WO2002014654A1

WO2002014654A1 - Anordnung von turbinenleitschaufeln

Info

Publication number: WO2002014654A1
Application number: PCT/EP2001/009015
Authority: WO
Inventors: Hans-Thomas Bolms; Michael Strassberger; Peter Tiemann
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2002-02-21
Also published as: EP1309773B1; JP2004506827A; JP4726389B2; EP1309773A1; EP1180578A1; US7201564B2; US20030180147A1; ES2255567T3; DE50108476D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel (1), insbesondere Turbinenleitschaufel der hintersten Stufen, mit jeweils einem radial aussen angeordneten Fussbereich (2), einem radial innen angeordneten Kopfbereich (3) und einem zwischen Kopfbereich und Fussbereich verlaufenden radialen Kühlluftkanal (4), in den Kühlluft (23) in eine Eintrittsöffnung (36) im Fussbereich einleitbar und durch eine Austrittsöffnung (35) im Kopfbereich zumindest teilweise ausleitbar ist. Dabei weist der Kühlluftkanal einen radialen Innenkanal auf, durch den die Kühlluft vom Fussbereich zum Kopfbereich strömt und einen an den Innenkanal angrenzenden Aussenkanal (9), der den Innenkanal zumindest teilweise umfangsseitig umgibt, der mit dem Innenkanal kommuniziert und der eine Austrittsöffnung (12) im Fussbereich aufweist, wobei durch den Aussenkanal ein Kühlluftanteil (41) in Richtung Fussbereich zurückströmt und durch die Austrittsöffnung austritt.

Description

Beschreibung

Anordnung von Turbinenleitschau ein

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Turbinenleitschaufeln, insbesondere Turbinenleitschaufeln der hintersten Stufen, mit jeweils einem radial außen angeordneten Fußbereich, einem radial innen angeordneten Kopfbereich und einem zwischen Kopfbereich und Fußbereich verlaufenden radialen Kühl- luftkanal, in den Kühlluft in eine Eintrittsöffnung im Fußbereich einleitbar und durch eine Austrittsöffnung im Kopfbereich zumindest teilweise ausleitbar ist.

Ein eine Turbine antreibender Heißgasstrom wird von den sta- tionären Turbinenleitschaufeln zu den Turbinenlaufschaufeln, die auf sich um eine zentrale Turbinenachse drehenden Scheiben befestigt sind, geleitet. Eine kreisförmige Anordnung von Turbinenleitschaufeln, die mit ihren radial äußeren Fußbereichen auf einer stationären Turbinengehäusewand befestigt sind, wechselt sich dabei ab mit einer Anordnung von Turbinenlaufschaufeln auf einer sich drehenden Scheibe. Die radial inneren Kopfbereiche der Turbinenleitschaufeln grenzen an einen U-förmigen inneren Ring, der auf seiner Außenseite eine Labyrinthdichtung aufweist, die gegen Umströmung des U-Rings mit Heißgas abdichtet.

Zur Kühlung der durch das vorbeiströmende Heißgas aufgeheizten Turbinenschaufeln wird in der Regel Kühlluft eingesetzt. Bei Turbinenleitschaufeln strömt die Kühlluft beispielsweise durch einen in der Turbinenleitschaufel angebrachten radialen Kühlluftkanal vom radial äußeren Fußbereich der Turbinenleit- schaufel bis zum radial inneren Kopfbereich/ Aus dem Kopfbereich wird die Kühlluft in den angrenzenden U-förmigen Ring eingeleitet. Dieser wird durch die vorbeiströmende Kühlluft gekühlt. Durch einen Überdruck der Kühlluft soll zudem verhindert werden, daß Heißgas in den von dem Kopfbereich der cυ K 1V> F¹ F»

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Fußbereich zurückströmt und durch die Austrittsöffnung ausströmt.

Durch die Aufteilung des Kühlluftkanals in Innen- und Außen- kanal wird erreicht, daß die Kühlluft zuerst durch den Innenkanal strömt, und am Fußbereich teilweise zur Kühlung des U- förmigen Rings ausströmt und teilweise wieder nach dem Umleiten durch den Außenkanal zurückströmt. Der Innenkanal wird von der Gesamtkühlluftmenge durchströmt und von einer gerin- geren Kühlluftmenge in Form einer Gegenströmung umströmt. Der Kühlluftstrom im den Innenkanal umgebenden Außenkanal ist dabei sehr schnell. Somit liefert er eine gute Kühlung der umgebenden Bereiche der Turbinenleitschaufel aufgrund der erhöhten Kühlleistung eines schnelles Kühlluftflusses. Die in einem schnellen Strom zurückströmende Kühlluft isoliert einerseits den Innenkanal und ermöglicht, daß die Kühlluft an der Ausströmstelle in den U-Ring am Kopfbereich eine niedrige Temperatur aufweist, ohne daß große Mengen Kühlluft eingesetzt werden müßten. Zugleich kühlt die zurückströmende Kühl- luft die Seitenwände des Kühlluftkanals und somit die umgebenden Bereiche der Turbinenleitschaufel, die die lasttragenden Bereiche der Turbinenleitschaufel sind. Die Wände der Turbinenschaufel, die den Kühlluftkanal umgeben, sind erfindungsgemäß dicker ausgebildet als im Stand der Technik und somit stabiler. Durch die Umleitung eines Teils des Kühlluftstroms durch den Außenkanal und die schnellere Leitung der Kühlluft im Außenkanal wird somit die Gesamtkühlluftmenge reduziert und zugleich die Temperatur der im Kopfbereich aus der Turbinenleitschaufel zur Kühlung des U-Rings austretenden Kühlluft herabgesetzt. Die Erfindung bietet somit den Vorteil, daß mit geringen Kühlluftmengen sowohl die Turbinenleitschaufel als auch der U-förmige Ring ausreichend gekühlt werden.

Wenn die Turbinenleitschaufeln Turbinenleitschaufeln der hintersten Stufen sind, ist gegenüber der Verwendung üblicher Kühlluftkanäle eine verhältnismäßig große Einsparung von 00 cυ t t F¹ F¹

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menge aus. Die Kühlung der Turbinenleitschaufel ist bei den relativ geringen Temperaturen insbesondere in den hinteren Stufen ausreichend.

Anhand der Figuren soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Turbinenleitschaufel der hintersten Stufen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Turbinenleitschaufel nach Fig.l und

Fig.3 eine schematische Darstellung der Temperaturentwicklung der Kühlluftmassenströ e.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Turbinenleitschaufel 1 der hintersten Stufen. Mit Hilfe des Fußbereichs 2, der Haltevorsprünge 24 aufweist, wird die Turbinenleitschaufel 1 an einer nicht dargestellten Innenwand eines zylinderförmigen Turbinengehäuses befestigt. Von dort aus erstreckt sich die Turbinenleitschaufel 1 mit ihrem Schaufelblatt 18 radial in Richtung einer zentralen Turbinenachse 30 des Turbinengehäuses. Den radial inneren Abschluß der Turbinenleitschaufel 1 bildet der Kopfbereich 3, der ein Plateau 25 und eine bezogen auf die Turbinenachse 30 radial innere bogenförmige Ausnehmung 26 aufweist. An diesen Kopfbereich 3 ist mittels schienenartiger Haltevorsprünge 27 ein U-förmiger Ring 19 angekoppelt. Die Haltevorsprünge 27 greifen dabei in Haltenuten 28 des Uförmigen Rings 19 ein. Die bogenförmige Ausnehmung 26 des Kopfbereichs 3 begrenzt zusammen mit dem U- förmigen Ring 19 einen Hohlraum 20, dessen Längsrichtung 29 quer zur Turbinenachse 30 und zu einer Schaufelachse 31 verläuft. Radial innen am U-förmigen Ring 19 befindet sich eine Labyrinthdichtung 21. Diese dichtet die sich bei Betrieb der Turbine um die zentrale Turbinenachse 31 drehende, angrenzend darunterliegende Turbinenlaufschaufelscheibe 22, die mit nicht dargestellten Turbinenlaufschaufeln besetzt ist, gegen ein direktes Durchströmen von Heißgas 17 ab.

Das Schaufelblatt 18 weist einen radialen, zylinderförmigen Kühlluftkanal 4 auf, der durchgehend von einer Eintrittsöffnung 36 der Kühlluft 23 im Fußbereich 2 der Turbinenleitschaufel 1 bis zu seiner Austrittsöffnung 35 der Kühlluft im Kopfbereich 3 der Turbinenleitschaufel 1 verläuft. Er hat eine Querschnittskontur 34, die im Bereich des Schaufelblatts 18 und des Fußbereichs 2 der Außenkontur 16 des Schaufelblatts 18 ähnelt. Die Querschnittskontur 34 des Kühlluftkanals 4 bleibt bei Betrachtung vom Fußbereich 2 bis vor den Kopfbereich 3 in ihrer Form im wesentlichen erhalten, kann jedoch in der Größe abnehmen. Bei Eintritt des Kühlluftkanals 4 in den Kopfbereich 3 verengt sich der Querschnitt 34 in

Form einer umlaufenden Stufe 33. Dieser verengte Querschnitt 34 wird dann bis zur Ausnehmung 26 im Kopfbereich 3, in der die Austrittsöffnung 35 des Kühlkanals 4 in den Hohlraum 20 liegt, annähernd beibehalten. In den Kühlluftkanal 4 ist ein zylindrisches Kühlluftleitrohr 13 annähernd mittig eingesetzt. Das Kühlluftleitrohr 13 weist einen nahezu gleichbleibend elliptischen Querschnitt 15 auf. Gehalten wird das Kühlluftleitrohr 13 am Kopfbereich 3 der Turbinenleitschaufel 1 im wesentlichen dadurch, daß es bis an die umlaufende Stufe 33 mit einem an den Übergang angepaßten Querschnitt 15 reicht oder sogar in dem Kopfbereich 3 in den verengten Querschnitt 34 des Kühlluftkanals 4 eingesetzt ist. Im Fußbereich 2 wird das Kühlluftleitrohr 13 beispielsweise durch an Seitenwände 8 des Kühlluftkanals 4 angebrachte Abstandsstege 37 mittig ge- halten. Der Kühlluftkanal 4 kann beim Gießen der Turbinenschaufel 1 durch Einsetzen eines Gießkerns direkt mitgegossen werden. Das Kühlluftleitrohr 13 wird nach dem Guß in den Kühlluftkanal 4 eingesetzt.

Im Fußbereich 2 wird die Kühlluft 23 in die Eintrittsöffnung 36 des Kühlluftleitrohrs 13, das bis zu einer Oberseite 32 des Fußbereichs 2 der Turbinenleitschaufel 1 reicht, einge- Cυ cυ t 10 F^» F¹

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in Längsrichtung 31 bis zu einer Endlänge 1 des Kühlluftkanals 4 durchströmen. Die maximale Temperatur Tmax wird vom durchgehenden Strom 42 nicht erreicht, wodurch der U-förmige Ring ausreichend gekühlt werden kann. Der andere Kühlluftanteil 41 nimmt hingegen den größeren Teil der Wärme mit und befördert ihn aus der Turbinenschaufel, ohne daß die Wärme die temperaturempfindlichen Bereiche schädigen kann. Die gesamte Kühlluftmenge 23, die Summe aus beiden Stromanteilen 41, 42 ist wesentlich niedriger als im Stand der Technik.

Claims

Patentansprüche

1. Turbinenleitschaufel (1), insbesondere Turbinenleitschaufel (1) der hintersten Stufen, mit jeweils einem radial außen angeordneten Fußbereich (2) , einem radial innen angeordneten Kopfbereich (3) und einem zwischen Kopfbereich (3) und Fußbereich (2) verlaufenden radialen Kühlluftkanal (4) , in den Kühlluft (23) in eine Eintrittsöffnung (36) im Fußbereich (2) einleitbar und durch eine Austrittsöffnung (35) im Kopfbereich (3) zumindest teilweise ausleitbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kühlluftkanal (4) einen radialen Innenkanal aufweist, durch den die Kühlluft (23) vom Fußbereich (2) zum Kopfbereich (3) strömt und einen an den Innenkanal angrenzenden Außenkanal (9) , der den Innenkanal zumindest teilweise umfangsseitig umgibt, der mit dem Innenkanal kommuniziert und der eine Austrittsöffnung (12) im Fußbereich (2) aufweist, wobei durch den Außenkanal (9) ein Kühlluftanteil (41) in Richtung Fußbereich (2) zurückströmt und durch die Austrittsöffnung (12) ausströmt.

2. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Außenkanal (9) den Innenkanal praktisch vollständig umfangs- seitig umgibt.

3. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Innenkanal zumindest eine Kommunikationsbohrung (10) aufweist, durch die der Kühlluftanteil (41) in den Außenkanal (9) übertreten kann.

4. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ko - munikationsbohrung (10) in einem kopfseitigen Endbereich (6) angeordnet ist.

5. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbinenleitschaufel (1) im Fußbereich (2) in einem Hinterkantenbereich (11) eine Austrittsöffnung (12) aufweist, die mit dem Außenkanal (9) kommuniziert.

6. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Innenkanal zylindrisch ist.

7. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Innenkanal ein in den Kühlluftkanal (4) einsetzbares Kühlluftleitrohr (13) ist, das mit einem Abstand (14) zu der Innen- wandung (8) des Kühlluftkanals (4) angeordnet ist und der

Außenkanal (9) durch den Zwischenraum zwischen Kühlluftleitrohr (13) und der Innenwandung (8) des Kühlluftkanals (4) gebildet ist.

8. Turbinenleitschaufel nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abstand (14) geringer als ein Querschnitt (15^") des Kühlluft- leitrohrs (13) ist.

9. Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Strömung des Kühlluftanteils (41) im Außenkanal (9) schneller ist als im Innenkanal.

10. Gießverfahren zur Herstellung einer Turbinenleitschaufel, insbesondere einer Turbinenleitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Kühlluftkanal (4) der Turbinenleitschaufel (1) durch einen Kern erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kern einen ge- ringeren Querschnitt hat als übliche Kerne für den Guß von Turbinenleitschaufeln, wobei nach dem Guß in den Kühlluftkanal (4) ein mit zumindest einer Kommunikationsbohrung (10) versehenes Kühlluftleitrohr (13) mit Abstand (14) zu den Innenwänden (8) des Kühlluftkanals (4) eingesetzt wird, und in die Innenwände (8) im Hinterkantenbereich (11) des Fußbereichs (2) der Turbinenleitschaufel (1) bis zu der Außenkontur (16) der Turbinenleitschaufel (1) hindurchgehende Austrittsöffnungen (12) eingebracht werden.