WO2015044008A1

WO2015044008A1 - Einsatz zur kühlung einer turbinenschaufel aus mehreren teilstücken

Info

Publication number: WO2015044008A1
Application number: PCT/EP2014/069751
Authority: WO
Inventors: Fathi Ahmad; Tobias Buchal; Daniela Koch; Marco Schüler; Nihal Kurt; Radan RADULOVIC
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2015-04-02
Also published as: EP2853690A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Einsatz zur Verteilung von Kühlfluid in einer Turbinenschaufel (1), aufgebaut aus mindestens drei Teilstücken (4, 15, 21), die in einer radialen Richtung hintereinander in einen Innenraum (3) der Turbinenschaufel (1) einführbar sind, wobei zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück (4) als Keil wirkt und andere Teilstücke (15, 21) so mit geeignetem Abstand an eine Wand (2) der Turbinenschaufel (1) drückt, dass eine Prallkühlung erfolgen kann. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein zugehöriges Verfahren.

Description

Beschreibung

Einsatz zur Kühlung einer Turbinenschaufel aus mehreren

Teilstücken

Turbinenschaufeln, insbesondere Schaufeln von Gasturbinen, sind thermisch hochbelastete Komponenten. Bei Laufschaufeln treten durch die Rotation sehr hohe mechanische Belastungen auf. Aber auch bei den vorliegend interessierenden Leitschau^¬ feln bewirkt das mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck strömende Gas oder Gasgemisch, welches die Turbine antreiben soll, eine beachtliche mechanische Belastung. Darüber hinaus treten vor allem bei Gasturbinenschaufeln im Betrieb sehr hohe Temperaturen auf. Dabei gilt generell, dass höhere Tem^¬ peraturen des die Turbinenschaufeln antreibenden Gasgemischs sich günstig auf den Wirkungsgrad der Gasturbine auswirken. Um dennoch zu hohe Temperaturen in Turbinenschaufeln zu verhindern, werden die Turbinenschaufeln gekühlt. Dabei hat es sich unter anderem bewährt in geringem Abstand von den Innenwänden der Turbinenschaufeln Lochbleche oder ähnlich wirkende Einrichtungen anzubringen, die dafür sorgen, dass das Kühl- fluid, in der Regel Luft, senkrecht auf die Innenwände ge^¬ führt wird. Damit entsteht eine sogenannte Prallkühlung, wel- che für eine effiziente Kühlung sorgt. Eine Möglichkeit der^¬ artige Lochbleche auf einfache Weise im Inneren der Turbinen^¬ schaufel anzubringen, sind Einsätze, welche vorgefertigt sind und als solche in die Turbinenschaufel eingesetzt werden kön^¬ nen. Bisweilen ist es schwierig den Einsatz in die Turbinen- schaufei einzubringen, da Turbinenschaufeln mitunter komplex geformt sind, um eine möglichst günstige Strömung und somit einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Auch kann es mitunter schwierig sein für die Vielzahl an Formen von Turbinenschaufeln jeweils geeignete Einsätze zu erhalten.

Häufig werden die Lochbleche als dosenförmige Körper aus abwickelbaren und zusammengeschweißten Blechstücken ausgeführt. Damit ist die Formgebung der Turbinenschaufeln, genauer gesagt der Innenräume der Turbinenschaufeln, eingeschränkt, da die Profile in allen radialen Höhen identisch oder nur leicht skaliert zueinander sind. Diese Einschränkungen erschweren die Schaffung von Turbinenschaufeln, die eine möglichst günstige Strömung ermöglichen.

Aus der EP 2 628 901 AI ist eine Turbinenschaufel mit Prall^¬ kühlung bekannt. Diese weist in ihrem Innenraum mehrere Kühlkanäle auf. Diese verlaufen parallel zur Eintrittskante und zur Austrittskante. Die Kühlkanäle sollen dabei so angeordnet werden, dass eine Strömung des Kühlfluids von der Eintritts^¬ kante zur Austrittskante im Innenraum der Turbinenschaufel verhindert werden soll. Dazu werden unter anderem Blockierelemente vorgeschlagen.

Aus der US 4,257,734 A ist eine Leitschaufel für eine Gastur^¬ bine mit einem Hohlraum bekannt. Im Hohlraum ist ein Einsatz zur Verteilung von Kühlfluid vorgesehen, der aus mehreren Teilen besteht.

Aus der EP 1 233 146 A2 ist ein Einsatz zur Verteilung von Kühlfluid in einem Hohlraum einer Turbinenschaufel bekannt. Dieser besteht aus einem Paar länglicher Teile. Diese haben jeweils eine Außenwand mit Öffnungen, die einer Prallkühlung dienen. Die Teile befinden sich in radialer Richtung nebeneinander .

Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Kühlanordnung zu schaffen.

Hierzu wird ein Einsatz zur Verteilung von Kühlfluid in einer Turbinenschaufel vorgeschlagen, der aus mindestens drei Teil^¬ stücken aufgebaut ist, die in radialer Richtung hintereinander in einen Innenraum der Turbinenschaufel einführbar sind. Unter der radialen Richtung ist im Wesentlichen die Richtung vom Schaufelfuß zur Schaufelblattspitze zu verstehen. Soweit von radialer Richtung gesprochen wird, ist zu beachten, dass aufgrund der mitunter gegebenen Krümmung der Turbinenschaufel dieser Krümmung zu folgen ist. Ein in radialer Richtung verlaufender Lüftungskanal kann also eine entsprechende Krümmung aufweisen . Dabei wirkt zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück als Keil, der andere Teilstücke so mit einem geeigneten Abstand an eine Wand der Turbinenschaufel drückt, dass eine Prallküh^¬ lung erfolgen kann. Dadurch dass die Teilstücke nacheinander in den Innenraum der Turbinenschaufel einführbar sind, ergibt sich eine wesentlich größere Freiheit bei der Gestaltung der Turbinenschaufel, da so auch für komplex geformte Turbinenschaufeln ein Einsatz auf vergleichsweise einfache Weise geschaffen werden kann. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dabei ist, dass zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück als Keil wirkt und andere Teil^¬ stücke so an eine Wand der Turbinenschaufel drückt, dass eine Prallkühlung erfolgen kann. Je nach Größe und Form können auch mehrere Teilstücke die Funktion eines Keils übernehmen. Es handelt sich dabei oft um die zuletzt eingeführten Teil^¬ stücke .

Da die Teilstücke in radialer Richtung hintereinander angeordnet sind, ist klar, dass eine Reihenfolge beim Einführen einzuhalten ist. Werden die Teilstücke vom Schaufelfuß aus eingeführt, sind zunächst die Teilstücke einzuführen, die näher an der Schaufelblattspitze liegen. Da sich der Querschnitt der Turbinenschaufel vom Schaufelfuß zur Schaufel^¬ blattspitze meist ändert, sind die Teilstücke, die für ver- schiedene Bereiche in der Turbinenschaufel vorgesehen sind, meist nicht identisch. Insofern spielt bei in radialer Richtung hintereinander einzuführenden Teilstücken die Reihenfolge im Regelfall eine Rolle. Die Erfindung gestattet damit Einsätze zur Verteilung von Kühlfluid zu verwenden, welche als Ganze nicht in den Innenraum der Turbinenschaufel ein^¬ führbar sind. Vollständigkeitshalber wird darauf hingewiesen, dass es sich bei den Turbinenschaufeln normalerweise um Gussteile handelt.

Notwendig ist, dass zumindest eine Auswahl an Teilstücken Flächen aufweist, welche mit niedrigem Abstand von einer

Innenwand der Turbinenschaufel eingebaut sind, und die Flä^¬ chen Löcher aufweisen, so dass Kühlfluid durch die Löcher weitgehend senkrecht auf die Innenwand der Turbinenschaufel geführt werden kann. Die Löcher können dabei verschiedene Form und Größe haben. Entscheidend ist dass das Kühlfluid einigermaßen gleichmäßig und senkrecht auf die Innenwand der Turbinenschaufel strömt. Damit wird die bekannte und effizi^¬ ente Prallkühlung erreicht. Es ist klar, dass ein gewisser Abstand zwischen den genannten Flächen mit den Löchern und der Wand vorhanden sein muss, um die Prallkühlung sicherzustellen. Wenn die Flächen unmittelbar an der Wand anliegen, ist eine Prallkühlung nicht mehr möglich, da keine Strömung durch die Löcher erfolgen kann. Ist der Abstand zu hoch, ist die an der Wand auftreffende

Strömung zu sehr verteilt und zu schwach, so dass keine effi^¬ ziente Kühlung erfolgen kann. Es ist also darauf zu achten, dass sich ein geeigneter Abstand zur Wand einstellt. Es ist klarzustellen, dass eine gewisse Prallkühlung auch ohne die genannte Keilwirkung möglich sein kann. In diesen Fällen wird die Prallkühlung nicht erst durch die erfindungs^¬ gemäße Anordnung ermöglicht, aber in vorteilhafter Weise verbessert .

Ferner ist zu ergänzen, dass auch das als Keil wirkende Teil^¬ stück durch die erfindungsgemäße Anordnung verkeilt wird. So^¬ weit es sich bei diesem Teilstück um ein durchströmtes Teil^¬ stück handelt, kann also auch eine Prallkühlung durch dieses Teilstück ermöglicht oder verbessert werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Teilstücke aus einer Mehrzahl von Lüftungskanälen aufge- baut. Dabei handelt es sich um zumeist runde oder eckige Lüf^¬ tungskanäle, deren Wände Löcher aufweisen. Die Lüftungskanäle können etwa durch Verbindungsstege zu einem Teilstück verbunden werden. Eine wesentliche Ausgestaltung dieser Ausfüh- rungsform sind nebeneinander liegende Lüftungskanäle, die beim eingeführten Einsatz in radialer Richtung verlaufen.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Teilstücke in radialer Richtung zusätzlich nebeneinander angeordnet. Das heißt also, dass der Einsatz nicht nur aus radial hinterein^¬ ander eingeführten, sondern auch aus nebeneinander eingeführten Teilstücken aufgebaut ist. So können in einem radialen Bereich mehrere Teilstücke nebeneinander angeordnet sein. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Teilstücke teilweise überlappend eingeführt. Es ergeben sich damit Be^¬ reiche innerhalb der Turbinenschaufel, in denen sich zwei Teilstücke befinden. Durch diese überlappende Anordnung wirkt dasjenige Teilstück, welches in ein anderes Teilstück einge- führt ist, als Keil, welches das andere Teilstück so mit ge^¬ eignetem Abstand an eine Wand der Turbinenschaufel drückt, dass eine Prallkühlung erfolgen kann.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Auswahl von Teilstücken gleichzeitig einführbar. So ist es denkbar etwa alle Teilstücke, die an einer Wand anliegen sollen, zunächst in einem Schritt gemeinsam einzuführen. Im nächsten Schritt wird dann mindestens ein als Keil wirkendes Teilstück einge^¬ führt, wodurch der Einsatz gebildet wird. Damit ist es mög- lieh bereits außerhalb der Turbinenschaufel eine Verbindung zwischen den Teilstücken, die an der Wand anliegen sollen, zu schaffen. Dabei kann die Verbindung so ausgestaltet sein, dass noch eine Bewegung zwischen den verbundenen Teilstücken möglich ist, welche etwa durch das zuletzt eingeführte Teil- stück hervorgerufen wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die zuerst eingeführten Teilstücke nur teilweise parallel zu einer Innenwand der Turbinenschaufel. Bei den im Stand der Technik bekannten Einsätzen, die vorgefertigt sind und als vorgefertigte Einsätze in die Turbinenschaufel eingeführt werden, muss der Einsatz den Innenwänden der Turbinenschaufel weit- gehend angepasst sein. Die nun vorgesehenen Teilstücke müssen nur in dem Bereich, den die einzelnen Teilstücke abdecken, an die Form der Innenwand weitgehend angepasst sein.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Keilwirkung durch Rotation der eingeführten Teilstücke erreicht. Damit ist es nicht erforderlich bereits beim Einführen des zuletzt eingeführten Teilstücks die Keilwirkung hervorzurufen. Dies kann das Einführen erheblich erleichtern. Die Rotation ist nur soweit durchzuführen, bis eine hinreichende Keilwirkung erreicht ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung liegt zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück nicht an der Wand der Turbinen^¬ schaufel an. Das zuletzt eingeführte Teilstück hat bisweilen nur die Funktion eines Keils und muss nicht an der Wand an^¬ liegen .

In einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück nicht durchströmbar. Wie ausge- führt muss dieses Teilstück nicht an einer Wand der Turbinenschaufel anliegen und muss nicht die Aufgabe erfüllen, Kühl- fluid senkrecht auf die Innenwand zu führen und eine Prall^¬ kühlung hervorzurufen. Es ist daher nicht erforderlich dieses Teilstück durchströmbar auszugestalten.

Freilich ist auch bei nicht an einer Wand der Turbinenschau^¬ fel anliegenden Teilstücken die Wirkung auf die Strömung zu beachten. Diese Wirkung kann aber durchaus gewünscht sein. So können diese Teilstücke bei geeigneter Anordnung innerhalb der Turbinenschaufel gleichsam Kühlkanäle ausbilden und ent^¬ sprechend die Strömung von Kühlfluid in geeigneter Weise be^¬ einflussen . Die Erfindung sieht ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes zur Verteilung von Kühlfluid in einer Turbi^¬ nenschaufel vor, indem mindestens drei Teilstücke, in einer radialen Richtung hintereinander in einen Innenraum der Tur- binenschaufel eingeführt werden, wobei zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück als Keil wirkt, der andere Teilstücke so mit einem geeigneten Abstand an eine Wand der Turbinenschaufel drückt, dass eine Prallkühlung erfolgen kann. Dieses Verfahren und seine Ausgestaltungen eignen sich besonders für die Herstellung eines oben beschriebenen Einsatzes.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Dabei zeigen Fig. 1 einen Querschnitt einer Turbinenschaufel in einer

Ebene am Schaufelfuß

Fig. 2 eine seitliche Darstellung der Turbinenschaufel mit einem Einsatz aus mehreren Teilstücken.

In Figur 1 ist ein Querschnitt einer Turbinenschaufel 1 in einer Ebene am Schaufelfuß gezeigt. Es ist eine umlaufende Wand 2 der Turbinenschaufel 1 zu erkennen. In einem von der Wand 2 umgebenen Innenraum 3 ist ein Teilstück 4 zu erkennen. Das Teilstück 4 umfasst vier Lüftungskanäle. In der Figur links liegend, also im Bereich nahe einer Anströmkante 5 ist ein erster, rund ausgeführter Lüftungskanal 6 zu erkennen. Daran schließt ein Verbindungssteg 7 an, durch den der Lüf^¬ tungskanal 6 mit einem weiteren Lüftungskanal 8 verbunden ist. Der weitgehend eckig ausgeführte Lüftungskanal 8 ist über einen Verbindungssteg 9 mit einem weiteren weitgehend eckig ausgeführtem Lüftungskanal 10 verbunden. Ein Verbindungssteg 11 verbindet den Lüftungskanal 10 mit einem vierten Lüftungskanal 12. Der Lüftungskanal 12 hat eine flache, dem Verbindungssteg 11 zugewandte Seite und ist im Übrigen oval ausgebildet, um an den Verlauf der Wand 2 im Bereich einer Abströmkante 13 angepasst zu sein. Die Wände der Lüftungskanäle 6, 8, 10 und 12 weisen Löcher auf, so dass sich ein durch Pfeile dargestellter Luftstrom von den Lüftungskanälen 6, 8, 10 und 12 an die Wand 2 der Turbinenschaufel 1 ergibt. Damit wird die bekannte Prallküh- lung erreicht.

In Figur 2 ist eine seitliche Ansicht der Turbinenschaufel 1 zu erkennen. Im Bild oben ist das Teilstück 4 zu erkennen, mit den Lüftungskanälen 6, 8, 10 und 12 und den diese verbin- denden Verbindungsstegen 7, 9 und 11.

Das Teilstück 4 erstreckt sich in radialer Richtung bis zu einer Begrenzung 14. In radialer Richtung ist ein weiteres Teilstück 15 angeordnet, welches von einer Begrenzung 16 zu einer Begrenzung 17 reicht. Das Teilstück 15 und das Teilstück 4 sind in gleicher Weise aufgebaut.

Zwischen den Begrenzungen 14 und 16 ergibt sich ein Überlappungsbereich 18. Im Überlappungsbereich 18 ragt das Teilstück 4 in das Teilstück 15 hinein und wirkt als Keil.

Von einer Begrenzung 19 bis zu einer Schaufelblattspitze 20 erstreckt sich ein weiteres Teilstück 21. Zwischen der Begrenzung 19 und der Begrenzung 17 ergibt sich wiederum ein Überlappungsbereich 22. Im Überlappungsbereich 22 ragt das Teilstück 15 in das Teilstück 21 hinein und wirkt als Keil.

Es versteht sich, dass entgegen der Abfolge dieser Darstel^¬ lung, zunächst das Teilstück 21, dann das Teilstück 15 und zuletzt das Teilstück 4 einzuführen ist.

Dadurch, dass das Teilstück 4 als Keil für das Teilstück 15 und dieses als Keil für das Teilstück 21 wirkt, wird eine stabile Anordnung mit geeigneten Abständen der Lüftungskanäle von der Wand 2 der Turbinenschaufel 1 erreicht. Damit wird eine optimale Prallkühlung erreicht. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche

1. Einsatz zur Verteilung von Kühlfluid in einer Turbinen- schaufei (1), aufgebaut aus mindestens drei Teilstücken (4,

15, 21), die in einer radialen Richtung hintereinander in einen Innenraum (3) der Turbinenschaufel (1) einführbar sind,

wobei zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück (4) als Keil wirkt und andere Teilstücke (15, 21) so mit einem ge^¬ eigneten Abstand an eine Wand (2) der Turbinenschaufel (1) drückt, dass eine Prallkühlung erfolgen kann.

2. Einsatz nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens eines der Teilstücke (4, 15, 21) aus einer Mehr^¬ zahl von Lüftungskanälen (6, 8, 10, 12) aufgebaut ist.

3. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Teilstücke (4, 15, 21) in einer radialen Richtung nebeneinander angeordnet sind.

4. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Teilstücke (4, 15, 21) teilweise überlappend eingeführt sind .

5. Einsatz nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Auswahl von Teilstücken (4, 15, 21) gleichzeitig einführbar ist.

6. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die zuerst eingeführten Teilstücke (15, 21) nur teilweise parallel zu einer Innenwand der Turbinenschaufel verlaufen.

7. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Keilwirkung durch Rotation der eingeführten Teilstücke (4, 15, 21) erreicht ist.

8. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück (4) nicht an der Wand (2) der Turbinenschaufel (1) anliegt.

9. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück (4) nicht durchströmbar ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Einsatzes zur Verteilung von Kühlfluid in einer Turbinenschaufel (1),

insbesondere zur Herstellung eines Einsatzes nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

indem mindestens drei Teilstücke (4, 15, 21) in einer radi^¬ alen Richtung hintereinander in einen Innenraum (3) der Turbinenschaufel (1) eingeführt werden,

wobei zumindest das zuletzt eingeführte Teilstück (4) als Keil wirkt, der andere Teilstücke (15, 21) so mit einem ge- eigneten Abstand an eine Wand (2) der Turbinenschaufel (1) drückt, dass eine Prallkühlung erfolgen kann.