CH700686A1

CH700686A1 - Schaufel für eine gasturbine.

Info

Publication number: CH700686A1
Application number: CH00502/09A
Authority: CH
Inventors: Chiara Zambetti; Sergei Riazantsev; Helene M Saxer-Felici
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-09-30
Also published as: RU2543641C2; EP2414640A1; EP2414640B1; WO2010112299A1; RU2011143766A; AU2010230482A1; US20120070309A1; US9464529B2; AU2010230482B2

Abstract

Eine Schaufel (10) für eine Gasturbine umfasst ein Schaufelblatt (11), an dessen oberem Ende ein Deckbandsegment (12) angeordnet ist, welches Deckbandsegment (12) zusammen mit den Deckbandsegmenten der anderen Schaufeln einer Schaufelreihe ein umlaufendes, den Heissgaskanal der Gasturbine begrenzendes Deckband bildet, und welches Deckbandsegment (12) an den Seiten, an denen es an die benachbarten Deckbandsegmente des Deckbandes angrenzt, zur Verbesserung der Abdichtung zum Heissgaskanal mit entlang der Seitenkante verlaufenden, nach oben abstehenden Seitenschienen (16, 17) versehen ist. Bei einer solchen Schaufel wird die Kühlung im Bereich der Seitenschienen (16, 17) dadurch verbessert, dass in den Seitenschienen (16, 17) schienenparallele, nach oben offene Schlitze (23, 24) angeordnet sind, durch welche über das Deckbandsegment (12) aus dem Inneren des Schaufelblattes (11) herangeführte Kühlluft in den Raum oberhalb des Deckbandsegments (12) austritt.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Aus der EP-A1-1 591 625 ist eine Gasturbinenschaufel bekannt, die an der Schaufelspitze mit einem Deckbandsegment ausgestattet ist. Die Deckbandsegmente der Schaufeln einer Schaufelreihe bilden zusammen ein umlaufendes Deckband. An den Seitenkanten, an denen die benachbarten Deckbandsegmente eines Deckbandes zusammenstossen, sind die Deckbandsegmente mit an den Seitenkanten entlang laufenden, nach oben abstehenden Seitenschienen versehen, welche die Dichtigkeit des Deckbandes gegenüber dem Heissgaskanal der Turbine verbessern. Über die Kühlung der Deckbandsegmente bzw. des Deckbandes wird keine Aussage gemacht.

[0003] Aus der DE-A1-19 601 818 ist eine Turbinenschaufelanordnung mit einem Deckband bekannt, bei dem die Deckbandsegmente mit einer umlaufenden Dichtrippe ausgestattet sind, in der ein ebenfalls umlaufender Schlitz vorgesehen ist. Ein im Bodenbereich des Schlitzes dort zugeführter Luftstrom tritt an der Oberkante der Dichtrippe aus und vermischt sich im Spalt zwischen Oberkante und angrenzender Kanalwand mit einem Leckage-Luftstrom. Der in den Schlitz zugeführte Luftstrom kann dabei aus einem Kühlluftstrom gewonnen werden, der durch das Deckbandsegment geführt wird. Im Zentrum der Überlegung steht hier indessen die Reduzierung der Leckageverluste, nicht jedoch die Kühlung des Deckbandsegments.

Darstellung der Erfindung

[0004] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbinenschaufel mit gekühltem Deckbandsegment zu schaffen, bei der die Kühlung der Seitenschienen maximiert wird.

[0005] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass zur Verbesserung der Kühlung im Bereich der Seitenschienen in den Seitenschienen schienenparallele, nach oben offene Schlitze angeordnet sind, durch welche über das Deckbandsegment aus dem Inneren des Schaufelblattes herangeführte Kühlluft in den Raum oberhalb des Deckbandsegments austritt.

[0006] Vorzugsweise wird dies gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass auf der Oberseite des Deckbandsegments eine Mehrzahl von quer zu den Seitenschienen verlaufenden Kühlrohren angeordnet sind, welche von einem zwischen den Seitenschienen angeordneten Mittelstück ausgehen und von dort mit Kühlluft beaufschlagbar sind, und welche in den Seitenschienen enden und mit den Schlitzen in den Seitenschienen in Verbindung stehen.

[0007] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelstück in der Mitte zwischen den Seitenschienen angeordnet ist. Das Mittelstück kann auch versetzt zur Mitte zwischen den Seitenschienen angeordnet sein.

[0008] Insbesondere verlaufen die Kühlrohre parallel zueinander, wobei sich das Mittelstück im Wesentlichen parallel zu den Seitenschienen erstreckt.

[0009] Dabei können die Kühlrohre in Umfangsrichtung des Deckbandes verlaufen. Es ist aber auch denkbar, dass die Kühlrohre schräg zur Umfangsrichtung des Deckbandes verlaufen.

[0010] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlrohre jeweils eine Kühlbohrung aufweisen und zur konvektiven Kühlung des Deckbandsegments ausgebildet sind, und dass die Kühlrohre am Deckbandsegment angeformt sind.

[0011] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre von mit den Deckbandsegmenten aneinander grenzenden Schaufeln auf Lücke angeordnet sind.

[0012] Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Deckbandsegment in axialer Richtung durch sich in Umfangsrichtung erstreckende Wandsegmente begrenzt, wobei die aus den Schlitzen austretende Kühlluft über Kühlbohrungen im Bereich der Wandsegmente und der Seitenschienen zugeführt wird.

[0013] Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Deckbandsegment in axialer Richtung durch sich in Umfangsrichtung erstreckende Wandsegmente begrenzt ist, dass parallel zu den Wandsegmenten ein in der Mitte zwischen den Wandsegmenten angeordnetes Zwischenwandsegment vorgesehen ist, und dass zwischen dem Zwischenwandsegment und den Wandsegmenten in den Seitenschienen jeweils ein Schlitz vorgesehen ist.

[0014] Insbesondere können die Schlitze einer Seitenschiene dabei jeweils durch eine in der Seitenschiene verlaufende Kühlbohrung miteinander verbunden sein.

[0015] Gemäss einer anderen Ausgestaltung gehen von den die Schlitze versorgenden Kühlbohrungen Filmkühlungsbohrungen ab und münden auf der Unterseite des Deckbandsegments in den Heissgaskanal.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0016] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer mit einem Dachsegment mit Kühlbohrungen versehenen Schaufelspitze einer Gasturbinenschaufel;

<tb>Fig. 2<sep>eine zu Fig. 1 vergleichbare Schaufel mit schräg verlaufenden Kühlbohrungen;

<tb>Fig. 3<sep>eine gegenüber Fig. 1vergleichbare Darstellung die mit einem Deckbandsegment mit Schlitzen versehene Schaufelspitze einer Gasturbinenschaufel gemäss einer bevorzugten Ausführung der Erfindung;

<tb>Fig. 4<sep>den Schnitt durch das Deckbandsegment der Schaufel aus Fig. 1 in der Ebene IV-IV, wobei das Mittelstück, von dem die Kühlbohrungen ausgehen, in der Mitte liegt;

<tb>Fig. 5<sep>den Schnitt durch das Deckbandsegment der Schaufel aus Fig. 1 in der Ebene IV-IV, wobei das Mittelstück, von dem die Kühlbohrungen ausgehen, aus der Mitte versetzt ist;

<tb>Fig. 6<sep>den Schnitt durch das Deckbandsegment der Schaufel aus Fig. 3 in der Ebene Vl-Vl, wobei das Mittelstück, von dem die Kühlbohrungen ausgehen, in der Mitte liegt;

<tb>Fig. 7<sep>im Detail eine mögliche Verbindung zwischen zwei benachbarten Deckbandsegmenten gemäss Fig. 6;

<tb>Fig. 8<sep>eine zu Fig. 3 alternative Art, die Schlitze mit Kühlluft zu versorgen;

<tb>Fig. 9<sep>eine in der Draufsicht gezeigte spezielle Anordnung der Kühlbohrungen benachbarter Deckbandsegmente;

<tb>Fig. 10<sep>eine verbreiterte Nut zwischen benachbarten Deckbandsegmenten für den Austritt von Kühlluft;

<tb>Fig. 11<sep>zusätzliche Filmkühlbohrungen, die von den Kühlbohrungen für die Schlitze abgehen;

<tb>Fig. 12<sep>die Verteilung der Filmkühlbohrungen und

<tb>Fig. 13<sep>die Aufteilung der Schlitze bei Anwesenheit eines Zwischenwandsegments.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0017] In Fig. 1, 2, 4und 5ist in perspektivischer Ansicht bzw. im Querschnitt die mit einem Deckbandsegment versehene Schaufelspitze einer Gasturbinenschaufel dargestellt. Die Schaufel 10, von der nur der obere Teil des Schaufelblatts 11 mit dem Deckbandsegment 12 gezeigt ist, hat ein gekühltes Deckbandsegment 12.

[0018] Das im gezeigten Beispiel in der Grundfläche näherungsweise rechteckige Deckbandsegment 12 ist an zwei gegenüberliegenden Seiten durch vergleichsweise hohe Wandsegmente 14 und 15 begrenzt, die zusammen mit den Wandsegmenten der anderen Schaufeln einer vollständigen Schaufelreihe ringförmig umlaufende Wände bilden, zwischen denen sich ein Deckbandhohlraum ausbildet, der gegen das Eindringen von Heissgas aus dem darunter liegenden Heissgaskanal abgedichtet ist. Hierzu sind an den beiden anderen Seiten des Deckbandsegments 12 kantenparallele, nach oben abstehende Seitenschienen 16, 17 ausgebildet, mit denen benachbarte Deckbandsegmente der Schaufelreihe aneinander stossen.

[0019] Zur Kühlung des vom Heissgas beaufschlagten Deckbandsegments 12 sind besondere Massnahmen vorgesehen: In der Mitte zwischen den beiden Seitenschienen 16, 17 (Fig. 4) oder seitlich aus der Mitte versetzt (Fig. 5) ist parallel dazu ein rippenartiges, innen hohles Mittelstück 13 angeordnet, das mit den im Inneren des Schaufelblattes 11 in radialer Richtung verlaufenden Kühlluftkanälen in Verbindung steht. Von dem Mittelstück 13 aus, das parallel oder quasi-parallel zu den Seitenschienen 16, 17 verläuft, erstrecken sich quer zu den Seitenschienen 16, 17 zu beiden Seiten des Mittelstücks auf der Oberseite des Deckbandsegments 12 angeformte Kühlrohre 18 auf die Seitenschienen 16, 17 zu und enden in einem Abstand vor den Seitenschienen 16, 17.

Im Beispiel der Fig. 1 sind auf beiden Seiten des Mittelstücks 13 je vier parallele Kühlrohre 18 vorgesehen, die parallel oder quasi-parallel zu den Wandsegmenten 14, 15 verlaufen. Sie können aber auch schräg zu den Wandsegmenten 14, 15 orientiert sein (Fig. 2).

[0020] Durch den Abstand zwischen dem Rohrende 19 der Kühlrohre 18 und den Seitenschienen 16, 17 entsteht ein Zwischenraum 22. In diesen Zwischenraum 22 strömt die Kühlluft aus, die durch die Kühlbohrungen 21 im Inneren der Kühlrohre 18 fliesst und so konvektiv das Deckbandsegment 12 kühlt. Die durch die Kühlrohre 18 strömende Kühlluft stammt aus der Kühlluftzufuhr 20 im Inneren des Mittelstücks 13, mit der die Kühlbohrungen 21 in Verbindung stehen, und in die von unten ein Kühlluftstrom 25 eintritt.

[0021] Die aus den Kühlrohren 18 in den Zwischenraum 22 austretende Kühlluft strömt von dort in den darüber liegenden Deckbandhohlraum ein, ohne die Seitenschienen 16, 17 intensiv zu kühlen. Hier werden somit Massnahmen implementiert, durch welche die aus einem massiven Material bestehenden Seitenschienen noch besser gekühlt werden, um die thermische Belastung der Seitenschienen zu verringern und thermische Spannungen zwischen den Seitenschienen und dem übrigen Bereich der Deckbandsegmente abzubauen.

[0022] In den Fig. 3 und 6 sind in einer zu Fig. 1 bzw. 4 vergleichbaren Darstellung die mit einem Deckbandsegment versehene Schaufelspitze einer Gasturbinenschaufel gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und der Schnitt durch das Deckbandsegment der Schaufel aus Fig. 3in der Ebene Vl-Vl wiedergegeben.

[0023] Das Deckbandsegment 12 der Schaufel 10 aus Fig. 3 und 6ist im Unterschied zur bisherigen Lösung der Fig. 1 und 4 so ausgestaltet, dass die Seitenschienen 16, 17 nunmehr auch konvektiv gekühlt werden. Dazu sind die Kühlrohre 18 nunmehr unter Aufgabe des Zwischenraums direkt bis zu den Seitenschienen 16, 17 geführt. In die Seitenschienen 16, 17 ist jeweils ein schienenparalleler Schlitz 23, 24 eingebracht, der mit den Kühlbohrungen 21 der Kühlrohre 18 in Verbindung steht. Diese Schlitze können auch quasi-schienenparallel angeordnet sein, was auch für die Schlitze 23.1, 23.2 aus Fig. 13gilt.

[0024] Die durch die Kühlbohrungen 21 strömende Kühlluft tritt in die Schlitze 23, 24 aus und von dort in den Deckbandhohlraum ein. Auf diese Weise werden auch die Seitenschienen 16, 17 auf der Länge der Schlitze 23, 24 auf effektive Weise konvektiv gekühlt, ohne dass ein zusätzlicher, die Effektivität der Turbine beeinträchtigender Kühlluftmassenstrom, erforderlich ist. Die verteilt angeordneten Kühlrohre 18 sorgen dabei dafür, dass die Schlitze 23, 24 über ihre gesamte Länge gleichmässig mit Kühlluft versorgt werden.

[0025] Die Kühlrohre 18 sind bei der in Fig. 3bzw. 6gezeigten Ausführungsform auf der Oberseite des Deckbandsegments 12 (beim Giessen der Schaufel 10) angeformt und haben so eine enge thermische Ankopplung an den Körper des Deckbandsegments 12. In die Kühlrohre 18 sind von aussen die Kühlbohrungen 21 eingebracht, die nach aussen hin wieder verschlossen werden. Die Kühlrohre 18 können dabei parallel zu den Wandsegmenten 14, 15 verlaufen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Sie können aber auch gemäss Fig. 2schräg zu den Wandsegmenten 14,15 orientiert sein. Desgleichen kann das Mittelstück - wie in Fig. 6 gezeigt genau in der Mitte zwischen den Wandsegmenten 14, 15 angeordnet sein. Es kann aber auch analog zu Fig. 5 aus der Mitte versetzt sein.

[0026] Beim Zusammenbau des Schaufelkranzes wird gemäss Fig. 7 zwischen den aneinander stossenden Deckbandsegmenten benachbarter Schaufeln 10a und 10b mit ihren Kühlbohrungen 21a und 21 b und ihren Schlitzen 24a und 23b eine streifenförmige Dichtung 26 eingefügt, die das Eindringen der Heissgase vom Heissgaskanal in den Deckbandhohlraum verhindert bzw. behindert.

[0027] Anstelle der oder zusätzlich zu den Kühlrohre(n) 18 mit den Kühlbohrungen 21 können in den Wandsegmenten 14, 15 bzw. den Seitenschienen 16, 17 Kühlbohrungen 27, 28 (siehe auch Fig. 8) eingebracht sein, durch die Kühlluft zu den Schlitzen gelangt und gleichzeitig noch eine konvektive Kühlung der verdickten Deckbandbereiche bewirkt. Von diesen Kühlbohrungen können dann - wie in Fig. 11 gezeigt - Filmkühlungsbohrungen 30 abgehen, die in den unterhalb des Deckbandsegments liegenden Heissgaskanal münden und dort eine Filmkühlung der Deckbandunterseite bewirken. Dies gilt gemäss Fig. 12 auch für die Kühlbohrungen 21.

Eine in den Seitenschienen 16,17 verlaufende Kühlbohrung 28 kann gemäss Fig. 13auch zwei getrennte Schlitze 32.1 und 23.2 untereinander verbinden, wenn das Deckbandsegment mit einem parallel zwischen den Wandsegmenten 14, 15 angeordneten Zwischenwandsegment 31 versehen ist.

[0028] Weiterhin kann gemäss Fig. 10zwischen den aneinander grenzenden Deckbandsegmenten benachbarter Schaufeln 10a und 10b mit ihren Seitenschienen 17a und 16b ein erweiterter nutförmiger Zwischenraum 29 vorgesehen werden, der mit Kühlluft aus den Kühlbohrungen 21a, 21b aufgefüllt wird und so das Eindringen von Heissgasen unterbindet. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall für eine gleichmässige Füllung, wenn die Kühlrohre 18a, 18b dann gemäss Fig. 9 "auf Lücke" gegenüber der benachbarten Schaufel angeordnet sind.

Bezugszeichenliste

[0029]
<tb>10, 10<sep>Schaufel (Gasturbine)

<tb>10a, b<sep>Schaufel (Gasturbine)

<tb>11<sep>Schaufelblatt

<tb>12, 12<sep>Deckbandsegment

<tb>13<sep>Mittelstück

<tb>13a, b<sep>Mittelstück

<tb>14, 15<sep>Wandsegment

<tb>16, 17<sep>Seitenschiene

<tb>17a, 16b<sep>Seitenschiene

<tb>18, 18<sep>Kühlrohr

<tb>19<sep>Rohrende

<tb>20<sep>Kühlluftzufuhr

<tb>21, 27, 28<sep>Kühlbohrung

<tb>22<sep>Zwischenraum

<tb>23, 24<sep>Schlitz

<tb>23b, 24a<sep>Schlitz

<tb>23.1, 23.2<sep>Schlitz

<tb>25<sep>Kühlluftstrom

<tb>26<sep>Dichtung

<tb>29<sep>Zwischenraum

<tb>30<sep>Filmkühlbohrung

<tb>31<sep>Zwischenwandsegment

Claims

1. Schaufel (10) für eine Gasturbine, umfassend ein Schaufelblatt (11), an dessen oberem Ende ein Deckbandsegment (12) angeordnet ist, welches Deckbandsegment (12) zusammen mit den Deckbandsegmenten der anderen Schaufeln einer Schaufelreihe ein ringförmiges, den Heissgaskanal der Gasturbine begrenzendes Deckband bildet, und welches Deckbandsegment (12) an den Seiten, an denen es an die benachbarten Deckbandsegmente des Deckbandes angrenzt, zur Verbesserung der Abdichtung zum Heissgaskanal mit entlang der Seitenkante verlaufenden, nach oben abstehenden Seitenschienen (16, 17) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Maximierung der Kühlung im Bereich der Seitenschienen (16, 17) in den Seitenschienen (16, 17) schienenparallele oder quasi-schienenparallele, nach oben offene Schlitze (23, 24;

23.1, 23.2) angeordnet sind, durch welche über das Deckbandsegment (12) aus dem Inneren des Schaufelblattes (11) herangeführte Kühlluft in den Raum oberhalb des Deckbandsegments (12) austritt.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Deckbandsegments (12) eine Mehrzahl von quer zu den Seitenschienen (16, 17) verlaufenden Kühlrohren (18) angeordnet sind, welche von einem zwischen den Seitenschienen (16, 17) angeordneten Mittelstück (13) ausgehen und von dort mit Kühlluft beaufschlagbar sind, und welche in den Seitenschienen (16, 17) enden und mit den Schlitzen (23, 24) in den Seitenschienen (16, 17) in Verbindung stehen.

3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelstück (13) in der Mitte zwischen den Seitenschienen (16, 17) angeordnet ist.

4. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelstück (13) versetzt zur Mitte zwischen den Seitenschienen (16, 17) angeordnet ist.

5. Schaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (18) parallel oder quasi-parallel zueinander verlaufen, und dass das Mittelstück (13) sich im wesentlichen parallel oder quasi-parallel zu den Seitenschienen (16, 17) erstreckt.

6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (18) in Umfangsrichtung des Deckbandes verlaufen.

7. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (18) schräg zur Umfangsrichtung des Deckbandes verlaufen.

8. Schaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (18) jeweils eine Kühlbohrung (21) aufweisen und zur konvektiven Kühlung des Deckbandsegments (12) ausgebildet sind.

9. Schaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (18) am Deckbandsegment (12) angeformt sind.

10. Schaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (18a, 18b) von mit den Deckbandsegmenten aneinander grenzenden Schaufeln 10a, 10b) auf Lücke angeordnet sind.

11. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckbandsegment (12) in axialer Richtung durch sich in Umfangsrichtung erstreckende Wandsegmente (14, 15) begrenzt ist, und dass die aus den Schlitzen (23, 24; 23.1, 23.2) austretende Kühlluft über Kühlbohrungen (27, 28) im Bereich der Wandsegmente (14, 15) und der Seitenschienen (16, 17) zugeführt wird.

12. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckbandsegment (12) in axialer oder quasi-axialer Richtung durch sich in Umfangsrichtung erstreckende Wandsegmente (14, 15) begrenzt ist, dass parallel oder quasi parallel zu den Wandsegmenten (14, 15) ein in der Mitte zwischen den Wandsegmenten (14, 15) angeordnetes Zwischenwandsegment (31) vorgesehen ist, und dass zwischen dem Zwischenwandsegment (31) und den Wandsegmenten (14, 15) in den Seitenschienen (16, 17) jeweils ein Schlitz (23.1, 23.2) vorgesehen ist.

13. Schaufel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (23.1., 23.2) einer Seitenschiene jeweils durch eine in der Seitenschiene verlaufende Kühlbohrung (28) miteinander verbunden sind.

14. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass von dem die Schlitze (23, 24) versorgenden Kühlbohrungen (21, 27, 28) Filmkühlungsbohrungen (30) abgehen und auf der Unterseite des Deckbandsegments (12) in den Heissgaskanal münden.