BOLMS, Hans-Thomas (Eupener Weg 3 A, Mülheim an der Ruhr, 45481, DE)
KLUCK, Michael (Hastenrather Schule 5, Eschweiler, 52249, DE)
AHMAD, Fathi (Moselstr. 1, Kaarst, 41564, DE)
BOLMS, Hans-Thomas (Eupener Weg 3 A, Mülheim an der Ruhr, 45481, DE)
KLUCK, Michael (Hastenrather Schule 5, Eschweiler, 52249, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zum Führen eines Fluides durch die Schaufelblätter (32, 34) eines von Turbinenleitschaufein (30) gebildeten Schaufelkranzes (13), dadurch gekennzeichnet, dass alle außer mindestens einem der Schaufelblätter (36) des Schaufelkranzes (13) von dem Fluid durchflössen wird oder dass konstruktionsbedingt mindestens zwei der Schaufelblätter (32, 34, 36) des Schaufelkranzes (13) von unterschiedlich großen Fluidströmen durchflössen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei der das Fluid als Sperrmittel zum Sperren eines Spaltes verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Fluidstrom, welcher dasjenige Schaufelblatt (36) durchströmt, dessen Saugseitenwand (38) zu einem Rand (44) einer Plattform (33) unmittelbar benachbart ist, kleiner ist als derjenige Fluidstrom, welcher dasjenige Schaufelblatt (32) durchströmt, zwischen dessen Saugseitenwand (38) und einer dieser gegenüberliegenden Druckseitenwand (38) eines unmittelbar benachbarten Schaufelblattes (34) eine durchgehende Plattform (31, 33) aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem alle Schaufelblätter (32, 34, 36) des Schaufelkranzes (13) vom Fluid gekühlt werden.
5. Turbinenschaufelsegment (30) für einen Schaufelkranz (13), mit einer Plattform (31, 33), an deren Oberfläche mindestens zwei sich quer dazu erstreckende, aerodynamisch profilierte Schaufelblätter (32, 34, 36) vorgesehen sind, welche jeweils eine Druckseitenwand (46) und eine Saugseitenwand (38) aufweisen, die sich jeweils von einer anströmseitigen Vorderkante (37) zu einer abströmseitigen Hinterkante (39) erstrecken, bezogen auf die Strömungsrichtung eines die
Schaufelblätter (32, 34, 36) umströmenden Heißgases (11), dadurch gekennzeichnet, dass alle außer mindestens eines der Schaufelblätter (36) des Turbinenleitschaufelsegmentes (30) von dem Fluid durchströmbar sind.
6. Turbinenschaufelsegment (30) nach Anspruch 5, bei dem eines der Schaufelblätter (36) massiv oder dessen Hohlraum zumindest einseitig plattformseitig verschlossen ist.
7. Turbinenschaufelsegment (30) nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Schaufelblätter (32, 34, 36) unterschiedliche Profilquerschnitte aufweisen.
8. Gegossenes Turbinenschaufelsegment (30) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, welches drei, vier oder mehr Schaufelblätter (32, 34, 36) umfasst .
9. Turbinenschaufelsegment (30) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, für eine dritte oder vierte Turbinenstufe einer stationären Gasturbine oder für eine Niederdruckturbine.
10. Turbinenschaufelsegment (30) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4. |
Beschreibung
Verfahren zum Kühlen von Turbinenschaufeln eines Schaufelkranzes sowie Turbinenschaufelsegment für einen Turbinenschaufelkranz mit mindestens zwei aerodynamisch profilierten Schaufelblättern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Turbinenschaufeln eines Turbinenschaufelkranzes . Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Turbinenschaufelsegment für einen Turbinenschaufelkranz, mit einer Plattform, an deren Oberfläche mindestens zwei sich quer dazu erstreckende aerodynamisch profilierte Schaufelblätter vorgesehen sind, welche jeweils eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand aufweisen, die sich jeweils von einer anströmseitigen
Vorderkante zu einer abströmseitigen Hinterkante erstrecken, bezogen auf die Strömungsrichtung eines die Schaufelblätter umströmenden Heißgases.
Ein vorgenanntes Turbinenschaufelsegment ist aus der
EP 1 227 218 bekannt und umfasst eine innere Plattform sowie eine äußere Plattform zum Führen eines die Turbine durchströmenden Arbeitsmediums. Zwischen den Plattformen sind drei im Querschnitt profilierte Schaufelblätter zur Umlenkung des Heißgases vorgesehen. Die hohlen Schaufelblätter sind zueinander identisch ausgebildet und können von einem Fluid durchströmt werden, welches von außen einem den Rotor umgreifenden, an den inneren Plattformen angeordneten Befestigungsring zuführbar ist. Um einen schädlichen Einzug von Heißgas in den vom Befestigungsring und vom Rotor eingeschlossenen Spalt zu verhindern, wird an dieser Stelle das dem Befestigungsring zugeführte Fluid mit erhöhtem Druck ausgeblasen. ähnliche Turbinenschaufelsegmente sind aus den Dokumenten EP 1 227 218 A2 und EP 874 131 A2 bekannt.
Es hat sich herausgestellt, dass die Schaufelblätter eines solchen Segmentes unterschiedlichen mechanischen und thermischen Belastungen geometriebedingt ausgesetzt sind.
Dasjenige Schaufelblatt, welches mit seiner Saugseitenwand zum Rand der Plattform unmittelbar benachbart ist, ist höheren mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt als diejenigen Schaufelblätter, deren jeweilige Saugseitenwand der Druckseitenwand eines benachbarten
Schaufelblattes unmittelbar gegenüberliegt. Sofern aufgrund der dauerhaften Betriebsbelastung Risse als
Verschleißerscheinungen auftreten, geschieht dies zumeist in dem übergangsbereich - dem so genannten Fillet - von Plattform und demjenigen Schaufelblatt, welches die höchste der auftretenden mechanischen und thermischen Belastung erfährt. In diesem Falle ist das gesamte
Turbinenleitschaufelsegment auszutauschen, obwohl die anderen Schaufelblätter ihr Lebensdauerende dagegen noch nicht erreicht haben.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines gattungsgemäßen Turbinenschaufelsegmentes sowie ein Verfahren zum Kühlen eines solchen Turbinenschaufelsegmentes, welches zu einer insgesamt verlängerten Lebensdauer des Turbinenschaufelsegments führt.
Die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird durch ein Turbinenschaufelsegment gemäß dem Anspruch 5 und die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung löst sich von der implizit vorhandenen, jedoch in diesem Fall unnötigen Einschränkung, dass alle Schaufelblätter eines Turbinenschaufelsegmentes oder eines
Turbinenschaufelkranzes in gleicher Art und Weise ausgebildet sein müssen und dass das Fluid durch alle im Schaufelkranz vorhandenen Schaufelblätter geführt werden muss. Die Erfindung schlägt vor, dass zumindest eines der Schaufelblätter des Turbinenschaufelsegmentes nicht von dem Fluid durchströmt wird oder dass konstruktionsbedingt mindestens zwei der Schaufelblätter des Schaufelkranzes von einem unterschiedlich großen Fluidstrom durchflössen werden.
Die Größe des Unterschieds zwischen zwei betrachteten Fluidströmen ist dabei wesentlich und nicht auf herstellungsbedingte Toleranzen zurückzuführen. Vielmehr sind die relevanten Schaufelblätter oder deren zugeordnete Kühlmittel-Zuführleitungen unterschiedlich konstruiert, sodass sich wesentlich unterschiedlich große Fluidströme einstellen .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das Durchführen des in der Regel vergleichsweise kühlen Fluids durch alle Schaufelblätter zu einer Erhöhung der thermischen Spannungen im Bereich des überganges von Schaufelblatt zur Plattform und dementsprechend zu einer Verringerung der Lebensdauer des Turbinenleitschaufelsegmentes führt, sofern alle Schaufelblätter des Turbinenleitschaufelsegmentes gleichmäßig davon durchströmt werden. In Abkehr davon kann die Lebensdauer des Turbinenleitschaufelsegmentes verlängert werden, indem - im Vergleich zum Stand der Technik - ein größerer Anteil des Fluid durch das oder die geringer belasteten Schaufelblätter als durch dass bisher höher belastete Schaufelblatt des Turbinenleitschaufelsegmentes geführt wird. Es werden somit lediglich die bisher geringer belasteten Schaufelblätter des Turbinenleitschaufelsegmentes mit der durch die Durchführung des Fluids einhergehenden Belastungen beaufschlagt; die bisher höher belasteten
Schaufelblätter werden von dieser Aufgabe ausgenommen und somit entlastet. Dadurch kann die die Lebensdauer des Turbinenleitschaufelsegmentes begrenzende Belastung des auch aufgrund der Geometrie höher belastete Schaufelblattes trotz der bedarfsgerechten Bereitstellung von Fluid am
Befestigungsring vermindert werden. Oder mit anderen Worten: Da die geringer belasteten Schaufelblätter ohnehin nicht der lebensdauerbegrenzende Teil des Turbinenleitschaufelsegmentes ist, kann deren Belastung durch die Durchführung eines größeren Fluidstroms zur Entlastung des bisher höher belasteten Schaufelblattes problemlos erhöht werden.
Sofern die Schaufelblätter des Turbinenschaufelsegmentes auch von dem durchströmenden Fluid gekühlt werden, kann eine unterschiedlich starke Kühlung der Schaufelblätter durch unterschiedlich große Fluidströme den gleichen Effekt bewirken. Der Anteil der zur Sperrung des Spaltes durch das Turbinenleitschaufelsegment durchgeführten Fluidströmung erfolgt erfindungsgemäß nur durch die geringer belasteten Schaufelblätter des Turbinenleitschaufelsegmentes und nicht durch dessen höher belastetes Schaufelblatt.
Dies gilt insbesondere auch aufgrund der Erkenntnis, dass das eine Turbinenleitschaufelstufe durchströmende Heißgas - entlang der Umfangsrichtung des ringförmigen Heißgaskanals betrachtet - einen ungleichförmigen Temperaturverlauf aufweist. Die Höhe der Temperatur des Heißgases entlang der Umfangsrichtung ist aufgrund der punktuellen Erzeugung von Heißgas durch die Verwendung von einer Vielzahl auf einem Ring angeordneter Brenner einer Ringbrennkammer oder durch die Verwendung von einer Vielzahl auf einem Ring angeordneter Rohrbrennkammern nämlich wellenförmig. Die Turbinenschaufeln eines Turbinenleitschaufelkranzes sind trotz der zur Maschinenachse der Gasturbine symmetrischen Anordnung unterschiedlich hohen Temperaturen ausgesetzt. Dementsprechend ist es von Vorteil, die den heißeren Temperaturen ausgesetzten Turbinenleitschaufein eines
Schaufelkranzes (so genannte Hot Spot Vanes) mehr zu kühlen als die Turbinenleitschaufein des Kranzes, welche geringeren Heißgastemperaturen ausgesetzt sind.
Insgesamt kann somit durch die Erfindung das zur Sperrung von im Heißgaskanal angrenzenden Spalten verwendete Fluid ohne Verminderung der Lebensdauer des Turbinenleitschaufelsegments durch dieses geleitet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü ¬ chen angegeben und werden wie nachfolgend beschrieben.
Wenn dasjenige - höher belastete - Schaufelblatt, dessen Saugseitenwand zum Rand der Plattform unmittelbar benachbart ist, von einem kleineren Fluidstrom durchströmt wird als dasjenige - geringer belastete - Schaufelblatt, dessen Saugseitenwand der Druckseitenwand eines benachbarten
Schaufelblattes des Turbinenleitschaufelsegments unmittelbar gegenüberliegt, kann insbesondere die thermische Belastung im Bereich zwischen der Saugseitenwand und dem Plattformrand reduziert werden. Dabei ist es möglich, dass das höher belastete Schaufelblatt massiv ausgebildet ist oder einen anderen Profilquerschnitt aufweist als das niedriger belastete Schaufelblatt.
Das Strömen von Fluid durch ein bisher höher belastetes Schaufelblatt des Turbinenleitschaufelsegmentes kann vermie ¬ den werden, indem das betreffende Schaufelblatt massiv ausge ¬ bildet ist. Falls das betreffende Schaufelblatt jedoch hohl ist, ist zumindest eine der zu den Plattformen zugewandten Seiten des Hohlraums verschlossen, um die Durchströmung des betreffenden Schaufelblattes zu vermeiden.
Der Vorschlag wird insbesondere auf Turbinenschaufelsegmente angewendet, die vorzugsweise ungekühlt oder nur geringfügig gekühlt sind, wie beispielsweise die Turbinenleitschaufein der dritten oder vierten Turbinenstufe einer stationären Gasturbine oder die Turbinenleitschaufein einer Niederdruckturbine .
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
FIG 2 eine Seitenansicht auf ein Turbinenleitschaufelseg- ment mit drei identisch profilierten
Schaufelblättern und
FIG 3 den Querschnitt durch das Turbinenleitschaufelseg- ment gemäß FIG 2.
FIG 1 zeigt eine als Gasturbine 1 ausgebildete Turbomaschine in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Maschinenachse 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 rotationssymmet- risch 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 ge ¬ schaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Tur- binenstufe 10 ist aus zwei Schaufelkränzen oder auch -reihen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einem Leitschaufelkranz 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind außen am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe 19 am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.
Die in der Turbineneinheit 8 angeordneten Leitschaufeln 12 sind radial innen in einem den Rotor 3 umgreifenden Befestigungsring 20 festgelegt, um deren Steifigkeit zu erhöhen und deren Schwingungseigenschaften zu verbessern. Um zu vermeiden, dass arbeitsfähiges Heißgas 11 ungenutzt zwischen dem Befestigungsring 20 und dem Rotor 3 in Richtung des Abgasgehäuses 9 strömt, wird der dazwischen vorgesehene Spalt durch Ausblasen von Kühlluft für Heißgas 11 gesperrt. Diese Kühlluft wird dabei von radial außen durch die Schaufelblätter der Leitschaufeln 12 zum Befestigungsring 20 geführt und kann ggf. gleichzeitig zu deren Kühlung eingesetzt werden.
FIG 2 zeigt ein Turbinenleitschaufelsegment 30 für die dritte oder vierte Turbinenstufe der Gasturbine 1 oder für eine Niederdruckturbine in einer Seitenansicht. Das Turbinenleitschaufelsegment 30 umfasst eine äußere Plattform 31 und eine innere Plattform 33 sowie drei sich dazwischen erstreckende Schaufelblätter 32, 34, 36. Jedes Schaufelblatt 32, 34, 36 weist eine Saugseitenwand 38 sowie eine Druckseitenwand 46 auf, die jeweils von einer Vorderkante 37 zu einer Hinterkante 39 verlaufen. Die Schaufelblätter 32, 34, 36 sind im Querschnitt gewölbt (FIG 3), wobei die
Druckseitenwand 46 der ersten der drei Schaufelblätter 32 zu einem ersten Rand 40 der inneren Plattform 33 unmittelbar benachbart ist. Die Saugseitenwand 38 des ersten Schaufelblattes 32 liegt der Druckseitenwand 46 des zweiten Schaufelblattes 34 und die Saugseitenwand 38 des zweiten
Schaufelblattes 34 liegt der Druckseitenwand 46 des dritten Schaufelblattes 36 unmittelbar gegenüber.
In Umfangsrichtung betrachtet - bezogen auf die Einbaulage des Turbinenleitschaufelsegmentes 30 innerhalb der Gasturbine 1 - ist zwischen dem Rand 40 der Plattform 33 und der Druckseitenwand 46 des ersten Schaufelblattes 32 ein erster Bereich A vorhanden. Zwischen der Saugseitenwand 38 des ersten bzw. zweiten Schaufelblattes 32, 34 und der Druckseitenwand 46 des zweiten bzw. dritten Schaufelblattes 34, 36 ist jeweils ein Bereich B und zwischen der Saugseitenwand 38 des dritten Schaufelblattes 36 und einem Rand 44 der Plattform 33 ein Bereich C vorhanden. Unabhängig von der axialen Position, bei der die Bereiche A, B, C bestimmt werden, ist es ersichtlich, dass diese unterschiedliche Abstände aufweisen und dementsprechend aufgrund des daran vorbeiströmenden Heißgases 11 während des Betriebes der Gasturbine 1 unterschiedlichen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Es stellte sich heraus, dass an dem übergang von der Plattform 31, 33 zur
Saugseitenwand 38 des dritten Schaufelblattes 36 am ehesten
Risse entstehen, die die Lebensdauer des
Turbinenleitschaufelsegmentes 30 insgesamt limitieren. In den
in Bereichen B angeordneten übergangsbereichen traten jedoch fast keine Verschleißerscheinungen auf, da die gegenüberliegenden Schaufelwände 38, 46 benachbarter Schaufelblätter 32, 34, 36 von durchgängigen Plattformbereichen verbunden sind.
Um als Fluid zum Sperren der Spalte zwischen dem Befestigungsring 20 und dem Rotor 3 Kühlluft durch die Schaufelblätter 32, 34, 36 ohne Verminderung der Lebensdauer des Turbinenschaufelsegmentes 30 hindurchzuführen, schlägt die Erfindung vor, das Fluid lediglich durch die geringer belasteten Schaufelblätter 32, 34 des
Turbinenleitschaufelsegmentes 30 zu führen und nicht durch das höher belastete Schaufelblatt 36. Gegenüber einem bekannten Turbinenleitschaufelsegment können somit die lebensdauerbegrenzenden Belastungen im Fillet des Schaufelblattes 36 reduziert werden. Daher kann dass Schaufelblatt 36, wie gezeigt, massiv ausgebildet sein. Falls das dritte Schaufelblatt 36 hohl ist, kann dessen Hohlraum auch beidseitig plattformseitig verschlossen sein, um dessen Durchströmung von zur Sperrung benötigter Kühlluft zu verhindern. Hierzu kann nach der Gussherstellung des Turbinenleitschaufelsegmentes die plattformseitig vorhanden öffnungen des Hohlraums durch Anschweißen eines geeigneten Blechdeckels verschlossen werden. Auch ist denkbar, die
Durchströmung durch ein teilweises Verschließen des Hohlraums zu drosseln.
Die sich durch das Durchführen des Fluid erhöhenden Belastungen der Schaufelblätter 32, 34 sind lebensdauerunkritisch, da deren neue Gesamtbelastung weiterhin geringer ist als die des höher belasteten
Schaufelblattes 36. Die Lebensdauer des
Turbinenleitschaufelsegmentes 30 ist somit weiterhin von der Lebensdauer des Schaufelblattes 36 begrenzt, aber, verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten
Turbinenleitschaufelsegment , verlängert .
Falls alle Schaufelblätter 32, 34, 36 eines Leitschaufelkranzes aufgrund der vom Heißgas 11 hervorgerufenen thermischen Belastung zu kühlen sind, so kann die Erfindung in dergestalt Anwendung finden, dass der zur Sperrung benötigte Anteil der Kühlluft ausschließlich durch die geringer belasteten Schaufelblätter 32, 34 des Turbinenleitschaufelsegmentes 30 geführt wird. Dementsprechend strömt beim Betrieb der Gasturbine 1 durch die geringer belasteten Schaufelblätter 32, 34 ein größerer Fluidstrom (pro Zeiteinheit) als durch das höher belastete Schaufelblatt 36.
In einer alternative Ausgestaltung der Erfindung können auch die geringer belasteten Schaufelblätter 32, 34 im Querschnitt bauchiger ausgebildet sein als das höher belastete
Schaufelblatt 36, d.h. die gekrümmte Tropfenform des Querschnitts der Schaufelblätter 32, 24 ist im anströmseitigen Bereich dicker als das Schaufelblatt 36.