Turbinenleitschaufel mit einem Drosselelement

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel (10) mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (14), welches ein mit einem Drosselelement (32) ausgestattetes Kanalsystem (28) aus Kanalabschnitten (26) zur Führung von Kühlmittel aufweist. Um eine alternative Turbinenleitschaufel (10) bereitzustellen, bei der sowohl ein im Inneren strömender Kühlmittelteilstrom als auch ein aus der Turbinenleitschaufel (10) wieder herausgeführter Kühlmittelteilstrom einstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Drosselelement (32) zur Entnahme von Kühlmittel ausgestaltet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, welches ein mit einem Drosselelement ausgestattetes Kanalsystem aus Kanalabschnitten zur Führung von Kühlmittel aufweist.

[0002] Eine derartige Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der WO 01/36790 A1 bekannt. Die Drosselung des Kühlluftverbrauchs der bekannten Turbinenschaufel erfolgt mit Hilfe eines Stopfens, der von außen in die Turbinenleitschaufeln an einer Umkehrstelle des Kühlkanals angebracht wird. In Abhängigkeit der Eindringtiefe des Stopfens lässt sich der durchströmbare Querschnitt der Umkehrstelle und somit die Durchflussmenge an Kühlluft in vorbestimmten Maße einfach einstellen. Hierdurch können gussbedingte Maßdifferenzen, die durch die Herstellung der Turbinenschaufel entstehen, mit Hilfe des Stopfens kompensiert werden, wodurch ein übermäßiger Verbrauch an Kühlluft vermieden werden kann.

[0003] Weiter ist bekannt, dass anstelle einer Drossel an der Umlenkstelle auch eine Öffnung zu Entnahme von Kühlluft angesiedelt sein kann. In diesem Falle ist die Verwendung einer Drossel an dieser Position bisher nicht möglich.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Turbinenleitschaufel bereitzustellen, bei der trotz einer an der Umlenkstelle vorhandenen Öffnung zum Herausführen von Kühlmittel aus der Turbinenschaufel eine nachträgliche Drosselung möglich ist.

[0005] Die auf die Turbinenleitschaufel gerichtete Aufgabe wird mit einer solchen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Deren Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.

[0006] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei einer Turbinenleitschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, welches ein mit einem Drosselelement ausgestattetes Kanalsystem aus Kanalabschnitten zur Führung von Kühlmitteln aufweist, das Drosselelement so auszugestalten ist, dass dieses auch die Entnahme von Kühlmittel ermöglicht. Folglich sollte es mit einer Einströmöffnung, einer Ausströmöffnung sowie einem die beiden Öffnungen verbindenden Kanal ausgestattet sein. Insofern dient das Drosselelement nunmehr nicht alleine zur Drosselung. Es wird gleichzeitig auch als Weiche zum Aufteilen des Kühlmittels in zwei getrennte Kühlmittelteilströme verwendet. Der erste der beiden Kühlmittelteilströme fließt innerhalb der Turbinenleitschaufel weiter und wird zur Kühlung des Schaufelblattes und deren Hinterkante eingesetzt. Der andere der beiden Kühlmittelteilströme wird aus der Turbinenleitschaufel unmittelbar herausgeführt. Letzteres ist insbesondere dann von Vorteil, wenn an demjenigen Ende, an dem das Kühlmittel aus der Turbinenleitschaufel herausgeführt wird, weitere Gasturbinenkomponenten angeordnet sind, die entweder gekühlt werden müssen oder mit denen die Turbinenleitschaufel (oder auch andere Bauteile) Spalte einschließen, in die ein Heißgas der Gasturbine eindringen könnte. Durch das Bereitstellen des Kühlmittels an diesen Gasturbinenkomponenten werden die betreffenden Spalte durch ausströmendes Kühlmittel gesperrt, so dass das Heißgaseindringen sicher vermieden werden kann. Sowohl die Kühlung der weiteren Gasturbinenkomponenten als auch das Sperren der Spalte gegen Heißgaseinzug verhindert eine vorzeitige Alterung der Bauteile aufgrund unzulässig hoher Materialtemperaturen und verlängert somit deren Lebensdauer.

[0007] Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist das Drosselelement in die Turbinenleitschaufel eingesetzt und topfförmig mit einer umfangsseitig angeordneten Einströmöffnung für Kühlmittel ausgestaltet, wobei die Topföffnung des Drosselelements in der Außenfläche der Turbinenleitschaufel angeordnet ist. In diesem Fall stellt die Topföffnung die Ausströmöffnung für den in das Drosselelement einfließenden Kühlmittelteilstrom dar. Mit Hilfe dieser Ausgestaltung ist eine vergleichsweise einfache Konstruktion einer Strömungsweiche bereitgestellt, wobei der andere der beiden Kühlmittelteilströme dadurch erzeugt wird, dass die ankommende Kühlmittelströmung an dem Drosselelement - genauer gesagt an der Einströmöffnung des Drosselelements - vorbeiströmt und weiter in die stromab liegenden Kanalabschnitte des Kanalsystems. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass mit einem einzigen in die gegossene Turbinenleitschaufel eingesetzten Bauteil - dem Drosselelement - die Aufteilung der ankommenden Kühlmittelströmung in zwei Teilströme erfolgen kann. Die Aufteilung der Kühlmittelströmung hängt von der Größe der Einströmöffnung und von dem verbliebenen Durchströmungsquerschnitt an der Drosselstelle im Kanalsystem ab. Diese Ausgestaltung hat den weiteren Vorteil, dass bereits im Feld existierende betriebsbeanspruchte Turbinenleitschaufeln ggf. nachträglich mit einer derartigen Drosselvorrichtung ausgestattet werden können, ohne die Turbinenleitschaufeln bearbeitet, modifiziert bzw. dafür vorbereitet werden müssen. Zudem kann die Topföffnung noch einen Kragen aufweisen, dessen Durchmesser größer ist als die Öffnung, in die das Drosselelement eingesetzt ist. Dies verhindert, dass beim Einsetzten des Drosselelements dieses in die Kanalabschnitte fallen und somit verloren gehen kann.

[0008] Üblicher Weise handelt es sich bei der Turbinenleitschaufel um ein Gussbauteil, welches weitestgehend oder vollständig monolithisch ausgestaltet ist. Zweckmäßiger Weise umfasst die Turbinenleitschaufel einen Fußbereich und einen Kopfbereich zur Befestigung. Beide Bereiche sind am Schaufelblatt beidendseitig angeordnet. Das Drosselelement kann im Fußbereich und/oder im Kopfbereich angeordnet sein. Der Fußbereich der Turbinenleitschaufel dient zur Befestigung der Turbinenleitschaufel an einem ringförmigen Leitschaufelträger. Vom Fußbereich erstreckt sich nach radial innen das Schaufelblatt, an dessen innerem Ende der Kopfbereich anschließt. Fußbereich und Kopfbereich umfassen jeweils in der Regel eine sogenannte Plattform zur lokalen, radialen Begrenzung des Heißgaskanals der Gasturbine. An der dem Heißgaskanal abgewandten Seite der inneren Plattform sind Haken vorgesehen, welche Teil des Kopfbereichs sind und an welchem in der Regel ein sogenannter U-Ring befestigt wird. Mit diesem werden die Turbinenleitschaufeln oder auch Turbinenleitschaufelsegmente eines Leitschaufelkranzes der Gasturbine miteinander gekoppelt. Da diese U-Ringe gegebenenfalls gekühlt werden müssen und die von diesen Komponenten mit dem Rotor gebildeten Spalte gegen ein Eindringen von Heißgas gesperrt werden müssen, ist es von besonderem Vorteil, wenn das üblicher Weise durch Turbinenleitschaufel geführte Kühlmittel am die kopfseitigen Ende der Turbinenleitschaufel durch das Drosselelement wieder entnommen und dort nabenseitig verwendet werden kann.

[0009] Weiter vorteilhaft ist diejenige Weiterbildung, bei der im Schaufelblatt zwei annähernd parallele, zueinander angeordnete Kühlkanalabschnitte über einen fußseitig oder kopfseitig angeordneten Umlenkbereich strömungstechnisch miteinander verbunden sind und das Drosselelement quer in Bezug auf die lokale Durchströmungsrichtung des Kühlmittels im Umlenkbereich in diesen hineinragt. In diesem Falle liegt zwischen den beiden parallel zueinander angeordneten Kanalabschnitten eine Trennwand vor, die am Umlenkbereich endet, so dass das Drosselelement je nach Eindringtiefe näher oder weiter entfernt von dem Ende dieser Trennwand enden kann. Insofern ist die besagte Trennwand Teil der Drosselvorrichtung, so dass bereits in einer Turbinenleitschaufel vorhandene Elemente eine weitere Funktion übernehmen, für die sie ursprünglich nicht vorgesehen waren, wenn das Drosselelement nachträglich eingebaut wird.

[0010] Eine druckverlustarme Entnahme von Kühlmittel durch das Drosselelement kann erfolgen, wenn die Einströmöffnung der ankommenden Kühlmittelströmung zugewandt ist.

[0011] Um so genannte Totwassergebiete in der Kühlmittelströmung bzw. im Kanalsystem unmittelbar stromab des Drosselelements und damit schlechter gekühlte Schaufelwände zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest eine weitere umfangsseitig angeordnete Durchströmungsöffnung im Drosselelement vorgesehen ist. Dabei ist die Querschnittsfläche aller Durchströmungsöffnungen vorzugsweise wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche der Einströmöffnung. Vorzugsweise liegen die Durchströmungsöffnungen gegenüber der Einströmöffnung und folglich an derjenigen Seite des Drosselelements, an der der in der Turbinenleitschaufel vorerst verbleibende Kühlmittelteilstrom abströmt. Es ist sogar denkbar, dass derartige Durchströmungsöffnungen selbst dann in Drosselelement angesiedelt sind, wenn dieses nicht zur Entnahmen von Kühlluft - also nicht teilweise röhrförmig, sondern massiv - ausgestaltet ist.

[0012] Für die Erfindung ist es unwesentlich, ob die Zuführung von Kühlmittel dabei fußseitig oder kopfseitig erfolgt. Vorzugsweise ist jedoch das Drosselelement in demjenigen Bereich angeordnet, welcher der Zuführung gegenüberliegt.

[0013] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine Turbinenleitschaufel in perspektivischer Darstellung mit einem aufgeschnittenen Schaufelblatt und einem fußseitig eingesetzten Drosselelement und

Figur 2

einen nabenseitigen Querschnitt durch das Schaufelblatt der Turbinenleitschaufel mit dem darin sitzenden Drosselelement.

[0014] Eine Turbinenleitschaufel 10 für eine stationäre Gasturbine ist in Figur 1 perspektivisch dargestellt. Die Turbinenleitschaufel 10 umfasst einen Fußbereich 12, ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 14 sowie einen Kopfbereich 16, die entlang einer Längachse 18 aufeinander folgen. In der Einbaulage in einer Gasturbine ist der Fußbereich 12 radial außen angesiedelt und der Kopfbereich 16 radial innen. Sowohl Fußbereich 12 als auch Kopfbereich 16 umfassen jeweils eine Plattform 20, die die lokale, radiale Begrenzung des ringförmigen Heißgaspfads der Gasturbine im Bereich der betreffenden Turbinenleitschaufel 10 bilden. Insofern erstreckt sich das Schaufelblatt 14 durch den ringförmigen Heißgaskanal 22. Sowohl Fußbereich 12 als auch Kopfbereich 16 haben an ihren dem Heißgaskanal 22 abgewandten Seiten mehrere Haken 24 zur Befestigung. Die am Fußbereich 12 vorgesehenen Haken 24 dienen zur Befestigung der Turbinenleitschaufel 10 an einem nicht dargestellten ringförmigen Turbinenleitschaufelträger. Dagegen dienen die im Kopfbereich 16 angesiedelten Haken zur Befestigung eines sogenannten U-Rings, welcher hier auch nicht weiter dargestellt ist.

[0015] Das Schaufelblatt 14 umfasst eine Anströmkante 17 und eine Hinterkante 19, zwischen denen sich eine druckseitige und eine saugseitige Schaufelblattwand 40, 42 erstrecken. Das in Figur 1 dargestellte Schaufelblatt 14 ist nicht vollständig perspektivisch, sondern teilweise im Längsschnitt gezeigt. Dadurch sind die im Inneren des Schaufelblatts 14 vorhandenen Kanalabschnitte 26 eines Kanalsystems 28 dargestellt. Somit ist das Kanalsystem 28 mit den Kanalabschnitten 26 zwischen den beiden Wänden 40, 42 (FIG 2) angeordnet. Das Kanalsystem 28 ist zur Führung von Kühlmittel ausgestaltet, welche über eine fußseitig angeordnete Öffnung 30 der Turbinenleitschaufel 10 zuführbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei parallel nebeneinander angeordnete Kanalabschnitte 26 vorgesehen, von denen zwei am kopfseitigen Bereich über einen Umlenkbereich 30 strömungstechnisch miteinander verbunden sind. In diesem Umlenkbereich 30 weist die Turbinenleitschaufel 10 eine Öffnung 31 auf, in die von außen ein Drosselelement 32 eingesteckt ist. Um die Turbinenleitschaufel 10 gegen den Verlust des Drosselelements zu sichern, kann das Drosselelement 32 punktuell oder auch umlaufend mit der gegossenen Turbinenleitschaufel 10 verschweißt oder verlötet sein.

[0016] Das Drosselelement 32 ist topfförmig ausgebildet mit einem zylindrischem Mantel und einem Topfboden 34, welcher spaltbildend einer die beiden Kanalabschnitte 26 trennenden Trennwand 36 gegenüberliegt.

[0017] Identische Merkmale sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Somit zeigt Figur 2 die Turbinenleitschaufel 10 gemäß dem Schnitt II-II in Figur 1 mit dem Kopfbereich 16 und den daran angeordneten Haken 24 in perspektivischer Darstellung. Das von außen kopfseitig in die Turbinenleitschaufel 10 eingesetzte Drosselelement 32 ist perspektivisch dargestellt und weist eine Einströmöffnung 37 auf, die einem (26a) der Kanalabschnitte 26 zugewandt ist. Durch die Einströmöffnung 37 hindurch ist eine Topföffnung 38 erkennbar. Der Topfboden 34 liegt dem kopfseitigen Ende 39 (Fig. 1) der Trennwand 36 spaltbildend gegenüber.

[0018] Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Drosselelement 32 zylindrisch mit einem konstanten Durchmesser ausgebildet. Selbstverständlich ist es möglich, dass das Drosselelement auch zylindrisch mit abschnittsweise unterschiedlichen Durchmessern oder auch konisch ausgestaltet ist.

[0019] Seitlich des Drosselelements 32 sind die Innenflächen der Schaufelblattwände 40 42 beabstandet, so dass die aus dem Kanalabschnitt 26a ankommende Kühlmittelströmung, zumeist Kühlluft, zur Aufteilung in zwei Kühlluftströme entweder in die Einströmöffnung 37 oder in die Spalte zwischen Schaufelwandinnenflächen bzw. Trennwand 36 und Drosselelement 32 einströmt. Letzterer Teilstrom strömt anschließend durch den Kanalabschnitt 26b und verbleibt vorerst in der Turbinenleitschaufel 10. Der in die Einströmöffnung 37 einströmende Teilstrom strömt durch die Topföffnung 38 heraus und kann nabenseitig zur Kühlung der dort angesiedelten Bauteile oder zur Sperrung von Spalten gegen Heißgaseinzug eingesetzt werden. Zur Vermeidung von Kühlmittel-Strömungsgebieten mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit können noch eine oder mehrere Durchströmungsöffnungen 41 im Drosselelement vorgesehen sein.

[0020] Von besonderem Vorteil ist, dass mit Hilfe des Drosselelements 32 die gesamte Kühlluftmenge der Turbinenleitschaufel 10 einerseits und auch das Verhältnis der Aufteilung der beiden Kühlmittelteilströme andererseits eingestellt werden kann, selbst nachdem die Turbinenleitschaufel 10 gegossen wurde. Durch die Einsparung von Kühlluft weist eine mit den erfindungsgemäßen Turbinenleitschaufeln 10 ausgestattete Gasturbine einen verbesserten Wirkungsgrad auf. Gleichzeitig ist es möglich, bereits betriebsbeanspruchte Turbinenleitschaufeln 10 nachträglich mit einem Drosselelement 32 auszustatten, ohne das diese grundlegend bearbeitet werden muss, sofern die Turbinenleitschaufel 10 eine Öffnung zur Entnahme von in ihr strömendem Kühlmittel aufweist. Auch ist es möglich, neuwertige, jedoch nicht spezifikationskonforme Turbinenleitschaufeln 10 mit Hilfe des Drosselelements 32 für den Einsatz in einer Gasturbine zu ertüchtigen. Damit kann die Ausschussrate an Bauteilen vermindert werden, was Kosten minimiert.

[0021] Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenleitschaufel 10 mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt 14, welches ein mit einem Drosselelement 32 ausgestattetes Kanalsystem 28 aus Kanalabschnitten 26 zur Führung von Kühlmittel aufweist. Um eine alternative Turbinenleitschaufel 10 bereitzustellen, bei der sowohl ein im Inneren strömender Kühlmittelteilstrom als auch ein aus der Turbinenleitschaufel 10 wieder herausgeführter Kühlmittelteilstrom einstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Drosselelement 32 zur Entnahme von Kühlmittel ausgestaltet ist.

Ansprüche

1. Turbinenleitschaufel (10) mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (14),
welches ein mit einem Drosselelement (32) ausgestattetes Kanalsystem (28) aus Kanalabschnitten (26) zur Führung von Kühlmittel aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drosselelement (32) zur Entnahme von Kühlmittel ausgestaltet ist.

2. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der das Drosselelement (32) in die Turbinenleitschaufel (10) eingesetzt und topfförmig mit einer umfangsseitig angeordneten Einströmöffnung (37) für Kühlmittel ausgestaltet ist,
wobei die Topföffnung (38) des Drosselelements (32) in der Außenfläche der Turbinenleitschaufel (10) angeordnet ist.

3. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
welche einen Fußbereich (12) und einen Kopfbereich (16) zur Befestigung umfasst, die beidendseitig am Schaufelblatt (14) angeordnet sind und das Drosselelement (32) im Fußbereich (12) und/oder im Kopfbereich (16) angeordnet ist.

4. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der im Schaufelblatt (14) zwei annähernd parallel zueinander angeordnete Kanalabschnitte (26) über einen fußseitig oder kopfseitig angeordneten Umlenkbereich (30) strömungstechnisch miteinander verbunden sind und das Drosselelement (32) quer in den Umlenkbereich (30) hineinragt.

5. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 2 und nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 oder 4,
bei dem die Einströmöffnung (37) der ankommenden Kühlmittelströmung zugewandt ist

6. Turbinenleitschaufeln (10) nach Anspruch 2 und nach einem oder mehreren der Ansprüche 3, 4 oder 5,
bei der zumindest eine Durchströmöffnung vorgesehen ist.

Zeichnung