippe ins System eingebracht, die das Kühl mittel aus dem vorwärtsströmenden System kommend erneut nach innen umlenkt und schließlich zu einem weiteren Hinterkanten- Kühlmittelpassage führt. Folglich wird der erste Kühlmit telstrom über eine zweite Kühlmittelpassage, die sich unmit telbar unterhalb der Schaufelspitze zum hinteren Ende des Schaufelblatts erstreckt, und über eine sich daran anschlie ßende dritte Kühlmittelpassage auf vorzugsweise etwa halbe Höhe der Hinterkante geführt, um anschließend in einer radial außen angeordneten Hinterkanten-Kühlmittelpassage dort nutz bringend verwendet zu werden. Aufgrund dieser Lösung kann der Bedarf an Kühlluft für den zweiten Strömungspfad signifikant reduziert werden. Mithin bietet der hier vorgeschlagene An satz einen maximalen Nutzen des zur Verfügung stehenden Kühl mittels aufgrund einer neuartigen Aufteilung und unter Ver wendung eines Kühlkonzepts, nämlich der Zyklonkühlung, die für Turbinenschaufeln der ersten und/oder zweiten Turbinen stufe von Gasturbinen mit vergleichsweise hohen Verdichter druckverhältnissen bzw. hohen Turbineneintrittstemperaturen bisher als vollkommen ungeeignet angesehen und deshalb für deren Turbinenschaufeln nicht in Betracht gezogen wurde.
Unter einer Zyklonkühlung ist eine solche Kühlung zu verste hen, bei der wesentliche Anteile des in einem Kühlkanal oder in einer Kühlmittelpassage strömenden Kühlmediums von einem Haupteinlass für das Kühlmittel zu einem Hauptauslass ver- drallt strömen. Verdrallt bedeutet, dass der wesentliche An teil des Kühlmediums längs des betreffenden Kanals bzw. Pas sage schraubenlinienmäßig bzw. helixartig strömt. Die ver- drallte Strömung ist von einer turbulenten Strömung zu unter scheiden. Letztere wird regelmäßig von sogenannten Turbulato ren hervorgerufen und tritt demzufolge in räumlich sehr be- grenzten Gebieten auf, da nur ein sehr geringer Anteil des Kühlmittels durch die Turbulatoren erreicht und manipuliert wird. Nach dem Verlassen des betreffenden Gebiets ist die Turbulenz dann auch wieder zerfallen. Somit kann eine ver- drallte Hauptströmung in lokal sehr kleinen Gebieten auch turbulente Sekundärströmungsanteile aufweisen, nicht aber um gekehrt .
Mit der Erfindung kann der Verbrauch an Kühlmittel in einem nicht vorab zu erwartendem Umfang reduziert werden bei gleichzeitiger hinreichender Kühlung des gesamten Schaufel blatts. Gemäß detaillierten Simulationen gilt dies selbst für Turbinenschaufeln, die in einer der beiden vorderen Turbinen stufen einer stationären Gasturbine, deren Turbineneintritts temperatur bei ISO-Nennbetrieb von 1300°C und höher liegt o- der deren Verdichterdruckverhältnis von 19:1 oder höher be trägt. Selbst bei derartigen Turbinenschaufeln konnte die Menge an Kühlmittel um etwa 30 % gesenkt werden im Vergleich zu einer konventionellen, mit in der Vorderkante angeordneten Kühllöchern, unter Erreichung der identischen Lebensdauer.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in der Schaufelspitze ein oder mehrere Austrittslöcher für Kühlmittel angeordnet sind, die mit der zweiten Kühlmittelpassage strömungstechnisch verbunden sind. Diese Maßnahme verbessert die Dauertestigkeit von etwaigen, an der Schaufelspitze hervorragenden Anstreifkanten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Kühlpfad eine Versorgungspassage für die erste Kühlmit telpassage, die unmittelbar neben der ersten Kühlmittelpassa ge angeordnet sich zumindest über einen Großteil der Spann weite des Schaufelblatts erstreckend über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen mit der ersten Kühlmittelpassage strö mungstechnisch verbunden ist, wobeidie Durchtrittsöffnungen Mittel aufweisen, um dem in der ersten Kühlmittelpassage strömenden Kühlmittel einen Drall aufzuprägen bzw. diesen zu verstärken. Als Mittel weisen die Durchtrittsöffnungen eine spezielle Ausrichtung auf. Wenn beispielsweise die Durch trittsöffnungen tangential, d.h. außermittig in der ersten Kühlmittelpassage und insbesondere mit der Innenfläche der saugseitigen oder druckseitigen Seitenwand fluchtend münden und/oder in Radialrichtung angestellt sind, lässt sich mit einfachen Mitteln dem in der ersten Kühlmittelpassage strö menden Kühlmittel den für die Zyklonkühlung erforderlichen Drall aufprägen bzw. verstärken. Somit lässt sich eine effi ziente Zyklonkühlung der Vorderkante vergleichsweise einfach bereitstellen .
Eine über die Höhe des Schaufelblatts angepasste bzw. homoge nisierte Zyklonkühlung der Vorderkante lässt sich gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch erreichen, dass eine in Spannweitenrichtung ermittelbare Dichte an Durchtrittsöffnun gen am fußseitigen Ende am größten ist, und vorzugsweise zur Schaufelspitze hin schrittweise oder kontinuierlich abnimmt. Hiermit kann die Strömungsgeschwindigkeit in der ersten Kühl mittelpassage über die Spannweite des Schaufelblatts nahezu konstant gehalten werden, was ebenso durch eine sich im Quer schnitt verjüngende erste Kühlmittelpassage zur Schaufelspit ze erreichbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an einer oder mehreren Innenflächen von einer oder mehreren Kühlmit telpassagen eine Vielzahl von vorzugsweise rippenförmigen, insbesondere geneigt angeordneten Turbulatoren angeordnet, um lokal den Wärmeübergang in das erste und oder zweite Kühlmit tel weiter zu erhöhen und/oder um den Drall zu unterstützen.
Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist in jeder Hinterkanten-Kühlmittelpassage eine Vielzahl von in einem Muster d.h. in mehreren Reihen angeordneten Sockeln vorgese hen. Hiermit lässt sich ein saugseitiger und druckseitiger Hinterkantenbereich des Schaufelblatts, welcher sich an den Mittelbereich des Schaufelblatts anschließt und sich bis zur Hinterkante des Schaufelblatts erstreckt, in einfacher wie effizienter Weise austrittslochfrei, d.h. lokal geschlossen kühlen. Weiter können dadurch auch die Aufteilung des Kühl mittels für die beiden Kühlpfade und die darin auftretenden Druckverluste effizient eingestellt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwei die zweite Kühlmittelpassage erweiternde, Kühlkanalarme vorgese hen, die mit zunehmender Erstreckung in Sehnenrichtung sich nach radial innen aufweiten und in der dritten Kühlmittelpas sage münden. Diese Maßnahme reduziert bzw. kompensiert die Verringerung des Durchströmungsquerschnitts der zweiten Kühl mittelpassage, die sich aufgrund der tropfenförmigen Gestalt des zur Hinterkante spitz zulaufenden Schaufelprofils ergibt. Mithin kann für die gesamte Länge der zweiten Kühlmittelpas sage eine annähernd konstante Querschnittsfläche erzielt wer den, wodurch der erste Kühlmittelstrom mit konstanter Ge schwindigkeit die zweite Kühlmittelpassage durchströmen kann. Strömungsablösung können somit vermieden werden unter Auf rechterhaltung einer gleichmäßigen Kühlung der Schaufelspitze sowie der lokalen Bereiche der Seitenwände.
Des Weiteren ist gemäß einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform zwischen der zweiten Kühlmittelpassage und der Serpentinen-Kühlmittelpassage eine Trennwand angeordnet, die die beiden Seitenwände miteinander verbindet und sich in Sehnenrichtung erstreckt, wobei die Trennwand mit zunehmender Annährung zur Hinterkante einen vorzugsweise spitz zulaufen den Verdrängungskeil ausbildet, der in Verbindung mit den In nenflächen der beiden Seitenwände die zwei Kühlkanalarme seitlich begrenzt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der dritten Kühlmittelpassage und der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage eine sich in Spannweitenrichtung erstreckende hintere Trennrippe vorgese hen. Gegebenenfalls können in der hinteren Trennrippe auch ein oder mehrere Löcher vorhanden sein, um lokale Totwasser gebiete in der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage zu ver hindern . Gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung weist die Hinterkante eine normierte Höhe von 100%, beginnend an ihrem fußseitigem Ende bei 0% und endend an der Schaufelspitze bei 100 %, auf, wobei die beiden Hinterkanten-Kühlmittelpassagen von einer sich hauptsächlich in Sehnenrichtung erstreckenden Trennrippe zumindest im Wesentlichen voneinander getrennt sind, die auf einer Höhe zwischen 45% und 75% der normierten Höhe angeordnet ist. Insbesondere hierdurch lässt eine beson ders effiziente Aufteilung der insgesamt zur Verfügung ste henden Kühlmittelmenge erreichen, mit der zum einen eine ho mogene Kühlung des Schaufelblatts und zum anderen ein weiter reduzierter Kühlmittelverbrauch an sich erzielbar ist. Um die zum Gießen der Turbinenschaufel benötigten Gusskerne, welche später die beiden hinteren Hinterkanten-Kühlmittelpassagen hinterlassen, besser befestigen zu können und um Kernbruch zu vermeiden, ist es hilfreich sein, wenn diese Gusskerne über einige, wenige Stützen unmittelbar miteinander verbunden sind. Zwar hinterlassen dann die Stützen in der fertigen Tur binenschaufel Öffnungen in der Trennrippe, die die vollstän dige Trennung der beiden Hinterkanten-Kühlkanäle aufhebt, je doch sind die beiden Hinterkanten-Kühlkanäle weiterhin im We sentlichen voneinander getrennt.
Bevorzugtermaßen ist bei einer weiteren Weiterbildung der Er findung vorgesehen, dass die Serpentinen-Kühlmittelpassage zumindest zwei sich in Spannweitenrichtung erstreckende Ka nalabschnitte und zumindest zwei Umkehrabschnitte, die einan der abwechseln, umfasst, wobei der im Kühlmittelstrom weiter stromab gelegene Umkehrabschnitt mit der ersten Hinterkanten- Kühlmittelpassage unmittelbar strömungstechnisch verbunden ist.
Besonders bevorzugt und vorteilhaft ist die Weiterbildung der voran beschriebenen Ausführungsform, bei der die beiden Ka nalabschnitte mittels eines Verdrängungskörpers und mittels der beiden Seitenwände in einer Querschnittsbetrachtung des Schaufelblatts im Wesentlichen jeweils C-förmig mit einem saugseitigen Kanalarm, einem druckseitigen Kanalarm und einem die beiden Kanalarme verbindenden Verbindungsarm ausgestaltet und derart zueinander angeordnet sind, dass sie den Verdrän gungskörper nahezu vollständig umgeben. Hierdurch kann eine als Multiwall ausgestaltete Turbinenschaufel bereitgestellt werden. Durch die Ausgestaltung als Multiwall ist es einer seits möglich, ein Schaufelblatt zu erzeugen, das auch bei geringem mittelverbrauch eine relativ geringe Krümmung an der Vorderkante aufweist. Diese geringe Krümmung ist der Draller zeugung in der ersten Kühlmittelpassage natürlich stark för derlich. Andererseits können durch aufgrund der Multiwall- Ausgestaltung die Kühlabschnitte vergleichsweise geringe Durchströmungsquerschnitte erhalten. Im Betrieb strömt sodann der zweite Kühlmittelstrom durch die Kanalabschnitte bzw. durch die Serpentinen-Kühlmittelpassage mit hinreichend gro ßer Geschwindigkeit und somit unter Ausbildung eines hinrei chend hohen Wärmeübergangs. Dies insbesondere verringert die Menge an erforderlichem Kühlmittel für eine effiziente Küh lung des Mittelbereichs des Schaufelblatts zwischen Vorder kante und Hinterkantenbereich. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann der Verbrauch um etwa weitere 40% gesenkt werden, wodurch dann die thermische Effizienz der Turbinenschaufel ver gleichsweise nah an das theoretische Maximum geführt werden kann.
Dabei erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Verdrängungs körper in einer Querschnittsbetrachtung einen Hohlraum um greift und über Stege an den beiden Seitenwänden abgestützt ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung kann bei einer Turbi nenlaufschaufel zur Kompensation von im Betrieb auf das zwei te Kühlmittel auftretenden Corioliskräften zumindest einer, vorzugsweise bei beiden, die Druckseitenwand mit der Saugsei tenwand verbindenden Stützrippen, welche sich vom fußseitigen Ende zur Schaufelspitze hin erstrecken auf der Stützrippe bzw. an den die Verbindungsarme begrenzenden Innenflächen des Verdrängungskörpers Elemente, vorzugsweise Turbulatoren, vor- gesehen sein. Dadurch kann eine Querströmung von Kühlmittel aus dem saugseitigen Kanalarm durch den Verbindungsarm in den druckseitigen Kanalarm reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum nicht von Kühlmittel durchströmbar, da er keine Aus trittsöffnung für Kühlmittel aufweist. Dies verhindert eine ungewollte Störung der zweiten Kühlmittelströmung, ermöglicht aber die Verwendung einer besonders einfachen Gießvorrich tung, bei der die verwendeten Gusskerne besonders einfach und stabil an weiteren Komponenten der Gießvorrichtung befestig bar sind. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Turbinen schaufel vorzugsweise gegossen, wobei eine nach dem Gießen der Turbinenschaufel im Schaufelfuß vorhandene Öffnung, die mit dem Hohlraum in direkter, d.h. unmittelbarer Verbindung steht, von einer separat hergestellten Abdeckplatte ver schlossen ist. Analoges gilt für eine nach dem Gießen der Turbinenschaufel im Schaufelfuß vorhandene Öffnung, die mit der ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage in direkter, d.h. unmittelbarer Verbindung steht. Bevorzugtermaßen ist auch ei ne solche verschlossen, indem eine separat hergestellte Ab deckplatte die betreffende Öffnung vollständig überdeckend am Schaufelfuß befestigt ist.
Zweckmäßigerweise sind für jeden Kühlpfad ein oder mehrere Einlässe vorgesehen, die mit der ersten Kühlmittelpassage bzw. der Versorgungspassage oder mit der Serpentinen- Kühlmittelpassage bzw. einem ihrer Kanalabschnitte unmittel bar strömungstechnisch verbunden sind.
Bevorzugtermaßen weist die Turbinenschaufel ein Aspektver hältnis von einer Hinterkanten-Spannweite bezogen auf eine am fußseitigen Ende zu erfassenden Sehnenlänge auf, welches 3,0 oder kleiner ist, da sich herausgestellt hat, dass die vorge schlagene Aufteilung des zu Verfügung stehenden Kühlmittels in zwei vorzugsweise voneinander getrennte Kühlmittelströme und die gleichzeitig vorgeschlagene Aufteilung der Kühlung des Hinterkantenbereichs insbesondere für derartige Turbinen- schaufeln eine beträchtliche Einsparung der Menge an Kühlmit tel ermöglicht.
Grundsätzlich ist die Verwendung der voran beschriebenen Tur binenschaufel sowohl als an einem Rotor angebrachter Lauf schaufel oder als an einem statischen Träger angebrachter Leitschaufel möglich.
In überraschender Weise lässt sich die voran beschriebene Turbinenschaufel auch in einer ersten oder zweite Turbinen stufe einer stationären Gasturbine verwenden, die bei ISO- Nennbetrieb eine Turbineneintrittstemperatur von mindestens 1300°C und/oder ein bei ISO-Nennbetrieb auftretendes Verdich tungsverhältnis von 19:1 oder größer aufweist. Im Sinne die ser Anmeldung fallen so genannte Aero-Derivate nicht unter die Definition von stationären Gasturbinen. Mithin ist die Erfindung nicht nur für solche stationären Gasturbinen geeig net, deren Heißgas-Temperaturen am Turbineneintritt nach heu tigen Maßstäben als vergleichsweise gering angesehen werden.
Die bisherige Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu einer Einheit zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßi gerweise auch einzeln betrachtet und zu weiteren Kombinatio nen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kombinierbar. So sind etwa auch Verfahrensmerkma le, gegenständlich formuliert, auch als Eigenschaft der ent sprechenden Vorrichtungseinheit zu sehen und umgekehrt.
Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfin dung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das je weilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter „ein" bzw. „eine" nicht als Zahlwörter, sondern als unbe- stimmte Artikel zu verstehen. Ebenso dienen die Zählwörter „erster", „zweiter", „dritter", etc. lediglich zur Unter scheidung von Merkmalen, die grundsätzlich ähnlicher Natur sind.
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 nachfolgen den Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht auf eine Turbinenlaufschau fel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 2 das Kühlschemata der Turbinenlaufschaufel ge mäß Figur 1, Figur 3 den Längsschnitt durch die Turbinenlaufschau fel gemäß des ersten Ausführungsbeispiels,
Figur 4 einen Querschnitt durch die Turbinenlaufschau fel gemäß Figur 3 entlang der Schnittlinie A-
A,
Figuren 5 7 Längsschnitte durch die Turbinenlaufschaufel gemäß Figur 3 entlang der Schnittlinien B-B, C-C bzw. D-D,
Figur 8 einen Querschnitt durch die Turbinenlaufschau fel gemäß Figur 1 entlang der Schnittlinie E-E und
Figur 9 in schematischer Darstellung eine stationäre Gasturbine.
In den Figuren weisen alle technischen Merkmale, welche mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, gleiche technische Wir kung auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Turbinenschaufel 10 erläutert, welche als Turbinenlaufschaufel ausgestaltet ist. Gleichwohl kann es sich bei der Erfindung auch um eine Turbinenleitschaufel handeln.
Als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Figur 1 eine Turbinenschaufel 10 in einer Seitenansicht. Die vor zugsweise in einem Feinguss-Verfahren hergestellte Turbinen schaufel 10 umfasst einen nur im Ansatz dargestellten Schau felfuß 12. Der Schaufelfuß 12 kann in bekannter Art und Weise in einer Schwalbenschwanzform oder einer Tannenbaumform aus gestaltet sein. Daran schließt sich eine Plattform 13 an, von der aus sich in Spannweitenrichtung R ein Schaufelblatt 18 sich von einem fußseitigen Ende 20 zu einer Schaufelspitze 22 erstreckt. Wenn die Turbinenlaufschaufel 10 in einer axial durchströmten Gasturbine eingebaut ist, fallen die Spannwei tenrichtung und die Radialrichtung der Gasturbine zusammen.
In einer quer zur Spannweitenrichtung R orientierten Sehnen richtung S erstreckt sich das Schaufelblatt 18 von einer Vor derkante 24 zu einer Hinterkante 26. In der Hinterkante 26 sind Austrittslöcher 46, 56 entlang der Spannweitenrichtung verteilt. Ein Aspektverhältnis HSP/SL von einer Hinterkanten- Spannweite HSP bezogen auf eine am fußseitigen Ende zu erfas senden Sehnenlänge SL beträgt gemäß diesem Ausführungsbei spiel 1,9 und liegt bevorzugtermaßen im Bereich zwischen 1,5 und 3.
An einer seitlichen Fläche der Plattform 13 münden ebenfalls Austrittsöffnungen 28. Die Austrittslöcher 46, 56 sowie die Austrittsöffnungen 28 sind in Strömungsverbindung mit einem inneren Kühlsystem der Turbinenlaufschaufel 10.
Das Kühlsystem der Turbinenlaufschaufel 10 und insbesondere des Schaufelblatts 18 ist in der Figur 2 als Kühlschemata schematisch dargestellt. Der Turbinenlaufschaufel 10 sind ein erster Kühlmittelstrom Ml und ein zweiter Kühlmittelstrom M2 getrennt zuführbar. Der erste Kühlmittelstrom Ml durchströmt einen ersten Kühlpfad 30, welcher sich aus mehreren Kühlmit telpassagen 31, 32, 33, 34, 36a, 36b, 38, 40, 44 zusammen setzt. Stromab eines in der Figur 2 nicht dargestellten Ein- lasses für den Kühlmittelstrom Ml folgt eine Versorgungspas sage 31, die über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 33 mit einer ersten Kühlmittelpassage 32 in Strömungsverbindung steht. Die erste Kühlmittelpassage 32 dient zur Zyklonkühlung der Vorderkante 24 des Schaufelblatts 18 sowie des sich daran unmittelbar anschließenden Vorderkantenbereichs 39. Im Be reich der Schaufelspitze 22 geht die erste Kühlmittelpassage 32 in eine zweite Kühlmittelpassage 34 über, welche zur Küh lung der Schaufelspitze 22 sich von der Vorderkante 24 über eine vergleichsweise große Sehnenlänge der Schaufelspitze 22 sich in Richtung Hinterkante 26 erstreckt. In der Schaufel spitze können dritte Austrittslöcher 67 zur Kühlung von spä ter erläuterten Anstreifkanten angeordnet sein. Weiter um fasst die zweite Kühlmittelpassage 34 zwei erst in der zwei ten Hälfte der zweiten Kühlmittelpassage 34 beginnende Kühl kanalarme 36a, 36, die ebenso wie das stromabseitige Ende der zweiten Kühlmittelpassage 34 mit einer dritten Kühlmittelpas sage 38 verbunden sind. Letztere ist über einen Umkehrab schnitt 40 mit einer zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 strömungstechnisch verbunden. Der den ersten Kühlpfad 30 durchströmende Kühlmittelstrom Ml kann dann über eine Viel zahl von zweiten Austrittslöchern 46 die Turbinenlaufschaufel 10 an ihrer Hinterkante 26 verlassen. Parallel zum ersten Kühlpfad 30 und strömungstechnisch vorzugsweise vollständig davon getrennt ist ein zweiter Kühlpfad 50 angeordnet, wel cher stromab eines in Figur 2 nicht weiter dargestellten Ein lasses eine Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 aufweist. Die Serpentinen-Kühlmittel-passage 52 umfasst zur Kühlung eines Mittelbereichs 48 (Figur 1) gemäß diesen Ausführungsbeispiel zwei sich in Spannweitenrichtung erstreckende Kanalabschnitte 55a, 55b, die über einen dazwischen angeordneten Umkehrab schnitt 57a miteinander verbunden sind. Am stromab gelegenen Ende des zweiten Kanalabschnitts 55b schließt sich ein zwei ter Umkehrabschnitt 57b an, welcher den zweiten Kanalab schnitt 55b mit einer ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54 strömungstechnisch verbindet. Der den zweiten Kühlpfad 50 durchströmende Kühlmittelstrom M2 kann dann den über eine Vielzahl von ersten Austrittslöchern 46 die Turbinenlauf- schaufei 10 an ihrer Hinterkante 26 verlassen. Beide Hinter- kanten-Kühlmittelpassagen 44, 54 dienen zur Kühlung eines Hinterkantenbereichs 59 (Figur 1).
Figur 3 zeigt als Längsschnitt eine innere Struktur der Tur binenlaufschaufel 10 gemäß Figur 1, welche zu dem Kühlschema ta nach Figur 2 korrespondierend ausgestaltet ist. Hierzu um fasst die Turbinenlaufschaufel 10 eine Reihe von unterschied lich angeordneten Wänden und Rippen, die die einzelnen Kühl pfade und Kühlmittelpassagen voneinander trennen. Im Schau felfuß 12 sind zwei Einlässe 80 für die beiden Kühlmittel ströme Ml und M2 bzw. für die beiden Kühlpfade 30, 50 vorge sehen. Zwischen den beiden Einlässen 80 ist eine die beiden Seitenwände 14, 16 miteinander verbindende vorderen Stützrip pe 66v angeordnet, die für einen ersten Abschnitt den ersten Kühlpfad 30 vom zweiten Kühlpfad 50 trennt. Eine vorderen Trennrippe 49v trennt zudem die Versorgungspassage 31 von der ersten Kühlmittelpassage 32, wobei in der vorderen Trennrippe 49v eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 33 (Detail zu Fi gur 4) angeordnet sind. In Figur 3 sind von diesen jedoch le diglich die Mündungen der Durchtrittsöffnungen dargestellt. Wie aus Figur 3 hervorgeht, ist im plattformnahen Bereich ei ne größere Dichte von Durchtrittsöffnungen 33 vorgesehen als im spitzennahen Bereich. Die Lage und die Orientierung der Durchtrittsöffnungen 33 in der vorderen Trennrippe 49v ist so gewählt, dass in der ersten Kühlmittelpassage 32 eine ver gleichsweise stark verdrallte Kühlmittelströmung entstehen kann. Unter einer verdrallten Kühlmittelströmung ist eine solche zu verstehen, die zyklonartig bzw. analog zu einer Schraubenlinie bzw. einer Helix sich vom fußseitigen Ende 20 zur Schaufelspitze 22 hin ausbilden kann. Mithin sind sie in der vorderen Trennrippe 49v außermittig und insbesondere mit den Innenwänden der Saugseitenwand 16 (oder Druckseitenwand) fluchtend angeordnet, ggf. sogar unter einer Neigung zur Schaufelspitze 22 hin um die Abschwächung des Dralls beim Durchströmen der ersten Kühlmittelpassages 32 zumindest teil weise zu kompensieren. Am äußeren Ende der ersten Kühlmittelpassage 32 schließt sich die zweite Kühlmittelpassage 34 zur Kühlung eines Bodens 37 der Schaufelspitze 22 an, wobei die zweite Kühlmittelpassage 34 durch eine Trennwand 60 von der Serpentinen- Kühlmittelpassage 52 getrennt ist. Am hinterkantennahen Ende der zweiten Kühlmittelpassage 34 schließt sich die dritte Kühlmittelpassage 38 an, welche sich von der Schaufelspitze 22 in Richtung des fußseitigen Endes 22 erstreckt, jedoch et wa nur bis zur halben Höhe des Schaufelblatts 18, wobei die Höhe des Schaufelblatts 18 an der Hinterkante 26 zu erfassen ist. Daran schließt sich ein weiterer Umkehrabschnitt 40 an, mittels dem der erste Kühlmittelstrom Ml der zweiten Hinter- kanten-Kühlmittelpassage 44 zugeführt werden kann. Die dritte Kühlmittelpassage 38 ist durch eine entsprechend ausgestalte te hinteren Trennrippe 49h von der zweiten Hinterkanten- Kühlmittelpassage 54 größtenteils getrennt.
In der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 sind vom Kühlmittel Ml umströmbare Sockel 53 in mehreren Reihen hin tereinander angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Sockel eher Rennbahn-förmig ausgestaltet mit vergleichs weise engen Durchtrittspassagen, um einen möglichst hohen Druckverlust herbeizuführen. Der erste Kühlpfad 30 endet in in der Hinterkante 26 vorgesehenen zweiten Austrittslöchern 46, durch welche zumindest ein Großteil des durch den zugehö rigen Einlass 80 zugeführten Kühlmittelstroms Ml aus der Tur binenlaufschaufel 10 entlassen werden kann.
Der zweite Kühlpfad 50 zur Führung des zweiten Kühlmit telstroms M2 und umfasst im Wesentlichen die Serpentinen- Kühlmittelpassage 52 sowie die erste Hinterkanten- Kühlmittelpassage 44. Ersteres lässt sich in vier aufeinan derfolgende Abschnitte unterteilen, von denen der erste als erster Kanalabschnitt 55a bezeichnet ist. Daran anschließend folgt aufeinander ein erster Umkehrabschnitt 57a, ein zweiter Kanalabschnitt 55b sowie ein zweiter Umkehrabschnitt 57b. Letzter verbindet die Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 mit der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54, welche analog zur ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 mit in mehreren Reihen angeordneten, Rennbahn-förmigen Sockeln 53 ausgestal tet ist.
Die beiden Kanalabschnitte 55a, 55b der Serpentinen- Kühlmittelpassage 52 erstrecken sich entlang der Spannweiten richtung R über einen Großteil des Schaufelblatts 18. Der erste Kanalabschnitt 55a als auch der zweite Kanalabschnitt 55b sind, wie in Figur 4 zusätzlich dargestellt, im Wesentli chen U-förmig mit jeweils einem saugseitig angeordneten Ka nalarm 55as, 55bs, einem druckseitigen angeordneten Kanalarm 55ad, 55bd sowie einem die betreffenden Kanalarme verbinden den Verbindungsarm 55av, 55bv. Demzufolge ist der erste Ka nalabschnitt 55a von der druckseitigen Seitenwand 14, von der vorderen Stützrippe 66v, von der saugseitigen Seitenwand 16 sowie einem im Inneren angeordneten Verdrängungskörper 70 - im Querschnitt gemäß Figur 4 - umgeben. Der zweite Kanalab schnitt 55b ist von der druckseitigen Seitenwand 14, von ei ner hinteren Stützrippe 66h, von der saugseitigen Seitenwand 16 sowie dem im Inneren angeordneten Verdrängungskörper 70 umgeben. Der Verdrängungskörper 70 umgreift selbst einen Hohlraum 72 und ist über Stege 71 an der druckseitigen Sei tenwand 14 bzw. der saugseitigen Seitenwand 16 abgestützt.
Die Stege 71 erstrecken sich annähernd über die gesamte Höhe des Schaufelblatts 18 und dienen einerseits zur monolithi schen Befestigung des Verdrängungskörpers 70 in der Turbinen laufschaufel 10 und andererseits zur Trennung der beiden Ka nalabschnitte 55, 57. Bezugnehmend auf Figur 2 ist erkennbar, dass der Verdrängungskörper 72 an seinem radial äußeren Ende hinterkantenseitig gestutzt ist. Diese Maßnahme verbessert die mechanische Integrität der Turbinenlaufschaufel 10 und insbesondere deren Schwingungsfestigkeit.
Die beiden Hinterkanten-Kühlmittelpassagen 44, 54 sind von einer sich hauptsächlich in Sehnenrichtung S erstreckenden Trennrippe 64 sind zumindest größtenteils, wenn nicht gar vollständig voneinander getrennt. Gemäß dem Ausführungsbei spiel endet die Trennrippe 64 auf einer Höhe von 55% einer normierten Schaufelblatthöhe der Hinterkante 24. Vorzugsweise ist die Trennrippe 64 auf einer Höhe zwischen 45% und 75% der normierten Höhe angeordnet.
Die Figuren 5 bis 7 zeigen Schnitte durch die Spitze der Tur binenlaufschaufel 10 gemäß der drei Schnittlinien B-B, C-C und D-D aus Figur 3. An dem äußeren Ende der Schaufelspitze 72 sind sowohl saugseitig als auch druckseitig Anstreifkanten 78 vorgesehen. Zudem ist es ersichtlich, dass der Verdrän gungskörper 70 an seinem radial äußeren Ende nicht verschlos sen, sondern zum ersten Umkehrabschnitt 57a hin geöffnet ist. Insofern wäre zwar ein Einströmen des zweiten Kühlmit telstroms M2 möglich. Da jedoch eine für das Erstellen des Hohlraums 72 bzw. des Verdrängungskörpers 70 erforderliche Öffnung 74a am Schaufelfuß 12 durch eine dort nach dem Gießen angebrachte Abdeckplatte 76a (Figur 1) verschlossen ist, man gelt es dem Hohlraum 72 an Austrittsöffnungen. Demzufolge ist er nicht durchströmbar, sondern als Totwasser-Raum ausgestal tet. Folglich bietet es sich an, dessen Innengestalt ggf. zu schon noch in der Entwurfsphase mittels des Vorsehens von weiteren Strukturen wie Rippen, Streben oder dergleichen zu variieren, wenn falls eine Modalanpassung erforderlich ist. Der besondere Vorteil würde darin liegen, dass allein die Ei genfrequenz der Turbinenschaufel angepasst werden würde, ohne sonstige Eigenschaften wie Aerodynamik oder Wärmeaustausch zu beeinflussen.
Weiter zeigen die Figuren 5 bis 7, wie die Trennwand 60 mit zunehmender Annäherung zur Hinterkante 24 einen spitz zulau fenden Verdrängungskeil 62 ausbildet, der in Verbindung mit den Innenflächen der beiden Seitenwänden 14, 16 die beiden
Kühlkanalarme 36a und 36b jeweils seitlich begrenzen. Mithil fe des spitz zulaufenden Verdrängungskeil 62 lässt sich die Stützung des Verdrängungskörpers 70 kompensieren, sodass wei terhin eine seitenwandnahe Führung des Kühlmittelstroms M2 im gestutzten Bereich und somit eine hinreichende Kühlung dessen effizient möglich ist. Ist die Stützung des Verdrängungskör pers nicht zwingend notwendig, kann die Größe des Verdrän- gungskeils reduziert werden. Ggf. kann sogar ganz darauf ver zichtet werden.
Figur 8 zeigt in einer zur Schaufelspitze 22 - also nach au ßen - gerichteten Sicht einen Querschnitt auf die stromabwär- tige Hälfte der Schaufelspitze 22 gemäß Schnittlinie E-E aus Figur 3.
Gemäß eines nicht weiter gezeigten zweiten Ausführungsbei spiels kann anstelle oder zusätzlich zur Versorgungspassage 31 ein schaufelfußseitiger Kanalabschnitt vorgesehen sein, welcher eine Verlängerung der ersten Kühlmittelpassage 32 bis zur Unterseite des Schaufelfußes 12 darstellen kann. In die sem schaufelfußseitigen Kanalabschnitt können entsprechend geeignete Drallerzeuger, beispielsweise Spiralrippen, vorge sehen sein, die den Kühlmittelstrom Ml bei der Durchströmung des schaufelfußseitigen Kanalabschnitts zyklonartig verdral- len. In diesem Fall wäre die erste Kühlmittelpassage 32 durch die vordere Stützrippe 66v von dem Verbindungskanal 55av ge trennt, sodass in der vorderen Stützrippe 66v angeordnete Durchtrittsöffnung 33 eine Wiederauffrischung bzw. Verstär kung des Drallimpulses begünstigen könnten. Insofern kann es gegebenenfalls sogar sinnvoll sein, die beiden Kühlmittel ströme Ml und M2 nicht gänzlich voneinander getrennt durch die Turbinenschaufel 10 zu führen, sondern in einem sehr ge ringen Umfang einen Austausch zuzulassen, indem an sehr weni gen Stellen einzelne Löcher mit vorzugsweise geringen Durch messers die beiden ansonsten strömungstechnisch getrennten Kühlpfade miteinander verbunden sind.
Figur 9 zeigt lediglich schematisch eine Gasturbine 100 mit einem Verdichter 110, einer Brennkammer 120 sowie einer Tur bineneinheit 130. An einem Rotor 140 der Gasturbine ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Generator 150 zur Stromerzeu gung angekoppelt. Der Verdichter 110 ist derart ausgestaltet, dass er im Betrieb bei ISO-Normbedingungen ein Druckverhält nis von verdichteter Umgebungsluft VL zu angesaugter Umge bungsluft L von 19:1 oder größer erzeugen kann. In der Brenn- kammer 120 wird dann die verdichtete Luft VL mit einem Brenn stoff F gemischt und zu einem Heißgas HG verbrannt. Brennkam mer 120 und Turbineneinheit 130 sind derart ausgestaltet, dass das am Ausgang der Brennkammer 120 bzw. am Eintritt der Turbineneinheit 130 strömende Heißgas HG bei ISO- Normbedingungen eine Temperatur von mindestens 1300°C auf weist, wobei die Lauf- und Leitschaufein der ersten Turbinen stufe oder der zweiten Turbinenstufe in der hier beschriebe nen Art und Weise ausgestaltet sind. Das in der Turbinenein heit 130 entspannte Heißgas HG verlässt dieses als Rauchgas RG.
Insgesamt wird mit der Erfindung eine Turbinenschaufel 10 mit einem Schaufelfuß 12 und einem Schaufelblatt 18 vorgeschla gen, welches sich entlang einer Spannweitenrichtung R von ei nem fußseitigen Ende 20 zu einer Schaufelspitze 22 und ent lang einer zur Spannweitenrichtung R quer angeordneten Seh nenrichtung S von einer Vorderkante 24 zu einer Hinterkante 26 erstreckt, wobei im Inneren des Schaufelblatts 18 ein ers ter Kühlpfad 30 für einen ersten Kühlmittelstrom Ml und ein zweiter Kühlpfad 50 für einen zweiten Kühlmittelstrom M2 aus gestaltet sind, wobei der erste Kühlpfad 30 eine erste Kühl mittelpassage 32, die zu einer Zyklonkühlung der Vorderkante 24 eingerichtet ist und eine sich an die erste Kühlmittelpas sage 32 anschließende zweite Kühlmittelpassage 34, die sich unterhalb der Schaufelspitze 22 von der Vorderkante 24 in Richtung der Hinterkante 26 erstreckt, umfasst, wobei der zweite Kühlpfad 50 eine Serpentinen-Kühlmittelpassage 52 zur Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Vorderkantenbe reich 39 angeordneten Mittelbereichs 48 des Schaufelblatts 18 und eine erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54 zur zumin dest teilweisen Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Mittelbereich 48 angeordneten, bis zur Hinterkante reichenden Hinterkantenbereichs 59 des Schaufelblatts 18 umfasst, wobei die erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage 54 mit einer Viel zahl von ersten, in der Hinterkante 26 angeordneten Aus- trittslöchern 56 strömungstechnisch verbunden ist. Um eine Turbinenschaufel mit einem weiter reduzierten Kühlmittelver- brauch bereitzustellen wird vorgeschlagen, dass die erste Kühlmittelpassage 32 und/oder die Serpentinen- Kühlmittelpassage 52 für eine lokal geschlossene Kühlung ein gerichtet ist und der erste Kühlpfad 30 eine sich an die zweite Kühlmittelpassage 34 anschließende dritte Kühlmittel passage 38, die sich hauptsächlich radial nach innen er streckt sowie eine, sich an die dritte Kühlmittelpassage 38 anschließende zweite Hinterkanten-Kühlmittelpassage 44 um fasst, welche zur Kühlung einer schaufelspitzenseitigen Regi- on des Hinterkantenbereichs 59 ausgestaltet ist und mit einer Vielzahl von zweiten, in der Hinterkante 26 angeordneten Aus- trittslöchern 46 strömungstechnisch verbunden ist.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (10) für eine insbesondere axial durch- strömte Gasturbine, insbesondere für eine ihrer Hochdruck- Turbinenstufen, mit einem Schaufelfuß (12) und einem eine druckseitige Seitenwand (14) und eine saugseitige Seitenwand (16) um fassenden Schaufelblatt (18), welche Seitenwände (14, 16) sich entlang einer Spannweitenrichtung (R) von einem fuß seitigen Ende (20) zu einer Schaufelspitze (22) und ent lang einer zur Spannweitenrichtung (R) quer angeordneten Sehnenrichtung (S) von einer Vorderkante (24) zu einer Hinterkante (26) erstrecken, wobei im Inneren des Schaufelblatts (18) ein erster Kühl pfad (30) für einen ersten Kühlmittelstrom (Mi) und ein vom ersten Kühlpfad (30) im Wesentlichen getrennter zwei ter Kühlpfad (50) für einen zweiten Kühlmittelstrom (M2) ausgestaltet sind, wobei der erste Kühlpfad (30)- eine erste Kühlmittel passage (32), die zu einer Zyklonkühlung der Vorder kante (24) eingerichtet ist und
- eine sich an die erste Kühlmittelpassage (32) an schließende zweite Kühlmittelpassage (34), die sich unterhalb der Schaufelspitze (22) von der Vorderkante (24) in Richtung der Hinterkante (26) erstreckt, umfasst, wobei der zweite Kühlpfad (50)
- eine Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) zur Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Vorderkantenbereich (39) angeordneten Mittelbereichs (48) des Schaufel blatts (18) und
- eine erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) zur zumindest teilweisen Kühlung eines in Sehnenrichtung hinter dem Mittelbereich (48) angeordneten, bis zur Hinterkante reichenden Hinterkantenbereichs (59) des Schaufelblatts (18) umfasst, wobei die erste Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) mit einer Vielzahl von ersten, in der Hinterkante (26) angeordneten Austrittslöchern (56) strömungstechnisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlmittelpassage (32) und/oder die Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) austrittslochfrei ist und der erste Kühlpfad (30)
- eine sich an die zweite Kühlmittelpassage (34) an schließende dritte Kühlmittelpassage (38), die sich hauptsächlich radial nach innen erstreckt sowie
- eine, sich an die dritte Kühlmittelpassage (38) an schließende zweite Hinterkanten-Kühlmittelpassage (44), welche zur Kühlung einer schaufelspitzenseitigen Region des Hinterkantenbereichs (59) ausgestaltet ist und mit einer Vielzahl von zweiten, in der Hinterkante (26) angeordneten Austrittslöchern (46) strömungstech- nisch verbunden ist, umfasst.
2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, bei der in der Schaufelspitze (22) ein oder mehrere Aus trittslöcher (67) für Kühlmittel angeordnet sind, die mit der zweiten Kühlmittelpassage (34) strömungstechnisch ver bunden sind.
3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der erste Kühlpfad (30) eine Versorgungspassage (31) für die erste Kühlmittelpassage (32) umfasst, die
- unmittelbar neben der ersten Kühlmittelpassage (32) an geordnet
- sich zumindest über einen Großteil der Spannweite des Schaufelblatts (18) erstreckend
- über eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (33) mit der ersten Kühlmittelpassage (32) strömungstechnisch verbunden ist, wobei die Durchtrittsöffnungen (33) Mittel aufweisen, um dem in der ersten Kühlmittelpassage (32) strömenden Kühlmittel (Ml) einen Drall aufzuprägen.
4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 3, bei der eine in Spannweitenrichtung (R) ermittelbare Dich te an Durchtrittsöffnungen (33) am fußseitigen Ende (20) am größten ist, und vorzugsweise zur Schaufelspitze (22) hin schrittweise oder kontinuierlich abnimmt.
5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei der in jeder Hinterkanten-Kühlmittelpassage (44, 54) eine Vielzahl von in einem Muster angeordneten Sockeln (53) vorgesehen ist.
6. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei der zwei die zweite Kühlmittelpassage (34) erweitern de, Kühlkanalarme (36a, 36b) vorgesehen sind, die mit zu nehmender Erstreckung in Sehnenrichtung sich nach radial innen aufweiten und in der dritten Kühlmittelpassage (38) münden.
7. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 6, bei der zwischen der zweiten Kühlmittelpassage (34) und der Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) eine Trennwand (60) angeordnet ist, die die beiden Seitenwände (14, 16) mitei nander verbindet und sich in Sehnenrichtung (S) erstreckt, wobei die Trennwand (60) mit zunehmender Annährung zur Hinterkante (26) einen vorzugsweise spitz zulaufenden Ver drängungskeil (62) ausbildet, der in Verbindung mit den Innenflächen der beiden Seitenwände (14, 16) die zwei Kühlkanalarme (36a, 36b) seitlich begrenzt.
8. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei der zwischen der dritten Kühlmittelpassage (38) und der zweiten Hinterkanten-Kühlmittelpassage (44) eine sich in Spannweitenrichtung (S) erstreckende hintere Trennrippe (49h) vorgesehen ist.
9. Turbinenschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Hinterkante (26) eine normierte Höhe von 100%, beginnend an ihrem fußseitigem Ende (20) bei 0% und endend an der Schaufelspitze (22) bei 100 %, aufweist, und bei der die beiden Hinterkanten-Kühlmittelpassagen (44,
54) von einer sich hauptsächlich in Sehnenrichtung (S) er streckenden Trennrippe (64) voneinander getrennt sind, die auf einer Höhe zwischen 45% und 75% der normierten Höhe angeordnet ist.
10. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden An sprüche, bei der die Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) zumindest zwei sich in Spannweitenrichtung erstreckende Kanalab schnitte (55a, 55b) und zumindest zwei Umkehrabschnitte (57a, 57b) umfasst, wobei der im Kühlmittelstrom weiter stromab gelegene Umkehrabschnitt (57b) mit der ersten Hin- terkanten-Kühlmittelpassage (54) unmittelbar strömungs technisch verbunden ist.
11. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 10, bei der die beiden Kanalabschnitte (55a, 55b) mittels ei nes Verdrängungskörpers (70) und mittels der beiden Sei tenwände (14, 16) in einer Querschnittsbetrachtung des
Schaufelblatts (18) im Wesentlichen jeweils C-förmig mit einem saugseitigen Kanalarm (55as, 55bs), ei nem druckseitigen Kanalarm (55ad, 55bd) und einem die bei den Kanalarme verbindenden Verbindungsarm (55av, 55bv) ausgestaltet und derart zueinander angeordnet sind, dass sie den Verdrängungskörper (70) nahezu vollständig umge ben.
12. Turbinenschaufel nach Anspruch 11, bei der der Verdrängungskörper (70) in einer Querschnitts betrachtung einen Hohlraum (72) umgreift und über Stege (71) an den beiden Seitenwänden (14, 16) abgestützt ist.
13. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 11 oder
12, bei der die Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) von zumin dest einer, vorzugsweise von zwei die druckseitige Seiten wand (14) mit der saugseitigen Seitenwand (16) verbinden den Stützrippen (66h, 66v) begrenzt ist, welche sich vom fußseitigen Ende zur Schaufelspitze hin erstrecken und bei der vorzugsweise auf der Stützrippe (66v, 66h) bzw. an den die Verbindungsarme (55av, 55bv) begrenzenden Innenflächen des Verdrängungskörpers (70) Elemente, vorzugsweise Turbu latoren, vorgesehen sind, die eine Querströmung von Kühl mittel aus dem saugseitigen Kanalarm (55as, 55bs) durch den Verbindungsarm (55av, 55bv) in den druckseitigen Ka nalarm (55ad, 55bd) reduzieren.
14. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 12 oder 13, bei der der Hohlraum (72) nicht von Kühlmittel (M) durch- strömbar ist und insbesondere keine Austrittsöffnung für Kühlmittel (M) aufweist (Totwasser-Hohlraum).
15. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, die gegossen ist und bei der eine nach dem Gießen der Tur binenschaufel im Schaufelfuß (12) vorhandene Öffnung (74a), die mit dem Hohlraum (72) in direkter Verbindung steht, von einer separat hergestellten Abdeckplatte (76a) verschlossen ist.
16. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die gegossen ist.
17. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 15 oder 16, bei der eine nach dem Gießen der Turbinenschaufel im Schaufelfuß (12) vorhandene Öffnung (74b), die mit der ersten Hinterkanten-Kühlmittelpassage (54) in direkter Verbindung steht, von einer separat hergestellten Abdeck platte (76b) verschlossen ist.
18. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden An sprüche, bei der für jeden Kühlpfad (30, 50) ein oder mehrere Ein- lässe (80) vorgesehen sind, die mit der ersten Kühlmittel- passage (32) bzw. der Versorgungspassage (31) oder mit der
Serpentinen-Kühlmittelpassage (52) bzw. einem ihrer Kanal abschnitte (55a) unmittelbar strömungstechnisch verbunden sind.
19. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden An sprüche, mit einem Schaufelblatt-Aspektverhältnis HSP/SL von einer Hinterkanten-Spannweite (HSP) bezogen auf eine am fußsei tigen Ende zu erfassenden Sehnenlänge (SL), welches 3,0 oder kleiner ist.
20. Verwendung einer Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer ersten oder zweite Turbi nenstufe einer stationären Gasturbine mit einer bei ISO-Nennbetrieb auftretenden Turbineneintrittstemperatur von mindestens 1300°C und/oder mit einem bei ISO-Nennbetrieb auftretenden Verdichterdruckverhältnis von 19:1 oder größer.
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