Gekühlte Gasturbinenleitschaufel für eine Gasturbine, Verwendung einer Gasturbinenleitschaufel sowie Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine gekühlte Gasturbinenleitschaufel (30) für eine Gasturbine (1), mit einem hohlen Schaufelprofil (32), welches eine von einem Arbeitsmedium anströmbare Anströmkante (36) umfasst und mit einem im Inneren des Schaufelprofils (32) entlang der Anströmkante (36) verlaufenden Anströmkantenkanal (40) zur Führung eines Kühlmediums. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Gasturbinenleitschaufel (30) und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (1) mit einer vorgenannten Gasturbinenleitschaufel (30). Um mit der Erfindung eine Gasturbinenleitschaufel (30) mit erhöhter Lebensdauer bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass im Anströmkantenkanal (40) ein elektrisches Heizelement (50) vorgesehen ist, welches sich annähernd vollständig über die gesamte Länge des Anströmkantenkanals (40) erstreckt und welches zur Vorerwärmung der Gasturbinenleitschaufel (30) vor dem Betrieb Gasturbine (1) von einem Heizstrom durchflossen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine gekühlte Gasturbinenleitschaufel für eine Gasturbine, mit einem hohlen Schaufelblatt, welches eine von einem Arbeitsmedium anströmbare Anströmkante umfasst und welches einen im Inneren des Schaufelprofils entlang der Anströmkante verlaufenden Anströmkantenkanal zur Führung eines Kühlmediums aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Gasturbinenleitschaufel und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einer vorgenannten Gasturbinenleitschaufel.

[0002] Aus der EP 1 505 256 A2 ist eine gekühlte Turbinenleitschaufel für eine Gasturbine bekannt. Die Turbinenleitschaufel weist eine von einem Heißgas anströmbare Vorderkante eines Schaufelprofils auf. Im Innern erstreckt sich ein quer zur Heißgasrichtung verlaufender Kühlkanal.

[0003] Die Berechnung der maximal zulässigen Lebensdauer derartiger Gasturbinenschaufeln, mit der ein störungsfreier und zuverlässiger Betrieb der Gasturbine gewährleistet ist, erfolgt auch unter Berücksichtigung der Ermüdungslebensdauer bezüglich Kurzzeitschwingfestigkeit (Low-Cycle-Fatigue = LCF). Anhand von theoretischen Modellen und unter Annahmen von Randbedingungen wird die LCF-Lebensdauer bestimmt. Nach Erreichen der maximal zulässigen Lebensdauer wird die Gasturbine geöffnet und die Gasturbinenschaufeln werden visuell und maschinell auf Defekte, wie beispielsweise Risse, untersucht. Mit der Untersuchung soll wird festgestellt, ob ihre weitere Verwendung für ein nächstes Betriebsintervall ohne eine Gefährdung des Gasturbinenbetriebs möglich ist.

[0004] Die Zerlegung der Gasturbine ist aufwändig und führt zu einer unerwünschten Erhöhung der Standzeit. Des Weiteren sind die Untersuchungen zeit- und kostenintensiv, so dass es ein allgemeines Bestreben ist, die Standzeiten der Gasturbine zu verringern und die Lebensdauer der verwendeten und eingesetzten Bauteile zu erhöhen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Gasturbinenleitschaufel mit erhöhter Lebensdauer. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Verwendung einer solchen Gasturbinenleitschaufel sowie die Angabe zweier Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einer Gasturbinenleitschaufel, um deren Lebensdauer zu erhöhen.

[0006] Gelöst wird die auf die Gasturbinenleitschaufel gerichtete Aufgabe durch eine Gasturbinenleitschaufel gemäß dem Patentanspruch 1. Die Erfindung schlägt vor, dass die gattungsgemäße Gasturbinenleitschaufel im Anströmkantenkanal ein elektrisches Heizelement aufweist, welches sich annähernd vollständig über die gesamte Länge des Anströmkantenkanals erstreckt.

[0007] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass besonders stark ansteigende bzw. stark abfallende Temperaturen - auch so genannte Temperaturschocks - im Schaufelmaterial Rissentstehung hervorrufen können und Risswachstum begünstigen, wenn nicht sogar beschleunigen. Die schnellen Temperaturänderungen rufen jeweils thermische Spannungen im Schaufelmaterial hervor, welches viele derartiger Temperaturwechsel und Spannungswechsel standhalten muss. Aufgrund von übermäßig vielen Temperaturwechseln, insbesondere Kaltstarts der Gasturbine, ermüdet das Schaufelmaterial. Bei fortschreitender Einwirkung der Temperaturwechsel und Spannungswechsel können Risse entstehen und weiter wachsen. Überschreiten die Risse eine kritische Länge, oder ist innerhalb einer Flächeneinheit eine zu hohe Anzahl an Rissen mit unkritischer Länge vorhanden, so muss das Bauteil ausgetauscht werden.

[0008] Diese negativen Anzeigen treten umso häufiger auf, je häufiger das heißgasbeaufschlagte Schaufelmaterial schnellen Temperaturänderungen ausgesetzt ist, und umso größer die jeweils zu widerstehenden Temperaturdifferenzen sind.

[0009] Insbesondere während des Kaltstarts der Gasturbine sowie während des Herunterfahrens der Gasturbine treten die größten Temperaturdifferenzen in den heißgasbeaufschlagten Bauteilen auf.

[0010] Den stärksten negativen Einfluss auf die Lebensdauer der Turbinenschaufel hat jedoch die ungeplante Abschaltung der Gasturbine bei Volllast im kritischen Fehlerfall. Diese als Trip bezeichnete Situation verringert signifikant die Lebensdauer der heißgasbeaufschlagten Bauteile, und somit auch die von Gasturbinenschaufeln, da deren Material in diesen Momenten besonders großen Temperaturgradienten und/oder Temperaturschwankungen standhalten muss.

[0011] Hier setzt die Erfindung an. In einer vorzugsweise stationären Gasturbine wird die Lebensdauer der Gasturbinenleitschaufel signifikant erhöht, indem zur Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gemäß Anspruch 5 vor dem Kaltstart der Gasturbine die Gasturbinenleitschaufel vorgeheizt wird. Dazu weist die Gasturbinenschaufel im Anströmkantenkanal ein Heizelement auf, welches sich vollständig über die Länge des Schaufelprofils erstreckt. Das von einem elektrischen Strom durchflossene elektrische Heizelement erwärmt noch vor dem Befeuern der Gasturbine, also während des Vorheizens, die zu Beginn auf Raumtemperatur befindliche Gasturbinenleitschaufel vergleichsweise langsam, so dass die temperaturbedingten thermischen Spannungen im Schaufelmaterial dementsprechend gering gehalten werden können. Der Temperaturanstieg erfolgt vergleichsweise langsam und nicht schnell oder sprunghaft, wie beim bisherigen Starten d.h. Befeuern der Gasturbine. Mit dem Befeuern der Gasturbine wird die Beheizung der Gasturbinenleitschaufel eingestellt.

[0012] Ebenso kann zur Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gemäß Anspruch 8 die Lebensdauer der Gasturbinenleitschaufel vergrößert werden, wenn mit dem Abschalten der Befeuerung der Gasturbine, geplant oder ungeplant bei einer Volllastabschaltung (Trip), die Nachheizung der Gasturbinenleitschaufel begonnen wird. Da während des Betriebes der Gasturbine die Gasturbinenleitschaufel auf ihre maximal zulässige Betriebstemperatur aufgeheizt ist, kann mit dem Nachheizen eine gezielte und gesteuerte Absenkung der Temperatur des Schaufelmaterials erreicht werden. Dadurch wird die Temperaturabsenkdauer gegenüber der bisherigen, normalen Auskühlung der Gasturbinenleitschaufel wesentlich verlängert, so dass die aufgrund der Temperaturabsenkung auftretenden Materialspannungen vergleichsweise gering ausfallen.

[0013] Aufgrund der bei beiden Verfahren erzielbaren Verminderung von thermischen Spannungen kann im Schaufelmaterial Rissentstehung weiter verzögert und Risswachstums verlangsamt werden, verglichen mit bisherigen Gasturbinenschaufel aus dem Stand der Technik. Die somit materialschonenden Verfahren führen zu einer signifikanten Steigerung der Kurzzeitschwingfestigkeit und zu einer Verlängerung der garantiert fehlerunkritischen Lebensdauer der Gasturbinenleitschaufel. Eine mit den Gasturbinenschaufeln bestückte und/oder nach den Verfahren betriebene Gasturbine kann länger zuverlässig und störungsfrei eingesetzt werden, was sich aufgrund der zeitlich nach hinten verschobenen Kontrolluntersuchungen kostenmindernd auswirkt.

[0014] Da die Gasturbinenschaufeln der ersten und zweiten Turbinenstufe den höchsten Betriebstemperaturen standhalten müssen, treten die größten Temperaturdifferenzen auch bei diesen Gasturbinenschaufeln auf. Die Betriebstemperaturen liegen in derart hohen Temperaturbereichen, das insbesondere diese Gasturbinenschaufeln gekühlt werden. Daher ist die Erfindung für gekühlte Gasturbinenschaufeln besonders geeignet. Ungekühlte Gasturbinenschaufeln unterliegen dagegen geringeren Temperaturdifferenzen, so dass der beschriebene Einfluss der Temperaturänderungen zwischen heiß (= Betriebstemperatur des Bauteils) und kalt (= Umgebungstemperatur) geringer ausfällt.

[0015] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0016] Eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Schaufelblatts der Gasturbinenleitschaufel kann erreicht werden, wenn das elektrische Heizelement an der Kanalwand des Anströmkantenkanals anliegt oder zumindest teilweise in der Kanalwand integriert ist. Diese besonders günstige wärmetechnische Kopplung von Heizelement und Kanalwand führt zu einer verlustarmen Beheizung des Materials der Gasturbinenleitschaufel.

[0017] Um eine besonders gleichmäßige Verteilung der von dem Heizelement abgestrahlten Wärmeenergie in das Schaufelmaterial zu gewährleisten, ist das Heizelement als schraubenförmige Heizwendel ausgebildet. Die Heizwendel ist bekannt und kostengünstig verfügbar.

[0018] Um eine ausreichende Erwärmung der Gasturbinenleitschaufel vor dem Starten der Gasturbine zu erzielen, wird die zugeführte Wärmeleistung während des Heizvorgangs erhöht. Dies führt während des Vorheizens zu einer dauerhaften und stetigen Erwärmung des Schaufelmaterials bis zu einem Temperaturwert, dessen Differenz zur Betriebstemperatur der Gasturbinenleitschaufel klein ist gegenüber der Differenz von Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur. Dadurch bauen sich die im Schaufelmaterial auftretenden Materialspannungen langsam und daher materialschonend auf. Wenn anschließend mit dem Starten der Gasturbine die Befeuerung einsetzt, ist der verbleibende Temperaturanstieg gering. Temperaturschocks werden somit vermieden. Auch ist es möglich, mit dem elektrischen Heizelement die Gasturbinenleitschaufel auf einer nahe der Betriebstemperatur liegende Vorhaltetemperatur "warm" zu halten, um eine verkürzte Startphase zu erreichen.

[0019] Während der Nachheizphase wird die der Gasturbinenleitschaufel zugeführte Wärmeleistung stetig abgesenkt, um eine vergleichsweise langsame Absenkung der Temperatur des Schaufelmaterials herbeizuführen, was zu reduzierten thermischen Materialdehnungen und -spannungen führt.

[0020] Insgesamt kann mit der Erfindung die LCF-Ermüdung von Gasturbinenleitschaufeln reduziert werden, was sich positiv auf deren Lebensdauer auswirkt und eine Reduzierung des Betriebsrisikos einer mit solchen Gasturbinenschaufeln ausgerüsteten Gasturbine bewerkstelligt.

[0021] Die Erfindung wird anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:

FIG 1

eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,

FIG 2

eine Gasturbinenleitschaufel mit einer schraubenförmigen Heizwendel und

FIG 3

eine erfindungsgemäße Gasturbinenleitschaufel nach FIG 2 im Querschnitt.

[0022] FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.

[0023] Eine erfindungsgemäße Gasturbinenleitschaufel 30 ist in FIG 2 in einem Längsschnitt dargestellt. Die Gasturbinenschaufel 30 weist ein Schaufelprofil 32 auf, welches sich zwischen zwei Plattformen 34 erstreckt. Die Plattform 34 bildet die radial äußere und innere Begrenzung des Heißgaskanals 18, in welchem beim Betrieb der Gasturbine das Heißgas 11 strömt. Die anströmseitige Vorderkante des Schaufelprofils 32 wird als Anströmkante 36 bezeichnet. Am gegenüberliegenden Ende weist das Schaufelprofil 32 eine Schaufelhinterkante 37 auf, an der das Heißgas 11 abströmt.

[0024] Das Schaufelprofil 32 kann mehrere Hohlräume 38 aufweisen, in die ein durch die Plattformen 34 zugeführtes Kühlmedium 40, vorzugsweise Kühlluft, einströmen und die gegossene Turbinenschaufel 30 kühlen kann. Zur Kühlung können die gängigen Kühlmethoden wie Konvektionskühlung, Prallkühlung und/oder Filmkühlung sowie Effusionskühlung eingesetzt werden.

[0025] Um die Gasturbinenleitschaufel 30 vor dem Kaltstart der Gasturbine 1 vorzuheizen, ist in einem der Hohlräume 38, jedoch vorzugsweise in dem Hohlraum, welcher der Anströmkante 36 nachgeordnet ist, d.h. im Anströmkantenkanal 40, ein elektrisches Heizelement 50 vorgesehen. Das Heizelement 50 erstreckt sich annähernd über die vollständige Länge der Anströmkante 36, d.h. von der radial innen liegenden Plattform 34a zur äußeren Plattform 34b.

[0026] Um eine besonders gleichmäßige Erwärmung der Gasturbinenschaufel 30 zu ermöglichen, ist das Heizelement 50 als schraubenförmige Heizwendel 54 ausgebildet.

[0027] FIG 3 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Gasturbinenschaufel 30 gemäß FIG 2. Im Anströmkantenkanal 42 ist die schraubenförmige Heizwendel 54 angeordnet, welche zur lebensdauerverlängernden Vorerwärmung bzw. Nachbeheizung der Gasturbinenleitschaufel 30 von einem regulierbaren elektrischen Heizstrom durchflossen werden kann. Der elektrische Heizstrom ruft in der Heizwendel 54 eine Wärmestrahlung hervor, die das Material der gegossenen Gasturbinenleitschaufel 30, vorzugsweise das Material des Schaufelprofils 32 und der Plattform 34, vor dem Betrieb der Gasturbine 1 vergleichsweise langsam erwärmt, um die thermomechanischen Materialspannungen in einer für die LCF-Lebensdauer unkritischen Größenordnung anwachsen oder nach dem Betrieb abklingen zu lassen.

[0028] Durch die Vorerwärmung bzw. Nachheizung der Gasturbinenleitschaufel 30 können besonders starke in einem vergleichsweise kurzen Zeitintervall auftretende Temperaturschwankungen, so genannte Temperaturschocks, vermieden werden, was zu einer Erhöhung der Kurzzeitschwingfestigkeit führt und die Rissentstehung bzw. das Risswachstum im Schaufelmaterial wirkungsvoll vermindert.

Ansprüche

1. Gekühlte Gasturbinenleitschaufel (30) für eine Gasturbine (1),
mit einem hohlem Schaufelprofil (32), welches eine von einem Arbeitsmedium anströmbare Anströmkante (36) umfasst, und
mit einem im Inneren des Schaufelprofils (32) entlang der Anströmkante (36) verlaufenden Anströmkantenkanal (40) zur Führung eines Kühlmediums,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Anströmkantenkanal (40) ein elektrisches Heizelement (50) vorgesehen ist, welches sich annähernd vollständig über die gesamte Länge des Anströmkantenkanals (40) erstreckt.

2. Gasturbinenleitschaufel (30) nach Anspruch 1,
bei der das elektrische Heizelement (50) an der Kanalwand des Anströmkantenkanals (40) anliegt oder zumindest teilweise in der Kanalwand integriert ist.

3. Gasturbinenleitschaufel (30) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Heizelement (50) als schraubenförmige Heizwendel (54) ausgebildet ist.

4. Verwendung einer Gasturbinenleitschaufel (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer stationären Gasturbine (1).

5. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (1) mit einer Gasturbinenleitschaufel (30) nach einem der Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Kaltstart der Gasturbine (1) die Gasturbinenleitschaufel (30) vorgeheizt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem während des Heizvorgangs die der Gasturbinenleitschaufel (30) zugeführte Wärmeleistung erhöht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
bei dem die Beheizung vor oder während des Startens der Gasturbine (1) eingestellt wird.

8. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (1) mit einer Gasturbinenleitschaufel (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Abschalten der Gasturbine (1) die Gasturbinenleitschaufel (30) nachgeheizt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
bei dem während des Heizvorgangs die der Gasturbinenleitschaufel (30) zugeführte Wärmeleistung abgesenkt wird.

Zeichnung