WO2005068783A1 - Gekühlte schaufel für eine gasturbine - Google Patents

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Sacha Parneix
Ulrich Rathmann
Helene Saxer-Felici
Stefan Schlechtriem
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    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine technology. It relates to a cooled blade for a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Such a blade is e.g. known from US-A-4,278,400.
  • blades with a cover band are used which are exposed to hot gases with temperatures of more than 1200 K and pressures of more than 6 bar during operation.
  • the blade 10 comprises an airfoil 11 which merges downwards into a blade root 12 via a blade shaft 25. At the upper end, that is to say at the blade tip or blade tip, the blade blade 11 merges into a shroud section 21 which, together with the shroud sections of the other blades, forms a closed, annular shroud with a complete blade ring.
  • the airfoil has a span with which it extends from the airfoil shaft to the airfoil tip. If the blade is installed in a turbine, the span of the blade is oriented in the radial direction of the turbine cross section, which is why the direction of the span is also referred to below as the radial direction.
  • the airfoil 11 has a leading edge 19, which is flown by the hot gas, and a trailing edge 20. Inside the airfoil 11, a plurality of radial cooling channels 13, 14 and 15 are arranged, which are connected to one another in terms of flow by means of deflection regions 17, 18 and one serpentine with several Form turns (see the flow arrows in the cooling channels 13, 14, 15 of FIG. 1).
  • the cooling medium Due to the one-time passage of the cooling medium through the serpentine cooling channels 13, 14, 15, the cooling medium flows through the cooling channels with increasing temperature and reaches the highest temperature in the last cooling channel 15 of the rear edge 20.
  • the rear edge 20 of the blade 10 can therefore be below certain operating conditions reach excessively high temperatures of the cooling medium and the blade material or metal.
  • the resulting mismatch of the metal temperature over the axial length of the blade can lead to high temperature creep and consequently to the deformation of the trailing edge 20.
  • the secondary effect of the rear edge deformation is a tilting of the shroud segments 21 in the axial, radial and circumferential directions.
  • the tilting of the shroud segments 21 can lead to the gaps between individual shroud segments opening and the entry of high-temperature hot gas into the shroud cavity.
  • the temperatures of the shroud metal can increase significantly and quickly cause the shroud to creep and ultimately lead to the high-temperature failure of the shroud.
  • This known type of multiple supply with cooling medium has various disadvantages: the injector changes the pressure conditions and flow conditions in the cooling ducts massively compared to the configuration with single supply through the entrance of the cooling duct at the front edge. In particular, a balance must be found between the cooling medium flowing out at the front edge for film cooling and the cooling medium drawn in by the injector. This requires a completely new design of the blade cooling, which is difficult to adapt to changing requirements.
  • the injector principle and the associated vacuum generation are not suitable for blades without film cooling of the leading edge and blades with a cooled shroud.
  • an additional flow of cooling medium is branched off directly from the main cooling inlet and via a between the Main cooling inlet and the second deflection area opening, in an exemplary embodiment, a bore or an opening made during casting, is fed into the cooling channel running along the rear edge. Since the flow of the cooling medium is branched off from the main cooling flow through the bypass hole and added again later, the cooling medium flow remains unchanged overall.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the bore is designed and arranged such that the cooling medium flowing through the bore flows directly into the second cooling duct through the second deflection region. This results in a particularly efficient temperature reduction through the bypass flow in the cooling channel of the rear edge.
  • FIG. 1 shows in longitudinal section the configuration of a cooled gas turbine blade with multiple supply of the cooling medium and cooled cover band according to a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows the foot area of the blade from Fig. 1 in an enlarged
  • FIG. 3 shows a top view of the shroud section of the blade from FIGS. 1, 2; and Fig. 4-6 different sections through the shroud area of the blade from Fig. 1, 2 along the parallel section planes AA, BB and CC shown in Fig. 5.
  • FIGS. 1 and 2 A preferred embodiment of a cooled gas turbine blade with multiple supply of the cooling medium according to the invention is shown in FIGS. 1 and 2.
  • the main flow of the cooling medium in the area of the blade shaft 25 enters the cooling channel 13 from below through a main cooling inlet 16 and partly passes through openings in the shroud section 21 (bores 27,..., 29 in FIGS. 3 to 6) and partly along the rear edge 20 again (see the arrows drawn in FIG. 1 on the shroud section 21 and on the rear edge 20).
  • a portion of the cooling medium flowing into the main cooling inlet 16 is branched off through a bore 23 and fed via the second deflection region 18 to the cooling channel 15 at the rear edge.
  • the bore 23 is preferably designed and arranged in this case (i.e., in the present case leading obliquely upwards) in such a way that the cooling medium flow flowing through it is directed directly into the cooling duct 15.
  • the purpose of the bypass bore 23 is to introduce cooler cooling medium directly into the rear edge area of the blade 10.
  • cooling bores 27, 28, 29 are provided in the shroud section 21 of the blade 10 (FIGS. 3 to 6).
  • the cooling medium emerging through the bores 27, 28, 29 serves to actively cool the shroud section 21.
  • the cooling bores 27, 28, 29 in the shroud section 21 preferably have an inner diameter in the range between 0.6 mm and 4 mm. All three bores 27, 28, 29 are positioned and dimensioned on the shroud section 21 such that an uniform beam penetration into the main stream of the shroud cavity takes place.

Abstract

Eine gekühlte Schaufel (10) für eine Gasturbine weist ein von einem Schaufelfuss (12) und einem Schaufelschaft (25) ausgehendes Schaufelblatt (11) mit einer Vor­derkante (19) und einer Hinterkante (20) sowie innerhalb des Schaufelblatts (11) eine Mehrzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden, strömungsmässig hin­tereinandergeschalteten Kühlkanälen (13, 14, 15) auf, von denen ein erster Kühl­kanal (13) entlang der Vorderkante (19) und ein zweiter Kühlkanal (15) entlang der Hinterkante (20) vom Schaufelfuss (12) zur Spitze des Schaufelblattes (11) von einem Hauptstrom eines Kühlmediums durchströmt werden, und der Eingang des ersten Kühlkanals (13) mit einem Hauptkühleinlass (16) in Verbindung steht und der Ausgang des ersten Kühlkanals (13) über einen ersten Umlenkbereich (17), einen zwischen dem ersten und zweiten Kühlkanal (13, 15) angeordneten dritten Kühlkanal (14), und einen zweiten Umlenkbereich (18) mit dem Eingang des zweiten Kühlkanals (15) in Verbindung steht. Es sind erste Mittel (23) vorgesehen, durch welche dem vom dritten Kühlkanal (14) in den zweiten Kühlkanal (15) strö­menden, aufgewärmten Hauptstrom des Kühlmediums von aussen ein Zusatz­strom kühleren Kühlmediums zugesetzt wird. Eine besonders einfache Realisierung ergibt sich dadurch, dass die ersten Mittel eine vom Hauptkühleinlass (16) zum zweiten Umlenkbereich (18) verlaufende Bohrung (23) umfassen.

Description

GEKÜHLTE SCHAUFEL FÜR EINE GASTURBINE
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine gekühlte Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Schaufel ist z.B. aus der Druckschrift US-A-4,278,400 bekannt.
STAND DER TECHNIK
Bei modernen Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad werden mit einem Deckband versehene Schaufeln eingesetzt, die während des Betriebes Heissgasen mit Tem- peraturen von mehr als 1200 K und Drücken von mehr als 6 bar ausgesetzt sind.
In Fig. 1 ist eine grundsätzliche Konfiguration einer Schaufel mit Deckband dargestellt. Die Schaufel 10 umfasst ein Schaufelblatt 11, dass nach unten zu über einen Schaufelschaft 25 in einen Schaufelfuss 12 übergeht. Am oberen Ende, das heisst an der Schaufelspitze oder Schaufelblattspitze, geht das Schaufelblatt 11 in einen Deckbandabschnitt 21 über, der bei einem vollständigen Schaufelkranz zusammen mit den Deckbandabschnitten der anderen Schaufeln ein geschlossenes, ringförmiges Deckband bildet. Das Schaufelblatt weist eine Spannweite auf, mit der es sich vom Schaufelschaft zur Schaufelspitze erstreckt. Wenn die Schaufel in einer Turbine eingebaut ist, ist die Spannweite der Schaufel in radialer Richtung des Turbinenquerschnitts orientiert, weshalb die Richtung der Spannweite nachfolgend auch als radiale Richtung bezeichnet wird. Das Schaufelblatt 11 hat eine Vorderkante 19, die von dem Heissgas angeströmt wird, und eine Hinterkante 20. Im Inneren des Schaufelblattes 11 sind mehrere radiale Kühlkanäle 13, 14 und 15 angeordnet, die durch Umlenkbereiche 17, 18 untereinander strömungsmässig verbunden sind und eine Serpentine mit mehreren Windungen bilden (siehe die Strömungspfeile in den Kühlkanälen 13, 14, 15 der Fig. 1).
Aufgrund des Einmaldurchlaufs des Kühlmediums durch die serpentinenartig hin- tereinandergeschalteten Kühlkanäle 13, 14, 15 strömt das Kühlmedium mit zu- nehmender Temperatur durch die Kühlkanäle und erreicht die höchste Temperatur im letzten Kühlkanal 15 der Hinterkante 20. Die Hinterkante 20 der Schaufel 10 kann daher unter bestimmten Betriebsbedingungen übermässig hohe Temperaturen des Kühlmediums und des Schaufelmaterials bzw. -metalls erreichen. Die sich daraus ergebende Fehlanpassung der Metalltemperatur über die axiale Länge der Schaufel kann zum Hochtemperaturkriechen und folglich zur Deformation der Hinterkante 20 führen. Für eine Schaufel mit Deckband, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ergibt sich als sekundärer Effekt der Hinterkantendeformation eine Verkippung der Deckbandsegmente 21 in axialer, radialer und Umfangsrichtung. Die Verkippung der Deckbandsegmente 21 kann dazu führen, dass sich die Spalte zwischen einzelnen Deckbandsegmenten öffnen und den Eintritt von Hochtempe- ratur-Heissgas in den Deckband-Hohlraum ermöglichen. Infolge davon können sich die Temperaturen des Deckband-Metalls signifikant erhöhen und schnell ein Kriechen des Deckbandes einleiten und schliesslich zum Hochtemperaturausfall des Deckbandes führen.
In der eingangs genannten Druckschrift US-A-4,278,400 ist für Schaufeln mit gekühlter Spitze und fein verteilten Kühlöffnungen an der Vorderkante (Filmkühlung) bereits eine Mehrfachversorgung bei der Kühlung der Schaufel vorgeschlagen worden. Am Ende einer 90°-Umlenkung des Hauptkühlstromes ist quer zur Strö- mungsrichtung des Hauptkühlstromes ein Ejektor angeordnet, durch den ein zusätzlicher Strom kühleren Kühlmediums in den an der Hinterkante entlanglaufenden Kühlkanal injiziert wird. Der Ejektor wird über einen radial durch den Fuss laufenden Kanal mit Kühlmedium versorgt. Das aus der Düse des Ejektors mit erhöhter Geschwindigkeit ausströmende Kühlmedium erzeugt einen Unterdruck, der das erwärmte Kühlmedium aus dem Kühlkanal der Vorderkante in den Kühlkanal der Hinterkante zieht. Etwa 45% des an der Vorderkante entlangströmenden Kühlmediums treten durch die Kühlöffnungen an der Vorderkante aus. 40% werden durch den Injektor angesaugt. Der Rest tritt durch Kühlöffnungen an der Schaufelspitze aus.
Diese bekannte Art der Mehrfachversorgung mit Kühlmedium hat verschiedene Nachteile: Durch den Injektor werden die Druckverhältnisse und Strömungsverhältnisse in den Kühlkanälen gegenüber der Konfiguration mit Einfachversorgung durch den Eingang des Kühlkanals an der Vorderkante massiv verändert. Insbesondere muss ein Gleichgewicht zwischen dem an der Vorderkante zur Filmkühlung ausströmenden Kühlmedium und dem durch den Injektor angesaugten Kühl- medium gefunden und eingestellt werden. Dies bedingt eine völlig neue konstruktive Auslegung der Schaufelkühlung, die nur schwer an sich ändernde Anforderungen angepasst werden kann. Das Injektorprinzip und die damit verbundene Unterdruckerzeugung sind nicht geeignet für Schaufeln ohne Filmkühlung der Vorderkante und Schaufeln mit gekühltem Deckband.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es wird daher eine gekühlte Schaufel der eingangs genannten Art angegeben, welche die Nachteile bekannter Schaufeln vermeidet. Dabei lässt sich die
Erfindung bei Schaufeln mit oder ohne Deckband, bei Schaufeln mit gekühltem Deckband, und unabhängig davon, ob eine Filmkühlung der Vorderkante vorhanden ist oder nicht, realisieren. Auch bereits existente Schaufeln können im hier beschriebenen Sinne modifiziert werden.
Bei der im Anspruch 1 beschriebenen Schaufel wird ein Zusatzstrom Kühlmedium direkt vom Hauptkühleinlass abgezweigt und über eine zwischen dem Hauptkühleinlass und dem zweiten Umlenkbereich verlaufende Öffnung, in einer beispielhaften Ausführungsform eine Bohrung oder eine beim Guss hergestellte Öffnung, in den an der Hinterkante entlanglaufenden Kühlkanal eingespeist wird. Da der Strom des Kühlmediums durch die Bypassbohrung vom Hauptkühlstrom abgezweigt und später wieder zugefügt wird, bleibt der Kühlmediumstrom insgesamt unverändert.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bohrung so ausgebildet und angeordnet ist, dass das durch die Bohrung strömende Kühlmedium durch den zweiten Umlenkbereich direkt in den zweiten Kühlkanal einströmt. Hierdurch ergibt sich eine besonders effiziente Temperaturabsenkung durch den Bypassstrom im Kühlkanal der Hinterkante.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam- menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 im Längsschnitt die Konfiguration einer gekühlten Gasturbinenschaufel mit Mehrfachversorgung des Kühlmediums und gekühltem Deckband gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 den Fussbereich der Schaufel aus Fig. 1 in einer vergrösserten
Darstellung mit der Bypassbohrung zwischen dem Hauptkühleinlass und dem zweiten Umlenkbereich;
Fig. 3 in der Draufsicht von oben den Deckbandabschnitt der Schaufel aus Fig. 1, 2; und Fig.4-6 verschiedene Schnitte durch den Deckbandbereich der Schaufel aus Fig. 1, 2 entlang der in Fig. 5 eingezeichneten parallelen Schnittebenen A-A, B-B und C-C.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer gekühlten Gasturbinenschaufel mit Mehrfachzuführung des Kühlmediums gemäss der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 wiedergegeben. Der Hauptstrom des Kühlmediums tritt im Bereich des Schaufelschaftes 25 durch einen Hauptkühleinlass 16 von unten in den Kühlkanal 13 ein und tritt teilweise durch Öffnungen im Deckbandabschnitt 21 (Bohrungen 27,.. ,29 in Fig. 3 bis 6) und teilweise entlang der Hinterkante 20 wieder aus (siehe die in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile am Deckbandabschnitt 21 und an der Hinterkante 20).
Ein Teil des in den Hauptkühleinlass 16 einströmenden Kühlmediums wird durch eine Bohrung 23 abgezweigt und über den zweiten Umlenkbereich 18 dem Kühlkanal 15 an der Hinterkante zugeführt. Die Bohrung 23 ist dabei vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet (d.h., im vorliegenden Fall schräg nach oben führend), dass der durch sie strömende Kühlmediumstrom ohne Umwege direkt in den Kühlkanal 15 gelenkt wird. Der Zweck der Bypassbohrung 23 besteht darin, kühleres Kühlmedium direkt in den Hinterkantenbereich der Schaufel 10 einzuführen.
Zusätzlich sind im Deckbandabschnitt 21 der Schaufel 10 weitere Bohrungen 27, 28, 29 vorgesehen (Fig. 3 bis 6). Das durch die Bohrungen 27, 28, 29 austretende Kühlmedium dient dazu, den Deckbandabschnitt 21 aktiv zu kühlen. Die Kühlbohrungen 27, 28, 29 im Deckbandabschnitt 21 haben vorzugsweise einen Innen- durchmesser im Bereich zwischen 0,6 mm und 4 mm. Alle drei Bohrungen 27, 28, 29 sind am Deckbandabschnitt 21 so positioniert und dimensioniert, dass eine un- gleichmässige Strahldurchdringung in den Hauptstrom des Deckbandhohlraums stattfindet.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Schaufel
11 Schaufelblatt
12 Schaufelfuss
13,14,15 Kühlkanal
16 Hauptkühleinlass
17,18 Umlenkbereich
19 Vorderkante
20 Hinterkante
21 Deckbandabschnitt
23 Öffnung
24 Kernöffnung
25 Schaufelschaft
27,..,29 Bohrung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Gekühlte Schaufel (10) für eine Gasturbine, welche Schaufel (10) ein sich mit einer Schaufelblatt-Spannweite von einem Schaufelfuss (12) und einem Schaufelschaft (25) zu einer Schaufelspitze erstreckendes Schaufelblatt (11) mit einer Vorderkante (19) und einer Hinterkante (20) aufweist, und wobei innerhalb des Schaufelblatts (11 ) eine Mehrzahl von Kühlkanälen angeordnet sind, welche hinsichtlich der Durchströmung in Reihe geschaltet sind und welche sich entlang der Schaufelblatt-
Spannweite vom Schaufelschaft zur Schaufelspitze erstrecken, von denen ein erster Kühlkanal (13) entlang der Vorderkante (19) und ein zweiter Kühlkanal (15) entlang der Hinterkante (20) angeordnet ist, welche erste und zweite Kühlkanäle zur Durchstömung mit einem Hauptstrom eines Kühlmediums in Richtung der Schaufelblatt-
Spannweite zur Schaufelspitze hin ausgelegt und angeordnet sind, wobei der Einlass des ersten Kühlkanals (13) mit einem Hauptkühleinlass (16) in Verbindung steht und Auslass des ersten Kühlkanals (13) über einen ersten Umlenkbereich (17), wenigstens einen zwischen dem ersten und zweiten Kühlkanal (13, 15) angeordneten dritten Kühlkanal (14), und einen zweiten Umlenkbereich (18), welcher zwischen einem dritten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal angeordnet ist, mit dem Einlass des zweiten Kühlkanals (15) in Fluidverbindung steht, und wobei erste Mittel (23) vorgesehen sind, durch welche dem von einem dritten Kühlkanal (14) in den zweiten
Kühlkanal (15) strömenden, aufgewärmten Hauptstrom des Kühlmediums ein zusätzlicher Strom Kühlmediums zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine vom Hauptkühleinlass (16) zum zweiten Umlenkbereich (18) verlaufende Öffnung (23) umfassen.
2. Schaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (23) so ausgebildet und angeordnet ist, dass das durch die Öffnung (23) strömende Kühlmedium durch den zweiten Umlenkbereich (18) direkt in den zweiten Kühlkanal (15) einströmt.
3. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung eine Bohrung ist
4. Schaufel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auslassöffnungen (27,..,29) vorgesehen sind, welche zwischen dem Hauptkühleinlass (16) und dem zweiten Umlenkbereich (18) angeordnet sind, und durch welche ein Teilstrom des Hauptstrams des Kühlmediums austritt.
5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel
(10) am oberen Ende einen Deckbandabschnitt (21 ) aufweist, und dass die zusätzlichen Auslassöffnungen im Deckbandabschnitt (21) angeordnete Bohrungen (27,..,29) umfassen.
6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im
Deckbandabschnitt wenigstens drei Bohrungen (27,..,29) vorgesehen sind, welche einen Innendurchmesser im Bereich zwischen 0,6 mm und 4 mm aufweisen.
7. Schaufel nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche genau einen dritten Kühlkanal aufweist.
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