WO2010086381A1 - Gekühltes bauelement für eine gasturbine - Google Patents

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Jörg KRÜCKELS
Milan Pathak
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    • 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 invention relates to the field of gas turbines. It relates to a cooled component for a gas turbine according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for operating such a device.
  • Gas turbines are designed to increase the efficiency for ever higher operating temperatures. Particularly exposed to thermal stresses are mainly the components or components in the combustion chamber and the running and vanes of the following turbine including the other, the hot gas channel limiting elements. In order to effectively counteract the thermal stresses occurring, on the one hand particularly resistant materials, such. As nickel-based alloys are used. On the other hand, additional measures for cooling the components must be taken, with different cooling methods, such as. the film cooling or the impingement cooling, find application.
  • the distributions of the impingement cooling holes and pins in the surface are constant.
  • the diameters of the impingement cooling holes correspond to the diameter of the pins on the base.
  • the density of the holes is much lower than the density of the pins.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a cooled component of a gas turbine, in particular a platformed vane, the cooling of which is optimally adapted to the locally varying thermal load without causing unnecessary overconsumption of cooling air, i. it is achieved with the same cooling intensity minimizing the cooling air used.
  • the thermally stressed and cooled wall has a plurality of pins projecting from the wall on its rear side in a planar distribution, and that the distribution of the pins within the thermal critical zones of the component has a higher density than in the remaining areas.
  • the heat transfer between the wall and cooling air can locally be changed and adapted to the thermal load, without necessarily a larger amount of cooling air must be used.
  • An embodiment of the invention is characterized in that the means for generating the directed on the back of the wall rays comprise a provided with distributed impingement cooling holes provided impingement cooling plate.
  • Cooling is particularly effective when, according to another embodiment of the invention, the impingement cooling plate is spaced substantially parallel to the back of the wall, and the distribution of the impingement cooling holes is matched to the distribution of the pins such that viewed in a direction perpendicular to the impingement cooling plate Impact cooling holes are each between the pins.
  • the variation of the cooling can be intensified by correlating the density of the impingement cooling holes with the density of the pins.
  • the density of the impingement cooling holes and the density of the pins may be locally equal.
  • the component is preferably a guide vane of a gas turbine which comprises a blade extending in a longitudinal direction and a platform extending transversely to the longitudinal direction, the bottom of which is the thermally loaded wall cooled by impingement cooling and a groove at the transition to the blade trains, with the
  • FIG. 2 shows the impingement cooling plate used in the guide blade of FIG. 1 in top plan view from above;
  • FIG. 1 the upper part of a gas turbine vane with platform and locally varying impingement cooling according to an embodiment of the invention is shown in longitudinal section.
  • the vane 10 as a whole has a similar configuration as described in the aforementioned US-B2-7,097,418. It comprises an airfoil 11 extending in the blade longitudinal direction, at the upper end of which a platform 12 is formed, which extends substantially transversely to the longitudinal direction of the blade.
  • the platform 12 has a bottom wall 12a, the underside of which is acted upon by the hot gas flowing through the turbine, and which is cooled on the top by impingement cooling.
  • a cavity 13 is formed on the upper side of the platform 12, which cavity is covered by a baffle cooling plate 14 arranged parallel to the wall 12a.
  • impingement cooling holes 16 are provided in a predetermined distribution, through which compressed cooling air in the form of individual cooling air jets (see the arrows in FIG. 1) enters the cavity 13 and impinges on the opposite rear side of the wall 12a.
  • the cooling air absorbs heat from the wall 12a and is subsequently discharged from the cavity 13 (in ways not shown in FIG. 1).
  • the areal distribution of the impingement cooling holes 16 can be seen in FIG.
  • the density of the impingement cooling holes 16 and the density of the pins 15 are locally different but at the same time correlated with each other, ie in the areas where the density of the pins 15 is increased (compression area 18) Density of the impingement cooling holes 16 increased, and vice versa. In particular, locally the densities of the two are the same.
  • the impingement cooling holes 16 are preferably arranged "with gaps", that is, on intermediate spaces, with the pins 15: Between two parallel rows of pins 15, a row of impingement cooling holes 16 with the same periodicity is offset in each case.

Abstract

Ein gekühltes Bauelement (10) für eine Gasturbine weist zur Kühlung einer auf einer Vorderseite thermisch belasteten Wand (12a) auf der Rückseite der Wand (12a) in flächiger Verteilung (17) eine Vielzahl von aus der Wand hervorstehenden Pins (15) auf, sowie Mittel (14, 16) zur Erzeugung von im Bereich der Pins (15) auf die Rückseite der Wand (12a) gerichteten, der Prallkühlung dienenden Strahlen eines Kühlmediums. Bei einem solchen Bauelement wird eine verbesserte Kühlung dadurch erreicht, dass die Verteilung der Pins (15) in kritischen Zonen (Ac) des Bauelements (10) eine höhere Dichte aufweist als in den übrigen Bereichen.

Description

GEKÜHLTES BAUELEMENT FÜR EINE GASTURBINE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft ein gekühltes Bauelement für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bauelements.
Stand der Technik
Gasturbinen werden zur Steigerung des Wirkungsgrades für immer höhere Betriebstemperaturen ausgelegt. Besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt sind dabei vor allem die Bauteile bzw. Bauelemente im Bereich der Brennkammer sowie die Lauf- und Leitschaufeln der nachfolgenden Turbine einschliesslich der übrigen, den Heissgaskanal begrenzenden Elemente. Um die auftretenden thermischen Belastungen wirkungsvoll zu begegnen, können einerseits besonders widerstandfähige Werkstoffe, wie z. B. Nickelbasislegierungen, eingesetzt werden. Andererseits müssen zusätzliche Massnahmen zur Kühlung der Bauelemente ergriffen werden, wobei unterschiedliche Kühlungsmethoden, wie z.B. die Filmkühlung oder die Prallkühlung, Anwendung finden.
Es ist bereits aus der US-B2-6,779,597 bekannt geworden, bei Bauelementen von Gasturbinen mehrstufige Prallkühlungsstrukturen vorzusehen, bei denen eine Wand, deren Vorderseite dem Heissgaskanal zugewandt ist, auf der Rückseite durch senkrecht auftreffenden Kühlluftstrahlen, die durch entsprechende Prallkühlungslöcher erzeugt werden, entsprechend prallgekühlt wird. Die Kühlwirkung wird dabei durch auf der Rückseite verteilt angeordnete, abstehende Pfosten oder Pins verstärkt, welche die Wärme abgebende Oberfläche vergrössern und Turbulenzen
in der Kühlluftströmung verstärken. Die Verteilungen der Prallkühlungslöcher und Pins in der Fläche sind dabei konstant. Die Durchmesser der Prallkühlungslöcher entsprechen dabei dem Durchmesser der Pins an der Basis. Die Dichte der Löcher ist wesentlich geringer als die Dichte der Pins.
Es ist weiterhin aus der US-A-4,719,748 bekannt geworden, beim Übergangsrohr zwischen den einzelnen Brennern und dem Eingang der nachfolgenden Turbine eine Prallkühlung vorzusehen, bei welcher mittels Prallkühlungslöchern erzeugte Kühlluftstrahlen auf die Rückseite der Rohrwände gerichtet werden. Durch Variation der Lochgrösse und/oder der Abstände zwischen den Löchern und/oder der Abstände von den Löchern zur Rohrwand wird die Kühlungsintensität variiert und der jeweiligen thermischen Belastung angepasst. Pins zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind nicht vorgesehen.
Besondere Bedeutung kommt der Kühlung den Leitschaufeln in den ersten Stufen der Turbine zu, weil in diesem Bereich die höchsten Temperaturen in der
Gasturbine auftreten. In der US-B2-7,097,418 ist bereits beschrieben worden, wie die äussere Plattform einer Leitschaufel auf besonders einfache Weise mittels einer zweistufigen Prallkühlung gekühlt werden kann, wobei in einer ersten Stufe der Bereich an der Hinterkante der Schaufel gekühlt wird, und dann die von dort abströmende Kühlluft in einer zweiten Stufe die Plattform an der Vorderkante kühlt. In beiden Stufen werden unterschiedlich positionierte und beabstandete Prallkühlungslöcher (30, 38 in Fig. 3) eingesetzt. Pins auf der Rückseite des Plattformbodens kommen nicht zum Einsatz.
Die Variation der Prallkühlungslöcher zur Anpassung an sich verändernde thermische Belastungen hat zur Folge, dass sich in der Regel auch die benötigte Kühlluftmenge verändert. Werden - bei gleich bleibenden Lochdurchmesser - mehr Löcher pro Flächeneinheit eingesetzt, erhöht sich auch die verbrauchte Kühlluftmenge, was zu einer Minderung des Wirkungsgrades der Maschine führt.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein gekühltes Bauelement einer Gasturbine, insbesondere bei einer mit einer Plattform versehenen Leitschaufel, zu schaffen, deren Kühlung an die lokal variierende thermische Belastung optimal angepasst ist, ohne einen unnötigen Mehrverbrauch an Kühlluft zu verursachen, d.h. es wird bei gleicher Kühlungsintensität eine Minimierung der eingesetzten Kühlluft erzielt.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Es ist eine wesentliche Komponente der Erfindung, dass die thermisch belastete und zu kühlende Wand auf ihrer Rückseite in flächiger Verteilung eine Vielzahl von aus der Wand hervorstehenden Pins aufweist, und dass die Verteilung der Pins innerhalb der thermischen kritischen Zonen des Bauelements eine höhere Dichte aufweist als in den übrigen Bereichen. Hierdurch kann lokal der Wärmeübergang zwischen Wand und Kühlluft verändert und der thermischen Belastung angepasst werden, ohne dass zwingend eine grossere Kühlluftmenge eingesetzt werden muss.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der auf die Rückseite der Wand gerichteten Strahlen ein mit verteilt angeordneten Prallkühlungslöchern versehenes Prallkühlungsblech umfassen.
Besonders effektiv ist die Kühlung, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung das Prallkühlungsblech mit Abstand im wesentlichen parallel zur Rückseite der Wand angeordnet ist, und die Verteilung der Prallkühlungslöcher auf die Verteilung der Pins derart abgestimmt ist, dass in einer Richtung senkrecht zum Prallkühlungsblech gesehen die Prallkühlungslöcher jeweils zwischen den Pins liegen. Die Variation der Kühlung kann dadurch intensiviert werden, dass die Dichte der Prallkühlungslöcher mit der Dichte der Pins korreliert ist. Insbesondere kann die Dichte der Prallkühlungslöcher und die Dichte der Pins örtlich gleich sein.
Vorzugsweise ist das Bauelement eine Leitschaufel einer Gasturbine, welche ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt und eine an das Schaufelblatt anschliessende, sich quer zur Längsrichtung erstreckende Plattform umfasst, deren Boden die thermisch belastete, durch Prallkühlung gekühlte Wand ist und am Übergang zum Schaufelblatt eine Hohlkehle ausbildet, wobei die
Verteilung der Pins zur Hohlkehle hin eine höhere Dichte aufweist als in den von der Hohlkehle entfernten übrigen Bereichen.
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 erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil einer Gasturbinen-
Leitschaufel mit Plattform, mit örtlich variierender Prallkühlung, gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 das bei der Leitschaufel aus Fig. 1 eingesetzte Prallkühlungsblech in der Draufsicht von oben;
Fig. 3 die bei der Leitschaufel aus Fig. 1 eingesetzte Verteilung von Pins in der Draufsicht von oben (die Pins sind perspektivisch gezeichnet) und Fig. 4 von oben gesehen, die korrelierten Verteilungen von
Prallkühlungslöchern und Pins gemäss Fig. 1 -3.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist im Längsschnitt der obere Teil einer Gasturbinen- Leitschaufel mit Plattform und örtlich variierender Prallkühlung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Leitschaufel 10 hat insgesamt eine ähnliche Konfiguration, wie sie in der eingangs erwähnten US-B2-7,097,418 beschrieben wird. Sie umfasst ein sich in der Schaufellängsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 11 , an dessen oberem Ende eine Plattform 12 angeformt ist, die sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung der Schaufel erstreckt. Die Plattform 12 hat einen Boden bzw. eine Wand 12a, deren Unterseite vom durch die Turbine strömenden Heissgas beaufschlagt ist, und die auf der Oberseite durch eine Prallkühlung gekühlt wird.
Dazu ist auf der Oberseite der Plattform 12 ein Hohlraum 13 ausgebildet, der von einem zur Wand 12a parallel angeordneten Prallkühlungsblech 14 abgedeckt wird. Im Prallkühlungsblech 14 sind in einer vorgegebenen Verteilung Prallkühlungslöcher 16 vorgesehen, durch die komprimierte Kühlluft in Form von einzelnen Kühlluftstrahlen (siehe die Pfeile in Fig. 1 ) in den Hohlraum 13 eintritt und auf die gegenüberliegende Rückseite der Wand 12a aufprallt. Beim Aufprall und dem danach folgenden turbulenten Kontakt mit der Rückseite der Wand 12a nimmt die Kühlluft Wärme von der Wand 12a auf und wird anschliessend aus dem Hohlraum 13 (auf in Fig. 1 nicht dargestelltem Wege) abgeleitet. Die flächige Verteilung der Prallkühlungslöcher 16 ist in Fig. 2 zu sehen.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Wand 12a und der Kühlluft sind auf der Rückseite der Wand 12a senkrecht abstehende, kegel- oder pyramidenförmige Pins 15 angeordnet (siehe auch Fig. 3, in der die Pins 15 perspektivisch eingezeichnet sind), welche die Kontaktfläche zwischen Wand und Kühlluftstrom vergrössern und die Turbulenzen intensivieren. Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, ist die Dichte der Prallkühlungslöcher 16 und die Dichte der Pins 15 örtlich unterschiedlich, aber gleichzeitig miteinander korreliert, d.h. in den Bereichen, wo die Dichte der Pins 15 erhöht ist (Verdichtungsbereich 18), ist auch die Dichte der Prallkühlungslöcher 16 erhöht, und umgekehrt. Insbesondere sind lokal die Dichten der beiden gleich. Die Prallkühlungslöcher 16 sind vorzugsweise „auf Lücke", also auf Zwischenräume, mit den Pins 15 angeordnet: Zwischen zwei parallelen Reihen von Pins 15 ist jeweils versetzt eine Reihe von Prallkühlungslöchern 16 mit derselben Periodizität platziert.
Erfahrungsgemäss gibt es bei einer Leitschaufel der in Fig. 1 wiedergegebenen Art an der Plattform 12 kritische Zonen Ac, in denen Vorkehrungen gegen die thermische Belastung besonders wichtig sind. Eine solche kritische Zone ist die Hohlkehle zwischen der Wand 12a der Plattform 12 und dem Schaufelblatt. Um an dieser Stelle der Plattform 12, d.h. am Übergang zum Schaufelblatt die Kühlwirkung lokal zu erhöhen, ist in einem an die Hohlkehle unmittelbar angrenzenden Verdichtungsbereich 18 (in Fig. 4 grau unterlegt) die Dichte der Pins 15 gegenüber dem übrigen Bereich deutlich erhöht. Zusätzlich ist auch die Dichte der Prallkühlungslöcher 16 in diesem Bereich 18 erhöht, und zwar analog zur Dichte der Pins 15. Der Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Loch- und Pindichte kann dabei stetig ausgebildet sein.
Hierdurch wird die Wärmeabfuhr im Bereich der Hohlkehle deutlich verbessert, wodurch die Auswirkungen der thermischen Belastung begrenzt werden können.
Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen der Erfindung und durch die erfindungsgemässen Vorkehrungen nicht nur kritische Bereiche der Leitschaufeln, sondern auch anderer thermisch belasteter Bauelemente der Gasturbine kühlungstechnisch „entschärft" werden können. Bezugszeichenliste
10 Leitschaufel (Gasturbine)
1 1 Schaufelblatt
12 Plattform
12a Wand (Plattform)
13 Hohlraum
14 Prallkühlungsblech
15 Pin
16 Prallkühlungsloch
17 Prallkühlungsmuster
18 Verdichtungsbereich
Ac kritische Zone (Hohlkehle)

Claims

Patentansprüche
1. Gekühltes Bauelement (10) für eine Gasturbine, welches zur Kühlung einer auf einer Vorderseite thermisch belasteten Wand (12a) auf der Rückseite der Wand (12a) in flächiger Verteilung (17) eine Vielzahl von aus der Wand hervorstehenden Pins (15) aufweist, sowie Mittel (14, 16) zur Erzeugung von im Bereich der Pins (15) auf die Rückseite der Wand (12a) gerichteten, der Prallkühlung dienenden Strahlen eines Kühlmediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Pins (15) innerhalb kritischer
Zonen (Ac) des Bauelements (10) eine höhere Dichte aufweist als in den übrigen Bereichen des Bauelements.
2. Gekühltes Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der auf die Rückseite der Wand gerichteten Strahlen ein Prallkühlungsblech (14) mit verteilt angeordneten Prallkühlungslöchern (16) umfassen.
3. Gekühltes Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallkühlungsblech (14) mit Abstand im wesentlichen parallel zur
Rückseite der Wand (12a) angeordnet ist, und dass die Verteilung der Prallkühlungslöcher (16) auf die Verteilung der Pins (15) derart abgestimmt ist, dass in einer Richtung senkrecht zum Prallkühlungsblech (14) gesehen die Prallkühlungslöcher (16) jeweils zwischen den Pins (15) liegen.
4. Gekühltes Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Prallkühlungslöcher (16) mit der Dichte der Pins (15) korreliert ist.
5. Gekühltes Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Prallkühlungslöcher (16) und die Dichte der Pins (15) örtlich gleich sind.
6. Gekühltes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Leitschaufel (10) der Gasturbine ist, welche ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (1 1 ) und eine an das Schaufelblatt (1 1 ) anschliessende, sich quer zur Längsrichtung erstreckende Plattform (12) umfasst, deren Boden die thermisch belastete, durch Prallkühlung gekühlte Wand (12a) ist, und am Übergang zum Schaufelblatt (1 1 ) eine Hohlkehle (Ac) ausbildet, und dass die Verteilung der Pins (15) zur Hohlkehle (Ac) hin eine höhere Dichte aufweist als in den von der Hohlkehle (Ac) entfernten übrigen Bereichen.
7. Verfahren zum Betrieb eines gekühlten Elements für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Wand (12a) und Kühlluft, welche in Form von einzelnen durch Prallkühlluftlöcher (16) strömenden Kühlluftstrahlen zum Einsatz kommt, strömen diese Kühlluftstrahlen auf der Rückseite dieser Wand, welche mit senkrecht abstehenden, kegel- oder pyramidenförmigen Pins (15) ausgestattet ist, dass die Kühlluftstrahlen zwischen den von den Pins gebildeten Zwischenräumen aufprallen, dergestalt, dass bei diesem Aufprall eine auf die Wand wirkende turbulente
Strömung entsteht, welche eine zusätzlich Kühlung bewirkt.
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