WO2003054356A1

WO2003054356A1 - Thermisch belastetes bauteil

Info

Publication number: WO2003054356A1
Application number: PCT/CH2002/000661
Authority: WO
Inventors: Kenneth Hall; Sacha Parneix; Remigi Tschuor
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2003-07-03
Also published as: US20050042096A1; AU2002342500A1; EP1456505A1; US7137784B2

Abstract

Bei einem thermisch belasteten Bauteil (1, 10) ist das Bauteil mit mindestens einem Kühlkanal (21) für die Strömung eines Kühlfluids (20) durchzogen. Im Bereich einer Krümmung (22) ist innerhalb des Kühlkanals (21) mindestens eine Umlenkeinrichtung (9) für die integrale Erfassung der Strömung des Kühlfluids (20) vorgesehen. Die Umlenkeinrichtung (9) besteht über die Höhe (23) des Kühlkanals (21) aus zwei zueinander beabstandeten Umlenkteilen (9a, 9b).

Description

Thermisch belastetes Bauteil

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem thermisch belasteten Bauteil nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Eine Steigerung der Effizienz einer Wärmekraftmaschine, z.B. einer Gasturbine, ist direkt abhängig von einer Steigerung der Arbeitstemperatur der thermisch belasteten Bauteile und somit bei einer Gasturbine abhängig von der Verbrennungsgastemperatur der Brennkammer und der darauffolgenden Turbine. Trotz verbes- serter hochtemperaturbeständiger Werkstoffe muss auch die Kühltechnik verbessert werden, um die Werkstofftemperaturen beim Betrieb solcher thermisch belasteten Bauteile in einem sicheren Bereich zu halten. Dazu werden Kühlkanäle verwendet, welche z.B. aus dem Verdichter mit Kühlfluid gespiesen werden. Dabei wird versucht, einen möglichst grossen Kühleffekt bei möglichst kleinen Verlusten bezüglich der Leistung des Gesamtsystems zu erzielen. Dazu werden spezielle verbesserte Wäremübertragungstechniken wie z.B. Rippen in den Kühlkanälen verwendet.

Aus der GB 2 165 315 sind Schaufeln bekannt, bei welchen Kühlfluid über durch Trennwände gebildete Kühlkanäle vom Hinterkantenbereich der Schaufel zum Vorderkantenbereich geleitet und dann über Öffnungen im Schaufelkopf ausgeblasen wird. Um den Hinterkantenbereich der Schaufel ausreichend zu kühlen, bläst man Luft aus der Hinterkante der Schaufel aus. Um das Kühlfluid in die Kühlkanäle umzuleiten sind Umlenkschaufeln angeordnet.

Allgemein werden in thermisch belasteten Bauteilen, z.B. Schaufeln von Turbinen, vielfach im wesentlichen parallel verlaufende Kühlkanäle verwendet, welche über Umlenkkanäle verbunden werden. Diese Umlenkkanäle sind so ausgestaltet, dass der Druckverlust bei der Umlenkung minimal und der Wärmeübergang möglichst homogen ist, um lokale heisse Zonen zu vermeiden. Um dies zu erreichen, werden vielfach Umlenkschaufeln im Bereich der Umlenkkanäle angeordnet. Diese Umlenkschaufeln sind jedoch sehr fragil und schwer im Gussverfahren herzustellen, selbst bei grossen Bauteilen wie z.B. bei grossen Schaufeln von stationären Gasturbinen. So können sich beispielsweise nach dem Gussvorgang beim Abkühlen des Gusskörpers Spannungen im Gusskörper bilden, weil die inneren, relativ geringe Dimensionen aufweisenden Teile und die äusseren Teile unter- schiedliche Abkühlungsraten aufweisen. Diese Spannungen können im Einzelfall dazu führen, dass es Risse in den inneren Strukturen gibt, wodurch das Gussteil nicht verwendet werden kann. Falls die Fehler nicht bemerkt werden, kann das Gussteil beim Gebrauch brechen und z.B. bei Schaufeln weitere Schaufeln und die Turbine zerstören.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem thermisch belasteten Bauteil mit mindestens einem Kühlkanal der eingangs genannten Art Probleme mit bisher bekannten Mitteln zum Umlenken des Kühlfluids zu vermeiden und trotzdem eine effiziente Kühlung zu ermöglichen.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht. Kern der Erfindung ist es also, dass die Umlenkeinrichtung über die Höhe des Kühlkanals aus zwei zueinander beabstandeten Umlenkteilen besteht.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die er- findungsgemässe Ausgestaltung der Umlenkeinrichtung die Funktion der Umlenkeinrichtung bezüglich bisher bekannten Umlenkschaufeln nicht beeinträchtigt wird. Die primäre Funktion der Umlenkeinrichtung, die Verhinderung von Druckverlusten und die Vermeidung einer Separation des Kühlfluidstromes nach dem Umlenkkanal ist weiter garantiert. Durch die Aufteilung der Umlenkeinrichtung in zwei zueinander beabstandete Umlenkteile werden Spannungen und Risse, welche bei bisher bekannten Schaufeln festgestellt wurden, vermieden. Weiter wurde die Lebensdauer der Schaufeln bezüglich der thermomechanischen Ermüdung (TM F) verbessert.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die erfindungsgemässen Umlenkteile in Kühlkanälen von Schaufeln von Wärmekraftmaschinen angeordnet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den ver- schiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Schaufel einer Turbine;

Fig. 2a, 2b und 2c verschiedene Ausgestaltungsformen einer Umlenkeinrichtung;

Fig. 3a und 3b eine erfindungsgemässe Umlenkeinrichtung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Umlenkeinrichtung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemässe

Umlenkeinrichtung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Schaufel 10 einer Strömungsmaschine dargestellt, bestehend aus einem Schaufelblatt 1 und einem Schaufelfuss 11 , mit dem die Schaufel 10 auf einem nicht dargestellten Rotor oder Stator montiert werden kann. Zwischen Schaufelblatt 1 und Schaufelfuss 11 ist üblicherweise eine Plattform 12 angeordnet, welche den Schaufelfuss und damit den Rotor oder Stator von den das Schaufelblatt umströmenden Fluiden abschirmt. Das Schaufelblatt 1 weist einen Vorderkantenbereich 3, einen Hinterkantenbereich 4, eine saugseitige Wand 5 und eine druckseitige Wand 6 auf (siehe Fig. 3a), wobei die saugseitige und die druckseitige Wand im Bereich der Vorderkante 3 und der Hinterkante 4 miteinander verbunden sind, wodurch ein Hohlraum 2 gebildet wird. Der Vorderkantenbereich 3 wird jeweils von den das Schaufelblatt 1 umströmenden Fluiden zuerst be- aufschlagt. Der Hohlraum 2 verläuft im wesentlichen in radialer Richtung durch die Schaufel 10 und dient als Kühlfluiddurchlass für ein Kühlfluid 20. Zur besseren Kühlung der Schaufel sind im Hohlraum 2 im wesentlichen radial verlaufende Trennwände 8 angeordnet, um Kühlkanäle 21 zu erzeugen. Diese Kühlkanäle 21 sind durch Umlenkkanäle 22 verbunden, welche so ausgestaltet sind, dass der Druckverlust bei der Umlenkung minimal und der Wärmeübergang möglichst homogen ist, um lokale heisse Zonen zu vermeiden. Um diese integrale Erfassung der Strömung des Kühlfluides zu erreichen, werden zusätzliche Umlenkeinrichtungen wie z.B. Umlenkschaufeln 9 im Bereich der Umlenkkanäle 22 angeordnet.

Diese Umlenkschaufeln 9 können gemäss Fig. 2a, 2b und 2c beliebig ausgestaltet werden, z.B. bezüglich Dicke entlang der Schaufel, des Krümmungsradius usw. und müssen jeweils den Bedingungen im Umlenkkanal 22 angepasst werden.

Fig. 3a, 3b und 4 zeigen die erfindungsgemässe Umlenkschaufel bestehend aus einem ersten Umlenkteil 9a an der Saugseite und einem ihm gegenüberliegenden zweiten Umlenkteil 9b an der Druckseite der Schaufel. Die Umlenkteile 9a und 9b weisen einen Abstand δ voneinander auf, welcher bis zu 30% der Höhe 23 des Kühlkanales 21 an der Stelle der Umlenkteile betragen kann. Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Umlenkteile 9a und 9b wird die Funktion der Umlenkeinrichtung bezüglich bisher bekannten Umlenkschaufeln nicht beeinträchtigt. Die primäre Funktion der Umlenkschaufel ist die Verhinderung von Druckverlusten und die Vermeidung einer Separation des Kühlfluidstromes 20 nach dem Umlenkkanal 22.

Durch Versuche an erfindungsgemässen Schaufeln wurde weiter festgestellt, dass durch die Aufteilung der bisher bekannten Umlenkeinrichtungen in zwei Umlenkteile Spannungen und Risse, welche bei bisher bekannten Schaufeln festgestellt wurden, vermieden werden. Weiter zeigte sich, dass die Lebensdauer der Schaufeln bezüglich der thermomechanischen Ermüdung (TMF) verbessert wur- de.

Die Umlenkteile können dabei beliebig ausgestaltet werden, wie dies in Fig. 2a, 2b und 2c gezeigt und oben für die Umlenkschaufel beschrieben wurde. Darüber hin- aus ist die Ausgestaltung des Abstand δ der beiden Umlenkteile in Strömungsrichtung des Kühlfluides variabel sowie die Ausgestaltung beliebig, wobei jedoch beachtet werden muss, dass die Funktion der Umlenkteile, nämlich die Verhinderung von Druckverlusten und die Vermeidung einer Separation des Kühlfluidstro- mes 20 nach dem Umlenkkanal 22, beibehalten wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Ausgestaltung von zwei Umlenkteilen 9a und 9b. Hier wurde der Abstand δ erzielt, indem durch eine in der Gussform vorhandene Verengung oder Kerbe 24 eine Schwachstelle in der Umlenkschaufel angeordnet wurde. Durch diese Kerbe 24 bricht die Umlenkschaufel nach dem Gussprozess beim Abkühlen und dem dadurch bedingten Schrumpfen in zwei Teile und erzeugt so die beiden Umlenkteile 9a und 9b mit dem Abstand δ. Durch die Ausgestaltung der Kerbe 24 kann der Abstand δ und dessen Form eingestellt werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Solche Umlenkteile können allgemein in Krümmungen von Kühlkanälen von thermisch belasteten Bauteilen angeordnet werden, um die oben beschriebenen Probleme zu vermeiden.

Bezugszeichenliste

1 Schaufelblatt

2 Hohlraum

3 Vorderkantenbereich

4 Hinterkantenbereich

5 saugseitige Wand

6 druckseitige Wand

8 Trennwand

9 Umlenkeinrichtung / Umlenkschaufel

9a erstes Umlenkteil Saugseite

9b zweites Umlenkteil Druckseite

10 Schaufel

11 Schaufelfuss

12 Plattform

20 Kühlfluid

21 Kühlkanal

22 Umlenkkanal

23 Höhe Kühlkanal

24 Kerbe δ Abstand

Claims

Patentansprüche

1. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10), das mit mindestens einem Kühlkanal (21) für die Strömung eines Kühlfluids (20) durchzogen ist, wobei im Bereich einer Krümmung (22) innerhalb des Kühlkanals (21) mindestens eine Umlenkeinrichtung (9) für die integrale Erfassung der Strömung des Kühl- fluids (20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (9) über die Höhe (23) des Kühlkanals (21) aus zwei zueinander beabstandeten Umlenkteilen (9a, 9b) besteht.

2. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwei zueinander beabstandeten Umlenkteile (9a, 9b) fluchtend angeordnet sind.

3. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (δ) der zwei zueinander beabstandeten Umlenkteile (9a, 9b) bis zu 30% der Höhe des Kühlkanales (23) im Bereich der Umlenkteile beträgt.

4. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei zueinander beabstandeten Umlenkteile (9a, 9b) und der Abstand (δ) zwischen den Umlenkteilen eine beliebige Form aufweisen können.

5. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkteile (9a, 9b) und der Abstand (δ) zwischen den Umlenkteilen durch in der Gussform vorgesehene Mittel (24) im Gussprozess herstellbar sind.

6. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Gussform vorgesehene Mittel (24) eine Verengung im Querschnitt der Umlenkeinrichtung (9) ist.

7. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch belastete Bauteil in einer Wärmekraftmaschine angeordnet ist.

8. Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch belastete Bauteil die Schaufel (10) einer Wärmekraftmaschine ist.

Thermisch belastetes Bauteil (1 , 10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine eine Gasturbine ist.