WO2009118235A2 - Leitschaufel für eine gasturbine - Google Patents

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WO2009118235A2
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vane
cooling
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Roland DÜCKERSHOFF
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    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine technology. It relates to a guide vane for a gas turbine according to the preamble of claim 1. It also relates to a gas turbine equipped with such a vane.
  • Such a gas turbine which has become known in the art as GT24 / 26, for example, from an article by Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24 / GT26 Gasturbine Famil /, IGTI / ASME 98-GT-220, 1998 Sweden.
  • the local Fig. 1 shows the basic structure of such a gas turbine, the local Fig. 1 in the present application as Fig. 1 is reproduced. Furthermore, such a gas turbine is known from EP-B1 -0 620 362.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 10 with sequential combustion, in which along an axis 19 a compressor 11, a first combustion chamber 14, a high-pressure turbine (HDT) 15, a second combustion chamber 17 and a low-pressure turbine (NDT) 18 are arranged.
  • the compressor 11 and the two turbines 15, 18 are part of a rotor which rotates about the axis 19.
  • the compressor 11 sucks in air and compresses it.
  • the compressed air flows into a plenum, and from there into premix burners, where this air is mixed with at least one fuel, fuel supplied at least via the fuel feed 12.
  • premix burners are fundamentally apparent from EP-A1-0 321 809 or EP-A2-0 704 657.
  • the compressed air flows into the premix burners, where the mixing, as stated above, takes place with at least one fuel.
  • This fuel / air mixture then flows into the first combustion chamber 14, into which this mixture passes to form a stable flame front for combustion.
  • the hot gas thus provided is partially expanded in the subsequent high-pressure turbine 15 under working performance and then flows into the second combustion chamber 17, where a further fuel supply 16 takes place. Due to the high temperatures, which still has the hot gas partially released in the high-pressure turbine 15, combustion takes place in the second combustion chamber 17, which combustion is based on autoignition.
  • the hot gas reheated in the second combustion chamber 17 is then expanded in a multistage low-pressure turbine 18.
  • the low-pressure turbine 18 comprises a plurality of rows of blades and vanes arranged alternately in the flow direction, which are arranged alternately.
  • the guide vanes of the third row of guide vanes in the direction of flow are designated by the reference numeral 20 in FIG.
  • a gaseous cooling medium eg compressed air from the compressor of the gas turbine is shown or supplied with steam.
  • the cooling medium is sent through cooling channels formed in the blade (often in serpentines) and / or at different points of the blade through holes (holes, Slits) to form a cooling film on the outside of the blade (film cooling)
  • An example of such a cooled blade is described and illustrated in US-A-5,813,835.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention wants to suggest an improvement here. It is an object of the invention to provide a guide vane, which is able to maximize the service life and cooling, taking into account the casting conditions.
  • the object is solved by the entirety of the features of claim 1. It is essential for the invention that the airfoil has in the radial direction a cross-sectional area of the blade material which varies over the height of the airfoil. In this way, with regard to the used
  • the cross-sectional area of the blade material is understood to be the difference between the total cross-sectional area of the blade leaf and the cross-sectional area of the cooling passages.
  • the cross-sectional area of the blade material is a minimum, depending on the height of the blade.
  • the minimum cross-sectional area of the blade material is in the range between 20% and 40% of the total height of the airfoil.
  • Another embodiment of the guide vane according to the invention is characterized in that it has a curved shape in space, that arranged in the interior of the airfoil a number extending in the radial direction of cooling channels in the direction of the hot gas flow one behind the other and respectively at the ends of the airfoil.
  • the cooling channels arranged deflection are connected to each other, that the cooling medium flows through the cooling channels successively in alternating directions, and that the cooling channels in the radial direction of the curvature of the airfoil follow in space.
  • the gas turbine is a sequential combustion gas turbine having a first combustion chamber with a high pressure turbine downstream and a second combustion chamber with a downstream low pressure turbine with the nozzle disposed in the low pressure turbine. (See the above-mentioned Fig. 1).
  • the low-pressure turbine preferably has a plurality of rows of guide vanes one behind the other in the flow direction, wherein the guide vane according to the invention is arranged in a middle row of guide vanes.
  • Fig. 2 in a side view on the suction side a vane in the
  • FIG. 3 shows the longitudinal section through the vane according to FIG. 2.
  • Fig. 2 is a side outer view of a vane in the
  • the vane 20 includes a highly curved in air space blade 22 extending in the longitudinal direction (in the radial direction of the gas turbine) between a blade head 23 and a cover plate 21 and in the direction of
  • Hot gas stream 29 from a leading edge 27 to a trailing edge 28 extends. Between the two edges 27 and 28, the airfoil 22 is limited to the outside by a pressure side (in Fig. 2 on the side facing away from the viewer) and a suction side 26.
  • the vane 20 is secured by means of the formed on the top of the cover plate 21 hook-shaped fastening elements 24 and 25 on the turbine housing, while it rests sealingly with the blade head 23 on the rotor.
  • the inner structure of the vane 20 is shown in Fig. 3:
  • the airfoil is traversed in the longitudinal direction of three cooling channels 30, 31 and 32, which follow the curvature of the airfoil in space and arranged in the direction of the hot gas stream 29 in series and through at the ends of Airfoil arranged deflecting areas are interconnected so that the cooling medium flows through the cooling channels 30, 31, 32 successively in alternating directions.
  • the airfoil 22 with its inner cooling channels 30, 31, 32 is bounded outwardly by walls 33, 36, while the cooling channels 30, 31, 32 are delimited from each other by walls 34 and 35.
  • the total cross-sectional area of the walls 33, .., 36 in the radial direction, i. in the direction of the height h of the airfoil 22, results as a difference of the airfoil cross section and the cross section of the cooling channels 30, 31, 32. This area difference is the integral cross-sectional area of the blade material.
  • the cross-sectional area of the blade material over the height h varies, in particular, this cross-sectional area passes through a minimum.
  • the minimum of the cross-sectional area is preferably in the range between 20% and 40% of the height h of the airfoil 22 or in the range of 0.2h to 0.4h, as indicated in FIG. 3 by the dashed lines.
  • the shape of the blade profus is influenced in terms of cross-sectional area, wall thickness, chord length and cooling channel cross-section. With an appropriate distribution of these parameters over the blade height, the underlying requirements with respect to the life of the blade, the achievable cooling and the cooling air consumption are achieved.
  • the guide vanes according to the invention can be used in gas turbines with sequential combustion, in particular in the middle rows of guide vanes of the low-pressure turbine, which is connected downstream of the second combustion chamber.

Abstract

Eine Leitschaufel (20) für eine Gasturbine (10), insbesondere für die Niederdruckturbine (18) einer Gasturbine (10) mit sequentieller Verbrennung, weist ein sich in radialer Richtung zwischen einer inneren Plattform (23) und einer äusseren Plattform (21 ) erstreckendes Schaufelblatt (22) auf, in dessen Innerem Kühlkanäle (30, 31, 32) verlaufen, durch die ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, zum Kühlen der Leitschaufel (20) strömen kann. Bei einer solchen Leitschaufel wird die gewünschte Lebensdauer und Kühlung im Hinblick auf den eingesetzten Giessprozess dadurch erreicht, dass das Schaufelblatt (22) in radialer Richtung eine Querschnittsfläche des Schaufelmaterials aufweist, die über der Höhe (h) des Schaufelblattes (22) variiert.

Description

LEITSCHAUFEL FÜR EINE GASTURBINE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine Leitschaufel für eine Gasturbine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine mit einer solchen Leitschaufel ausgestattete Gasturbine.
Stand der Technik
Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung sind bekannt und haben sich im industriellen Betrieb bewährt.
Eine solche Gasturbine, welche in Fachkreisen als GT24/26 bekannt geworden ist, geht beispielsweise aus einem Aufsatz von Joos, F. et al.,„Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24/GT26 Gasturbine Famil/, IGTI/ASME 98-GT-220, 1998 Stockholm. Die dortige Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Gasturbine, wobei die dortige Fig. 1 in der vorliegenden Anmeldung als Fig. 1 wiedergegeben ist. Des Weiteren geht eine solche Gasturbine 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 (HDT) 15, eine zweite Brennkammer 17 und eine Niederdruckturbine (NDT) 18 angeordnet sind. Der Verdichter 11 und die beiden Turbinen 15, 18 sind Teil eines Rotors, der um die Achse 19 dreht. Der Verdichter 11 saugt Luft an und verdichtet sie. Die verdichtete Luft strömt in ein Plenum ein, und von dort in Vormischbrenner, wo diese Luft mit mindestens einem Brennstoff, mindestens über die Brennstoffzufuhr 12 herangeführten Brennstoff vermischt wird. Solche Vormischbrenner gehen grundsätzlich aus EP-A1 -0 321 809 oder EP-A2-0 704 657 hervor. Die verdichtete Luft strömt in die Vormischbrenner, wo die Vermischung, wie oben ausgeführt, mit mindestens einem Brennstoff stattfindet. Dieses Brennstoff/Luft- Gemisch strömt dann in die erste Brennkammer 14 ein, in welche dieses Gemisch unter Bildung einer stabilen Flammenfront zur Verbrennung gelangt. Das so bereitgestellte 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.
Die Niederdruckturbine 18 umfasst in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet mehrere Reihen von Laufschaufeln und Leitschaufeln, die alternierend angeordnet sind. Die Leitschaufeln der in Strömungsrichtung dritten Leitschaufelreihe sind in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 20 versehen.
Bei den hohen vorherrschenden Heissgastemperaturen in Gasturbinen der neueren Generationen ist es unabdingbar geworden, die Leit- und Laufschaufeln der Turbine nachhaltig zu kühlen. Dazu wird ein gasförmiges Kühlmedium (z.B. verdichtete Luft vom Verdichter der Gasturbine abgezeigt oder Dampf zugeführt. Bei allen Fällen wird das Kühlmedium durch in der Schaufelgebildete (häufig in Serpentinen verlaufende) Kühlkanäle geschickt und/oder an verschiedenen Stellen der Schaufel durch entsprechende Öffnungen (Bohrungen, Schlitze) nach aussen geleitet, um insbesondere auf der Aussenseite der Schaufel einen kühlenden Film auszubilden (Filmkühlung). Ein Beispiel für eine derartige gekühlte Schaufel ist in der Druckschrift US-A-5, 813,835 beschrieben und dargestellt.
Die Leitschaufeln 20 in der bekannten Gasturbine aus Fig. 1 sind als gekühlte
Schaufeln ausgebildet, die im Inneren in radialer Richtung verlaufende Kühlkanäle aufweisen, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift WO-A1 -2006029983 bekannt geworden sind. Solche Leitschaufeln werden anhand eines hochtechnologischen Gussverfahrens hergestellt, wobei das Gussmaterial von beiden Seiten (Schaufelkopf und Deckplatte) der Gussform zugeführt wird. Wegen der vergleichsweise dünnen Wände des Schaufelblattes und der im Gussverfahren hergestellten Kanäle und Öffnungen für die Kühlluft hängt die Lebensdauer, der Kühlluftverbrauch sowie die erzielte Kühlwirkung stark von der beim Gussverfahren erzielbaren Präzision ab. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn solche Schaufeln noch eine ausgeprägte Krümmung im Raum aufweisen.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung will hier eine Verbesserung vorschlagen. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Leitschaufel zu schaffen, die unter Berücksichtigung der gusstechnischen Gegebenheiten die Lebensdauer und Kühlung zu maximieren vermag.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Schaufelblatt in radialer Richtung eine Querschnittsfläche des Schaufelmaterials aufweist, die über der Höhe des Schaufelblattes variiert. Hierdurch kann im Hinblick auf die eingesetzte
Gusstechnik das Kühlverhalten und die Lebensdauer der Schaufel in gewünschter Weise beeinflusst werden. Unter der Querschnittsfläche des Schaufelmaterials wird dabei die Differenz aus der gesamten Querschnittsfläche des Schaufelblattes und der Querschnittsfläche der Kühlkanäle verstanden.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung geht die Querschnittsfläche des Schaufelmaterials in Abhängigkeit von der Höhe des Schaufelblattes durch ein Minimum.
Insbesondere liegt die minimale Querschnittsfläche des Schaufelmaterials im Bereich zwischen 20% und 40% der gesamten Höhe des Schaufelblattes. Eine andere Ausgestaltung der Leitschaufel nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine im Raum gekrümmte Form aufweist, dass im Inneren des Schaufelblatts eine Anzahl in radialer Richtung verlaufende Kühlkanäle in Richtung des Heissgasstromes hintereinander angeordnet und durch an den Enden des Schaufelblattes resp. der Kühlkanäle angeordnete Umlenkbereiche miteinander verbunden sind, dass das Kühlmedium die Kühlkanäle nacheinander in wechselnder Richtung durchströmt, und dass die Kühlkanäle in radialer Richtung der Krümmung des Schaufelblattes im Raum folgen.
Bevorzugt wird eine Gasturbine mit einer solchen erfindungsgemässen
Leitschaufel ausgestattet, wobei die Leitschaufel in einer Turbine der Gasturbine angeordnet ist.
Insbesondere handelt es sich bei der Gasturbine um eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, die eine erste Brennkammer mit einer nachgeschalteten Hochdruckturbine und eine zweite Brennkammer mit einer nachgeschalteten Niederdruckturbine aufweist, wobei die Leitschaufel in der Niederdruckturbine angeordnet ist. (Siehe hierzu die bereits oben angesprochene Fig. 1 ).
Bevorzugt weist die Niederdruckturbine in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Reihen von Leitschaufeln auf, wobei die erfindungsgemässe Leitschaufel in einer mittleren Leitschaufelreihe angeordnet ist.
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 Merkmale 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 Seitenansicht auf der Saugseite eine Leitschaufel in der
Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach Fig. 1 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 3 den Längsschnitt durch die Leitschaufel gemäss Fig. 2.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 2 ist in einer seitlichen Aussenansicht eine Leitschaufel in der
Niederdruckturbine einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung nach Fig. 1 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Leitschaufel 20 umfasst eine im Raum stark gekrümmtes Schaufelblatt 22, dass sich in Längsrichtung (in radialer Richtung der Gasturbine) zwischen einem Schaufelkopf 23 und einer Deckplatte 21 erstreckt und in Richtung des
Heissgasstromes 29 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 Druckseite (in Fig. 2 auf der dem Betrachter abgewandten Seite) und eine Saugseite 26 begrenzt. Die Leitschaufel 20 ist mittels der auf der Oberseite der Deckplatte 21 ausgebildeten hakenförmigen Befestigungselemente 24 und 25 am Turbinengehäuse befestigt, während sie mit dem Schaufelkopf 23 dichtend am Rotor anliegt.
Der innere Aufbau der Leitschaufel 20 ist in Fig. 3 dargestellt: Das Schaufelblatt wird in Längsrichtung von drei Kühlkanälen 30, 31 und 32 durchzogen, die der Krümmung des Schaufelblattes im Raum folgen und in Richtung des Heissgasstromes 29 hintereinander angeordnet und durch an den Enden des Schaufelblattes angeordnete Umlenkbereiche so miteinander verbunden sind, dass das Kühlmedium die Kühlkanäle 30, 31 , 32 nacheinander in wechselnder Richtung durchströmt.
Das Schaufelblatt 22 mit seinen innen liegenden Kühlkanälen 30, 31 , 32 ist nach aussen durch Wände 33, 36 begrenzt, während die Kühlkanäle 30, 31 , 32 untereinander durch Wände 34 und 35 abgegrenzt sind. Die Gesamt- Querschnittsfläche der Wände 33, ..,36 in radialer Richtung, d.h. in Richtung der Höhe h des Schaufelblattes 22, ergibt sich als Differenz des Schaufelblatt- Querschnitts und des Querschnitts der Kühlkanäle 30, 31 , 32. Diese Flächendifferenz ist die integrale Querschnittsfläche des Schaufelmaterials. Da beim Giessen der Leitschaufel 20 das Gussmaterial von zwei Seiten, nämlich von dem Schaufel köpf und der Deckplatte 23 bzw. 21 her, in die Gussform einfliesst, ist es für den Erfolg und die Präzision des Gusses von Vorteil, wenn bei der Auslegung der Schaufel die Querschnittsfläche des Schaufelmaterials über der Höhe h variiert, indem insbesondere diese Querschnittsfläche ein Minimum durchläuft. Das Minimum der Querschnittsfläche befindet sich vorzugsweise im Bereich zwischen 20% und 40% der Höhe h des Schaufelblattes 22 bzw. im Bereich von 0,2h bis 0,4h, wie dies in Fig. 3 durch die gestrichelten Grenzen angedeutet ist.
Durch diese Auslegung wird die Form des Schaufel profus im Hinblick auf Querschnittsfläche, Wandstärke, Sehnenlänge und Kühlkanalquerschnitt beeinflusst. Mit einer entsprechenden Verteilung dieser Parameter über die Schaufelblatthöhe werden die zugrundegelegten Anforderungen hinsichtlich der Lebensdauer der Schaufel, der erzielbaren Kühlung und des Kühlluft-Verbrauchs erzielt.
Mit der optimierten Verteilung des Schaufelmaterials entlang des Schaufelblattes wird beim Giessen der Schaufel das Auftreten von Porositäten minimiert. Hierdurch erhöht sich die Qualität der gegossenen Schaufelblätter, was zu einer verbesserten Effizienz, insbesondere was die Kühlung betrifft, zu einer erhöhten Lebensdauer und zu reduzierten Kosten bei der Herstellung führt. Mit Vorteil können die erfindungsgemässen Leitschaufeln in Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung eingesetzt werden, und zwar insbesondere in den mittleren Leitschaufelreihen der Niederdruckturbine, die der zweiten Brennkammer nachgeschaltet ist.
Bezugszeichenliste
10 Gasturbine
11 Verdichter
12,16 Brennstoffzufuhr
13 EV-Brenner, Vormischbrenner
14,17 Brennkammer
15 Hochdruckturbine
18 Niederdruckturbine
19 Achse
20,20 Leitschaufel
21 Deckplatte (Deckband)
22 Schaufelblatt
23 Schaufel köpf
24,25 Befestigungselement (hakenförmig)
26 Saugseite
27 Vorderkante
28 Hinterkante
29 Heissgasstrom
30,31 ,32 Kühlkanal
33,..,36 Wand (Schaufelblatt) h Höhe (Schaufelblatt)

Claims

Patentansprüche
1. Leitschaufel (20) für eine Gasturbine (10), welche Leitschaufel (20) ein sich in radialer Richtung zwischen einem Schaufelkopf (23) und einer Deckplatte
(21 ) erstreckendes Schaufelblatt (22) aufweist, in dessen Innerem Kühlkanäle (30, 31 , 32) verlaufen, durch die ein Kühlmedium zum Kühlen der Leitschaufel (20) strömen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (22) in radialer Richtung eine Querschnittsfläche des Schaufelmaterials aufweist, und dass die Querschnittsfläche des
Schaufelmaterials über der Höhe (h) des Schaufelblattes (22) variiert.
2. Leitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Schaufelmaterials in Abhängigkeit von der Höhe (h) des Schaufelblattes (22) durch ein Minimum geht.
3. Leitschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Querschnittsfläche des Schaufelmaterials im Bereich zwischen 20% und 40% der gesamten Höhe (h) des Schaufelblattes (22) liegt.
4. Leitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium Luft und/oder Dampf ist.
5. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine im Raum gekrümmte Form aufweist, dass im Inneren des
Schaufelblatts (22) drei in radialer Richtung verlaufende Kühlkanäle (30, 31 , 32) in Richtung des Heissgasstromes (29) hintereinander angeordnet und durch an den Enden des Schaufelblattes (22) angeordnete Umlenkbereiche miteinander verbunden sind, dass das Kühlmedium die Kühlkanäle (30, 31 , 32) nacheinander in wechselnder Richtung durchströmt, und dass die
Kühlkanäle (30, 31 , 32) in radialer Richtung der Krümmung des Schaufelblattes (22) im Raum folgen.
6. Gasturbine (10) mit einer Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (20) in einer Turbine (15, 18) der Gasturbine (10) angeordnet ist.
7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (10) eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ist, die eine erste Brennkammer (14) mit einer nachgeschalteten Hochdruckturbine (15) und eine zweite Brennkammer (17) mit einer nachgeschalteten Niederdruckturbine (18) aufweist, und dass die Leitschaufel (20) in der Niederdruckturbine (18) angeordnet ist.
8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Niederdruckturbine in Strömungsrichtung hintereinander mehrere Reihen von Leitschaufeln aufweist, und dass die Leitschaufel (20) in einer mittleren Leitschaufelreihe angeordnet ist.
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