WO2014009075A1 - Luftgekühlte turbinenlaufschaufel für eine gasturbine - Google Patents

Luftgekühlte turbinenlaufschaufel für eine gasturbine Download PDF

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Nihal Kurt
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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
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting

Definitions

  • the invention relates to an air-cooled turbine blade for a gas turbine having a blade root and an adjoining aerodynamically-curved airfoil having a suction-side sidewall and a pressure-side sidewall extending in a chordal direction from a leading edge to a trailing edge and in a span span with a total span extend from a blade end to a blade tip end, wherein a coolant channel is provided in the blade for guiding a coolant.
  • Such turbine blades are well known in the widely available prior art.
  • the turbine rotor blades which are generally produced by casting, are hollow with the aid of casting cores used in the casting apparatus, so that cooling channels are present in the interior through which a coolant, usually cooling air, can flow during operation.
  • the coolant provides sufficient cooling of the turbine blade material to achieve the predetermined and expected life, despite the high ambient temperatures encountered in the operation of a gas turbine in the vicinity of the turbine blade.
  • the cooling channels are now diverted several times in meandering form.
  • turbulators are often provided on the inner sides of the blade outer walls in order to increase the heat transfer from the material of the turbine blade into the cooling air.
  • the then heated cooling air will either be at the trailing edge of the airfoil, at the top of the blade plate or in the region of the leading edge of the blade by corresponding openings, which may possibly also be configured as a film cooling holes, blown out and mixed in the hot gas flow.
  • the design of a turbine blade is particularly difficult, especially at lower profile thickness.
  • the wall thicknesses of the airfoil and also the cooling channels provided in the interior must be made comparatively filigree in order to be able to meet the requirement for a low profile thickness.
  • Lower cooling channel cross-sections lead to lower GusskernwandCn so that they tend to break when handling and the assembly of the casting device.
  • the turbine blade according to the invention for a gas turbine with a blade root and an adjoining aerodynamically curved blade having a suction-side side wall and a pressure-side side wall in a chord direction from a common leading edge to a trailing edge and in a Spannweiterich- direction a total span ranging from a blade end to a blade tip end, wherein in the blade for guiding the coolant, a coolant channel is provided, it is provided that the blade, except going from its blade end equal to 0% of the blade span from a span of 60% of the total span, preferably from 75% of the total span, is coolant channel free.
  • this is designed integrally and thus produced in the casting process.
  • the invention is based on the finding that such turbine blades do not have to withstand the highest currently possible hot gas temperatures, but rather lower temperatures, as can occur, for example, in large, stationary gas turbines in the second or third turbine stage.
  • the special feature of the turbine blade according to the invention is that it can be designed massive pointed, so that only the central region of the blade profile in Spannweiteterrorism and the foot-side portion of the airfoil is to cool.
  • the invention takes into account the knowledge that viewed in Spannweiteiques, the hottest temperatures occur in the central region of the span, whereas in the outer edge portions - ie shovel tip side and Schaufel foot side - lower temperatures. In this respect, a blade tip-side cooling of the blade is not required, so this can be coolant channel free.
  • the coolant channel free area makes it possible to produce turbine blades with a comparatively small profile thickness, as this range increases the overall rigidity and strength of the airfoil.
  • the coolant channel has an inlet arranged in the blade root for coolant and at least one coolant outlet, which coolant outlet or coolant outlet is also arranged exclusively in the blade root.
  • Airfoil heating-up cooling air is not introduced via the airfoil directly into the hot gas flow in the hot gas path of the turbine, but blown out in a region outside the hot gas path of the gas turbine.
  • the temperature gradient of the components limiting the hot gas path can be reduced, since their colder sides can be tempered with the help of the blown, but preheated cooling air.
  • the coolant outlet may even be provided on the inflow side, but nevertheless
  • FIG. 1 shows a turbine blade in a longitudinal section.
  • Turbine blade 10 is for a medium or low cooled turbine stage of a stationary gas turbine. As such, the turbine bucket 10 may be used in a second, third, or fourth turbine stage.
  • the turbine blade 10 has a blade root 12 shown in FIG. 1 below.
  • the blade root 12 in this case comprises a platform 14, in which in span direction an airfoil 16 extends.
  • the blade airfoil 16 extends in the chordwise direction from a leading edge 18 to a trailing edge 20.
  • the airfoil 16 is surrounded by a hot gas during operation in a turbine blade 10 used in a gas turbine, so that the leading edge 18 is located downstream and the trailing edge 20 downstream.
  • the airfoil 20 has a blade end-side end 22 and a blade tip-side end 24.
  • the average total span is determined by the arithmetic mean of the span at the leading edge 18 and the span at the trailing edge 20 and is normalized to a value of 100%.
  • the origin of the span is located in the transition from platform 14 to the blade root end 22 of the airfoil 16, so that the overall span of 100% is blade-tipped.
  • the center of the span at 50% of the airfoil is designated by reference numeral 26.
  • the turbine bucket 10 is hollow with a single coolant channel 28 having a blade-side inlet 30. Downstream of the single deflection section 32, the coolant channel 28 comprises a leading edge section 34, the outlet 36 of which is arranged in FIG.
  • the turbine blade 10 can have sufficient stability and strength despite a comparatively small profile thickness. At the same time, it is cooled sufficiently to achieve the required life.
  • the internally disposed coolant channel 28 may also be shaped differently or also have a downstream outlet 36.
  • An airfoil 16 having a suction side sidewall and a pressure sidewall extending in a chordwise direction from a common leading edge 18 to a trailing edge 20 and in a spanwise direction with a total span from a blade root end 22 to a blade tip end 24, wherein in the airfoil 16 to guide a coolant, a coolant channel 28 is provided.
  • a sufficiently coolable turbine blade 10 which may be provided with a comparatively small profile thickness, it is proposed that the blade 16, starting from its base foot end 22 from a span of 75% of the total span, preferably 60% of the total span, cool - is medium-channel-free.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufel (10) für eine Gasturbine, mit einem Schaufelfuß (12) und einem sich daran anschließenden aerodynamisch gewölbten Schaufelblatt (16), welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die sich in einer Sehnenrichtung von einer gemeinsamen Vorderkante (18) zu einer Hinterkante (20) und in einer Spannweiterichtung mit einer Gesamtspannweite von einem schaufelfußseitigen Ende (22) zu einem schaufelspitzseitigen Ende (24) erstrecken, wobei im Schaufelblatt (16) zur Führung eines Kühlmittels ein Kühlmittelkanal (28) vorgesehen ist. Um eine hinreichend kühlbare Turbinenlaufschaufel (10) bereitzustellen, die mit einer vergleichsweise geringen Profildicke ausgestattet ist, wird vorgeschlagen, dass das Schaufelblatt (16), ausgehend von seinem schaufefußseitigen Ende (22) ab einer Spannweite von 75% der Gesamtspannweite, vorzugsweise 60% der Gesamtspannweite, kühlmittelkanalfrei ist.

Description

Beschreibung
Luftgekühlte Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte Turbinenlaufschaufel für eine Gasturbine, mit einem Schaufelfuß und einem sich daran anschließenden aerodynamisch gewölbten Schaufelblatt, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die sich in einer Sehnenrichtung von einer Vorderkante zu einer Hinterkante und in einer Spannweiterichtung mit einer Gesamtspannweite von einem schaufelfußsei - tigen Ende zu einem schaufelspitzseitigen Ende erstrecken, wobei im Schaufelblatt zur Führung eines Kühlmittels ein Kühlmittelkanal vorgesehen ist.
Derartige Turbinenlaufschaufeln sind aus dem umfangreich verfügbaren Stand der Technik bestens bekannt. Die meist im Gussverfahren hergestellten Turbinenlaufschaufeln sind mit Hilfe von in der Gießvorrichtung verwendeten Gusskernen hohl ausgebildet, so dass im Inneren Kühlkanäle vorhanden sind, durch die im Betrieb ein Kühlmittel - zumeist Kühlluft - strömen kann. Das Kühlmittel sorgt für eine ausreichende Kühlung des Materials der Turbinenschaufel, damit dieses trotz der hohen Umgebungstemperaturen, die beim Betrieb einer Gasturbine in der Umgebung der Turbinenschaufel auftreten, die vorbestimmte und erwartete Lebensdauer erreichen kann.
Derzeit nimmt die Komplexität der inneren Gestalt der Turbi- nenschaufeln zu, da diese immer höheren Umgebungstemperaturen dauerhaft standhalten müssen. Insofern sind die Kühlkanäle mittlerweile mehrfach in Mäanderform umgelenkt. Gleichzeitig sind an den Innenseiten der Schaufelaußenwände häufig auch Turbulatoren vorgesehen, um den Wärmeübergang aus dem Mate- rial der Turbinenschaufel in die Kühlluft zu steigern. Nach erfolgreicher Aufnahme der Wärmeenergie aus dem Material der Turbinenlaufschaufel wird die sodann aufgeheizte Kühlluft entweder an der Hinterkante des Schaufelblatts, an der Spitze des Schaufelplatts oder auch im Bereich der Vorderkante des Schaufelblatts durch entsprechende Öffnungen, welche ggf. auch als Filmkühlöffnungen ausgestaltet sein können, ausgeblasen und der HeißgasStrömung untergemischt.
Mithin gestaltet sich die Konstruktion einer Turbinenlaufschaufel besonders schwierig, insbesondere bei geringerer Profildicke. Infolge dessen müssen die Wandstärken des Schaufelblatts und auch die im Inneren vorgesehenen Kühlkanäle vergleichsweise filigran ausgestaltet werden, um die Anforderung hinsichtlich einer geringen Profildicke erfüllen zu können. Geringere Kühlkanalquerschnitte führen jedoch zu geringeren Gusskernwandstärken, so dass diese bei der Handhabung und der Bestückung der Gießvorrichtung vermehrt zum Bruch neigen.
Aus diesem Grund besteht das Erfordernis luftgekühlte Turbinenlaufschaufeln mit vergleichsweise geringer Profildicke anzugeben, die dennoch hinreichend gekühlt sind und bei der die vorgenannten Nachteile vermieden werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einer luftgekühlten Turbinenlaufschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Turbi- nenlaufschaufel sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, welche in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können .
Bei der erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel für eine Gas- turbine mit einem Schaufelfuß und einem sich daran anschließenden aerodynamisch gewölbten Schaufelblatt, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die sich in einer Sehnenrichtung von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante und in einer Spannweiterich- tung mit einer Gesamtspannweite von einem schaufelfußseitigen Ende zu einem schaufelspitzseitigen Ende erstrecken, wobei im Schaufelblatt zur Führung des Kühlmittels ein Kühlmittelkanal vorgesehen ist, ist vorgesehen, dass das Schaufelblatt, aus- gehend von seinem schaufelfußseitigen Ende gleich 0% der Schaufelblattspannweite ab einer Spannweite von 60% der Gesamtspannweite, vorzugsweise ab 75% der GesamtSpannweite, kühlmittelkanalfrei ist. Vorzugsweise ist diese integral aus- gestaltet und somit im Gussverfahren hergestellt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass derartige Turbinenlaufschaufeln zwar nicht den höchsten derzeit möglichen Heißgastemperaturen standhalten müssen, sondern geringe- ren Temperaturen, wie sie beispielsweise bei großen, stationären Gasturbinen in der zweiten oder dritten Turbinenstufe auftreten können. Das Besondere an der erfindungsgemäßen Turbinenlaufschaufel ist, dass sie spitzseitig massiv ausgebildet sein kann, so dass lediglich der mittlere Bereich des Schaufelprofils in Spannweiterichtung und der fußseitige Bereich des Schaufelblattprofils zu kühlen ist. Die Erfindung berücksichtigt dabei die Erkenntnis, dass in Spannweiterichtung betrachtet, die heißesten Temperaturen im mittleren Bereich der Spannweite auftreten, wohingegen in den äußeren Randabschnitten - also schaufelspitzseitig und schaufelfuß- seitig - geringere Temperaturen. Insofern ist eine schaufel- spitzseitige Kühlung des Schaufelblatts nicht erforderlich, weswegen dieser kühlmittelkanalfrei sein kann. Der kühlmittelkanalfreie Bereich ermöglicht es, Turbinenlaufschaufeln mit einer vergleichsweise geringen Profildicke herzustellen, da dieser Bereich die Steifigkeit und Festigkeit des Schaufelblatts insgesamt erhöht.
Da die Kühlmittelzufuhr über den Fuß der Turbinenlaufschaufel erfolgt, wird quasi auch der fußseitige Bereich des Schaufelblatts gekühlt, obwohl dies nicht zwingend erforderlich sein muss .
Da der schaufelspitzseitige Bereich des Schaufelblatts kühl- mittelkanalfrei ist, erfolgt an der Schaufelspitze keine Ausblasung von Kühlluft. Vorzugsweise erfolgt ebenso wenig an der gesamten Hinterkante des Schaufelblatts eine Ausblasung von Kühlluft. Mit anderen Worten: Auch ein sich in Profilseh- nenrichtung erstreckender Bereich stromauf der Hinterkante des Schaufelblatts ist über die gesamte Spannweite des Schaufelblatts kühlmittelkanalfrei . Auch dies erhöht die Festigkeit des Schaufelblatts, da ansonsten vorhandene Kühlmittel - kanäle den tragenden Querschnitt an dieser Stelle schwächen würden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlmittelkanal einen im Schaufelfuß angeordneten Einlass für Kühlmittel und zumindest einen Kühlmittelauslass auf, welcher Kühlmittelauslass bzw. welche Kühlmittelauslässe ausschließlich auch im Schaufelfuß angeordnet sind. Hiermit schlägt die Erfindung eine vollkommen neue Konstruktion vor. Die im
Schaufelblatt sich aufheizende Kühlluft wird nicht über das Schaufelblatt unmittelbar in die HeißgasStrömung im Heißgaspfad der Turbine eingebracht, sondern in einem Bereich außerhalb des Heißgaspfades der Gasturbine ausgeblasen. Hierbei kann der Temperaturgradient der den Heißgaspfad begrenzenden Bauteile reduziert werden, da deren kältere Seiten mit Hilfe der ausgeblasenen, jedoch vorgewärmten Kühlluft temperiert werden können. So kann beispielsweise der Kühlmittelauslass sogar anströmseitig vorgesehen sein, gleichwohl ein
abströmseitiges Ausblasen der Kühlluft aus dem Schaufelfuß auch möglich ist.
Weitere Vorteile und Merkmale werden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
FIG 1 eine Turbinenlaufschaufel in einem Längsschnitt.
FIG 1 zeigt eine Turbinenlaufschaufel 10 in einem Längsschnitt. Die Turbinenlaufschaufel 10 ist für eine mittelmäßig oder niedrig gekühlte Turbinenstufe einer stationären Gasturbine vorgesehen. Insofern kann die Turbinenlaufschaufel 10 in einer zweiten, dritten oder vierten Turbinenstufe verwendet werden. Die Turbinenlaufschaufel 10 weist einen in FIG 1 unten dargestellten Schaufelfuß 12 auf. Der Schaufelfuß 12 um- fasst dabei eine Plattform 14, an der sich in Spannweite- richtung ein Schaufelblatt 16 erstreckt. Das Schaufelblatt 16 erstreckt sich in Profilsehnenrichtung von einer Vorderkante 18 zu einer Hinterkante 20. Das Schaufelblatt 16 wird bei in einer Gasturbine eingesetzten Turbinenschaufel 10 im Betrieb von einem Heißgas umströmt, so dass die Vorderkante 18 an- strömseitig und die Hinterkante 20 abströmseitig angesiedelt sind .
Zudem weist das Schaufelblatt 20 ein schaufelfußseitiges Ende 22 sowie ein schaufelspitzseitiges Ende 24 auf. Die mittlere Gesamtspannweite bestimmt sich aus dem arithmetischen Mittel der Spannweite an der Vorderkante 18 und der Spannweite an der Hinterkante 20 und ist zu einem Wert von 100% normiert. Der Ursprung der Spannweite ist im Übergang von Plattform 14 zu dem schaufelfußseitigen Ende 22 des Schaufelblatts 16 angeordnet, so dass die Gesamtspannweite von 100% schaufelspitzig zu finden ist. Die Mitte der Spannweite bei 50% des Schaufelblatts ist mit dem Bezugszeichen 26 versehen. Die Turbinenlaufschaufel 10 ist hohl ausgestaltet mit einem einzigen Kühlmittelkanal 28, der einen schaufelfußseitigen Einlass 30 aufweist. Stromab des einzigen Umlenkabschnitts 32 umfasst der Kühlmittelkanal 28 einen Vorderkantenabschnitt 34, dessen Auslass 36 in FIG 1 unterhalb der Plattform 14 und somit im Schaufelfuß 12 angeordnet ist. Durch einen schaufel- spitzseitigen Bereich 38, welcher kühlmittelkanalfrei ist und durch einen sich über die gesamte Spannweite erstreckenden Hinterkantenbereich 40, welcher ebenfalls kühlmittelkanalfrei ist, kann die Turbinenlaufschaufel 10 trotz einer vergleichs- weise geringen Profildicke eine hinreichende Stabilität und Festigkeit aufweisen. Gleichzeitig wird sie in ausreichendem Maße gekühlt, um die von ihr geforderte Lebensdauer zu erreichen . Selbstverständlich kann der innen angeordnete Kühlmittelkanal 28 auch anders geformt sein oder auch einen abströmseitigen Auslass 36 aufweisen. Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenlaufschaufel 10 für eine Gasturbine, mit einem Schaufelfuß 12 und einem sich daran anschließenden aerodynamisch gewölbten
Schaufelblatt 16, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die sich in einer Sehnenrichtung von einer gemeinsamen Vorderkante 18 zu einer Hinterkante 20 und in einer Spannweiterichtung mit einer Gesamtspannweite von einem schaufelfußseitigen Ende 22 zu einem schaufelspitzseitigen Ende 24 erstrecken, wobei im Schaufelblatt 16 zur Führung eines Kühlmittels ein Kühlmittelkanal 28 vorgesehen ist. Um eine hinreichend kühlbare Turbinenlaufschaufel 10 bereitzustellen, die mit einer vergleichsweise geringen Profildicke ausgestattet sein kann, wird vorgeschlagen, dass das Schaufelblatt 16, ausgehend von seinem schau- felfußseitigen Ende 22 ab einer Spannweite von 75% der Gesamtspannweite, vorzugsweise 60% der Gesamtspannweite , kühl- mittelkanalfrei ist.

Claims

Patentansprüche
1. Luftgekühlte Turbinenlaufschaufel (10) für eine Gastur- bine,
mit einem Schaufelfuß (12) und einem sich daran anschließenden aerodynamisch gewölbten Schaufelblatt (16), welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die sich in einer Sehnenrichtung von einer gemeinsamen Vorderkante (18) zu einer Hinterkante (20) und in einer Spannweiterichtung mit einer Gesamtspannweite von einem schaufelfußseitigen Ende (22) zu einem schaufelspitz - seitigen Ende (24) erstrecken,
wobei im Schaufelblatt (16) zur Führung eines Kühlmittels ein Kühlmittelkanal (28) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaufelblatt (16) , ausgehend von seinem schaufelfußseitigen Ende (22) ab einer Spannweite von 75% der Gesamtspannweite, vorzugsweise 60% der Gesamtspannweite , kühlmit- telkanalfrei ist.
2. Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1,
welche integral ausgestaltet ist.
3. Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der der Kühlmittelkanal (28) zumindest einen Umlenkbereich (32) aufweist.
4. Turbinenlaufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Kühlmittelkanal (28) einen schaufelfußseitigen Einlass (30) für Kühlmittel und zumindest einen Kühlmittel- auslass (36) aufweist, welcher Kühlmittelauslass (36) bzw. welche Kühlmittelauslässe ausschließlich schaufelfußseitig angeordnet sind.
5. Turbinenlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 , bei der der Kühlmittelauslass bzw. die Kühlmittelauslässe anströmseitig angeordnet ist bzw. sind.
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