DE19963375A1 - Cooling for the paddle tip at a gas turbine has a system to generate coolant air eddies at the gap between the paddle tip and the housing section where the hot gas flows through - Google Patents
Cooling for the paddle tip at a gas turbine has a system to generate coolant air eddies at the gap between the paddle tip and the housing section where the hot gas flows throughInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbi nen. Sie betrifft eine Schaufel für den Rotor einer Gasturbine (Laufschaufel) ge mäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to the field of gas turbine technology nen. It relates to a blade for the rotor of a gas turbine (rotor blade) according to the preamble of claim 1.
Eine solche Schaufel ist z. B. aus der EP-A1-0 684 364 bekannt.Such a shovel is e.g. B. from EP-A1-0 684 364 known.
In modernen Gasturbinen haben die Laufschaufeln der ersten und zweiten Stufe meist kein Deckband. Wegen der auftretenden hohen Gastemperaturen sind die Schaufelspitzen, d. h., die freien Enden der Schaufel in radialer Richtung, hierbei nicht einfach zu kühlen, da der Spalt zwischen Schaufelspitze und Gehäuse nicht einfach zu bestimmen ist.In modern gas turbines, the blades have the first and second stages mostly no shroud. Because of the high gas temperatures that occur Blade tips, d. that is, the free ends of the blade in the radial direction, here not easy to cool because the gap between the tip of the blade and the housing is not is easy to determine.
Normalerweise versucht man, die hochbelastete und sehr heisse Schaufelspitze durch lokale Ausblasung von Kühlluft zu kühlen. Eine solche Kühlung, wie sie aus der eingangs genannten Druckschrift bekannt ist, ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Schaufelspitze 11 einer Schaufel 10, die mit dem gegenüberliegenden Gehäuseabschnitt 18 des Gehäuses 17 einen Spalt 21 bildet. Die Schaufelspitze ist im oberen Teil als Krone 11 ausgebildet, die eine ho rizontale Kappe 19 umfasst, die von in Längsrichtung der Schaufel 10 überste henden Schienen 15, 16 berandet ist. Oberhalb der Kappe 11 wird so zwischen den Schienen 15, 16 ein Zwischenraum 20 gebildet. Innerhalb der Schaufel 10 befindet sich zwischen der Druckseite 13 und der Saugseite 14 ein Kühlkanal 12, der Kühlluft führt.Usually one tries to cool the highly loaded and very hot blade tip by locally blowing cooling air. Such cooling, as is known from the publication mentioned at the outset, is shown in FIG. 1. Fig. 1 shows a longitudinal section through the blade tip 11 of a blade 10, which forms a gap 21 with the opposite housing portion 18 of the housing 17. The blade tip is formed in the upper part as a crown 11 , which comprises a ho horizontal cap 19 which is bordered by rails 15 , 16 projecting in the longitudinal direction of the blade 10 . A space 20 is thus formed above the cap 11 between the rails 15 , 16 . Inside the blade 10 , between the pressure side 13 and the suction side 14, there is a cooling channel 12 which guides cooling air.
Die Schaufelspitze wird nun einerseits durch lokale Ausblasung von Kühlluft auf der Druckseite 13 gekühlt, wobei die Kühlluft durch schräg nach oben verlaufende Ausblasöffnungen 22 in der Nähe der Krone 11 ausgeblasen wird. Andererseits können zur weiteren Kühlung aber auch in der Nähe der saugseitigen Schiene 16 Ausblasöffnungen 23 vorgesehen werden, durch die Kühlluft aus dem Kühlkanal 12 in den Zwischenraum 20 ausgeblasen wird.The blade tip is now cooled, on the one hand, by local blowing-out of cooling air on the pressure side 13 , the cooling air being blown out through obliquely upward blowing openings 22 in the vicinity of the crown 11 . On the other hand, for further cooling, blow-out openings 23 can also be provided in the vicinity of the suction-side rail 16 , through which cooling air is blown out of the cooling channel 12 into the intermediate space 20 .
Diese bekannte Art der Kühlung hat jedoch den Nachteil, dass die Effizienz der Kühlung sehr stark von der Spaltbreite S1 des Spaltes 21 abhängt, die mit gros sen Toleranzen versehen ist und von Fall zu Fall sehr stark schwanken kann.However, this known type of cooling has the disadvantage that the efficiency of the cooling depends very much on the gap width S1 of the gap 21 , which is provided with large tolerances and can vary greatly from case to case.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaufel mit einer gekühlten Schaufel spitze zu schaffen, bei der die Nachteile bekannter Kühlmethoden vermieden wer den, und die insbesondere unabhängig von der tatsächlichen Spaltbreite eine gleichbleibend effiziente Kühlung der Krone bzw. Schaufelspitze ermöglicht.It is therefore an object of the invention to provide a blade with a cooled blade to create top, in which the disadvantages of known cooling methods are avoided the, and the one regardless of the actual gap width enables consistently efficient cooling of the crown or blade tip.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, an der Schaufelspitze Mittel vorzusehen, mit deren Hilfe querliegende Wirbeln aus Kühlluft im Spalt zwischen Krone und Ge häuseabschnitt erzeugt werden können. Dadurch stellt sich zwischen den Wirbeln und dem Gehäuseabschnitt für das durchströmende Heissgas ein effektiver Spalt ein, dessen Spaltbreite kleiner ist, als die geometrische Spaltbreite zwischen der Krone und dem Gehäuseabschnitt, so dass weniger Heissgas über die Krone ein tritt. Da der von den Wirbeln erzeugte effektive Spalt weitgehend unabhängig ist von dem geometrischen Spalt, haben grössere Toleranzen beim geometrischen Spalt nur geringe Auswirkungen auf die Kühlung.The object is achieved by the entirety of the features of claim 1. The essence of the invention is to provide means at the tip of the blade with their help transverse vortices of cooling air in the gap between crown and Ge section of the house can be generated. This places itself between the vertebrae and the housing section for the hot gas flowing through an effective gap a, the gap width is smaller than the geometric gap width between the Crown and the case section so that less hot gas enters the crown occurs. Because the effective gap created by the vortices is largely independent of the geometric gap, have greater tolerances in the geometric Gap has little effect on cooling.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeich net, dass die Mittel zur Erzeugung der Wirbel erste Ausblasöffnungen umfassen, welche in der Nähe der Druckseite der Schaufel angeordnet sind, und durch wel che Kühlluft unter Bildung der Wirbel aus einem im Inneren der Schaufel verlau fenden Kühlkanal in den Zwischenraum zwischen der Krone und dem Gehäuse abschnitt ausströmt. Hierdurch wird eine "Wirbelstrasse" zwischen dem Gehäuse abschnitt und der Schaufelkrone aufgebaut. Durch die Zentrifugalkräfte wird die Scherschicht nach aussen in Richtung Gehäuseabschnitt gedrückt.A first preferred embodiment of the invention is characterized thereby net that the means for generating the vortices include first blow-out openings, which are located near the pressure side of the blade, and by which che cool air to form the vortex from one inside the blade cooling channel into the space between the crown and the case section flows out. This creates a "vortex street" between the housing section and the blade crown built. The centrifugal forces Shear layer pushed outwards towards the housing section.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaufel im Bereich der Krone zum Gehäuseabschnitt hin durch eine Kappe be grenzt ist, dass die Kappe auf der Druckseite der Schaufel durch eine in Längs richtung der Schaufel überstehende Schiene berandet ist, und dass die ersten Ausblasöffnungen durch die Kappe hindurch verlaufend schräg auf die Schiene gerichtet sind. Die Schiene unterstützt hierbei nach Art eines Leitbleches vorteil haft die Bildung und Stabilisierung der Wirbel. A second preferred embodiment is characterized in that the Bucket in the area of the crown towards the housing section through a cap is limited that the cap on the pressure side of the blade by a lengthways is in the direction of the blade projecting rail, and that the first Blow-out openings running diagonally through the cap onto the rail are directed. The rail advantageously supports this in the manner of a guide plate adheres to the formation and stabilization of the vertebrae.
Eine dritte, alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel im Bereich der Krone zum Gehäuseabschnitt hin durch eine Kappe be grenzt ist, dass die ersten Ausblasöffnungen durch die Kappe hindurch verlaufend angeordnet sind, und dass auf der Kappe Mittel zur Stabilisierung der Wirbel vor gesehen sind. Diese Stabilisierungsmittel umfassen vorzugsweise einen auf der Kappe angeordneten, in Längsrichtung der Schaufel überstehenden Zwischen steg, wobei die ersten Ausblasöffnungen schräg auf den Zwischensteg gerichtet sind.A third, alternative embodiment is characterized in that the Bucket in the area of the crown towards the housing section through a cap the only limit is that the first blow-out openings run through the cap are arranged, and that on the cap means for stabilizing the vertebrae in front are seen. These stabilizing agents preferably comprise one on the Cap arranged, projecting in the longitudinal direction of the blade intermediate web, the first discharge openings being directed obliquely onto the intermediate web are.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments result from the dependent claims.
Die erfindungsgemässe Gasturbine ist durch die Merkmale des Anspruchs 10 be stimmt und ist dadurch gekennzeichnet, dass der den Kronen der Schaufeln ge genüberliegende Gehäuseabschnitt im Bereich des Zwischensteges zur Unter stützung der Wirbel eine lokal veränderte Kontur, vorzugsweise in Form einer Ein buchtung oder Ausbuchtung, aufweist.The gas turbine according to the invention is characterized by the features of claim 10 true and is characterized by the fact that the ge crowns of the blades opposite housing section in the area of the intermediate web to the lower support of the vertebrae a locally changed contour, preferably in the form of an bulge or bulge.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenIn the following, the invention is to be described using exemplary embodiments together Menhang be explained in more detail with the drawing. Show it
Fig. 1 im Längsschnitt die Schaufelspitze einer Gasturbinen-Laufschau fel mit einer Kühlung der Schaufelspitze nach dem Stand der Technik; Fig. 1 in longitudinal section, the blade tip of a gas turbine moving show fel with a cooling of the blade tip according to the prior art;
Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes bevorzug tes Ausführungsbeispiel einer Schaufelspitzenkühlung nach der Erfindung mit Wirbelbildung an der druckseitigen Schiene; Fig 2 in a representation comparable to FIG 1, a first Favor tes embodiment of a blade tip cooling in accordance with the invention, with vortex formation at the pressure side rail..;
Fig. 3 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaufelspit zenkühlung nach der Erfindung mit Wirbelbildung an einem auf der Kappe angeordneten zusätzlichen Steg und Unterstützung der Wirbelbildung durch eine konkave lokale Kontur im gegenüberlie genden Gehäuseabschnitt; Fig. 3 shows a second preferred embodiment of a Schaufelspit zenkühlung according to the invention with vortex formation on an additional web arranged on the cap and support of the vortex formation by a concave local contour in the opposite section of the housing;
Fig. 4 ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaufelspit zenkühlung nach der Erfindung mit Wirbelbildung an einem auf der Kappe angeordneten zusätzlichen Steg und Unterstützung der Wirbelbildung durch eine konvexe lokale Kontur im gegenüberlie genden Gehäuseabschnitt; und Fig. 4 shows a third preferred embodiment of a blade tip cooling according to the invention with vortex formation on an additional web arranged on the cap and support of the vortex formation by a convex local contour in the opposite section of the housing; and
Fig. 5 ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaufelspit zenkühlung nach der Erfindung mit Wirbelbildung an einem auf der Kappe angeordneten zusätzlichen Steg und Unterstützung der Wirbelbildung durch eine abschnittsweise bogenförmige Quer schnittskontur des Steges. Fig. 5 shows a fourth preferred embodiment of a Schaufelspit zenkühlung according to the invention with vortex formation on an arranged on the cap additional web and support of the vortex formation by a sectionally arcuate cross-sectional contour of the web.
In Fig. 2 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaufelspitzenkühlung nach der Erfindung wiederge geben. Die Schaufel 24 ist in ihrer äusseren Geometrie grundsätzlich gleich auf gebaut, wie die Schaufel 10 in Fig. 1. Gleiche Teile der Schaufel 24 aus Fig. 2 und der Schaufel 10 aus Fig. 1 sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zur Schaufel 10 aus Fig. 1 sind bei der Schaufel 24 aus Fig. 2 in der Kappe 19 erste Ausblasöffnungen 25 in der Nähe der Druckseite 13 bzw. der druckseitigen Schiene 15 angeordnet. Die ersten Ausblasöffnungen 25 sind schräg auf die Innenseite der Schiene 15 gerichtet, so dass die ausströmende Kühlluft nach oben in den Spalt 21 gelenkt wird. Die Kühlluft bildet im Bereich des Spaltes dann querliegende Wirbel 26, die mit der durch den Spalt 21 (in Richtung der breiten Pfeile) strömenden Heissluft nach rechts driften und eine Wirbelstrasse bilden.In Fig. 2, a first preferred embodiment of a blade tip cooling according to the invention is in a representation comparable to FIG. 1. The outer geometry of the blade 24 is basically the same as that of the blade 10 in FIG. 1. Identical parts of the blade 24 from FIG. 2 and the blade 10 from FIG. 1 are therefore provided with the same reference numerals. In contrast to the blade 10 from FIG. 1, in the blade 24 from FIG. 2, first blow-out openings 25 are arranged in the cap 19 in the vicinity of the pressure side 13 or the pressure-side rail 15 . The first blow-out openings 25 are directed obliquely towards the inside of the rail 15 , so that the cooling air flowing out is directed upward into the gap 21 . The cooling air then forms transverse vortices 26 in the region of the gap, which drift to the right with the hot air flowing through the gap 21 (in the direction of the broad arrows) and form a vortex street.
Die stabilen Wirbel 26 bilden für das durch den Spalt 21 strömende Heissgas ein Hindernis, dass üben die druckseitige Schiene 15 nach oben hinausragt und so einen neuen Spalt 27 mit einer effektiven Spaltbreite S2 bildet, die kleiner ist als die Spaltbreite S1 des durch die Schaufelgeometrie bedingten Spaltes 21. Durch diese effektive Verringerung der Spaltbreite für das Heissgas kann weniger Heiss gas an der Krone der Schaufel 24 vorbeiströmen. Hierdurch verringert sich die thermische Belastung der Krone und die aus den ersten Ausblasöffnungen 25 ausströmende Kühlluft kann die Schaufelspitze 11 insgesamt wirksamer kühlen. Es ist unmittelbar einsichtig, dass die effektive Spaltbreite S2 dabei praktisch nicht von der Geometrie der Schaufelspitze 11 bzw. der Toleranz des Spaltes 21 ab hängt, sondern sich im wesentlichen gemäss den Druck- und Strömungsbedin gungen für die aus den Ausblasöffnungen 25 ausströmende Kühlluft einstellt. Durch die Wirbel 26 wird also eine Spaltkontrolle erreicht, die gegenüber Toleran zen in der Schaufelgeometrie weitgehend unempfindlich ist. Selbstverständlich kann die durch diese Spaltkontrolle erreichbare, effektivere Kühlung zusätzlich durch eine konventionelle Ausblasung von Kühlluft durch zweite Ausblasöffnungen 22 auf der Druckseite der Schaufel 24 unterstützt werden.The stable vortices 26 form an obstacle to the hot gas flowing through the gap 21 , that the pressure-side rail 15 protrudes upwards and thus forms a new gap 27 with an effective gap width S2 that is smaller than the gap width S1 of the one caused by the blade geometry Column 21 . This effective reduction in the gap width for the hot gas means that less hot gas can flow past the crown of the blade 24 . This reduces the thermal load on the crown and the cooling air flowing out of the first blow-out openings 25 can cool the blade tip 11 more effectively overall. It is immediately apparent that the effective gap width S2 practically does not depend on the geometry of the blade tip 11 or the tolerance of the gap 21 , but rather occurs in accordance with the pressure and flow conditions for the cooling air flowing out of the blow-out openings 25 . The vortex 26 thus achieves a gap control which is largely insensitive to tolerances in the blade geometry. Of course, the more effective cooling that can be achieved by this gap control can additionally be supported by a conventional blow-out of cooling air through second blow-out openings 22 on the pressure side of the blade 24 .
Eine andere Art der Wirbelerzeugung ist in den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4 dargestellt. Auf der Kappe 19 der Schaufel 24 ist hier ein quer zur Strö mungsrichtung der Heissgase verlaufender Zwischensteg 29 angeordnet, der die Wirbelbildung unterstützt. Wenn der Zwischensteg 29 in seiner Höhe die drucksei tige Schiene 15 überragt - wie dies in Fig. 3 und 4 beispielhaft gezeigt ist, bildet er mit dem gegenüberliegenden Gehäuseabschnitt 18 einen eigenen Spalt 31, des sen Spaltbreite S3 kleiner ist als die Spaltbreite S1 des Spaltes 21. Er stellt so eine zusätzliche Drosselung für das durchströmende Heissgas dar. Die strö mungsbegrenzenden Wirbel 26 werden mit Hilfe des Zwischensteges 29 dadurch erzeugt, dass er durch schräg auf ihn gerichtete erste Ausblasöffnungen 28 mit Kühlluft angeblasen wird. Die Wirbel 26 haben in diesem Fall einen zu Fig. 2 ent gegengesetzten Drehsinn. Die Wirbel 26 erzeugen auch hier einen Spalt 27 mit einer effektiven Spaltbreite S2, die kleiner ist als die Spaltbreiten S1 und S3. Um den Wirbelkopf der Wirbel 26 noch zu unterstützen, kann der gegenüberliegende Gehäuseabschnitt 18 (das Wärmestausegment) im Bereich des Zwischensteges 29 eine lokal veränderte Kontur aufweisen. In Fig. 3 ist diese lokal veränderte Kontur 30 eine (konkave) Einbuchtung. In Fig. 4 ist diese lokal veränderte Kontur 30' eine (konvexe) Ausbuchtung.Another type of vortex generation is shown in the exemplary embodiments in FIGS . 3 and 4. On the cap 19 of the blade 24 here a transverse to the flow direction of the hot gases is arranged intermediate web 29 which supports the vortex formation. If the intermediate web 29 projects beyond the pressure-side rail 15 in its height - as is shown by way of example in FIGS . 3 and 4, it forms a separate gap 31 with the opposite housing section 18 , the gap width S3 of which is smaller than the gap width S1 of the gap 21 . It thus represents an additional throttling for the hot gas flowing through. The flow-limiting vortex 26 are generated with the aid of the intermediate web 29 in that it is blown with cooling air through obliquely directed first blow-out openings 28 . The vortices 26 in this case have a direction of rotation opposite to FIG. 2. The vortices 26 also produce a gap 27 with an effective gap width S2 that is smaller than the gap widths S1 and S3. In order to support the vertebra head of the vertebrae 26 , the opposite housing section 18 (the heat accumulation segment) in the area of the intermediate web 29 can have a locally changed contour. In Fig. 3, these locally modified contour 30 is a (concave) recess. In Fig. 4, these locally modified contour 30 'is a (convex) bulge.
Eine andere Möglichkeit, die Wirbelbildung am Zwischensteg zu unterstützen und zu stabilisieren, besteht gemäss Fig. 5 darin, den Zwischensteg mit einer speziel len Querschnittskontur auszustatten. Beim Zwischensteg 32 in Fig. 5 ist die Quer schnittskontur abschnittsweise bogenförmig ausgelegt, wobei die Bogenform dem zu bildenden Wirbel 26 angepasst ist. Die Umlenkung der aus den Ausblasöffnun gen 28 ausströmenden Kühlluft zu einem Wirbel wird so vorteilhaft beeinflusst.Another possibility to support and stabilize the vortex formation on the intermediate web is, according to FIG. 5, to equip the intermediate web with a special cross-sectional contour. At the intermediate web 32 in FIG. 5, the cross-sectional contour is designed in sections in the form of an arc, the arc shape being adapted to the vertebra 26 to be formed. The deflection of the cooling air flowing out of the blow-out openings 28 into a vortex is thus advantageously influenced.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine gekühlte Laufschaufel für eine Gas
turbine, die sich durch folgende Vorteile auszeichnet:
Overall, the invention results in a cooled rotor blade for a gas turbine, which is distinguished by the following advantages:
- - Der Spalt zwischen Schaufelspitze und Gehäuse wird verkleinert. Dies führt zu einem deutlichen Wirkungsgradgewinn für die Turbine.- The gap between the tip of the blade and the housing is reduced. this leads to a significant gain in efficiency for the turbine.
- - Aufgrund des verkleinerten Spaltes sinkt der Anteil an Heissgas über der Krone.- Due to the reduced gap, the proportion of hot gas drops above the Crown.
- - Die ausgeblasene Kühlluft im Kronenbereich hilft effektiv, die treibende Tempe ratur in diesem Bereich zu senken.- The blown out cooling air in the crown area effectively helps the driving tempe rature in this area.
- - Aufgrund des Wirbels im Kronenbereich kann die Kühlluft auf der Druckseite effektiver zur Kronenkühlung eingesetzt werden.- Due to the vortex in the crown area, the cooling air on the pressure side can be used more effectively for crown cooling.
1010th
Schaufel
shovel
1111
Krone (Schaufelspitze)
Crown (blade tip)
1212th
Kühlkanal
Cooling channel
1313
Druckseite
Printed page
1414
Saugseite
Suction side
1515
, ,
1616
Schiene
rail
1717th
Gehäuse
casing
1818th
Gehäuseabschnitt (Wärmestausegment)
Housing section (heat accumulation segment)
1919th
Kappe
cap
2020th
Zwischenraum
Space
2121
Spalt
gap
2222
, ,
2323
Ausblasöffnung
Discharge opening
2424th
Schaufel
shovel
2525th
, ,
2828
Ausblasöffnung
Discharge opening
2626
Wirbel
whirl
2727
Spalt (Wirbel)
Gap
2929
, ,
3232
Zwischensteg
Mezzanine
3030th
, ,
3030th
' lokal veränderte Kontur
'locally changed contour
3131
Spalt (Zwischensteg)
S1, . . ., S3 Spaltbreite
Gap (intermediate bridge)
S1,. , ., S3 gap width
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