WO2006108764A1 - Konvektiv gekühlte gasturbinenschaufel - Google Patents

Konvektiv gekühlte gasturbinenschaufel Download PDF

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WO2006108764A1 PCT/EP2006/061163 EP2006061163W WO2006108764A1 WO 2006108764 A1 WO2006108764 A1 WO 2006108764A1 EP 2006061163 W EP2006061163 W EP 2006061163W WO 2006108764 A1 WO2006108764 A1 WO 2006108764A1
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gas turbine
cooling air
wall
blade
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Arkadi Fokine
Alexander Trishkin
Vladimir Vassiliev
Dmitry Vinogradov
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Alstom Technology Ltd
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • 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
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Definitions

  • the present application relates to a gas turbine blade according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbine blade of the type mentioned are specified so that the disadvantages of the prior art are avoided. More specifically, the gas turbine blade should be specified such that the heat transfer on the cooling side is made uniform and in this way uneven temperature distributions are avoided with life-shortening thermoelectric voltages.
  • the contour of the outlet opening of the along the leading edge extending cooling air duct is designed geometrically similar to the cross section of the cooling air duct. As a result, the Cross-sectional transitions are minimized when flowing through the cooling air from the cooling air duct into the outlet opening. Dead water zones of the cooling air and deviations of the flow direction of the blown cooling air with its negative effects are thus avoided.
  • Outlet opening smaller than the cross-sectional area of the cooling air duct.
  • the outlet opening act as a throttle point and thus serve to limit the mass flow. That is, in the region of the outlet opening a web is arranged.
  • the distance of the contour line of the outlet opening from the blade outer contour in the area of the blade leaf leading edge assumes values between 138% and 162% of the local wall thickness of the blade leaf wall. This means that the height of the web in the region of the blade leading edge is 38% to 62% of the local wall thickness.
  • the distance between the contour line of the outlet opening and the airfoil outer contour assumes values of 113% to 138% of the local wall thickness of the airfoil wall.
  • the height of the web is therefore 13% to 38% of the local wall thickness in this area.
  • the height of the web is in the range from 0% to 225% of the wall thickness of the airfoil wall.
  • the wall thickness of the airfoil wall can vary in the direction of flow of the airfoil; In one embodiment of the invention, the wall thickness of the airfoil wall in the region of the outlet opening is constant.
  • the cooling air duct has an inlet opening arranged on the blade root.
  • fresh cooling air is supplied to the blade root in an embodiment, which along the blade leading edge in the blade inner to the Blade head flows, and there flows through the outlet opening.
  • the blade is designed to be purely convectionally cooled in the region of the cooling channel. This means that there are no openings through which cooling air, for example as film cooling air, can reach the outside of the airfoil. The entire cooling air mass flow flowing into the cooling air duct therefore flows again through the outlet opening.
  • Blades of the type described above are preferably used in gas turbines, as components of a rotor and / or a stator, use.
  • FIG. 1 shows a gas turbine group
  • FIG. 2 shows a gas turbine blade
  • FIG. 3 shows an exit region of a cooling air channel of FIG
  • a gas turbine group is shown by way of example. This includes a known manner, a compressor 1, a combustion chamber 2, and the turbine 3.
  • the turbine 3 is shown in section.
  • a turbine stator comprises a housing 4 and vanes 61, 62, 63 and 64.
  • a turbine rotor comprises a shaft 5 and rotor blades 65, 66, 67 and 68.
  • FIG. 2 a shows a side view of an exemplary turbine blade in a sectional view, which shows the internal cooling configuration of the blade.
  • the blade 6 comprises a blade root 601, an airfoil 602, and a blade head 603.
  • a cross-section of the airfoil that reveals the airfoil profile is shown in FIG. 2b.
  • the profile of the airfoil has a front edge 604, a trailing edge 605, a pressure side 606 and a suction side 607. As can be seen in the illustration of FIG.
  • this channel is formed, on the one hand, by the wall of the airfoil in the region of the front edge 604, in the region of the pressure side 606, in the region of the suction side 607, and bounded by a partition wall 614 extending from the suction side airfoil wall to the pressure side airfoil wall.
  • the cooling air channel 609 has in the fus practiceen area of the airfoil on an inlet opening 610 for cooling air, and has in the region of the blade head an outlet opening 61 1 for cooling air.
  • a further serpentine running cooling air passage 608 is arranged, wherein the cooling air flowing through this is blown out in the region of the blade air trailing edge.
  • the blade is cooled in the region of the trailing edge by the blown cooling air; in the other areas of the airfoil, the airfoil is cooled purely convective.
  • ribs 613 are arranged inside the cooling air ducts, which there intensify the heat transfer from the airfoil wall to the cooling air.
  • the cooling air of the leading edge cooling air channel 609 is supplied to the inlet port 610 and blown in the blade head area at the outlet opening 61 1 again, where it serves to cool the blade head and the seals, not shown.
  • a web 612 is arranged, which avoids that the cooling air is prematurely mixed with hot gas.
  • the region of the outlet opening 611 is shown enlarged in Figures 3a and 3b.
  • the contour of the outlet opening 611 has a shape that is substantially geometrically similar to the cross section of the cooling air channel 609, but is reduced in cross-section relative thereto.
  • the front edge side extending cooling air channel is indicated by dashed lines.
  • the distance of the contour of the outlet opening from the airfoil outer contour is dimension A.
  • the distance between the contour of the outlet opening and the airfoil outer contour is dimension B
  • the distance of the contour of the outlet opening from the dividing wall is the dimension C.
  • the thickness of the airfoil outer wall is denoted by ⁇ .
  • C is 0 ⁇ C ⁇ (2 ⁇ 0, 25).

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

Abstract

Eine Gasturbinenschaufel weist einen entlang der Schaufelblatt-Vorderkante (604) verlaufenden Kühlluftkanal (609) auf, welcher eine im Bereich des Schaufelkopfes angeordnete Austrittsöffnung (611) aufweist. Die Kontur der Austrittssöffnung ist dem Querschnitt des Kühlluftkanals geometrisch ähnlich. Damit werden Strömungsinhomogenitäten der Kühlluftströmung, welche lokal den Wärmeübergang und damit die Kühleffektivität negativ beeinflussen, vermieden.

Description

Beschreibung
KONVEKTIV GEKÜHLTE GASTURBINENSCHAUFEL
Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Gasturbinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Es ist bekannt, bei gekühlten Schaufeln von Gasturbinen Kühlluft am Schaufelkopf auszublasen, was beispielsweise zu einer verbesserten Kühlung der dort angeordneten Dichtungen beiträgt. Die Querschnitte dieser Austrittsöffnungen werden allgemein kleiner dimensioniert als die der Kühlluftkanäle. Sie dienen damit als Drosselstellen und begrenzen den Massenstrom des ausgeblasenen Kühlfluids. Die Austrittsöffnungen weisen üblicherweise kreisförmige oder elliptische Querschnitte auf, und stimmen nicht mit der Querschnittsform des Kühlkanals überein, welcher die Kühlluft zu der Austrittsöffnung führt. Der damit vorliegende abrupte Querschnittswechsel resultiert in ungünstigen Strömungsmustern, welche unter anderem zu erhöhten Druckverlusten und lokal erhöhten Materialtemperaturen führen.
Darstellung der Erfindung
[0003] Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung soll eine
Gasturbinenschaufel der eingangs genannten Art so angegeben werden, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Spezifischer soll die Gasturbinenschaufel derart angegeben werden, dass der Wärmeübergang auf der Kühlungsseite vergleichmässigt wird und auf diese Weise ungleichmässige Temperaturverteilungen mit lebensdauerverkürzenden Thermospannungen vermieden werden.
[0004] Dies, neben anderen vorteilhaften Wirkungen, vermag die im Anspruch 1 beschriebene Gasturbinenschaufel zu leisten. Bei der im Anspruch 1 angegebenen Schaufel ist die Kontur der Austrittsöffnung des entlang der Vorderkante verlaufenden Kühlluftkanals dem Querschnitt des Kühlluftkanals geometrisch ähnlich gestaltet. Daraus resultiert, dass die Querschnittsübergänge beim Durchströmen der Kühlluft aus dem Kühlluftkanal in die Austrittsöffnung minimiert werden. Totwasserzonen der Kühlluft und Abweichungen der Strömungsrichtung der ausgeblasenen Kühlluft mit ihren negativen Auswirkungen werden damit vermieden.
[0005] In einer Weiterbildung der Schaufel ist die Querschnittsfläche der
Austrittsöffnung kleiner als die Querschnittsfläche des Kühlluftkanals. Damit kann die Austrittsöffnung als Drosselstelle wirken und somit zur Begrenzung des Massenstroms dienen. Das heisst, im Bereich der Austrittsöffnung ist ein Steg angeordnet. In einer Ausführungsform der Erfindung nimmt der Abstand der Konturlinie der Austrittsöffnung von der Schaufelblattaussenkontur im Bereich der Schaufelblatt-Vorderkante Werte zwischen 138% und 162% der lokalen Wanddicke der Schaufelblattwand an. Das heisst, die Höhe des Steges beträgt im Bereich der Schaufelblattvorderkante 38% bis 62% der lokalen Wanddicke. Im Bereich der saugseitigen Wand und/oder der druckseitigen Wand des Schaufelblattes nimmt der Abstand der Konturlinie der Austrittsöffnung von der Schaufelblatt-Aussenkontur Werte von 113% bis 138% der lokalen Wanddicke der Schaufelblattwand an. Die Höhe des Steges beträgt also in diesem Bereich 13% bis 38% der lokalen Wanddicke. Im Bereich der schaufelinneren Trennwand, welche beispielsweise den entlang der Vorderkante verlaufenden Kühlluftkanal von anderen Kühlluftkanälen abtrennt, liegt die Höhe des Steges in einer Ausführungsform im Bereich von 0% bis 225% der Wanddicke der Schaufelblattwand. Diese geometrischen Spezifikationen können selbstverständlich unabhängig voneinander oder in Kombination Anwendung finden. Die Wanddicke der Schaufelblattwand kann dabei in Umströmungsrichtung des Schaufelblattes variieren; in einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wanddicke der Schaufelblattwand im Bereich der Austrittsöffnung konstant.
[0006] In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kühlluftkanal eine am Schaufelfuss angeordnete Einlassöffnung auf. Dabei wird in einer Ausführungsform frische Kühlluft am Schaufelfuss zugeführt, welche entlang der Schaufelblattvorderkante im Schaufelblattinneren zum Schaufelkopf strömt, und dort durch die Austrittsöffnung ausströmt. Insbesondere ist in einer Weiterbildung der hier spezifizierten Schaufeln die Schaufel im Bereich des Kühlkanals rein konvektiv gekühlt ausgeführt. Das heisst, es liegen keine Öffnungen vor, durch welche Kühlluft beispielsweise als Filmkühlluft zur Schaufelblatt-Aussenseite gelangen kann. Der gesamte in den Kühlluftkanal einströmende Kühlluftmassenstrom strömt also wieder durch die Austrittsöffnung ab. [0007] Schaufeln der vorstehend beschriebenen Art finden bevorzugt in Gasturbinen, als Bestandteile eines Rotors und/oder eines Stators, Verwendung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0008] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung illustrierten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Einzelnen zeigen [0009] Figur 1 eine Gasturbogruppe; [0010] Figur 2 eine Gasturbinenschaufel; [0011] Figur 3 einen Austrittsbereich eines Kühlluftkanals einer
Gastu rbi nenschaufel . [0012] Alle Figuren sind stark vereinfacht und dienen lediglich dem besseren
Verständnis der Erfindung; sie sollen nicht zur Einschränkung der in den
Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0013] In der Figur 1 ist beispielhaft eine Gasturbogruppe dargestellt. Diese umfasst auf an sich bekannte Weise einen Verdichter 1 , eine Brennkammer 2, sowie die Turbine 3. Die Turbine 3 ist im Schnitt dargestellt. Ein Turbinenstator umfasst ein Gehäuse 4 sowie Leitschaufeln 61 , 62, 63 und 64. Ein Turbinenrotor umfasst eine Welle 5 sowie Laufschaufeln 65, 66, 67 und 68.
[0014] In modernen Gasturbogruppen mit hohen Heissgastemperaturen werden die Turbinenschaufeln wenigstens der ersten Turbinenstufen gekühlt ausgeführt. Ein Beispiel für eine derartige gekühlte Turbinenschaufel 6 ist in der Figur 2 dargestellt. Figur 2a zeigt dabei eine Seitenansicht einer beispielhaften Turbinenschaufel in einer Schnittdarstellung, welche die interne Kühlungskonfiguration der Schaufel erkennen lässt. Die Schaufel 6 umfasst einen Schaufelfuss 601 , ein Schaufelblatt 602, sowie einen Schaufelkopf 603. Ein Querschnitt des Schaufelblattes, welcher das Schaufelblattprofil erkennen lässt, ist in der Figur 2b dargestellt. Das Profil des Schaufelblattes weist eine Vorderkante 604, eine Hinterkante 605, eine Druckseite 606 sowie eine Saugseite 607 auf. Innerhalb des Schaufelblattes verläuft entlang der Schaufelblattvorderkante 604 ein Kühlluftkanal 609. Wie in der Darstellung der Figur 2b zu erkennen ist, wird dieser Kanal einerseits von der Wand des Schaufelblattes im Bereich der Vorderkante 604, im Bereich der Druckseite 606, im Bereich der Saugseite 607, sowie von einer von der saugseitigen Schaufelblattwand zur druckseitigen Schaufelblattwand verlaufenden Trennwand 614 begrenzt. Der Kühlluftkanal 609 weist im fusseitigen Bereich des Schaufelblattes eine Eintrittsöffnung 610 für Kühlluft auf, und weist im Bereich des Schaufel kopfes eine Austrittsöffnung 61 1 für Kühlluft auf. Innerhalb des Schaufelblattes ist ein weiterer serpentinenförmig verlaufender Kühlluftkanal 608 angeordnet, wobei die diesen durchströmende Kühlluft im Bereich der Schaufelblatthinterkante ausgeblasen wird. Das Schaufelblatt wird im Bereich der Hinterkante durch die ausgeblasene Kühlluft gekühlt; in den weiteren Bereichen des Schaufelblattes wird das Schaufelblatt rein konvektiv gekühlt. Zur Verbesserung der konvektiven Kühlwirkung sind innerhalb der Kühlluftkanäle Rippen 613 angeordnet, welche dort den Wärmeübergang von der Schaufelblattwand zur Kühlluft intensivieren. Die Kühlluft des Vorderkanten-Kühlluftkanals 609 wird an der Einlassöffnung 610 zugeführt und im Schaufel köpf bereich an der Austrittsöffnung 61 1 wieder ausgeblasen, und dient dort zur Kühlung des Schaufelkopfes und der nicht dargestellten Dichtungen. Im Bereich des Schaufel kopfes ist ein Steg 612 angeordnet, welcher vermeidet, dass die Kühlluft vorschnell mit Heissgas vermischt wird. [0015] Der Bereich der Austrittsöffnung 611 ist in den Figuren 3a und 3b vergrössert dargestellt. In der Draufsicht der Figur 3a ist zu erkennen, dass die Kontur der Austrittsöffnung 611 eine dem Querschnitt des Kühlluftkanals 609 im Wesentlichen geometrisch ähnliche Form aufweist, diesem gegenüber aber im Querschnitt verkleinert ist. Der vorderkantenseitig verlaufende Kühlluftkanal ist gestrichelt angedeutet. Im Bereich der Schaufelblatt-Vorderkante 604 beträgt der Abstand der Kontur der Austrittsöffnung von der Schaufelblatt-Aussenkontur das Mass A. Im Bereich der druckseitigen Wand 606 und der saugseitigen Wand Schaufelblattes 607 beträgt der Abstand der Kontur der Austrittsöffnung von der Schaufelblatt-Aussenkontur das Maß B. Im Bereich der Trennwand 614 beträgt der Abstand der Kontur der Austrittsöffnung von der Trennwand das Mass C. Die Dicke der Schaufelblattaussenwand ist mit δ bezeichnet. Dabei beträgt A bevorzugt A=δ (1 ,5±0, 12). B beträgt B=δ (1 ,25±0,12). C beträgt 0<C<δ (2±0, 25).
[0016] Obschon die Erfindung vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wurde, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass dieses Ausführungsbeispiel die Erfindung nicht einschränkt. Im Lichte der vorstehenden Beschreibung eröffnen sich für einen Fachmann weitere im Umfang der Patentansprüche enthaltene Ausführungsformen der Erfindung.
Bezugszeichenliste
[0017] 1 Verdichter
[0018] 2 Brennkammer
[0019] 3 Turbine
[0020] 4 Gehäuse
[0021] 5 Welle
[0022] 6 Turbinenschaufel
[0023] 61 , 62, 63, 64 Leitschaufeln, Statorschaufeln
[0024] 65, 66, 67, 68 Laufschaufeln, Rotorschaufeln
[0025] 601 Schaufelfuss
[0026] 602 Schaufelblatt [0027] 603 Schaufelkopf
[0028] 604 Schaufelblatt-Vorderkante
[0029] 605 Schaufelbaltt-Hinterkante
[0030] 606 druckseitige Schaufelblattwand
[0031] 607 Saugseitige Schaufelblattwand
[0032] 608 Kühlluftkanal
[0033] 609 vorderkantenseitiger Kühlluftkanal
[0034] 610 Kühllufteinlass
[0035] 611 Austrittsöffnung
[0036] 612 Steg
[0037] 613 Kühlkanalrippen
[0038] 614 Trennwand

Claims

Ansprüche
1. Gasturbinenschaufel (6), mit einem Schaufelblatt (602), welches sich von einem Schaufelfuss (601) zu einem Schaufelkopf (603) erstreckt, wobei das Schaufelblatt eine Schaufelblatt-Vorderkante (604) und einen entlang der Schaufelblatt-Vorderkante im Schaufelblattinneren verlaufenden Kühlluftkanal (609) umfasst, welcher Kühlluftkanal an der Vorderkante (604) sowie an der Saugseite (607) und der Druckseite (606) des Schaufelblattes von der Schaufelblattwand begrenzt ist, und der weiterhin von einer im Schaufelblattinneren von der druckseitigen Wand zu der saugseitigen Wand verlaufenden Trennwand (614) begrenzt ist, und welcher Kühlluftkanal eine im Bereich des Schaufel kopfes angeordnete Austrittsöffnung (611) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Öffnung (611) dem Querschnitt des Kühlluftkanals geometrisch ähnlich ist.
2. Gasturbinenschaufel gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung (611) kleiner ist als die Querschnittsfläche des Kühlluftkanals (609).
3. Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) der Kontur der Austrittsöffnung (611) von der Schaufelblatt-Aussenkontur im Bereich der Vorderkante im Bereich von 138% und 162% der lokalen Wanddicke (δ) der Schaufelblattwand beträgt.
4. Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (B) der Kontur der Austrittsöffnung von der Schaufelblatt-Aussenkontur im Bereich der druckseitigen Wand und/oder der saugseitigen Wand im Bereich von 1 13% und 138% der lokalen Wanddicke (δ) der Schaufelblattwand betagt.
5. Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Trennwand (614) der Abstand (C)der Kontur der Austrittsöffnung von der Trennwand im Bereich von 0% bis 225% der Wanddicke (δ) der Schaufelblattwand beträgt.
6. Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Austrittsöffnung die Wanddicke der Schaufelblattwand konstant ist.
7. Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (609) eine im Bereich des Schaufelfusses (601) angeordnete Einlassöffnung (610) aufweist.
8. Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel im Bereich des Kühlkanals rein konvektionsgekühlt ausgeführt ist.
9. Gasturbinenbaugruppe, insbesondere Rotor oder Stator einer Gasturbine, umfassend wenigstens eine Gasturbinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche.
10. Gasturbine, umfassend wenigstens eine Gasturbinenschaufel gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8.
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