WO2009118234A1

WO2009118234A1 - Schaufel für eine rotierende thermische maschine

Info

Publication number: WO2009118234A1
Application number: PCT/EP2009/052533
Authority: WO
Inventors: Willy Heinz Hofmann; Michael Huber
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2009-10-01
Also published as: EP2268900A1; US20110038733A1

Abstract

Eine Schaufel (20) für eine rotierende thermische Maschine, insbesondere Leitschaufel für die Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, umfasst ein sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckendes, von einem Arbeitsmedium umströmtes Schaufelblatt (22), das in Strömungsrichtung von einer Vorderkante (27) und einer Hinterkante (28) begrenzt wird. Die konkurrierenden strömungstechnischen und konstruktiven Anforderungen an die Schaufel bei starker Neigung der Strömung können dadurch erfüllt werden, dass das Schaufelblatt (22) derart geformt ist, dass der Winkel (a), den die Strömungslinien (26) mit der Hinterkante (28) des Schaufelblattes (22) bilden, vom rechten Winkel in einem begrenzten Umfang abweicht.

Description

SCHAUFEL FUR EINE ROTIERENDE THERMISCHE MASCHINE

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine Schaufel für eine rotierende thermische Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Grosse stationäre Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung haben sich im industriellen Einsatz bewährt. Bei diesen Gasturbinen sind in Strömungsrichtung zwei Brennkammern hintereinander angeordnet sind und je eine zugeordnete Turbine, welche mit dem in der jeweiligen Brennkammer erzeugten Heissgas beaufschlagt werden. Derartige Gasturbinen, die in Fachkreisen beispielsweise unter der Typenbezeichnung GT24/26 bekannt geworden sind, werden beispielsweise in der Druckschrift Joos F. et al., „Field experience with the sequential combustion System of the GT24/26 gas turbine family", ABB Review 5/1998, S.12-20 (1998), beschrieben. Die dortige Abb. 1 ist in der vorliegenden Anmeldung als Fig. 1 wiedergegeben. Eine weitere Beschreibung einer solchen Gasturbine geht des Weiteren aus EP-B1 -0 620 362 hervor.

Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 10 mit sequentieller Verbrennung, bei der entlang einer Achse 19 ein Verdichter 11 , eine erste Brennkammer 14, eine Hochdruckturbine 15, eine zweite Brennkammer 17 und eine Niederdruckturbine 18 der Reihe nach angeordnet sind. Summarisch lässt sich diese Gasturbine wie folgt beschreiben: Der Verdichter 1 1 und die beiden Turbinen 15 (HD), 18 (ND) sind Teil eines Rotors, der um die Achse 19 dreht. Der Verdichter 1 1 verdichtet die angesaugte Luft, wobei diese verdichtete Luft dann in ein Plenum strömt und von dort aus in die erste Brennkammer. Diese Brennkammer wird mit Vormischbrennern betrieben, wie sie beispielsweise aus EP-A1 -0 321 809, des Weiteren auch aus EP-A2-0 704 657 hervorgehen. Die verdichtete Luft strömt in die Vormischbrenner, wo die Vermischung mit mindestens einem Brennstoff stattfindet. Dieses Brennstoff/Luft-Gemisch strömt dann in die erste Brennkammer 14 ein, in welcher dieses Gemisch unter Bildung einer stabilen Flammenfront zur Verbrennung gelangt. Das entstehende Heissgas wird in der anschliessenden Hochdruckturbine 15 unter Arbeitsleistung teilweise entspannt und strömt sodann in die zweite Brennkammer 17 ein, wo eine weitere Brennstoffzufuhr 16 stattfindet. Durch die hohen Temperaturen, welche das in der Hochdruckturbine 15 teilentspannte Heissgas immer noch aufweist, findet in der zweiten Brennkammer 17 eine Verbrennung statt, welche auf Selbstzündung beruht. Das in der zweiten Brennkammer 17 nacherhitzte Heissgas wird dann in einer mehrstufigen Niederdruckturbine 18 entspannt, in der hintereinander abwechselnd Schaufelreihen aus Laufschaufeln und Leitschaufeln angeordnet sind.

Die Niederdruckturbine 18 umfasst eine Beschaufelung 29, bei der in Strömungsrichtung mehrere Reihen von Laufschaufeln und Leitschaufeln hintereinander und alternierend angeordnet sind. Die Leitschaufeln haben ein Schaufelblatt (22 in Fig. 2), dass sich in radialer Richtung zwischen einer Deckplatte (21 in Fig. 2) und einem Schaufelkopf (23 in Fig. 2) erstreckt. Dies gilt selbstverständlich auch für die Laufschaufeln. Beide Enden (21 , 23) der Leitschaufel begrenzen in radialer Richtung den Durchströmungsquerschnitt eines Heissgaskanals, durch den ein Heissgasstrom (30 in Fig. 2) strömt und das Schaufelblatt 22 der Schaufel mit entsprechenden Strömungslinien beaufschlagt, von denen in Fig. 2 beispielhaft drei Strömungslinien eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 26 versehen sind.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, erweitert sich der Durchflussquerschnitt des Heissgaskanals turbinenkonform in Strömungsrichtung deutlich. Hieraus ergeben sich für die geometrische Gestaltung des jeweiligen Schaufelblatts bestimmte Konsequenzen: Üblicherweise werden die Schaufelblätter von Leitschaufeln in Gasturbinen oder Dampfturbinen so ausgelegt, dass die lokalen Strömungslinien des strömenden Arbeitsmediums (Heissgas oder Dampf) am Schnittpunkt mit der Hinterkante des Schaufelblattes in etwa senkrecht zur Hinterkante verlaufen. Wegen des grossen Neigungswinkels des Strömungsweges in der meridionalen Ebene kann die Hinterkante jedoch nicht vollständig und durchgängig senkrecht zu den Strömungslinien orientiert werden, weil dies ein starke Pfeilung und Verkippung beispielsweise an der Schaufelspitze erfordern würde, was jedoch wegen der gegebenen Platzverhältnisse und des Zusammenbaus nicht möglich ist, abgesehen davon, dass eine solche Konfiguration, selbst wenn sich dies bewerkstelligen Hesse, sonst schwere strömungstechnische Nachteile hätte.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist vorliegend Aufgabe der Erfindung, eine Schaufel anzugeben, welche einen strömungstechnisch optimalen

Körperverlauf innerhalb des vorgegebenen Durchströmungsquerschnitts aufweist, und dies noch bei einem maximierten Wirkungsgrad.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist eine Form des Schaufelblatts, bei welcher der

Winkel, den die Strömungslinien mit der Hinterkante des Schaufelblattes bilden, in einem begrenzten Umfang von einem rechten Winkel abweicht, wie sich dies bei einem konstanten Durchströmungsquerschnitt einstellen würde, wobei der angesprochene Winkel, den also die Strömungslinien mit der Hinterkante des Schaufelblattes bilden, insbesondere, aber nicht ausschliesslich, kleiner ist als 90°, d.h. in bestimmten Fällen kann der Winkel auch grösser 90° sein.

Eine bewährte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung hinsichtlich dieses Winkels, den die Strömungslinien mit der Hinterkante des Schaufelblattes bilden, im Bereich zwischen 0° und -10° resp. + 10° gegenüber einem rechten Winkel liegt. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Abweichung des Winkels, den die Strömungslinien mit der Hinterkante des Schaufelblattes bilden, über den grössten Bereich der Höhe des Schaufelblattes im Bereich zwischen O° und -5° und allenfalls zwischen O° und +5° liegt, wobei die Abweichungen innerhalb des Winkelbereiches müssen über die ganze Schaufelblattlänge nicht gleichförmig sein, d.h. die Strömungslinien müssen nicht innerhalb bestimmter Strömungsabschnitte entlang der Schaufelblattlänge jeweils gleich grosse Abweichung aufweisen. Auch eine oszillierende Abweichung innerhalb des zugrundegelegten Winkelbereichs entlang der ganzen Schaufelblattlänge ist möglich.

Die beschriebene erfindungsgemässe Ausgestaltung lässt sich auch auf sogenannte verwundene Schaufeln übertragen. Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 in einer perspektivischen Seitenansicht eine Leitschaufel, beispielsweise für den Einsatz in einer Gasturbine nach Fig. 1 , und des Weiteren gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 die Abweichung des Winkels, den die Strömungslinien mit der

Hinterkante einer zu Fig. 2 vergleichbaren Schaufel bilden, vom rechten Winkel über der Schaufelhöhe, wenn die Schaufel eine vollständig rechtwinklige Auffädelung („stacking") aufweist und Fig. 4 die Abweichung des Winkels, den die Strömungslinien mit der

Hinterkante der in Fig. 2 gezeigten Schaufel bilden, vom rechten Winkel über der Schaufelhöhe gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 2 zeigt eine typische Leitschaufel, wie sie üblicherweise in einer Turbine einer Gasturbogruppe zum Einsatz kommt, beispielsweise in der Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, wie sie aus Fig. 1 hervorgeht. Die Leitschaufel 20 umfasst ein im Raum vergleichsweise stark gekrümmtes Schaufelblatt 22, dass sich in Längsrichtung (in radialer Richtung gegenüber dem Rotor der Gasturbine) zwischen einem Schaufelkopf 23 und einer Deckplatte 21 erstreckt und in Durchflussrichtung des Heissgasstromes 30 von einer

Vorderkante 27 bis zu einer Hinterkante 28 reicht. Zwischen den beiden Kanten 27 und 28 ist das Schaufelblatt 22 nach aussen durch eine Saugseite 31 und eine (gegenüberliegende) Druckseite (in Fig. 2 nicht zu sehen) begrenzt.

Der Heissgastrom 30 strömt von der Vorderkante 27 zur Hinterkante 28 am Schaufelblatt 22 in Strömungslinien 26 entlang, von denen drei solche Strömungslinien beispielhaft in Fig. 2 eingezeichnet resp. versinnbildlicht sind. Die Strömungslinien 26 bilden an ihrem Schnittpunkt mit der Hinterkante 28 jeweils einen Winkel α, der sich in radialer Richtung ändert und so eine Abhängigkeit von der Höhe h des Schaufelblattes 22 herstellt.

Falls dieser Winkel α über die gesamte Höhe des Schaufelblattes 22 gleich 90° ist, entspräche dies einer vollständigen rechtwinkligen Auffädelung („füll orthogonal stacking") der Schaufel, demnach ergäbe sich für die Abweichung α-90° vom rechten Winkel durchgehend der Wert 0, wie dies im Diagramm der Fig. 3 gezeigt ist, in der die Funktion α-90°(h) dargestellt ist. Gemäss der Erfindung wird diese vollständig rechtwinklige Auffädelung durch eine weniger strenge „aufgeweichte" rechtwinklige Auffädelung („relaxed orthogonal stacking") ersetzt, bei welcher der Winkel α zwar in der Nähe eines rechten Winkels bleibt, jedoch in einem begrenzten Umfang von diesem abweichen kann. Das Fig. 3 entsprechende Diagramm für eine solche „aufgeweichte" rechtwinklige Auffädelung ist in Fig. 4 wiedergegeben. Die Abweichung α-90°des Winkels α vom rechten Winkel liegt im negativen Bereich (<0) und ist insgesamt im vorliegenden dargestellten Beispiel auf einen Winkelbereich zwischen 0 und -10° beschränkt. Am unteren (rotorseitigen) Ende des Schaufelblattes 22 (kleines h) beginnt die Abweichung mit einem Maximalwert von fast -10°, geht dann innerhalb einer sehr kurzen Strecke auf Null zurück und bleibt in vorliegenden dargestellten Beispiel über den grössten Teil der Höhe unterhalb von -5°. Damit lassen sich mit dieser flexiblen gehaltenen Abweichung spezielle Strömungsverhältnisse im Sinne einer Maximierung des Wirkungsgrades auffangen.

Demnach lassen sich mit einer solchen begrenzten Abweichung von der strengen rechtwinkligen Auffädelung gleichzeitig die strömungstechnischen, konstruktiven und platzbedingten Anforderungen an die Schaufel innerhalb eines sich verändernden Durchströmungsquerschnitts, unter Einbezug der Wirkungsgradmaximierung erfüllen.

Bezugszeichenliste

10 Gasturbine

1 1 Verdichter

12, 16 Brennstoffzufuhr

13 EV-Brenner

14, 17 Brennkammer

15 Hochdruckturbine

18 Niederdruckturbine

19 Achse

20 Leitschaufel

21 Deckplatte

22 Schaufelblatt

23 Schaufelkopf

24, 25 Befestigungselement (hakenförmig)

26 Strömungslinie

27 Vorderkante

28 Hinterkante

29 Beschaufelung (Niederdruckturbine)

30 Heissgasstrom

31 Saugseite α Winkel

Claims

Patentansprüche

1. Schaufel (20) für eine rotierende thermische Maschine, welche Schaufel (20) ein sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckendes, von einem Arbeitsmedium umströmtes Schaufelblatt (22) umfasst, welches in

Strömungsrichtung von einer Vorderkante (27) und einer Hinterkante (28) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (22) derart geformt ist, dass der Winkel (α), den die Strömungslinien (26) mit der unmittelbaren Verlauf der Hinterkante (28) des Schaufelblattes (22) bilden, in einem begrenzten Umfang vom einem 90°- Winkel abweicht.

2. Schaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α), den die Strömungslinien (26) mit der Hinterkante (28) des Schaufelblattes (22) bilden, kleiner als 90° ist.

3. Schaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α), den die Strömungslinien (26) mit der Hinterkante (28) des Schaufelblattes (22) bilden, grösser als 90° ist.

4. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Winkels (α), den die Strömungslinien (26) mit der Hinterkante (28) des Schaufelblattes (22) bilden, im Bereich zwischen 0° und -10° liegt.

5. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Winkels (α), den die Strömungslinien (26) mit der Hinterkante (28) des

Schaufelblattes (22) bilden, im Bereich zwischen 0° und +10° liegt.

6. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Winkels (α), den die Strömungslinien (26) mit der Hinterkante (28) des Schaufelblattes (22) bilden, über den grössten Bereich der Höhe (h) des

Schaufelblattes im Bereich zwischen 0° und -5° liegt.

7. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Winkels (α), den die Strömungslinien (26) mit der Hinterkante (28) des Schaufelblattes (22) bilden, über den grössten Bereich der Höhe (h) des Schaufelblattes im Bereich zwischen O° und +5° liegt

8. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (20) eine Leitschaufel ist.

9. Schaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel für eine Turbine bestimmt ist.

10. Schaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine Teil einer Gasturbogruppe mit einer sequentiellen Verbrennung ist.

1 1. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel oder die Leitschaufel eine verwundene Geometrie aufweist.