WO2009000802A2 - Leitschaufel für eine gasturbine - Google Patents

Leitschaufel für eine gasturbine Download PDF

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    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous

Definitions

  • the invention relates to a guide blade for a gas turbine, in particular a guide blade with a cover plate, according to the preamble of claim 1.
  • a plurality of stationary vanes are used, which are arranged in a turbine part along the circumference in rows. Since such guide vanes are exposed to the action of the hot gas flowing out of the combustion part and high pressure, high voltages can be generated in the guide vanes and in the cover plates during operation.
  • the cover plate is located between a hot gas flow and a space filled with cooling air. In order to seal this space from the hot gas stream, usually the cover plate has side walls which are each provided with a groove extending in the longitudinal direction of the cover plate. The grooves of two circumferentially adjacent cover plates receive a sealing plate extending between the cover plates.
  • the present invention has for its object to provide a guide vane for a gas turbine with a cover plate with an improved construction, which avoids the problems mentioned, that is, a construction that the stress concentrations in the trailing edge of the guide vane and in the cover plate in the region of the trailing edge of the Guide vane reduced.
  • a vane has a leading edge and a trailing edge and a cover plate extending at least between the leading edge and the trailing edge.
  • the cover plate has extending in the longitudinal direction of the gas turbine and extending substantially radially first and second side walls.
  • the first side wall is provided, at least in the region of the rear edge, with a groove extending in the longitudinal direction of the cover plate for receiving a sealing plate, the first side wall of the cover plate having a recess extending from the groove in the region of the rear edge.
  • the recess in the cover plate in the region of the trailing edge of the vane reduces the stress concentrations in the trailing edge of the vane and in the cover plate in the region of the trailing edge of the vane. This reduces the fatigue of the material at low load cycles and the creep speed in these areas.
  • the depth of the recess in the circumferential direction of the gas turbine is substantially equal to the depth of the groove.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a guide blade with a cover plate according to an advantageous embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a side view of a guide blade with a cover plate according to an advantageous embodiment of the invention
  • Figure 3 shows the relationship between the vane trailing edge and the
  • FIG. 4 shows a section through the cover plate in FIG. 2 along the line A--
  • Figure 5 is a side view of a vane with a cover plate after the
  • Figure 6 shows the relationship between the vane trailing edge and the groove in the prior art cover plate.
  • FIGS. 5 and 6 show a guide blade 1 with a cover plate 2 according to the prior art.
  • a plurality of such stationary vanes 1 are used, which are arranged in a turbine part along the circumference in rows.
  • the vane 1 has a front edge 12 and a rear edge 8, wherein the cover plate 2 extends at least between the front edge 12 and the rear edge 8.
  • the cover plate 2 extends in the longitudinal direction of the gas turbine and extending substantially radially extending first and second side walls 5, 6.
  • the cover plate 2 is located in the radial direction between a hot gas stream 3 and a space filled with cooling air 4.
  • the side walls 5, 6 are each provided with a groove 7 extending in the longitudinal direction of the cover plate.
  • the grooves 7 of two circumferentially adjacent cover plates 2 receive a sealing plate extending between the cover plates 2.
  • a groove 7 extends in the longitudinal direction of the gas turbine at least in the region of a trailing edge 8 of the guide vane 1 and the distance in the circumferential direction of the gas turbine between the trailing edge 8 of the guide vane 1 and the groove 7 may be very small, which is apparent from the Figure 6, the a section through a radially outer portion of the blade portion and a partial view in the region of the groove 7 shows simultaneously.
  • a guide blade 1 In operation, since the guide blade 1 is exposed to the action of the hot gas 3 flowing out of the combustion chamber and high pressure, stress concentrations occur in the trailing edge region of the guide blade 1 and in the cover plate 2 in the region of the trailing edge of the guide blade. These stress concentrations in the region within the circle 9 in Figure 6, the life of the vane 1 is considerably shortened.
  • a guide blade 1 In FIGS. 5 and 6, a guide blade 1 is provided with a radially outer cover plate 2.
  • the guide vane 1 can also have a radially inner cover plate, which is provided in a similar manner with a provided in the longitudinal direction of the cover plate groove, wherein in operation stress concentrations in the trailing edge region of the guide vane 1 and in the radially inner cover plate in the region of the trailing edge 8 of the guide vane 1 may also arise.
  • FIG. 1 shows a guide blade 1 with a cover plate 2 according to a preferred embodiment of the invention. Identical components are provided with the same reference numerals. According to the invention, a first side wall 5 of the cover plate 2 in the region of a trailing edge 8 has a recess 10 extending from a groove 7.
  • the recess 10 is located in the longitudinal direction of the cover plate 2 substantially opposite to the trailing edge 8.
  • the recess 10 extends substantially at right angles to the groove 7 radially outwardly. In particular, therefore, only the first side wall 5 has such a recess 10.
  • the recess 10 in the radial direction opposite side of the cover plate 2 may be provided with an increase 1 1, wherein the recess 10 is provided in the longitudinal direction of the cover plate 2 in the region of the increase 1 1.
  • the recess 10 can be in the longitudinal direction of the cover plate 2 in the region of the downstream end of the elevation 1 1.
  • the distance between the trailing edge 8 and the recess 10 in the circumferential direction of the gas turbine can be less than the depth of the groove 7 or the depth of the groove 7 same.
  • the recess 10 but the stress concentrations are reduced in this area and reduces the fatigue of the material at low load cycles and creeping speed.
  • the depth of the recess 10 in the circumferential direction of the gas turbine is substantially equal to the depth of the groove 7, as shown in FIG is.
  • the width of the recess 10 in the longitudinal direction of the cover plate 2 is advantageously between once to three times their depth and the profile of the recess is preferably formed substantially rectangular.
  • the profile can take a different shape, for example, with side walls which extend obliquely to the longitudinal direction of the cover plate 2.
  • the guide vane is provided with a radially outer cover plate 2.
  • the vane can also have a radially inner cover plate (not shown) similarly provided with a groove 7 provided in the longitudinal direction of the cover plate, with stress concentrations in the trailing edge region of the vane and in the radially inner cover plate in the region of the trailing edge of the vane in operation Guide vane can also arise.
  • a first side wall of the radially inner cover plate in the region of the trailing edge 8 may have a recess extending radially inward from the groove 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel (1) für eine Gasturbine mit einer Vorderkante (12) und einer Hinterkante (8) und einer zumindest zwischen der Vorderkante und der Hinterkante verlaufenden Deckplatte (2). Die Deckplatte weist im Wesentlichen sich radial und in Längsrichtung der Gasturbine erstreckende erste und zweite Seitenwände auf (5, 6). Die erste Seitenwand (5) zumindest im Bereich der Hinterkante ist mit einer in Längsrichtung der Deckplatte verlaufenden Nut (7) zur Aufnahme einer Dichtungsplatte versehen, wobei die erste Seitenwand der Deckplatte im Bereich der Hinterkante eine sich von der Nut aus erstreckende Aussparung (10) aufweist.

Description

Leitschaufel für eine Gasturbine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Gasturbine, insbesondere eine Leitschaufel mit einer Deckplatte, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bei einer Gasturbine wird eine Vielzahl von feststehenden Leitschaufeln verwendet, welche in einem Turbinenteil entlang des Umfangs in Reihen angeordnet sind. Da solche Leitschaufeln der Einwirkung des aus dem Verbrennungsteil ausströmenden Heißgases und hohem Druck ausgesetzt sind, kann im Betrieb hohe Spannungen in den Leitschaufeln und in den Deckplatten entstehen. Die Deckplatte befindet sich zwischen einem Heißgasstrom und einem mit Kühlluft gefüllten Raum. Um diesen Raum von dem Heißgasstrom abzudichten, weist üblicherweise die Deckplatte Seitenwände auf, die jeweils mit einer in Längsrichtung der Deckplatte verlaufenden Nut vorgesehen sind. Die Nuten von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Deckplatten nehmen eine sich zwischen den Deckplatten erstreckende Dichtungsplatte auf. Es ist möglich, dass der Abstand in Umfangsrichtung der Gasturbine zwischen einer Hinterkante der Leitschaufel und der Nut sehr klein ist, was im Betrieb zu beträchtlichen Spannungskonzentrationen, insbesondere in der Hinterkante der Leitschaufel und in der Deckplatte im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel, führen kann. Durch die Spannungskonzentrationen wird die Lebensdauer der Leitschaufel beträchtlich verkürzt.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufel für eine Gasturbine mit einer Deckplatte mit einer verbesserten Konstruktion bereitzustellen, die die genannten Probleme vermeidet, das heißt eine Konstruktion, die die Spannungskonzentrationen in der Hinterkante der Leitschaufel und in der Deckplatte im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel vermindert.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Leitschaufel für eine Gasturbine mit einer Deckplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leitschaufel ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß weist eine Leitschaufel eine Vorderkante und eine Hinterkante und eine zumindest zwischen der Vorderkante und der Hinterkante verlaufenden Deckplatte auf. Die Deckplatte weist in Längsrichtung der Gasturbine sich erstreckende und im Wesentlichen radial verlaufende erste und zweite Seitenwände auf. Die erste Seitenwand ist zumindest im Bereich der Hinterkante mit einer in Längsrichtung der Deckplatte verlaufenden Nut zur Aufnahme einer Dichtungsplatte versehen, wobei die erste Seitenwand der Deckplatte im Bereich der Hinterkante eine sich von der Nut aus erstreckenden Aussparung aufweist. Die Aussparung in der Deckplatte im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel reduziert die Spannungskonzentrationen in der Hinterkante der Leitschaufel und in der Deckplatte im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel. Dadurch werden die Ermüdung des Materials bei niedriger Lastspielzahl und die Kriechgeschwindigkeit in diesen Bereichen reduziert.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung gleicht die Tiefe der Aussparung in Umfangsrichtung der Gasturbine im Wesentlichen der Tiefe der Nut. Dadurch wurde im Betrieb eine beträchtliche Verminderung der Stresskonzentrationen im Hinterkantenbereich der Leitschaufel und in der Deckplatte im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel festgestellt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel mit einer Deckplatte gemäß einer vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 eine Seitenansicht einer Leitschaufel mit einer Deckplatte gemäß einer vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung, Figur 3 das Verhältnis zwischen der Leitschaufelhinterkante und der
Aussparung gemäß einer vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4 einen Schnitt durch die Deckplatte in Figur 2 im entlang der Linie A-
A,
Figur 5 eine Seitenansicht einer Leitschaufel mit einer Deckplatte nach dem
Stand der Technik,
Figur 6 die Beziehung zwischen der Leitschaufelhinterkante und der Nut in der Deckplatte nach dem Stand der Technik.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In den Figuren 5 und 6 ist eine Leitschaufel 1 mit einer Deckplatte 2 nach dem Stand der Technik dargestellt. Bei einer Gasturbine wird eine Vielzahl von solchen feststehenden Leitschaufeln 1 verwendet, welche in einem Turbinenteil entlang des Umfangs in Reihen angeordnet sind.
Die Leitschaufel 1 weist eine Vorderkante 12 und eine Hinterkante 8 auf, wobei die Deckplatte 2 zumindest zwischen der Vorderkante 12 und der Hinterkante 8 verläuft. An der radialen Außenseite der Deckplatte 2 sind Halterungselementen 13 angeordnet, die zur Positionierung der Leitschaufel 1 in radialer Richtung und in Umfangsrichtung dienen. Außerdem weist die Deckplatte 2 sich in Längsrichtung der Gasturbine erstreckende und im Wesentlichen radial verlaufende erste und zweite Seitenwände 5, 6 auf.
Die Deckplatte 2 befindet sich in radialer Richtung zwischen einem Heißgasstrom 3 und einem mit Kühlluft gefüllten Raum 4. Um diesen Raum 4 von dem Heißgasstrom abzudichten, sind die Seitenwände 5, 6 jeweils mit einer in Längsrichtung der Deckplatte 2 verlaufenden Nut 7 versehen. Die Nuten 7 von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Deckplatten 2 nehmen eine sich zwischen den Deckplatten 2 erstreckende Dichtungsplatte auf.
Eine Nut 7 erstreckt sich in Längsrichtung der Gasturbine zumindest im Bereich einer Hinterkante 8 der Leitschaufel 1 und der Abstand in Umfangsrichtung der Gasturbine zwischen der Hinterkante 8 der Leitschaufel 1 und der Nut 7 kann sehr klein sein, was aus der Figur 6 ersichtlich ist, die einen Schnitt durch einen radial äußeren Bereich des Schaufelabschnitts und eine Teilansicht im Bereich der Nut 7 gleichzeitig zeigt.
Da die Leitschaufel 1 im Betrieb der Einwirkung des aus dem Verbrennungskammer ausströmenden Heißgases 3 und hohem Druck ausgesetzt sind, entstehen Spannungskonzentrationen im Hinterkantenbereich der Leitschaufel 1 und in der Deckplatte 2 im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel. Durch diese Spannungskonzentrationen im Bereich innerhalb des Kreises 9 in Figur 6 wird die Lebensdauer der Leitschaufel 1 beträchtlich verkürzt. In den Figuren 5 und 6 wird eine Leitschaufel 1 mit einer radial äußeren Deckplatte 2 versehen. Die Leitschaufel 1 kann aber auch eine radial innere Deckplatte aufweisen, die auf ähnliche Weise mit einer in Längsrichtung der Deckplatte versehenen Nut versehen ist, wobei im Betrieb Spannungskonzentrationen im Hinterkantenbereich der Leitschaufel 1 und in der radial inneren Deckplatte im Bereich der Hinterkante 8 der Leitschaufel 1 ebenfalls entstehen können.
In der Figur 1 ist eine Leitschaufel 1 mit einer Deckplatte 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Erfindungsgemäß weist eine erste Seitenwand 5 der Deckplatte 2 im Bereich einer Hinterkante 8 eine sich von einer Nut 7 aus erstreckenden Aussparung 10 auf.
In der vorteilhaften Ausführungsform liegt die Aussparung 10 in Längsrichtung der Deckplatte 2 im Wesentlichen gegenüber der Hinterkante 8. Vorzugsweise erstreckt sich die Aussparung 10 im Wesentlichen rechtwinkelig zur Nut 7 radial auswärts. Insbesondere weist somit nur die erste Seitenwand 5 eine derartige Aussparung 10 auf.
Die der Aussparung 10 in radialer Richtung gegenüberliegende Seite der Deckplatte 2 kann mit einer Erhöhung 1 1 versehen sein, wobei die Aussparung 10 in Längsrichtung der Deckplatte 2 im Bereich der Erhöhung 1 1 vorgesehen ist. Insbesondere kann sich die Aussparung 10 in Längsrichtung der Deckplatte 2 im Bereich des stromabwärtigen Endes der Erhöhung 1 1 befinden.
Wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, die einen Schnitt durch einen radial äußeren Bereich des Schaufelabschnitts und eine Teilansicht im Bereich der Nut 7 gleichzeitig zeigt, kann der Abstand zwischen der Hinterkante 8 und der Aussparung 10 in Umfangsrichtung der Gasturbine weniger als die Tiefe der Nut 7 sein oder der Tiefe der Nut 7 gleichen. Durch die Aussparung 10 werden aber die Spannungskonzentrationen in diesem Bereich abgebaut und die Ermüdung des Materials bei niedriger Lastspielzahl und die Kriechgeschwindigkeit reduziert. Vorzugsweise gleicht die Tiefe der Aussparung 10 in Umfangsrichtung der Gasturbine im Wesentlichen der Tiefe der Nut 7, wie aus der Figur 3 ersichtlich ist. Die Breite der Aussparung 10 in Längsrichtung der Deckplatte 2 beträgt vorteilhaft zwischen einmal bis dreimal deren Tiefe und das Profil der Aussparung ist vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Das Profil kann aber eine andere Form aufnehmen z.B. mit Seitenwänden, die schräg zur Längsrichtung der Deckplatte 2 verlaufen.
In den Figuren 1 bis 4 wird die Leitschaufel mit einer radial äußeren Deckplatte 2 versehen. Die Leitschaufel kann aber auch eine radial innere Deckplatte (nicht gezeigt) aufweisen, die auf ähnliche Weise mit einer in Längsrichtung der Deckplatte versehenen Nut 7 versehen ist, wobei im Betrieb Spannungskonzentrationen im Hinterkantenbereich der Leitschaufel und in der radial inneren Deckplatte im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel ebenfalls entstehen können. In diesem Fall, einer ersten Seitenwand der radial inneren Deckplatte im Bereich der Hinterkante 8 kann eine sich von der Nut 7 aus radial einwärts erstreckende Aussparung aufweisen.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Insbesondere im Hinblick auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele entnimmt ihr der Fachmann, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen in Gestalt und Einzelheiten gemacht werden können, ohne von dem Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung nicht einschränkend sein. Stattdessen soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung den Umfang der Erfindung veranschaulichen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.
Bezugszeichenliste
Leitschaufel
Deckplatte
Heißgasstrom
Raum erste Seitenwand zweite Seitenwand
Nut
Hinterkante
Kreis
Aussparung
Erhöhung
Vorderkante
Halterungselement

Claims

Patentansprüche
1. Leitschaufel für eine Gasturbine mit einer Vorderkante (12) und einer Hinterkante (8) und einer zumindest zwischen der Vorderkante und der Hinterkante (8) verlaufenden Deckplatte (2), die sich im Wesentlichen radial und in Längsrichtung der Gasturbine erstreckende erste und zweite Seitenwände (5, 6) aufweist, wobei zumindest die erste Seitenwand (5) zumindest im Bereich der Hinterkante (8) mit einer in Längsrichtung der Deckplatte (2) verlaufenden Nut (7) zur Aufnahme einer Dichtungsplatte versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenwand (5) der Deckplatte (2) im Bereich der Hinterkante (8) eine sich von der Nut (7) aus erstreckende Aussparung (10) aufweist.
2. Leitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Aussparung (10) in Umfangsrichtung der Gasturbine im Wesentlichen der Tiefe der Nut (7) gleicht.
3. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (10) in einer radial äußeren Deckplatte (2) der Leitschaufel vorgesehen ist.
4. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (10) im Wesentlichen rechtwinkelig zur Nut (7) radial auswärts erstreckt.
5. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (10) in Längsrichtung der Deckplatte (2) im Wesentlichen gegenüber der Hinterkante (8) liegt.
6. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Hinterkante (8) und der Aussparung (10) in Umfangsrichtung der Gasturbine kleiner als die Tiefe der Nut (7) ist oder gleich der Tiefe der Nut (7) ist.
7. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Aussparung (10) in Längsrichtung der Deckplatte (2) zwischen einmal bis dreimal deren Tiefe beträgt.
8. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Aussparung (10) rechteckig ausgebildet ist.
9. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Aussparung (10) gegenüberliegende Seite der Deckplatte (2) mit einer Erhöhung versehen ist, die im Bereich der Aussparung (10) vorgesehen ist.
10. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (10) in einer radial inneren Deckplatte (2) der Leitschaufel vorgesehen ist, wobei sich die Aussparung im Wesentlichen rechtwinklig zur Nut (7) radial einwärts erstreckt.
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