SCHAUFEL FÜR EINE GASTURBINE

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus GB 22 98 246 bekannt.

Stand der Technik

[0002] Die am Rotor befestigten Laufschaufeln von Gasturbinen, die in der Turbine dem Heissgasstrom ausgesetzt sind, sind häufig an der Schaufelspitze mit einem Deckbandsegment ausgerüstet, welches zusammen mit den Deckbandsegmenten der anderen Schaufeln einer Schaufelreihe ein konzentrisch zur Rotorachse liegendes, ringförmiges Deckband bildet. Durch das Deckband wird einerseits die Schaufelreihe mechanisch stabilisiert. Andererseits wird der Nebenstrom des Heissgases über die Schaufelspitze reduziert und somit der aerodynamische Wirkungsgrad erhöht. Derartige Deckbandsegmente und Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Kühlung sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt (siehe z.B. die EP-A2-1 041 247 oder die EP-A1-1 591 626 oder die GB-A-2 434 842).

[0003] Einige dieser Deckbandsegmente sind mit Erweiterungen des Segmentbodens vor der ersten Rippe an der Vorderkante des Schaufelblattes ausgestattet, die als "Winglet" bezeichnet wird. Eine solche Schaufel ist in Fig. 1 ausschnittweise wiedergegeben: Die Schaufel 10 der Fig. 1 umfasst ein sich in einer Schaufellängsrichtung (entspricht der radialen Richtung am Rotor) erstreckendes Schaufelblatt 11 mit einer Vorderkante 13 und einer Hinterkante 12. Das Schaufelblatt 11 endet in einer Schaufelspitze 14 und geht an der Schaufelspitze 14 in ein Deckbandsegment 16 über. Auf der Oberseite des flachen Deckbandsegments 16 befinden sich nach oben abstehend zwei quer zur Strömungsrichtung des Heissgasstroms 21 verlaufende Rippen 17 und 18, die zusammen mit den entsprechenden Rippen der anderen Schaufeln einer Schaufelreihe jeweils einen umlaufenden Ring bilden.

[0004] Vor der in Strömungsrichtung ersten Rippe 18 ist der Boden des Deckbandsegments 16 nach vorne (stromaufwärts) ausgedehnt, der ein im Bereich der Vorderkante 13 des Schaufelblattes 11 liegendes Winglet 19 bildet, das nach vorne zu durch eine leicht gerundete Vorderkante 24 begrenzt ist.

[0005] Das Winglet 19 ist vorgesehen, um Heissgas daran zu hindern, direkt über die erste Rippe 18 hinweg in den zwischen den beiden Rippen 17 und 18 gebildeten Hohlraum oberhalb des Deckbandes einzudringen. Da das Winglet 19 direkt in den Heissgastrom 21 hineinragt, ist es hohen Temperaturen ausgesetzt. Hierdurch verschlechtern sich die Materialeigenschaften und es entstehen (wegen der Fehlanpassung in den Metalltemperaturen zwischen dem ungekühlten Winglet 19 und dem gekühlten Hauptvolumen des Deckbandsegments 16) hohe thermische Spannungen am Winglet 19.

[0006] Bisher wurde versucht, die Temperatur am Winglet dadurch zu verringern, dass man einen beträchtlichen Kühlluftmassenstrom im Bereich der Schaufelspitze 14 in den Heissgasstrom 21 eindüste, um so lokal die Temperatur des strömenden Mediums um das Winglet herum zu reduzieren. Diese sehr indirekte Kühlung ist jedoch nur begrenzt wirksam, schwer zu dosieren und beeinträchtigt durch den vergleichsweise grossen, injizierten Kühlluftmassenstrom den Wirkungsgrad der Anordnung.

Darstellung der Erfindung

[0007] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine mit einem Winglet ausgerüstet Schaufel für eine Gasturbine zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und sich insbesondere durch eine wirksame, hocheffiziente und den Wirkungsgrad möglichst wenig beeinträchtigende Kühlung des Winglets auszeichnet.

[0008] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass Mittel zum direkten Kühlen des Winglets vorgesehen sind. Hierdurch lassen sich die thermischen Spannungen im Bereich der Vorderkante der Schaufel am Deckbandsegment reduzieren, ohne dass übermässig viel vom Kühlfluid in den Heissgasstrom ausgeblasen werden muss.

[0009] Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zum direkten Kühlen des Winglets eine Mehrzahl von im Inneren des Winglets verlaufenden Kühlbohrungen. Durch die Kühlbohrung wird eine gezielte Kühlung aller wichtigen Bereiche des Winglets bei gleichzeitig intensivem Kontakt zwischen Kühlmedium und Winglet und minimalem Einsatz von Kühlmedium ermöglicht. Insbesondere weist das Winglet eine dem Heissgasstrom zugewandte Vorderkante auf, und die Kühlbohrungen sind bis zur Vorderkante des Winglets geführt.

[0010] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlbohrungen schräg zur Strömungsrichtung des Heissgasstromes angeordnet sind, wobei insbesondere die Kühlbohrungen auf beiden Seiten an der Vorderkante des Schaufelblattes vorbeigeführt sind. Hierdurch werden die thermischen Gradienten verringert, und die Bohrungen enden nicht nahe oder direkt an der Vorderkante, die mechanisch stark beansprucht ist.

[0011] Die Kühlbohrungen stehen dabei zur Versorgung mit einem Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, vorzugsweise mit dem Innenraum des Schaufelblattes in Verbindung.

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 unwesentliche Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen

Fig. 1

in einer perspektivischen Seitenansicht den oberen Teil einer schematisch dargestellten Gasturbinenschaufel mit Deckbandsegment und am Deckbandsegment angebrachten Winglet, wie sie Gegenstand der Erfindung ist und

Fig. 2

in der Draufsicht von oben die Anordnung der Kühlbohrungen in dem Winglet bei einer Schaufel der in Fig. 1 gezeigten Art gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0013] Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, das Winglet an der Vorderseite eines Deckbandsegments einer Gasturbinenschaufel dadurch direkt zu kühlen, dass in dem Winglet gemäss Fig. 2 Kühlbohrungen 22, 23 verlegt werden, durch die eine Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, strömt und das Winglet 19 effizient von innen heraus kühlt. Die schräg angeordneten Kühlbohrungen 22, 23 werden über einen unter der ersten Rippe 18 angeordneten Kühlkanal 25 mit Kühlmedium versorgt, welches über den hohlen Innenraum 15 des Schaufelblattes 11 herangeführt wird. Die Vorteile einer solchen Kühlung sind:

(a) Mit einem sehr geringen Massenstrom an Kühlmedium kann eine deutliche Reduzierung der Metalltemperatur im Winglet erreicht werden; Kühlmedium für die globale Umspülung der Schaufelspitze im Heissgasstrom kann eingespart werden, wodurch die Leistung und der Wirkungsgrad der Gasturbine verbessert werden.

(b) Die Verringerung der Metalltemperatur erfolgt durch die Kühlbohrungen gezielt und ist aufgrund der Anordnung der Bohrungen präzise vorhersagbar.

(c) Die Bohrungen lassen sich nachträglich - wenn nötig - in ihrer Anordnung verändern, wodurch eine erhöhte Flexibilität erreicht wird.

[0014] Grundsätzlich hat die Anordnung der Kühlbohrungen 22, 23 direkt im Winglet 19 eine Kerbwirkung in einem stark beanspruchten Bereich, so dass die Gefahr einer Rissbildung an den Bohrungen besteht. Diese Gefahr wird jedoch dadurch gemindert, dass die Kühlbohrungen 22, 23 schräg angeordnet werden. Die Kühlbohrungen reduzieren die Temperatur im Winglet 19 und verbessern so beim Winglet die Situation bzgl. "Low Cycle Fatigue", Kriechen und Oxidation. Der Vorteil der schrägen Anordnung der Kühlbohrungen anstelle einer gerade Anordnung im Winglet 19 besteht einerseits darin, dass die thermischen Gradienten aufgrund der Wärmeaufnahme durch das Kühlmedium kleiner werden. Da andererseits die Kühlbohrungen 22, 23 nicht direkt an der Vorderkante 13 der Schaufel 20, sondern beidseits davon in den Aussenraum münden, wird ein negativer Einfluss auf den mechanisch stark belasteten Bereich der Vorderkante 13 vermieden.

[0015] Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, sind die Kühlbohrungen 22, 23 auf beiden Seiten an der Vorderkante 13 des Schaufelblattes 11 vorbei schräg bis zur Vorderkante 24 des Winglets 19 geführt.

[0016] Durch die direkte Kühlung des Winglets ausserhalb des unmittelbaren Bereiches der Schaufel-Vorderkante 13 wird die Lebensdauer der Schaufel 20 deutlich verbessert.

Bezugszeichenliste

[0017] 

10,20

Schaufel (Gasturbine)

11

Schaufelblatt

12

Hinterkante

13

Vorderkante

14

Schaufelspitze

15

Innenraum

16

Deckbandsegment

17,18

Rippe

19

Winglet

21

Heissgasstrom

22,23

Kühlbohrung (schräg)

24

Vorderkante (Winglet)

25

Kühlkanal

Ansprüche

1. Schaufel (20) für eine Gasturbine, umfassend ein Schaufelblatt (11) mit einer Vorderkante (13) und einer Hinterkante (12), welches sich in Schaufellängsrichtung bis zu einer Schaufelspitze (14) erstreckt und an der Schaufelspitze (14) in ein Deckbandsegment (16) übergeht, wobei am Deckbandsegment (16) nach oben abstehend eine quer zur Strömungsrichtung (21) verlaufende, in Strömungsrichtung erste Rippe (18) angeordnet ist, und stromaufwärts der ersten Rippe (18) im Bereich der Vorderkante (13) des Schaufelblattes (11) am Deckbandsegment (16) zur Lenkung des Heissgasstromes (21) in diesem Bereich ein Winglet (19) angeformt ist, wobei Mittel zum direkten Kühlen des Winglets (19) vorgesehen sind, welche Mittel eine Mehrzahl von im Inneren des sich im Strömungsrichtung (21) des Heissgasstromes erstreckenden Winglets (19) verlaufenden Kühlbohrungen (22, 23) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (22, 23) über einen unter der ersten Rippe (18) angeordneten Kanal (25) mit Kühlmedium versorgt sind, dass die Kühlbohrungen (22, 23) schräg zur Strömungsrichtung (21) des Heissgasstromes angeordnet sind, und dass die Kühlbohrungen (22, 23) auf beiden Seiten an der Vorderkante (13) des Schaufelblattes (11) vorbeigeführt sind.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (22, 23) bis zur Vorderkante (24) des Winglets (19) geführt sind.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (22, 23) zur Versorgung mit einem Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, mit dem Innenraum (15) des Schaufelblattes (11) in Verbindung stehen.

Claims

1. Blade (20) for a gas turbine, comprising a blade airfoil (11) having a leading edge (13) and a trailing edge (12) and extending in the blade longitudinal direction up to a blade tip (14), and at the blade tip (14) the blade airfoil merging into a shroud segment (16), wherein on the shroud segment (16) a first rib (18), projecting upwards, is arranged in the flow direction, extending transversely to said flow direction (21), and upstream of the first rib (18), in the region of the leading edge (13) of the blade airfoil (11), a winglet (19) is formed on the shroud segment (16) for guiding of the hot gas flow (21) in this region, wherein provision is made for means for direct cooling of the winglet (19), which means comprise a multiplicity of cooling holes (22, 23) which extend inside the winglet (19) extending in the flow direction (21) of the hot gas flow, characterized in that the cooling holes (22, 23) are supplied with cooling medium via a channel (25) arranged under the first rib (18), in that the cooling holes (22, 23) are arranged obliquely to the flow direction (21) of the hot gas flow, and in that the cooling holes (22, 23) are guided past the leading edge (13) of the blade airfoil (11) on both sides.

2. Blade according to Claim 1, characterized in that the cooling holes (22, 23) are led up to the leading edge (24) of the winglet (19).

3. Blade according to Claim 1 or 2, characterized in that the cooling holes (22, 23) are in communication with the interior (15) of the blade airfoil (11) for the supply with a cooling medium, especially cooling air.

Revendications

1. Aube (20) de turbine à gaz, comprenant une pale (11) avec une arête d'attaque (13) et une arête de fuite (12) qui s'étend dans la direction longitudinale de l'aube jusqu'à une pointe d'aube (14) et qui se prolonge au niveau de la pointe d'aube (14) par un segment de virole (16), une première nervure (18) dans le sens de l'écoulement, s'étendant transversalement à la direction d'écoulement (21), étant disposée de manière saillante vers le haut au niveau du segment de virole (16), et en amont de la première nervure (18) dans la région de l'arête d'attaque (13) de la pale (11), sur le segment de virole (16), étant façonnée une ailette (19) pour dévier le flux de gaz chaud (21) dans cette région, des moyens étant prévus pour le refroidissement direct de l'ailette (19), lesquels moyens comprennent une pluralité d'alésages de refroidissement (22, 23) s'étendant à l'intérieur de l'ailette (19) s'étendant dans la direction d'écoulement (21) du flux de gaz chaud, caractérisée en ce que les alésages de refroidissement (22, 23) sont alimentés en un fluide de refroidissement par le biais d'un canal (25) disposé sous la première nervure (18), en ce que les alésages de refroidissement (22, 23) sont disposés obliquement par rapport à la direction d'écoulement (21) du flux de gaz chaud, et en ce que les alésages de refroidissement (22, 23) passent des deux côtés devant l'arête d'attaque (13) de la pale (11).

2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les alésages de refroidissement (22, 23) sont guidés jusqu'à l'arête d'attaque (24) de l'ailette (19).

3. Aube selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les alésages de refroidissement (22, 23) pour l'alimentation en un fluide de refroidissement, en particulier de l'air de refroidissement, sont en liaison avec l'espace interne (15) de la pale (11).

Zeichnung