DE19963099B4

DE19963099B4 - Kühlluftbohrungen in Gasturbinenkomponenten

Info

Publication number: DE19963099B4
Application number: DE19963099.2A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Hähnle; Dr. Weigand Bernhard
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2019-12-25
Also published as: DE19963099A1; US20010014282A1; US6439848B2

Abstract

Von heisser Luft (11) aussenseitig umströmte Komponente (10) einer Gasturbine, welche Komponente (10) als Aussenwände (12, 13, 21) und zwischen den Aussenwänden angeordnete und die Aussenwände wenigstens bereichsweise verbindende Leitwände (14, 15, 16) umfassendes Hohlprofil ausgebildet ist, und welche Komponente durch von den Aussenwänden (12, 13, 21) und den Leitwänden (14, 15, 16) begrenzte Kühlkanäle (19, 20) strömende Kühlluft (17, 18) innenseitig gekühlt wird, wobei die Kühlluft (17, 18) Umlenkbereiche (22) durchströmt, in welchen die Kühlluft umgelenkt wird und in welchen Strömungsstagnationszonen (29, 30) vorhanden sind, wobei die Komponente als von einem heissen Arbeitsluftstrom (11) angeströmte Turbinenschaufel (10) ausgebildet ist, die Leitwände in der Turbinenschaufel im wesentlichen radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors und im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Turbinenschaufelaussenfläche zwischen den Aussenwänden (12, 13) angeordnet sind, dass so gebildete radial verlaufenden, Kühlkanäle (19, 20) paarweise an der Spitze der Turbinenschaufel (10) in strömungsmässiger Verbindung stehen, und dass bei dieser Verbindung ein Umlenkbereich (22) der Kühlkanäle im Bereich der Spitze angeordnet ist und im Bereich der Strömungsstagnationszonen (29, 30) in der äusseren Ecke ausgangs des jeweiligen Umlenkbereichs (22) wenigstens eine Bohrung (24, 25) in der Aussenwand (12, 13, 21) angeordnet ist, durch welche Bohrunpg (24, 25) Kühlluft (17) aus dem Kühlkanal (19, 20, 22) auf die Aussenseite der Komponente (10) ausströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bohrungen (24) sowohl nebeneinander parallel zu einer Spitzenabdeckung (21) als auch nebeneinander radial entlang einer ausgangsseitigen, hinteren Leitwand (15) ums Eck angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Komponenten von Gasturbinen und deren Kühlung. Sie betrifft eine von heisser Luft aussenseitig umströmte Komponente einer Gasturbine, welche Komponente als Aussenwände und zwischen den Aussenwänden angeordnete und die Aussenwände wenigstens bereichsweise verbindende Leitwände umfassendes Hohlprofil ausgebildet ist. Die Komponente wird durch von den Aussenwänden und den Leitwänden begrenzte Kühlkanäle strömende Kühlluft innenseitig gekühlt, wobei die Kühlluft Umlenkbereiche durchströmt, in welchen die Kühlluft umgelenkt wird und in welchen Strömungsstagnationszonen vorhanden sind.
STAND DER TECHNIK
Der Wirkungsgrad von Gasturbinen hängt in besonderem Masse von einer effizienten Nutzung von Kühlluft ab. Sowohl die Betriebssicherheit als auch die Gewährleistung einer vertretbaren Lebensdauer der beim Betrieb erhitzten Komponenten machen eine ausreichende Kühlung unabdingbar. Entsprechend wurde der Optimierung der Kühlung bei Gasturbinen schon immer Aufmerksamkeit geschenkt.
Die Kühlung von Komponenten, welche beim Betrieb der Gasturbine von Heissgas umspült und entsprechend gekühlt werden müssen, kann auf verschieden Weise erfolgen. Einerseits ist es möglich, eine sogenannte Filmkühlung vorzusehen, bei der die aussenseitige Oberfläche der Komponente gezielt von Kühlluft umspült wird. Andererseits kann eine sogenannte Innenkühlung ermöglicht werden, bei der die Komponente in ihrem Inneren Kühlkanäle aufweist, welche durchströmt werden. Die Innenkühlung setzt voraus, dass die Komponenten als Hohlprofile oder zumindest mit Kanälen versehen sind, und dass diese eine gute Wärmeübertragung von aussenseitigen Materialanteilen auf die Kühlluft ermöglichen. Die beiden Kühlmethoden werden häufig in Kombination eingesetzt, da einerseits die Innenkühlung nur in Bereichen möglich ist, in denen die Materialstärke der Komponente eine Strukturierung als Hohlprofil oder die Anbringung von Kanalbohrungen ermöglicht, und da andererseits eine wirksame Filmkühlung eine gute Verteilung der Kühlluft auf den aussenseitigen Oberflächen bedingt und dies bei grösseren Oberflächen, starker Umströmung und möglichst geringem Kühlluftaufwand nur möglich ist, indem die Kühlluft wenigstens teilweise über innenliegende Kühlkanäle zugeführt wird.
Bei der Strukturierung von derartigen Komponenten als Hohlprofile tritt häufig das Problem auf, dass die Kanäle Bereiche aufweisen, in denen die Kühlluft umgelenkt wird, in welchen dann sog. Strömungsstagnationsbereiche auftreten bei welchen die Strömung stark dreidimensional wird und bei welchen dann auch entsprechend die Kühlung wenig effizient abläuft (sog. Totwassergebiete). Solche Strömungsstagnationsgebiete ergeben sich meist notwendigerweise aus den geometrischen Vorgaben der Komponenten und der Kanäle einerseits, und andererseits aufgrund der Tatsache, dass eine die Strömung gerade in den Umlenkungsbereichen optimal führende Gestaltung der Kühlkanäle in den Ecken Abrundungen voraussetzen würde. Solche massive, d. h. durch die Ausfüllung mit Material gestaltete Abrundungen hätten aber zur Folge, dass die Ecken schwerer und damit bei beweglichen Komponenten wie Turbinenschaufeln diese unwirtschaftlicher würden, und dass die Umlenkbereiche und Knicke in derartigen Ecken noch weniger gut gekühlt würden. Die Bildung von solchen Strömungsstagnationsbereichen wird häufig bekämpft, indem in die Kühlkanäle Rippen oder Leitbleche eingebaut werden, welche die Kühlluft gezielt solchen Bereichen zu- und wieder abführen. Häufig reichen derartige Mittel aber nicht aus, um die Kühlung in den Umlenkbereichen genügend effizient zu gestalten.
Die US 4 278 400 A beschreibt eine Turbinenschaufel mit Kühlkanälen, wobei die Kühlluft Umlenkbereiche durchströmt, in welchen die Kühlluft umgelenkt wird und in deren Umlenkbereich wenigstens eine Bohrung in der Aussenwand angeordnet ist, durch welche Kühlluft aus dem Kühlkanal auf die Aussenseite der Schaufel ausströmen kann.
Aus der US 5 733 102 A sind Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen bekannt, die wenigstens eine Bohrung aufweisen, die radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors durch eine das Schaufelprofil in radialer Richtung abschliessende Spitzenabdeckung geführt ist.
Die US 5 192 192 A offenbart Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen und Bohrung in der Schaufelwand durch die Kühlluft aus dem Kühlkanal auf die Aussenseite der Schaufel ausströmen kann, wobei die Bohrungen sich in Richtung der Aussenseite der Schaufel konisch erweiternd ausgebildet sind.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Innenkühlung versehene Komponente für Gasturbinen zur Verfügung zu stellen, bei welcher beim Betrieb der Gasturbine, d. h. wenn die Komponente von heisser Luft umströmt wird, und bei gleichzeitigem Durchströmen der Komponente mit Kühlluft, eine effiziente Kühlung auch in Umlenkbereichen der Kühlluft ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Anbringen von Bohrungen in den Strömungsstagnationszonen ausgangsseitig der Umlenkbereiche führt dazu, dass diese Zonen nicht mehr eigentliche Totwassergebiete sind. Die dort angebrachten Bohrungen bewirken, dass die Zonen durchströmt werden und dass damit die Kühlluft auch in diesen Zonen nicht zu lange verweilt. Entsprechend der verkürzten Verweilzeit der Kühlluft in den Strömungsstagnationszonen verbessert sich die Kühleffizienz in diesen Bereichen. Die aus der Bohrung bzw. den Bohrungen auf die Aussenseite strömende Kühlluft kann gleichzeitig bei geeigneter Anbringung der Bohrung immer noch als Filmkühlung auf der Aussenseite der Komponente nutzbringend wirken. So kann bevorzugt die Bohrung, bzw. die Bohrungen in der der umströmenden Luft zugewandten, druckseitigen Aussenwand angeordnet werden. Die austretende Kühlluft umströmt so die Aussenfläche bis zur Saugseite der Komponente und wirkt nicht nur als Belüftung der Strömungsstagnationszonen, sondern auch als Filmkühlung entlang des Pfades um die Komponente herum auf die Saugseite.
Die Komponente ist als von einem heissen Arbeitsluftstrom angeströmte Turbinenschaufel ausgebildet, wobei die Leitwände in der Turbinenschaufel im wesentlichen radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors und im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Turbinenschaufelaussenfläche zwischen den Aussenwänden angeordnet sind, dass die so gebildeten radial verlaufenden, Kühlkanäle jeweils paarweise an der Spitze der Turbinenschaufel in strömungsmässiger Verbindung stehen, und dass bei dieser Verbindung ein Umlenkbereich der Kühlkanäle im Bereich der Spitze angeordnet ist. Gerade bei derartig gestalteten Komponenten ist das Problem der Kühlung in den Umlenkbereichen besonders ausgeprägt. Die Spitzen der Turbinenschaufeln sind im Betrieb einer hohen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt, und ohne genügende Kühlung ist eine starke Ermüdung und Abnutzung der Materialien im Spitzenbereich kaum vermeidbar. Auf der anderen Seite ist die Geometrie der Spitzen durch die Funktion der Schaufeln mehr oder weniger vorgegeben und so muss sich die Gestaltung der Kanäle anpassen. Gerade im Umlenkbereich der aus dem Nabenbereich mit Kühlluft versorgten und U-förmig von Kühlluft durchströmten Kühlkanäle bilden sich wesentliche Stagnationszonen, deren kühleffizienzvermindernde Wirkung aber durch Bohrungen vermieden oder zumindest stark reduziert werden kann.
Die Anordnung der Bohrung in der ausgangsseitigen Strömungsstagnationszone erweist sich als besonders vorteilhaft in Kombination mit beispielsweise eingangsseitig angebrachten, im wesentlichen radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors durch eine das Hohlprofil der Komponente in radialer Richtung abschliessende Spitzenabdeckung geführten Bohrungen. Diese radialen Bohrungen können dabei vorteilhafterweise in eine aussenseitige Vertiefung in der Spitzenabdeckung mündend geführt werden.
Die ausgangsseitigen Bohrungen sind ausserdem gewissermassen L-förmig, d. h. sowohl nebeneinander parallel zur Spitzenabdeckung als auch nebeneinander radial entlang der ausgangsseitigen, hinteren Leitwand ums Eck angeordnet. Ebenso kann eine flächige, z. B. dreieckförmig angeordnete Schar von Bohrungen vorteilhaft sein, welche einen Bereich der Stagnationszone abdeckt und z. B. gewissermassen die zwei Schenkel des L's miteinander verbindet.
Weitere Ausführungsformen der Komponente für Gasturbinen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung von Schnitten durch eine Turbinenschaufel mit Innenkühlung für eine Gasturbine; a) zeigt einen bezüglich der Rotorachse im wesentlichen tangentialen Schnitt, b) den in a) mit Y-Y angegebenen Schnitt, und c) den in a) mit X-X bezeichneten Schnitt durch das Hohlprofil des Schaufelblattes.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen bezüglich der Rotorachse des Turbinenrotors im wesentlichen tangentialen Schnitt durch ein als Hohlprofil ausgebildetes Turbinenschaufelblatt 10. Das Rotorblatt 10 wird auf der sog. Druckseite vom heissen Arbeitsluftstrom 11 angeblasen und von diesem in Bewegung versetzt. Die Aussenform des Blattes 10 wird von der druckseitigen Aussenwand 12, der dem Luftstrom abgewandten, saugseitigen Aussenwand 13 und einer das Blatt 10 radial nach aussen begrenzenden Spitzenabdeckung 21 gebildet (vgl. 1b), welche einen Schnitt entlang Y-Y darstellt, sowie 1c), einen Schnitt entlang X-X). Die Wände 12, 13 und 21 sind miteinander und über radial bezüglich der Rotorachse und senkrecht bezüglich der Rotorblattebene verlaufende Leitwände 14, 15 und 16 miteinander verbunden. Diese Leitwände stabilisieren nicht nur das Blatt, sondern dienen gleichzeitig als Leitwände für die durch das Hohlprofil strömende Kühlluft 17, 18. Normalerweise wird Kühlluft 17 von der Nabenseite her in einen aufsteigend belüfteten Kühlkanal 19 eingeblasen und bis zur Spitze geleitet. An der Spitze befindet sich jeweils ein Durchbruch zu einem benachbarten Kühlkanal 20, durch welchen die Kühlluft 18 nach einer Umlenkung um 180° in der Zone 22 wieder radial in Richtung der Nabe geleitet wird. So sind jeweils Paare von Kanälen 19 und 20 miteinander strömungsmässig verbunden, und die Paare können innerhalb des Blattes 10 entweder mäandermässig nacheinander von Kühlluft durchströmt werden, oder einzeln versorgt werden.
In den Kühlkanälen können Rippen 23 oder Leitbleche vorhanden sein, welche zwecks einer besseren Wärmeübertragung zwischen Gehäuse, d. h. den Wänden 12–16 und 21 und der Kühlluft diese entweder z. B. mäanderartig zum Aufprall auf die Wände zwingt, oder auch in Umlenkbereichen eine optimale Strömung ermöglicht. Die Schaufel 10 kann ausserdem zusätzlich mit unabhängigen, oder der Innenkühlung angeschlossenen Mitteln zur Filmkühlung der Aussenseite versehen sein (in der Figur nicht angegeben).
Bei der Umlenkung der Kühlluft 17 an der Spitze der Schaufel bilden sich in den Ecken des Umlenkbereiches meist Strömungsstagnationszonen. Eine davon meist anströmseitig 29, d. h. bei der Ecke beim Eingang in den Umlenkbereich 22, und eine andere ausströmseitig 30, bei der Ecke beim Ausgang des Umlenkbereichs 22. In den Zonen 29 und 30 verweilt das Kühlmedium länger als in anderen Bereichen, und es findet ein weniger effizienter Wärmeaustausch statt. Auch Leitrippen 23, welche das Kühlmedium in gezielter Weise leiten, können solche Totwassergebiete nicht wirklich verhindern, und die Leitwände 14 und 15, die Aussenwände 12 und 13, sowie die Spitzenabdeckung 21 erwärmen sich bei diesen Zonen stärker als andernorts.
Um die einströmseitige Zone 30 besser zu belüften kann z. B. eine Bohrung 25 in der Spitzenabdeckung 21 angeordnet werden, welche den Kühlkanal dort radial entlüftet. Zweckmässigerweise mündet diese Bohrung 25 in eine aussenseitige Vertiefung in der Spitzenabdeckung 21.
Um die ausströmseitige (oder ggf. in analoger Weise auch die einströmseitige) Zone 30 besser zu belüften, werden nun in der druckseitigen Aussenwand 12 Bohrungen 24 angebracht. Diese Bohrungen 24 führen zu einer Strömung von Kühlluft durch die Bohrungen auf die Aussenseite. Auf der Aussenseite strömt die Kühlluft 27 anschliessend um die Spitze der Schaufel auf die Saugseite des Rotors und kühlt dabei die Spitze im Sinne einer Filmkühlung. Dabei kann die Spitze des Rotorblattes entweder einfach gestaltet sein, oder auch z. B. Rippenerweiterungen 26 an der Spitze zur Abdichtung zwischen Rotor und Gehäuse aufweisen. Gerade im letzteren Fall kann sich der zusätzlich auftretende Filmkühleffekt als besonders vorteilhaft erweisen. Selbstverständlich können die Bohrungen 24 auch auf der Saugseite des Blattes 10 abgebracht werden, es fällt aber dann der günstige Filmkühleffekt im wesentlichen weg.
Die Bohrungen 24 können parallel zur Richtung der Spitzenabdeckung 21 nebeneinander als Reihe oder versetzt angeordnet sein und/oder entsprechend parallel zur hinteren Leitwand 15. Insbesondere die Reihe von Bohrungen parallel zur Leitwand 15, d. h. im wesentlichen radial zur Achse des Rotors, hat sich als wirksam zur Belüftung der Strömungsstagnationszonen erwiesen. Die Bohrungen 24 können, wie in 1b) angegeben, in einer L-förmigen Reihe angeordnet werden, oder auch flächig, d. h. in mehreren, nebeneinander angeordneten Reihen, einen ganzen Bereich entlüftend. Der Bereich kann dabei dreiecksförmig sein, d. h. die Schenkel der obigen L-förmigen Anordnung verbindend, oder auch eine andere, zur Strömungsstagnationszone 30 aussenwandseitige Fläche abdecken.
Die Bohrungen können zylindrisch ausgestaltet werden, oder auch, und dies insbesondere diejenigen, welche radial verlaufen und welche nicht direkt bei der Spitzenabdeckung liegen, nach aussen erweiternd (vgl. Aufweitung 28), d. h. gewissermassen tubenförmig ausgebildet werden, um ein besseres Strömungsverhalten zu gewährleisten. Die Bohrungen können senkrecht zur Ebene des Blattes 10 verlaufen, können aber auch schräg leicht radial nach aussen verlaufend gebohrt werden. Die Bohrungen können verschiedenen oder alle gleichen Durchmesser. Es kann aber auch zur Vermeidung von Verstopfungen wenigstens eine grosse Bohrung vorgesehen werden. Die Bohrungen sollten jeweils um wenigstens einen Bohrungsdurchmesser voneinander beabstandet sein, und eine erste Reihe von Bohrungen 24 sollte um nicht mehr als fünf Bohrungsdurchmesser von der Spitzenabdeckung 21 respektive der hinteren Leitwand 15 beabstandet angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

10: Rotorblatt
11: Arbeitsluftstrom
12: druckseitige Aussenwand von 10
13: saugseitige Aussenwand von 10
14: vordere Leitwand von 19
15: hintere Leitwand von 20
16: zentrale Leitwand
17: Aufsteigender Kühlluftstrom
18: Absteigender Kühlluftstrom
19: Aufsteigend belüfteter Kühlluftkanal
20: Absteigend belüfteter Kühlluftkanal
21: Spitzenabdeckung von 10
22: Umlenkbereich des Kühlkanals
23: Leitrippe
24: Bohrungen in 12
25: Bohrung in 21
26: Rippenerweiterungen an der Spitze von 10
27: Filmkühlluftstrom
28: Aussenseitige Erweiterungen von 24
29: Anströmseitige Strömungsstagnationszone
30: Ausströmseitige Strömungsstagnationszone

Claims

Von heisser Luft (11) aussenseitig umströmte Komponente (10) einer Gasturbine, welche Komponente (10) als Aussenwände (12, 13, 21) und zwischen den Aussenwänden angeordnete und die Aussenwände wenigstens bereichsweise verbindende Leitwände (14, 15, 16) umfassendes Hohlprofil ausgebildet ist, und welche Komponente durch von den Aussenwänden (12, 13, 21) und den Leitwänden (14, 15, 16) begrenzte Kühlkanäle (19, 20) strömende Kühlluft (17, 18) innenseitig gekühlt wird, wobei die Kühlluft (17, 18) Umlenkbereiche (22) durchströmt, in welchen die Kühlluft umgelenkt wird und in welchen Strömungsstagnationszonen (29, 30) vorhanden sind, wobei die Komponente als von einem heissen Arbeitsluftstrom (11) angeströmte Turbinenschaufel (10) ausgebildet ist, die Leitwände in der Turbinenschaufel im wesentlichen radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors und im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Turbinenschaufelaussenfläche zwischen den Aussenwänden (12, 13) angeordnet sind, dass so gebildete radial verlaufenden, Kühlkanäle (19, 20) paarweise an der Spitze der Turbinenschaufel (10) in strömungsmässiger Verbindung stehen, und dass bei dieser Verbindung ein Umlenkbereich (22) der Kühlkanäle im Bereich der Spitze angeordnet ist und im Bereich der Strömungsstagnationszonen (29, 30) in der äusseren Ecke ausgangs des jeweiligen Umlenkbereichs (22) wenigstens eine Bohrung (24, 25) in der Aussenwand (12, 13, 21) angeordnet ist, durch welche Bohrunpg (24, 25) Kühlluft (17) aus dem Kühlkanal (19, 20, 22) auf die Aussenseite der Komponente (10) ausströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bohrungen (24) sowohl nebeneinander parallel zu einer Spitzenabdeckung (21) als auch nebeneinander radial entlang einer ausgangsseitigen, hinteren Leitwand (15) ums Eck angeordnet sind.
Komponente (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bohrung (24) in der der umströmenden Luft (11) zugewandten, druckseitigen Aussenwand (12) angeordnet ist.
Komponente (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bohrung (24, 25) im wesentlichen radial zur Rotationsachse des Turbinenrotors durch eine das Hohlprofil der Komponente (10) in radialer Richtung abschliessende Spitzenabdeckung (21).
Komponente (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (24) im wesentlichen zylindrisch und im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Aussenfläche (12, 13) gestaltet sind, und dass die Bohrungen (24) jeweils um wenigstens einen Bohrungsdurchmesser voneinander beabstandet und eine erste Reihe von Bohrungen um nicht mehr als fünf Bohrungsdurchmesser von der Spitzenabdeckung (21) respektive der hinteren Leitwand (15) beabstandet angeordnet sind.
Komponente (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang der hinteren Leitwand (15) angeordneten Bohrungen (24) sich in Richtung der Aussenseite der Komponente (10) konisch erweiternd ausgebildet sind.
Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (19, 20) die Kühlluft (17, 18) leitende Mittel (23) aufweist, welche insbesondere als Rippen oder Leitbleche ausgebildet sein können.