TURBINENLEITSCHAUFEL MIT EINER DROSSELEINRICHTUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel (10) mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (14), welches ein mit einem Drosselelement (32) ausgestattetes Kanalsystem (28) 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 die Drosseleinrichtung (32) eine Anzahl von Drosselelementen (33) umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit nur einer der beiden Seitenwände (40, 42) verbunden ist.

Beschreibung

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

[0002] Derartige Schaufel einer Gasturbine sind im Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise offenbart die WO 01/36790 A1 die Drosselung des Kühlluftverbrauchs einer Turbinenschaufel mit Hilfe eines Stopfens, der an einer Umkehrstelle des Kühlkanals von außen in die Turbinenleitschaufel eingebracht 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 Maßdifferenzen, die aufgrund des Gießprozesses vorhanden sind, mit Hilfe des Stopfens kompensiert werden, wodurch ein übermäßiger Verbrauch an Kühlluft vermieden werden kann.

[0003] Weiter ist aus der WO 2009/118245 A1 eine Turbinenschaufel mit einer Drosselvorrichtung bekannt, welche stromab der Umkehrstelle angeordnet und als ein in den Kühlkanal quer hineinragender gegossener Steg ausgebildet ist. In diesem Fall ist jedoch die Größe der Drosselwirkung nach dem Gießen der Turbinenschaufel nicht mehr einstellbar.

[0004] Eine einstellbare Drosselung der Kühlluftmenge einer Turbinenleitschaufel mit gleichzeitiger Entnahme eines Teils der Kühlluft ist in der EP 2 628 900 A1 beschrieben. Deren Drosselelement weist einen Hohlraum auf, in den ein Teil der Kühlluft in das Drosselelement einströmen und durch dieses aus der Turbinenschaufel herausgeführt werden kann. Diese Lösung ist jedoch vergleichsweise aufwändig in der Herstellung und somit kostenträchtig.

[0005] 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 Drosselung einfach und kostengünstig möglich ist.

[0006] 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.

[0007] Erfindungsgemäß ist bei einer Turbinenleitschaufel mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand umfasst und zwischen denen ein zumindest zwei Kanalabschnitte umfassendes Kanalsystem des Schaufelblatts zur Führung von Kühlmittel angeordnet ist, wobei die Kanalabschnitte im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und über einen eine Drosseleinrichtung aufweisenden Umlenkbereich miteinander strömungsverbunden sind und wobei im Umlenkbereich eine Öffnung angeordnet ist, durch welche ein Teil des im Umlenkbereich strömenden Kühlmittels aus dem Schaufelblatt hinausführbar ist, vorgesehen, dass die Drosseleinrichtung eine Anzahl von Drosselelementen umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit lediglich einer der beiden Seitenwände verbunden ist.

[0008] Üblicherweise handelt es sich bei der Turbinenleitschaufel um ein Gussbauteil, welches weitestgehend oder vollständig monolithisch ausgestaltet ist. Zweckmäßigerweise kann die Turbinenleitschaufel einen Fußbereich und einen Kopfbereich zur Befestigung umfassen. Beide Bereiche sind am Schaufelblatt beidendseitig angeordnet. Der Fußbereich der Turbinenleitschaufel dient zur Befestigung der Turbinenleitschaufel an einem ringförmigen Leitschaufelträger. Vom Fußbereich erstreckt sich nach radial innen das Schaufelblatt, an dessen inneren Ende sich der Kopfbereich anschließt. Im Schaufelblatt sind zwei annähernd parallele Kanalabschnitte über den fußseitig oder kopfseitig angeordneten Umlenkbereich strömungstechnisch miteinander verbunden und die betreffenden Drosselelemente ragen quer in Bezug auf die lokale Durchströmungsrichtung des Kühlmittels im Umlenkbereich in diesen hinein. Die beiden annähernd parallel zueinander angeordneten und in ihrer Form länglichen Kanalabschnitte sind durch eine Trennwand voneinander getrennt. Letztere endet am Umlenkbereich.

[0009] Fußbereich und Kopfbereich können jeweils eine sogenannte Plattform zur lokalen, radialen Begrenzung des Heißgaskanals der Gasturbine umfassen. An der dem Heißgaskanal abgewandten Seite der inneren Plattform können Haken vorgesehen sein, welche Teil des Kopfbereichs sind und an welchem in der Regel ein sogenannter U-Ring befestigt werden kann. 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 üblicherweise durch die Turbinenleitschaufel geführte Kühlmittel am kopfseitigen Ende der Turbinenleitschaufel durch eine weitere Öffnung austreten und dort nabenseitig verwendet werden kann.

[0010] Der Erfindung liegt zudem die Erkenntnis zugrunde, dass zusätzliche thermische Spannungen in der Turbinenleitschaufel vermieden werden können, wenn die betreffenden Drosselelemente, sofern sie beim Gießen der Turbinenleitschaufel direkt mit hergestellt werden, nur mit einer der beiden Seitenwände verbunden sind. Bei Verbindung des betreffenden Drosselelements mit beiden Schaufelwänden gleichzeitig würde jedes derartige Drosselelement die mechanische Integrität der Turbinenleitschaufel ungewollt verändern. Dies ist jedoch nicht immer gewünscht. Gleichzeitig ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Drosseleinrichtung vergleichsweise einfach, da üblicherweise Turbinenleitschaufeln im Gießverfahren hergestellt werden und die Drosselelemente somit allein im Gusskern der Gießvorrichtung berücksichtigt werden müssen. D.h., im Gusskern sind in demjenigen Abschnitt, der den späteren Umlenkbereich der Turbinenschaufel repräsentiert, lediglich entsprechend der Gestalt der Drosselelemente geformte Sacklöcher als Negativform der Drosselelemente einzubringen. Andere Änderungen an einer bereits bestehenden Gießvorrichtung sind nicht vorzunehmen, was zu einer Kosteneinsparung führt.

[0011] Hierdurch kann eine einfach herzustellende sowie im Umlenkbereich von thermischen Spannungen nicht zusätzlich belastete Turbinenleitschaufel bereitgestellt werden.

[0012] Zweckmäßigerweise ist das betreffende Drosselelement pinförmig ausgestaltet. Damit kann eine einfache Geometrie der Drosselelemente bereitgestellt werden. Zudem lassen sich bestehende Gusskerne durch das Bohren von Löchern, welche die Negativform der Pin-Form darstellen, vergleichsweise einfach umrüsten bzw. herstellen.

[0013] Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist das betreffende Drosselelement eine von 90° zur Innenfläche der Seitenwand, an der sie befestigt ist, abweichende Neigung auf, die vorzugsweise derart orientiert ist, dass sie einer Kühlmittelströmungsrichtung entgegen gerichtet ist. Damit lässt sich eine besonders gute Drosselwirkung erzielen.

[0014] Weiter bevorzugt sind zwei oder mehr Drosselelemente in Kühlmittelströmungsrichtung aufeinander folgend angeordnet, die mit stromabwärtigerer Position eine größere Drosselwirkung aufweisen. Vorzugsweise nimmt dabei die Querschnittsfläche der weiter stromab angeordneten Drosselelemente in einer Größenordnung von 30% bis 70% zu, verglichen mit den unmittelbar davon stromauf angeordneten Drosselelemente. Dadurch lässt sich die Drosselwirkung lokal sehr gezielt einstellen, wobei mehrere dieser Drosselelementreihen möglich sind.

[0015] Weiter vorteilhaft ist diejenige Ausgestaltung, bei der das betreffende Drosselelement eine sich von seinem befestigungsseitigen Ende bis zum freien Ende erstreckende Höhe aufweist, die mindestens 30% des dortigen Abstands der Innenflächen der Seitenwände entspricht. Damit unterscheiden sich die Drosselelemente von ggf. dort angesiedelten Turbulatoren oder auch Einbauten, von denen letztere häufig eine verlustarme Umlenkung des dort strömenden Kühlmittels bewirken sollen. Weiter kann mit einer entsprechenden Höhe die Drosselwirkung ebenso einfach eingestellt werden.

[0016] Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der der Umlenkbereich unter Berücksichtigung der Drosseleinrichtung einen lokalen Minimalquerschnitt aufweist, wobei an dieser Stelle ein theoretischer Maximalquerschnitt unter Nichtberücksichtigung der Drosseleinrichtung ermittelbar ist, wobei der Minimalquerschnitt kleiner ist als 50% des theoretischen Maximalquerschnitts. Weiter bevorzugt ist die Öffnung derart dimensioniert, dass durch diese zumindest eine teilweise Entfernung zumindest eines der Drosselelemente möglich ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dass bei Bedarf Teile der mitgegossenen Drosseleinrichtung wieder entfernt werden können, wenn sich herausstellt, dass aufgrund von Gießtoleranzen die Drosselwirkung der Drosseleinrichtung größer als spezifiziert ist. Das teilweise Entfernen der Drosselelemente bzw. Drosseleinrichtung reduziert die Drosselwirkung, so dass eine nach dem Gießen wegen zu geringer Kühlung nicht spezifikationskonforme Turbinenleitschaufel nach besagtem Entfernen dennoch verwendet werden kann. Dies verringert die Ausschussrate bei der Herstellung von Turbinenleitschaufeln.

[0017] Für die Erfindung ist es unwesentlich, ob die Zuführung von Kühlmittel fußseitig oder kopfseitig erfolgt. Vorzugsweise ist jedoch das Drosselelement in demjenigen Bereich angeordnet, welcher der Zuführung gegenüber liegt.

[0018] 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 einer fußseitig angeordneten Drosseleinrichtung und

Figur 2

einen nabenseitigen Querschnitt durch das Schaufelblatt der Turbinenleitschaufel gemäß FIG 1.

[0019] Identische Merkmale sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0020] 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 Längsachse 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. Die im Kopfbereich 16 angesiedelten Haken dagegen dienen zur Befestigung eines sogenannten U-Rings, welcher hier auch nicht weiter dargestellt ist. Für die Erfindung ist es dabei unerheblich, ob die Turbinenleitschaufel mit oder ohne Plattform oder hakenförmigen Befestigungsmitteln ausgestattet ist.

[0021] Das Schaufelblatt 14 umfasst eine Vorderkante 17 und eine Hinterkante 19, zwischen denen sich eine druckseitige und eine saugseitige Schaufelblattwand 40, 42 (FIG 2) 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 Seitenwänden 40, 42 des Schaufelblatts 14 angeordnet. Das Kanalsystem 28 ist zur Führung von Kühlmittel 43 ausgestaltet, welches der Turbinenleitschaufel 10 über eine fußseitig angeordnete Öffnung 30 zuführbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei parallel nebeneinander angeordnete, längliche Kanalabschnitte 26 vorgesehen, von denen zwei über eine Rippe 36 größtenteils voneinander getrennt und am kopfseitigen Bereich über einen Umlenkbereich 30 strömungstechnisch miteinander verbunden sind. In diesem Umlenkbereich 30 weist die Turbinenleitschaufel 10 eine weitere Öffnung 31 auf.

[0022] Im Umlenkbereich 30 ist eine Drosseleinrichtung 32 vorgesehen. Sie umfasst eine gemäß diesem Ausführungsbeispiel sechs (FIG 2) pinförmige Drosselelemente 33, von denen in FIG 1 lediglich drei dargestellt sind. Die drei dargestellten Drosselelemente 33 sind an der gezeigten Seitenwand befestigt und ragen frei endend in den Umlenkbereich hinein: sie sind mit der gegenüberliegenden (nicht dargestellten) Seitenwand nicht verbunden.

[0023] Die sechs Drosselelemente 33 sind in zwei Reihen zu je drei Drosselelementen 33 rasterförmig angeordnet. Andere Muster für die Drosselelemente 33 und andere Anzahlen an Drosselelementen 33 sind denkbar. In Bezug auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels 43 weisen die stromauf angeordneten Drosselelemente 33 einen geringeren Querschnitt auf als die stromab davon angeordneten.

[0024] FIG 2 zeigt die Turbinenleitschaufel 10 gemäß dem Schnitt II-II aus Figur 1 mit dem Kopfbereich 16 und den daran angeordneten Haken 24 in perspektivischer Darstellung. Die Drosseleinrichtung 32 ist perspektivisch dargestellt und umfasst die sechs Drosselelemente 33. Diese sind derart gegenüber der Innenfläche der Seitenwände 40, 42 geneigt, dass diese der ankommenden Kühlmittelströmung entgegen gerichtet sind.

[0025] Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die pinförmigen Drosselelemente 33 eine Höhe auf, die 60% des Abstands A der beiden Innenflächen der Seitenwände 40, 42 entspricht. Aus diesem Grunde sind die Drosselelemente 33 der einen Seitenwand in Bezug auf die Drosselelemente 33 der anderen Seitenwand zueinander versetzt, sie sind verzahnt angeordnet und überlappen sich.

[0026] Das aus dem Kanalabschnitt 26a ankommende Kühlmittel 43, zumeist Kühlluft, wird auch aufgrund der Drosseleinrichtung 32 in zwei Teilströme aufgeteilt: ein erster Teil wird durch die weitere Öffnung 31 aus dem Schaufelblatt 14 und somit aus der Turbinenleitschaufel 10 hinausgeführt. Dort kann das Kühlmittel 43 nabenseitig zur Kühlung der dort angesiedelten Bauteile oder zur Sperrung von Spalten gegen Heißgaseinzug eingesetzt werden. Der restliche Teil des Kühlmittels 43 strömt in den Kanalabschnitt 26b und verbleibt vorerst in der Turbinenleitschaufel 10.

[0027] Von besonderem Vorteil ist, dass mit Hilfe der Drosseleinrichtung 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. 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.

[0028] Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenleitschaufel 10 mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt 14, welches ein mit einem Drosselelement 32 ausgestattetes Kanalsystem 28 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 die Drosseleinrichtung 32 eine Anzahl von Drosselelementen 33 umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit nur einer der beiden Seitenwände 40, 42 verbunden ist.

Ansprüche

1. Turbinenleitschaufel (10)
mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (14), welches eine saugseitige Seitenwand (42) und eine druckseitige Seitenwand (40) umfasst und zwischen denen ein zumindest zwei Kanalabschnitte (26) umfassendes Kanalsystem (28) des Schaufelblatts (14) zur Führung von Kühlmittel (43) angeordnet ist,
wobei die Kanalabschnitte (26) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und über einen eine Drosseleinrichtung (32) aufweisenden Umlenkbereich (30) miteinander strömungsverbunden sind und
wobei im Umlenkbereich (30) eine Öffnung (31) angeordnet ist, durch welche ein Teil des im Umlenkbereich (30) strömenden Kühlmittels (43) aus dem Schaufelblatt hinausführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drosseleinrichtung (32) eine Anzahl von Drosselelementen (32) umfasst, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle mit nur einer der beiden Seitenwände (40, 42) verbunden ist.

2. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der das betreffende Drosselelement (33) pinförmig ausgestaltet ist.

3. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das betreffende Drosselelement (33) eine von 90° zur Innenfläche der Seitenwand (40, 42), an der sie befestigt ist, abweichende Neigung aufweist, die vorzugsweise derart orientiert ist, dass sie einer Kühlmittelströmungsrichtung entgegen gerichtet ist.

4. Turbinenleitschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der zwei oder mehr Drosselelemente (33) in Kühlmittelströmungsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind, die mit stromabwärtigerer Position eine größere Drosselwirkung aufweisen.

5. Turbinenleitschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der das betreffende Drosselelement (33) eine sich von seinem befestigungsseitigen Ende bis zum freien Ende erstreckende Höhe aufweist, die mindestens 30% des dortigen Abstands der Innenflächen der Seitenwände (40, 42) entspricht.

6. Turbinenleitschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der der Umlenkbereich (30) unter Berücksichtigung der Drosseleinrichtung einen Minimalquerschnitt aufweist und an dieser Stelle ein theoretischer Maximalquerschnitt unter Nichtberücksichtigung der Drosseleinrichtung ermittelbar ist,
wobei der Minimalquerschnitt kleiner ist als 50% des Maximalquerschnitts.

7. Turbinenleitschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der die Öffnung (31) derart dimensioniert ist, dass durch sie zumindest eine teilweise Entfernung der Drosselelemente (33) möglich ist.

Zeichnung