LEITSCHAUFEL MIT HAKENFÖRMIGEM BEFESTIGUNGSELEMENT FÜR EINE GASTURBINE

Beschreibung

Technisches Gebiet

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

Stand der Technik

[0002] Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung sind bekannt und haben sich im industriellen Einsatz bewährt.
Eine solche Gasturbine, welche in Fachkreisen als GT24/26 bekannt geworden ist, geht beispielsweise aus einem Aufsatz von Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24/GT26 Gasturbine Family", IGTI/ASME 98-GT-220, 1998 Stockholm. Die dortige Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Gasturbine, wobei die dortige Fig. 1 in der vorliegenden Anmeldung als Fig. 1 wiedergegeben ist. Des Weiteren geht eine solche Gasturbine aus EP-B1-0 620 362 hervor.

[0003] Die Leitschaufeln 10 der Fig. 1 haben ein sich in Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 11, das in Strömungsrichtung des Heissgases (parallele Pfeile in Fig. 1) von einer Vorderkante 14 und einer Hinterkante 15 begrenzt ist. In der Längsrichtung wird das Schaufelblatt 11 von einem Schaufelkopf 13 und einer äusseren Deckplatte 12 (bisweilen auch Deckband genannt, wobei dieses Element im folgenden nur noch Deckplatte genannt wird) begrenzt. Der Schaufelkopf 13 begrenzt den ringförmigen Heissgaskanal der Turbine auf der Innenseite und stösst ublicherweise über ein nicht näher gezeigtes Dichtungssegment an die Rotorwelle der Turbine an. Die Deckplatte12 begrenzt mit ihrer Innenseite 19 den Heissgaskanal nach aussen.

[0004] An der Aussenseite der Deckplatte 12, die mit einem Kühlmedium (z. B. Kühlluft) durchströmt ist, sind ein vorderes und hinteres hakenförmiges Befestigungselement 16 bzw. 17 angeformt, die einerseits zur Befestigung der Leitschaufel 10 am inneren Gehäuse der Turbine dienen und andererseits zur Aufnahme und Fixierung von in Strömungsrichtung benachbarten Wärmestausegmenten ("heat shields". Siehe Fig. 2, Pos. 24) zur Verfügung stehen. Hierzu ist am hinteren Befestigungselement 17 eine Aufnahmenut 18 vorgesehen, in die ein Wärmestausegment eingeschoben werden kann. Die Aufnahmenut 18 ist zur Deckplatte 12 hin durch eine horizontale Grundfläche 18' begrenzt, die zusammen mit der schrägen Innenseite 19 dieser Deckplatte 12 im Bereich der Hinterkante 15 einen keilförmigen Abschnitt 19' bildet, der durch ein grosses Materialvolumen charakterisiert ist.

[0005] Der Übergang 21 zwischen der Hinterkante 15 der Leitschaufel 10 und der Deckplatte 12 stellt einen kritischen Bereich für die Lebensdauer der Leitschaufel 10 dar, da sich in ihm eine hohe thermische Belastung einstellt, die sich aus einer thermisch-mechanischen Fehlanpassung zwischen Deckplatte 12 und Schaufelblatt 11 ergibt, wobei dies dazu führt, dass eine Spitze in der mechanischen Spannung, welche aus der Belastung des durch die Heissgasströmung beaufschlagten Schaufelblattes 11 resultiert, überlagert wird. Das oben erwähnte grosse Materialvolumen im keilförmigen Abschnitt 19' oberhalb der Hinterkante 15 führt nun zu einem deutlichen Anstieg der thermischen Spannungen in diesem für die Lebensdauer der Leitschaufel 10 wichtigen Bereich und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer selbst, eingedenk der Tatsache, dass moderne Gasturbinen hohe Temperaturen betreffend die Arbeitsfluide erfordern, die in vielen Fällen jenseits der zulässigen Materialtemperatur wirtschaftlich einsetzbarer Werkstoffe liegen.

Darstellung der Erfindung

[0006] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leitschaufel für Gasturbinen zu schaffen, welche mit äusserst geringen und gezielten Änderungen im Design die geschilderten Nachteile der bisherigen Leitschaufeln vermeidet und sich durch eine deutlich verbesserte Lebensdauer auszeichnet.

[0007] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass an der Deckplatte der Leitschaufel zwischen der Aufnahmenut und der Hinterkante Mittel vorgesehen sind, welche eine Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen im Bereich des Übergangs zwischen Hinterkante und Deckplattegewährleisten. Durch diesen Eingriff direkt an der Deckplatte im Bereich der Hinterkante können dort auf sehr einfache und effiziente Weise die thermischen und mechanischen Belastungen im Hinblick auf die Lebensdauer der Schaufel nachhaltig verbessert werden.

[0008] Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Deckplatte im Bereich zwischen Hinterkante und Aufnahmenut eine reduzierte Materialstärke auf. Durch diese Materialreduktion können wirkungsvoll die durch thermische und mechanische Spannungen hervorgerufenen Belastungen in diesem Bereich minimiert werden.

[0009] Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen eine zwischen Aufnahmenut und Hinterkante in die Deckplatte eingebrachte Hohlkehle, die im wesentlichen parallel zur Innenseite der Deckplatte angeordnet und entgegen der Strömungsrichtung gerichtet ist.

[0010] Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Hinterkante der Schaufel gegenüber dem Befestigungselement in Strömungsrichtung um einen Abstand zurückversetzt ausgebildet ist.

[0011] Die Leitschaufel nach der Erfindung kann mit Vorteil in einer Gasturbine eingesetzt werden.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0012] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen

Fig. 1

in einer Seitenansicht eine Leitschaufel, wie sie bisher in Gasturbinen eingebaut worden ist;

Fig. 2

in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Leitschaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3

einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 2 mit dem Übergang von der Hinterkante des Schaufelblattes zum hinteren Befestigungselement der Leitschaufel.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0013] In Fig. 2 und 3 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Leitschaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Leitschaufel 20 umfasst wiederum ein Schaufelblatt 11 mit Vorderkante 14 und Hinterkante 15, das in Längsrichtung von einem Schaufelkopf 13 und einer Deckplatte 12 begrenzt ist. Die Deckplatte 12 hat auch hier eine in Strömungsrichtung schräg nach aussen geneigte Innenseite 19. Auf der Aussenseite der Deckplatte 12 sind wiederum hakenförmige Befestigungselemente 16 und 17 ausgebildet, wobei am hinteren Befestigungselement 17 auf der hinteren Seite eine Aufnahmenut 22 für ein angrenzendes Wärmestausegment 24 ausgebildet ist.

[0014] Zur Verringerung der thermischen und mechanischen Spannungen zwischen der Hinterkante 15 des Schaufelblattes 11 und der Deckplatte 12 ist nun unterhalb der Aufnahmenut 22 eine im wesentlichen parallel zur Innenseite 19 verlaufende Hohlkehle 23 vorgesehen, die zu einer deutlichen Reduktion der Dicke und damit des Materialvolumens der Deckplatte 12 im Bereich oberhalb der Hinterkante 15 führt. Gleichzeitig ist die Hinterkante 15 in Strömungsrichtung gegenüber dem hinteren Befestigungselement 17 mit einem Abstand a (Fig. 3) nach hinten versetzt wodurch eine weitere thermische und mechanische Entkopplung erreicht wird.

[0015] Insgesamt kann die Lösung gemäss der Erfindung wie folgt charakterisiert werden:

• Eine Hohlkehle 23, die in ihrer Form hinsichtlich der thermisch-mechanischen Anpassung zwischen der Deckplatte 12 und der Hinterkante 15 optimiert ist, reduziert das Materialvolumen oberhalb der Hinterkante 15.
• Die Hohlkehle 23 ist unterhalb der Aufnahmenut 22 angeordnet.
• Die Hinterkante 15 ist gegenüber dem Befestigungselement 17 zurückversetzt, um die thermische Spannung an dem kritischen Übergang zwischen Hinterkante und Deckplatte 12 zu reduzieren.
• Die Hohlkehle 23 wird so dimensioniert, dass die Reduktion des Materialvolumen oberhalb der Hinterkante 15 keine Festigkeitseinbusse am bestimmungsgemässen Gebrauch der Schaufel nach sich zieht.

Bezugszeichenliste

[0016] 

10,20

Leitschaufel (Gasturbine)

11

Schaufelblatt

12

Deckplatte

13

Schaufelkopf

14

Vorderkante

15

Hinterkante

16,17

Befestigungselement (hakenförmig)

18,22

Aufnahmenut (Wärmestausegment)

18'

Grundfläche (Aufnahmenut)

19

Innenseite (äussere Plattform)

19'

Keilförmiger Abschnitt

21

Übergang (Hinterkante-äussere Plattform)

23

Hohlkehle

24

Wärmestausegment

25

Heissgas

a

Abstand

Ansprüche

1. Leitschaufel (20) für eine Gasturbine, welche Leitschaufel (20) ein sich in Schaufellängsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (11) umfasst, das von einer Vorderkante (14) und einer Hinterkante (15) begrenzt ist, sowie eine Deckplatte (12) aufweist, deren Innenseite (19) dem durch die Gasturbine strömenden Heissgas ausgesetzt ist, und an der nach aussen abstehend im Bereich der Hinterkante mindestens ein hakenförmiges Befestigungselement (17) zum Befestigen der Leitschaufel (20) an einem Gehäuse oder an Elementen der Gasturbine vorgesehen ist, wobei das hakenförmige Befestigungselement oberhalb der Hinterkante (15) mindestens eine Aufnahmenut (22) zum Fixieren eines an die äussere Deckplatte (12) der Leitschaufel (20) in Strömungsrichtung des Heissgases anschliessenden Wärmestausegments (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Deckplatte (12) der Leitschaufel (20) zwischen der Aufnahmenut (22) und der Hinterkante (15) des Schaufelblattes (11) eine Hohlkehle (23) entgegen der Strömungsrichtung zur Reduzierung der thermischen und mechanischen Spannungen im Bereich des Übergangs (21) zwischen Hinterkante (15) und Deckplatte (12) eingebracht ist, dass die Deckplatte (12) im Bereich zwischen Hinterkante (15) und Aufnahmenut (22) eine reduzierte Dicke aufweist,
dass der Verlauf der Hohlkehle (23) im Wesentlichen parallel zur Innenseite (19) der Deckplatte (12) ausgebildet ist und dass die Hinterkante (15) in Strömungsrichtung gegenüber dem Befestigungselement (17) um einen Abstand (a) nach hinten versetzt ist.

2. Anwendung der Leitschaufel (20) nach Anspruch 1 für eine Gasturbine.

3. Anwendung der Leitschaufel (20) nach Anspruch 2 für eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung.

Claims

1. Guide vane (20) for a gas turbine, which guide vane (20) comprises a vane blade (11) which extends in the vane longitudinal direction and is delimited by a front edge (14) and a rear edge (15), and a cover plate (12), the inside (19) of which is exposed to the hot gas flowing through the gas turbine and on which at least one hooked fastener (17) is provided protruding outward in the region of the rear edge for fastening the guide vane (20) to a housing or to elements of the gas turbine, wherein above the rear edge (15), the hooked fastener (17) has at least one receiving groove (22) for fixing a heat accumulation segment (24) adjoining the outer cover plate (12) of the guide vane (20) in the flow direction of the hot gas, characterized in that a hollow fillet (23) is provided on the cover plate (12) of the guide vane (20) between the receiving groove (22) and the rear edge (15) of the vane blade (11) against the flow direction, for reducing the thermal and mechanical strains in the area of the transition (21) between the rear edge (15) and the cover plate (12), that the cover plate (12) has a reduced thickness in the region between the rear edge (15) and the receiving groove (22), that the course of the hollow fillet (23) is formed substantially parallel to the inside (19) of the cover plate (12), and that the rear edge (15) is offset to the rear in the flow direction by a distance (a) relative to the fastener (17).

2. Use of the guide vane (20) according to claim 1 for a gas turbine.

3. Use of the guide vane (20) according to claim 2 for a gas turbine with sequential combustion.

Revendications

1. Aube fixe (20) pour une turbine à gaz, laquelle aube fixe (20) comprend une pale (11), qui s'étend dans la direction longitudinale de l'aube et qui est limitée par une arête antérieure (14) et une arête postérieure (15), ainsi qu'une plaque de couverture (12) dont le côté intérieur (19) est exposé au gaz chaud traversant la turbine à gaz, et sur laquelle, en saillie vers l'extérieur dans la zone de l'arête postérieure (15), il est prévu au moins un élément de fixation (17) en forme de crochet pour la fixation de l'aube fixe (20) sur un carter ou sur des éléments de la turbine à gaz, l'élément de fixation en forme de crochet présentant au-dessus de l'arête postérieure (15) au moins une rainure de réception (22) pour la fixation d'un segment d'accumulation de chaleur (24) se raccordant à la plaque de couverture (12) extérieure de l'aube fixe (20) dans la direction d'écoulement du gaz chaud, caractérisée en ce que, sur la plaque de couverture (12) de l'aube fixe (20), entre la rainure de réception (22) et l'arête postérieure (15) de la pale (11), il est mis en place une gorge creuse (23) en sens contraire de la direction d'écoulement pour la réduction des contraintes thermiques et mécaniques dans la zone de la transition (21) entre l'arête postérieure (15) et la plaque de couverture (12), en ce que la plaque de couverture (12) présente une épaisseur réduite dans la zone entre l'arête postérieure (15) et la rainure de réception (22), en ce que le tracé de la gorge creuse (23) est constitué de façon essentiellement parallèle au côté intérieur (19) de la plaque de couverture (12) et en ce que l'arête postérieure (15) est décalée vers l'arrière selon une distance (a) par rapport à l'élément de fixation (17) dans la direction d'écoulement.

2. Utilisation de l'aube fixe (20) selon la revendication 1 pour une turbine à gaz.

3. Utilisation de l'aube fixe (20) selon la revendication 2 pour une turbine à gaz à combustion séquentielle.

Zeichnung