EP4663899A1 - Hohle offene turbinenschaufel und gasturbine - Google Patents

Hohle offene turbinenschaufel und gasturbine

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EP4663899A1
EP4663899A1 EP24209470.4A EP24209470A EP4663899A1 EP 4663899 A1 EP4663899 A1 EP 4663899A1 EP 24209470 A EP24209470 A EP 24209470A EP 4663899 A1 EP4663899 A1 EP 4663899A1
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EP
European Patent Office
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blade
turbine
cooling channels
turbine blade
cavity
Prior art date
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Pending
Application number
EP24209470.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Nihal Kurt
Radan RADULOVIC
York Mick
Stephan Schwarz
Stefan ROCHHAUSEN
Erhan Ücgül
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • F01D25/12—Cooling
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    • F01D5/14—Form or construction
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling

Definitions

  • the invention relates to a hollow turbine blade which is open at one end and is additionally cooled, and to a gas turbine.
  • Open and hollow turbine blades are used in the rear stages of gas turbines.
  • the rear stages, i.e., the 3rd or 4th stage, of a gas turbine are also typically subjected to creep loads in the blade area.
  • Creep life can be reduced by increased thermal stress, the high weight of the blade, or by casting defects.
  • the idea is to cool a hollow and open turbine blade, specifically by cooling in and by means of the blade root.
  • FIG. 1 A first turbine blade 1 ⁇ according to the invention is shown.
  • the turbine blade 1 ⁇ has a blade root 4'.
  • the blade base 4' has a Christmas tree base design (not shown in detail) for installation in a turbine or disk. Other designs are conceivable.
  • a bucket platform 7 is attached to the bucket foot 4'.
  • a blade 10 extends with its contour to an end 6' of the turbine blade 1'.
  • the blade 10 is shown here in cross-section, i.e. in section, in contrast to the bucket platform 7 and bucket foot 4'.
  • the turbine blade 1 ⁇ has an underside 5' at the blade root 4' and an opposite end 6'.
  • the turbine blade 1 ⁇ is hollow to save weight and therefore has a cavity 16 ⁇ .
  • a rib 13 is preferably formed in the cavity 16', which connects the suction and pressure sides of the blade 10.
  • the rib 13 which does not extend continuously to the blade root 4', forms two interconnected
  • Channels 9 and 11 are formed in cavity 16', forming a sort of U-shape.
  • the airfoil 10 is first approached at a leading edge 33 in a flow direction 30, with the flow then extending around the suction and pressure sides and continuing behind the trailing edge 36.
  • the end 6' i.e. the tip of the turbine blade 1', is open, i.e. the end 6' is formed by the blade walls and at least one rib 13.
  • At least one cooling channel 20 is provided in the blade root 4', which extends in the blade root 4' from the underside 5' of the blade root 4' to the cavity 16'.
  • the start of the cooling channel 20 from the underside 5' is preferably arranged in the front third of the blade root 4' in the flow direction 30.
  • the cooling channel 20 runs at an angle.
  • the angle of inclination of the cooling channel 20 is between 45° and 75°. The angle is determined relative to the underside 5'.
  • the cooling channel 20 opens into the cavity 16' here at the level of the rib 13.
  • the opening of the cooling channel 20 can also be located at the level of the front channel 9 or the rear channel 11.
  • FIG 2 is another embodiment of a turbine blade 1" shown, in which, in addition to Figure 1 Two cooling channels 21, 22 are present, which preferably run parallel to each other.
  • the slope angles of the two cooling channels 21, 22 can preferably be different.
  • the cooling channels 21, 22 begin from the underside 5" and are preferably located in the front third of the blade root 4".
  • Flow direction 30 arranged.
  • the slope angle of the cooling channels 21, 22 is between 45° and 75°.
  • the cooling channels 21, 22 open into the cavity 16' here at the level of rib 13.
  • the openings of the cooling channels 21, 22 can also be located at the level of the front channel 9 and/or the rear channel 11.
  • Figure 3 is another embodiment of a turbine blade 1′′′ shown, in which, in addition to Figure 1 Two ribs 14, 15 are present, so that in the cavity 16" there are three channels 9', 11', 12 and form a W-shape.
  • the end 6 i.e. the tip of the turbine blade 1′′′, is open, i.e. the end 6" is formed by the blade walls and ribs 14, 15.
  • the start of the cooling channel 20 from the underside 5' is preferably arranged in the front third of the blade root 4' in the flow direction 30.
  • the slope angle of the cooling channel 20 is between 45° and 75°.
  • the cooling channel 20 opens into the cavity 16" here between the ribs 14, 15.
  • the opening of the cooling channel 20 can also be located at the level of the front channel 9', the middle channel 11' or the rear channel 12 or at the level of one of the ribs 14, 15.
  • FIG 4 is another embodiment of a turbine blade 1 ⁇ shown, in which, in addition to Figure 2 two ribs 14, 15 or starting from Figure 3 2 Cooling channels 21, 22 are present, so that in the cavity 16" Three channels, 9', 11', and 12', are present and essentially form a W-shape.
  • the start of the cooling channels 21, 22 from the underside 5" is preferably arranged in the front third of the blade root 4" in the flow direction 30.
  • the slope angle of the cooling channels 21, 22 is between 45° and 75°.
  • the slope angles of the two cooling channels 21, 22 can also be different.
  • the cooling channels 21, 22 open into the cavity 16" here at the level of rib 15.
  • the openings of the cooling channels 21, 22 can also be located at the level of the front channel 9', the middle channel 11' and/or the rear channel 12 or at the level of one of the ribs 14, 15.
  • the number of ribs used (13, 14, 15) and cooling channels (9, 9', 11, 11', 12) can vary depending on the turbine blade and gas turbine.
  • the diameter of the cooling channels 20, 21, 22 ( Fig. 1 - 4
  • the diameter is preferably between 3 mm and 6 mm.
  • the diameter can vary depending on the size of the turbine blade and the number of cooling channels used.
  • Figures 5, 6 show a further detail for the exemplary embodiments of the Figures 1-4 .
  • a recess 28 is preferably provided, from which the cooling channels 20 extend ( Fig. 5 ), 21, 22 ( Fig. 6 extend.
  • the cooling air for the cooling channels 20, 21, 22 is preferably supplied via the turbine disk.
  • the recess 28 When installed, the recess 28 essentially forms a plenum for the cooling air supply.
  • the turbine blade 1', 1", 1′′′, 1′′′ preferably has no cooling air holes in the blade 10.
  • a gas turbine has at least three stages, and in particular four stages, in which the turbine blades described above are used. It is also possible that there are three stages of rotor blades and four stages of guide vanes.
  • the third and/or fourth stage of the rotor blades are cooled.
  • the cooling process is carried out as described above.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hohle, offene Turbinenschaufel (1', 1'', 1‴, 1ʺʺ), die zumindest aufweist: einen Schaufelfuß (4', 4''), eine Schaufelplattform (7), ein Schaufelblatt (10), einen Hohlraum (16', 16''), wobei sich ausgehend von einer Unterseite (5', 5") des Schaufelfußes (4', 4ʺ) zumindest ein Kühlkanal (20, 21, 22) durch den Schaufelfuß (4', 4'') in den Hohlraum (16', 16'') erstreckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hohle Turbinenschaufel, die an ihrem einen Ende offen ausgeführt ist und zusätzlich gekühlt wird sowie eine Gasturbine.
  • Offene und hohle Turbinenschaufeln werden bei Gasturbinen in den hinteren Stufen eingesetzt. Auch die hinteren Stufen, d.h. 3. Oder 4. Stufe, einer Gasturbine werden in der Regel im Bereich des Schaufelblattes einer Kriechbelastung ausgesetzt.
  • Die Kriechlebensdauer kann durch eine erhöhte thermische Belastung, das hohe Gewicht der Schaufel oder durch Gussfehler verringert werden.
  • Probleme mit der Kriechlebensdauer können durch ein verbessertes aerodynamisches Design des Schaufelblattes reduziert werden. Die Entwicklungszeit eines neuen Designs, bei dem die Kriechbelastung reduziert werden kann, ist zeitintensiv und muss auch vorab im Triebwerk getestet werden.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 und eine Turbine gemäß Anspruch 10.
  • In den Unteransprüchen sind weitere Vorteile aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Die Idee besteht darin, eine hohle und offene Turbinenschaufel zu kühlen, und zwar insbesondere im und mittels des Schaufelfußes zu kühlen.
  • Die Figuren 1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung,
    Figuren 5, 6 zeigen ein weiteres Detail.
  • Die Beschreibung und Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele dar.
  • In Figur 1 ist eine erste Turbinenschaufel 1` gemäß der Erfindung dargestellt.
  • Die Turbinenschaufel 1` weist einen Schaufelfuß 4' auf.
  • Der Schaufelfuß 4' weist zum Einbau in eine Turbine bzw. in eine Scheibe ein nicht näher dargestelltes Tannenbaumfußdesign auf. Andere Designs sind denkbar.
  • An den Schaufelfuß 4' schließt sich eine Schaufelplattform 7 an.
  • Nach der Schaufelplattform 7 erstreckt sich dann ein Schaufelblatt 10 mit seiner Kontur bis zu einem Ende 6` der Turbinenschaufel 1`.
  • Das Schaufelblatt 10 ist hier im Gegensatz zur Schaufelplattform 7 und Schaufelfuß 4' im Querschnitt, also im Schnitt, dargestellt.
  • Die Turbinenschaufel 1` weist am Schaufelfuß 4' eine Unterseite 5' auf sowie das gegenüberliegendes Ende 6' auf.
  • Die Turbinenschaufel 1` ist hohl ausgeführt, um Gewicht zu sparen und weist daher einen Hohlraum 16` auf.
  • In dem Hohlraum 16' ist vorzugsweise eine Rippe 13 ausgebildet, die die Saug- und Druckseite des Schaufelblattes 10 miteinander verbindet.
  • Durch die Rippe 13, die sich nicht durchgehend bis zum Schaufelfuß 4' erstreckt werden zwei miteinander verbundene
  • Kanäle 9, 11 im Hohlraum 16' gebildet, die quasi eine U-Form bilden.
  • Das Schaufelblatt 10 wird in einer Strömungsrichtung 30 zuerst an einer Anströmkante 33 angeströmt, wobei sich die Strömung dann um die Saug- und Druckseite erstreckt und hinter der Abströmkante 36 weiter strömt.
  • Das Ende 6', also die Spitze der Turbinenschaufel 1', ist offen ausgeführt, d.h. das Ende 6` wird durch die Schaufelwände und zumindest eine Rippe 13 gebildet.
  • Erfindungsgemäß ist im Schaufelfuß 4' zumindest ein Kühlkanal 20 vorhanden, der sich im Schaufelfuß 4' von der Unterseite 5' des Schaufelfußes 4' bis in den Hohlraum 16` erstreckt.
  • Der Beginn des Kühlkanals 20 von der Unterseite 5' aus, ist vorzugsweise im vorderen Drittel des Schaufelfußes 4' in Strömungsrichtung 30 angeordnet.
  • Der Kühlkanal 20 verläuft schräg. Der Steigungswinkel des Kühlkanals 20 beträgt zwischen 45° und 75°. Der Winkel wird gegenüber der Unterseite 5' bestimmt.
  • Der Kühlkanal 20 mündet im Hohlraum 16' hier auf Höhe der Rippe 13. Die Mündung des Kühlkanals 20 kann auch auf Höhe des vorderen Kanals 9 oder des hinteren Kanals 11 angeordnet sein.
  • In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel 1" dargestellt, bei dem in Ergänzung zu Figur 1 zwei Kühlkanäle 21, 22 vorhanden sind, die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.
  • Die Steigungswinkel der zwei Kühlkanäle 21, 22 können vorzugsweise aber auch verschieden sein.
  • Der Beginn der Kühlkanale 21, 22 von der Unterseite 5" aus, ist vorzugsweise im vorderen Drittel des Schaufelfußes 4" in Strömungsrichtung 30 angeordnet.
  • Der Steigungswinkel der Kühlkanäle 21, 22 beträgt zwischen 45° und 75°.
  • Die Kühlkanäle 21, 22 münden im Hohlraum 16' hier auf Höhe der Rippe 13. Die Mündungen der Kühlkanäle 21, 22 können auch auf Höhe des vorderen Kanals 9 und/oder des hinteren Kanals 11 angeordnet sein.
  • In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel 1‴ dargestellt, bei dem in Ergänzung zu Figur 1 zwei Rippen 14, 15 vorhanden sind, sodass in dem Hohlraum 16" drei Kanäle 9', 11', 12 vorhanden sind und quasi eine W-Form bilden.
  • Das Ende 6", also die Spitze der Turbinenschaufel 1‴, ist offen ausgeführt, d.h. das Ende 6" wird durch die Schaufelwände und Rippen 14, 15 gebildet.
  • Der Beginn des Kühlkanals 20 von der Unterseite 5' aus, ist vorzugsweise im vorderen Drittel des Schaufelfußes 4' in Strömungsrichtung 30 angeordnet.
  • Der Steigungswinkel des Kühlkanals 20 beträgt zwischen 45° und 75°.
  • Der Kühlkanal 20 mündet im Hohlraum 16" hier zwischen den Rippen 14, 15. Die Mündung des Kühlkanals 20 kann auch auf Höhe des vorderen Kanals 9', des mittleren Kanals 11‴ oder des hinteren Kanals 12 bzw. auf Höhe einer der Rippen 14, 15 angeordnet sein.
  • In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel 1ʺʺ dargestellt, bei dem in Ergänzung zu Figur 2 zwei Rippen 14, 15 oder ausgehend von Figur 3 2 Kühlkanäle 21, 22 vorhanden sind, sodass in dem Hohlraum 16" drei Kanäle 9', 11', 12 vorhanden sind und quasi eine W-Form bilden.
  • Der Beginn der Kühlkanäle 21, 22 von der Unterseite 5" aus, ist vorzugsweise im vorderen Drittel des Schaufelfußes 4'' in Strömungsrichtung 30 angeordnet.
  • Der Steigungswinkel der Kühlkanäle 21, 22 beträgt zwischen 45° und 75°.
  • Die Steigungswinkel der zwei Kühlkanäle 21, 22 können aber auch verschieden sein.
  • Die Kühlkanäle 21, 22 münden im Hohlraum 16" hier auf Höhe der Rippe 15. Die Mündungen der Kühlkanäle 21, 22 können auch auf Höhe des vorderen Kanals 9', des mittleren Kanals 11' und/oder des hinteren Kanals 12 bzw. auf Höhe einer der Rippen 14, 15 angeordnet sein.
  • Die Anzahl der verwendeten Rippen 13, 14, 15 und Kühlkanäle 9, 9', 11, 11', 12 kann je nach Turbinenschaufel und Gasturbine variieren.
  • Die Form der Rippen 13, 14, 15 ist nur schematisch dargestellt.
  • Der Durchmesser der Kühlkanäle 20, 21, 22 (Fig. 1 - 4) beträgt vorzugsweise zwischen 3mm und 6mm. Der Durchmesser kann variieren je nach Größe einer Turbinenschaufel und Anzahl der verwendeten Kühlkanäle.
  • Figuren 5, 6 zeigen ein weiteres Detail für die Ausführungsbeispiele der Figuren 1-4.
  • An der Unterseite 5', 5" der Schaufelfußes 4', 4'' ist vorzugsweise eine Aussparung 28 vorhanden, von der ausgehend sich die Kühlkanäle 20 (Fig. 5), 21, 22 (Fig. 6) erstrecken. Die Kühlluft für die Kühlkanäle 20, 21, 22 wird vorzugsweise über die Turbinenscheibe zugeführt.
  • Die Aussparung 28 bildet im eingebauten Zustand quasi ein Plenum für die Kühlluftzufuhr.
  • Die Turbinenschaufel 1', 1", 1‴, 1‴ weist im Schaufelblatt 10 vorzugsweise keine Kühlluftlöcher auf.
  • Eine Gasturbine weist zumindest drei Stufen auf, insbesondere vier Stufen, bei der die oben beschriebenen Turbinenschaufeln eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, dass 3 Stufen von Laufschaufeln und 4 Stufen von Leitschaufeln gegeben sind.
  • Zum ersten Mal werden die dritte und/oder vierte Stufe der Laufschaufeln gekühlt. Die Kühlung erfolgt insbesondere wie oben beschrieben.

Claims (17)

  1. Hohle, offene Turbinenschaufel (1', 1", 1‴, 1ʺʺ), insbesondere Laufschaufel,
    die zumindest aufweist:
    einen Schaufelfuß (4', 4''),
    eine Schaufelplattform (7),
    ein Schaufelblatt (10),
    einen Hohlraum (16', 16''),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich ausgehend von einer Unterseite (5', 5'') des Schaufelfußes (4', 4'') zumindest ein Kühlkanal (20, 21, 22) durch den Schaufelfuß (4', 4'') in den Hohlraum (16', 16'') erstreckt.
  2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    die im Innern zumindest eine Rippe (13),
    insbesondere nur eine Rippe (13),
    aufweist,
    die jeweils Saug- und Druckseite des Schaufelblatts (10) miteinander verbindet.
  3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    die im Innern zumindest zwei Rippen (14, 15), insbesondere nur zwei Rippen (14, 15),
    die jeweils Saug- und Druckseite des Schaufelblatts (10) miteinander verbinden.
  4. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    bei dem der Steigungswinkel der Kühlkanäle (20, 21, 22) zwischen 45° und 75° beträgt.
  5. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
    bei dem zumindest ein Kühlkanal (20, 21, 22), insbesondere nur ein Kühlkanal (20), vorhanden ist.
  6. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
    bei dem zumindest zwei Kühlkanäle (21, 22), insbesondere nur zwei Kühlkanäle (21, 22), vorhanden sind.
  7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6,
    bei dem die zwei Kühlkanäle (21, 22) parallel zueinander verlaufen.
  8. Turbinenschaufel nach Anspruch 6,
    bei dem die zwei Kühlkanäle (21, 22) nicht parallel zueinander verlaufen.
  9. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei der an der Unterseite (5', 5") eine Aussparung (28) vorhanden ist,
    von der ausgehend sich die Kühlkanäle (20, 21, 22) durch den Schaufelfuß (4', 4") erstrecken.
  10. Gasturbine,
    die im Heißgaspfad zumindest drei Stufen aus Leit- und Laufschaufeln,
    insbesondere vier Stufen aus Leit- und Laufschaufeln aufweist,
    wobei die Laufschaufeln der dritten und/oder vierten Stufe gekühlt werden.
  11. Gasturbine nach Anspruch 10,
    bei der die Laufschaufeln hohle Turbinenschaufeln nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 9 darstellen.
  12. Turbinenschaufel oder Gasturbine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    bei der der Beginn des Kühlkanals (20)
    oder
    der Kühlkanäle (21, 22)
    von der Unterseite (5', 5'') aus im vorderen Drittel des Schaufelfußes (4',4'') in Strömungsrichtung (30) angeordnet ist.
  13. Turbinenschaufel oder Gasturbine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    bei der die Kühlkanäle (21, 22) im Hohlraum (16'') auf Höhe der Rippe (15) münden.
  14. Turbinenschaufel oder Gasturbine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 12,
    bei der die Kühlkanäle (21, 22) im Hohlraum (16'') auf Höhe des vorderen Kanals (9') münden.
  15. Turbinenschaufel oder Gasturbine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 12,
    bei der die Kühlkanäle (21, 22) im Hohlraum (16'') auf Höhe des mittleren Kanals (11') münden.
  16. Turbinenschaufel oder Gasturbine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 12,
    bei der die Kühlkanäle (21, 22) im Hohlraum (16'') auf Höhe des hinteren Kanals (12) münden.
  17. Turbinenschaufel oder Gasturbine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 12,
    bei der die Kühlkanäle (21, 22) im Hohlraum (16'') auf Höhe einer der Rippen (14, 15) münden.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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