WO2002027146A1

WO2002027146A1 - Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: WO2002027146A1
Application number: PCT/EP2001/010789
Authority: WO
Inventors: Peter Tiemann
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2002-04-04
Also published as: JP4669202B2; EP1191189A1; US6874988B2; US20040022630A1; JP2004510091A; DE50113551D1; EP1320661A1; EP1320661B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel (1) mit einer kombinierten konvektiven Kühlung mittels eines mäanderförmi-gen Kühlkanals (21) und einer Prallkühlung über einen Prall-kühleinsatz (37). Der Prallkühleinsatz (37) ist in einem ent-lang der Schaufelblattvorderkante (8) verlaufenden ersten Teilabschnitt (23) des meanderförmigen Kühlkanals (21) ange-ordnet. Entlang diese ersten Teilabschnittes (23) verjüngt sich der Prallkühleinsatz (37).

Description

Beschreibung

Gasturbinenschaufel

Die Erfindung betrifft .eine Gasturbinenschaufel mit einer Schaufelblattvorderkante und einer Schaufelblatthinterkante und mit einer inneren Kühlstruktur, umfassend einen meander- förmigen Kühlkanal mit entlang der Schaufelachse gerichteten Teilabschnitten zur Führung eines Kühlfluides von der Schau- felblattvorderkante zur Schaufelblatthinterkante.

In der US 5,468,125 ist eine hohle, mittels Kühlluft kühlbare Gasturbinenschaufel offenbart. Die Kühlluft wird in parallel zur Schaufelachse verlaufende Kühlkammern der hohlen Gastur- binenschaufel eingeblasen, wo sie die Kammern durchlaufend von innen die heiße Oberfläche der Gasturbinenschaufel kühlt. Die eintretende, noch nicht aufgeheizte Kühlluft wird zunächst an der Eintrittskante der Gasturbinenschaufel vorbeigeführt, die besonders hohen Temperaturen ausgesetzt ist und daher besonders effizient gekühlt werden muß. Nachdem die

Kühlluft auch die anderen Bereiche der Schaufel kühlend durch die Schaufel durchgeführt wurde, verläßt sie diese an der Abströmkante der Schaufel über Bohrungen.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbinenschaufel, die besonders effizient ein Kühlfluid zur Kühlung der Gasturbinenschaufel ausnutzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Angabe' einer entlang einer Schaufelachse gerichteten Gasturbinenschaufel mit einer Schaufelblattvorderkante und einer Schaufelblatthinterkante und mit einer inneren Kühlstruktur, umfassend einen äanderförmigen Kühlkanal mit entlang der Schaufelachse gerichteten Teilabschnitten zur Führung eines Kühlfluides von der Schaufelblattvorderkante zur Schaufelblatthinterkante, wobei ein erster der Teilabschnitte entlang der Schaufelblattvorderkante verläuft und einen Eintrittsbereich für das Kühlfluid und einen Austrittsbereich für das Kühlfluid aufweist, wobei der der erste Teilabschnitt einen Prallkühlein- -satz aufweist, der mit seiner zur Schaufelblattvorderkante gerichteten Einsatzvorderseite parallel zur Schaufelblattvor- derkante verläuft, wobei sich der Prallkühleinsatz zum Austrittsbereich hin verjüngt.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß bei einer konventionellen inneren Kühlung einer Gasturbinenschau- fei durch einen meanderförmigen Kühlkanal die Schaufelblattvorderkante nicht immer ausreichend effizient gekühlt werden kann, da der thermisch besonders hoch belasteten Außenseite ^• der Schaufelblattvorderkante eine vergleichsweise geringe Oberfläche an der Innenseite der Schaufelblattvorderkante ge- genübersteht. Eine rein konvektive Kühlung mittels eines

Kühlfluidstromes im Meanderkanalteilbereich an der Schaufelblattvorderkante kann unter Umständen unzureichend sein, um die Temperatur der Schaufelblattvorderkante ausreichend zu senken. Andererseits geht die Erfindung von der Beobachtung aus, daß eine Kühlung alleine mittels eines Prallkühleinsatzes zwar gerade bei der

Schaufelblattvorderkante durch die höhere Kühlleistung der Prallkühlung einen größeren Wärmeabtrag ermöglicht, die Kühlung des • Schaufelblattes insgesamt durch den Prallkühleinsatz aber vergleichsweise ineffizient' ist, da das Kühlfluid insgesamt weniger Wärme aufnimmt. Bei einer. durch Kühlluft gekühlten Gasturbinenschaufel mit einer Meanderküh- lung ist beispielsweise das nach Durchlaufen des Meanderka nals aus der -Hinterkante austretende Kühlfluid wärmer als das nach einer Prallkühlung ebenfalls aus einer Schaufelhinterkante austretende _.Kühlfluid.

Die Erfindung kombiniert nun erstmals eine Prallkühlung mit einer Meanderkanalkühlung dergestalt, daß die Vorteile dieser beiden Verfahren ausgenutzt werden, ohne dabei in gleichem Maße den Nachteilen der jeweiligen Verfahren ausgesetzt zu sein. Dies wird dadurch erreicht, daß die Schaufelblattvor- <-υ ω w ) P¹ P» cπ o n CD cn o Cπ tr PJ P- d 0 03 P- CQ Hl

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überall gleichmäßig mit Prallkühlluft versorgt wird. Dies bedeutet eine besonders homogene Kühlung.

c) Der Prallkühleinsatz ist bevorzugt von quer zur Schau- felachse gerichteten Luftleitrippen umgeben, die aus dem Prallkühleinsatz austretendes Kühlfluid um den Prallkühleinsatz herum in Richtung auf die Schaufelblatthinterkante leiten. Durch solche Luftleitrippen wird also das Kühlfluid, nachdem es prallkühlend auf die Schaufelblatt- wand aufgetroffen ist, entlang der Außenwand des Prallkühleinsatzes von der Schaufelblattvorderkante weggeleitet und tritt anschließend in den freien Teil des ersten Teilabschnittes ein. Der freie Teil des ersten Teilabschnittes ist jener Teil, in dem der Prallkühleinsatz nicht angeordnet ist. Weiter bevorzugt sind die Luftleitrippen so gegenüber einer senkrecht zur Schaufelachse orientierten Ebene gerichtet, daß sie das Kühlfluid zusätzlich in eine Richtung vom Eintrittsbereich zum Austrittsbereich leiten. Das in den freien Teil des ersten Teilabschnittes eintretende Kühlfluid hat somit bereits eine Strömungskomponente in Richtung der HauptStrömung in diesem ersten Teilabschnitt. Die Strömungsführung mittels der Luftleitrippen ermöglichst somit eine möglichst wirbelfreie und damit hinsichtlich eines Druckverlustes be- sonders günstige Strömung des Kühlfluides durch die Gasturbinenschaufel .

d) Vorzugsweise ist die Gasturbinenschaufel als eine Leitschaufel ausgeführt, die mit einem Innenring ausgebildet ist. Der Innenring dient bei einer Verwendung der Leitschaufel in einer Gasturbine dazu, einen Heißgaskanal der Gasturbine gegenüber einem Rotor der Gasturbine abzudichten. Vom Prallkühleinsatz führt ein Innenringkühl anal zum Innenring. Während bei einer konventionellen Kühlung der Gasturbinenschaufel allein durch konvektive Kühlung eines in einem Meanderkanal strömenden Kühlfluides die Effizienz der Kühlung eines Innenrings einer Gasturbinen- et 10 d φ

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Ein inneres Kühlsystem der Gasturbinenschaufel 1 wird im folgenden näher erläutert:

Durch das Innere der Gasturbinenschaufel 1 führt ein meander- för iger Kühlkanal 21. Der meanderför ige Kühlkanal 21 ist aus entlang der Schaufelachse 3 gerichteten Teilabschnitten 23, 25, 27 ausgebaut. Diese Teilabschnitte 23, 25, 27 sind voneinander durch Rippen 31 getrennt. Der erste Teilabschnitt 23 verläuft entlang der Schaufelblattvorderkante 8. In dem meanderförmigen Kühlkanal 21 sind an der Innenseite der

Schaufelblattbereiches 7 Turbulatoren 29 angeordnet, die zur Erzeugung von Turbulenz in einem durch den meanderförmigen Kühlkanal 21 strömende Kühlfluid sorgen, was wiederum eine verbesserte Wärmeübertragung auf das Kühlfluid zur Folge hat. Der erste Teilabschitt 23 ist zum Befestigungsbereich 5 hin geöffnet und weist dort einen Eintrittsbereich 33 für Kühlfluid auf. Das an den Innenring 9 angrenzende Ende des ersten Teilabschnittes 23 bildet einen Austrittsbereich 35 für Kühlfluid aus dem ersten Teilabschnitt 23, welches anschließend in den zweiten Teilabschnitt 25 eintritt. In dem ersten Teilabschnitt 23 ist ein Prallkühleinsatz 37 angeordnet. Dieser Prallkühleinsatz 37 läuft sich verjüngend vom Eintrittsbereich 33 zum Austrittsbereich 35 hin konisch zu, so daß drei entlang der Schaufelachse drei aufeinander folgende uer- schnittsflächen Fl, F2, F3 im Vergleich zueinander entlang dieser Richtung kleiner werden. Der Prallkühleinsatz 37 ist dabei so orientiert, daß er mit seiner Einsatzvorderseite parallel zur Schaufelblattvorderkante 8 verläuft. Dabei erstreckt er sich über die gesamte Länge der Schaufelblattvor- derkante 8. Durch die Verjüngung des Prallkühleinsatzes 37 wird in einer Richtung vom Eintrittsbereich zum Austrittsbereich der erste Teilabschitt 23 immer mehr freigegeben. Durch einen linearschrägen Verlauf einer der Einsatzvorderseite 39 gegenüberliegenden Einsatzrückseite 41 des Prallkühleinsatzes 37 wird somit der erste Teilabschnitt 23 gewissermaßen schräg halbiert in eine von dem Prallkühleinsatz 37 belegte Hälfte und eine vom Prallkühleinsatz 37 freie Hälfte. Der Prallkühleinsatz^' 37 weist gleichmäßig verteilt Prallkühlbohrungen 43 auf. Auf der Innenseite des Schaufelblattbereiches 7 sind dem Prallkühleinsatz 37 umgebende Luftleitrippen 51 angeordnet. Diese Luftleitrippen 51 erstrecken sich quer zur Schaufelachse 3. Gleichzeitig sind sie gegenüber einer senkrecht zur Schaufelachse 3 orientierten Ebene geneigt. Die Luftleitrippen 51 enden jeweils, bevor sie in den freien Teil des ersten Teilabschnittes 23 eintreten.

Im Bereich der Schaufelblatthinterkante 10 sind im Schaufelblattbereich 7 Filmkühlöffnungen 53 vorgesehen.

Der Prallkühleinsatz 37 mündet im Bereich des Innenrings 9 an einem Innenringkühlkanal 55.

Im Einsatz der Gasturbinenleitschaufel 1 ist diese in einer nicht dargestellten Gasturbine angeordnet und wird von heißem Gas umströmt. Die hohe thermische Belastung erfordert eine Kühlung mittels eines Kühlfluides 61, welches der

Gasturbinenleitschaufel 1 über den Eintrittsbereich 33 des ersten Teilabschnittes 23 zugeleitet wird. Da der Prallkühleinsatz 37 den Eintrittsbereich 33 völlig überdeckt, wird das Kühlfluid ^'61 zunächst vollständig in den Prallkühleinsatz 37 eingeleitet. Aus dem Prallkühleinsatz 37 tritt das Kühlfluid 61 über die Prallkühlbohrungen 43 senkrecht zur Wand des Schaufelblattbereich 7 aus und trifft auf diese kühlend auf. Insbesondere die Schaufelblattvorderkante 8 wird durch Vorderkantenprall- kühlbohrungen 45 hierdurch sehr wirkungsvoll gekühlt . Das aus dem Prallkühleinsatz 37 ausgetretende Kühlfluid 61 wird nach erfolgter Prallkühlung sodann über die Luftleitrippen 51 in Richtung auf den freien Teil des ersten Teilabschnittes 23 geleitet, der durch die Verjüngung des Prallkühleinsatzes 37 entsteht. Die Querschnittsfläche des Prallkühleinsatzes 37 verjüngt sich dabei proportional zur aus dem Prallkühleinsatz 37 austretenden Kühlfluidmenge. Das Kühlfluid 61 ist hier P¹ P¹

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Claims

Patentansprüche

1. Entlang einer Schaufelachse (3) gerichtete Gasturbinenschaufel (1) mit einer Schaufelblattvorderkante (8) und einer Schaufelblatthinterkante (10) und mit einer inneren Kühlstruktur, umfassend einen meanderförmigen Kühlkanal (21) mit entlang der Schaufelachse (3) gerichteten Teilabschnitten (23,25,27) zur Führung eines Kühlfluides (61) von der Schaufelblattvorderkante (8) zur Schaufelblatthinterkante (10), wobei ein erster der Teilabschnitte (23,25,27) entlang der

Schaufelblattvorderkante (8) verläuft und einen Eintrittsbereich (33) für das Kühlfluid (61) und einen Austrittsbereich (35) für das Kühlfluid (61) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Teilabschnitt (23) einen Prallkühleinsatz (37) aufweist, der mit seiner zur Schaufelblattvorderkante (8) gerichteten Einsatzvorderseite (39) parallel zur Schaufelblattvorderkante (8) verläuft, wobei sich der Prallkühleinsatz (37) zum Austrittsbereich (35) in verjüngt.

2. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der der Prallkühleinsatz (37) den gesamten Eintrittsbereich (33) überdeckt.

3. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der sich der Prallkühleinsatz (37) in seiner Querschnittsfläche (F1,F2,F3) proportional zu einer gemessen entlang der Schaufelachse (3) aus dem Prallkühleinsatz (37) austretenden Kühlfluidmenge verjüngt.

4. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der der Prallkühleinsatz (37) von quer zur Schaufelachse (3) gerichteten Luftleitrippen (51) umgeben ist, die aus -dem Prallkühleinsatz (37) austretendes Kühlfluid (61) um den Prallkühlein- satz (37) herum in Richtung auf die Schaufelblatthinterkante (10) leiten.

5. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 4, bei der die Luftleitrippen (51) so gegenüber einer senkrecht zur Schaufelachse (3) orientierten Ebene gerichtet sind, dass sie das Kühlfluid (61) zusätzlich in einer Richtung vom Eihtrittsbe- reich (33) zum Austrittsbereich (35) leiten.

6. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, die als Leitschaufel mit einem Innenring (9) ausgebildet ist, wobei der Innenring (9) bei Einbau der Leitschaufel in eine Gasturbine einen Heißgaskanal der Gasturbine gegenüber einem Rotor der Gasturbine abdichtet und wobei ein Innenringkühlkanal (55) vom Prallkühleinsatz (37) zum Innenring (9) führt.