EP1008723B1 - Plattformkühlung in Turbomaschinen - Google Patents
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- EP1008723B1 EP1008723B1 EP98811219A EP98811219A EP1008723B1 EP 1008723 B1 EP1008723 B1 EP 1008723B1 EP 98811219 A EP98811219 A EP 98811219A EP 98811219 A EP98811219 A EP 98811219A EP 1008723 B1 EP1008723 B1 EP 1008723B1
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- EP
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- cooling
- fluid
- platform
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
- F01D5/187—Convection cooling
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
- F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
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- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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- F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
- F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
- F01D11/008—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
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- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2240/00—Components
- F05B2240/80—Platforms for stationary or moving blades
- F05B2240/801—Platforms for stationary or moving blades cooled platforms
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2240/00—Components
- F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
- F05D2240/81—Cooled platforms
Definitions
- the invention relates to a device for cooling of platforms in Turbomachinery, in particular in gas turbines.
- the efficiency of turbomachines can be increased by increasing the cycle process parameters of the turbomachine.
- the relevant cycle process parameters are the pressure and the temperature of the fluid.
- the fluid temperatures which usually occur during the operation of turbomachines today are already well above the permissible material temperatures of the components, in particular in the turbine inlet region.
- the components forming the flow channel or projecting into the flow channel are directly exposed to the hot fluid flow.
- the conditional by the heat conduction of the material heat dissipation of the components is generally not sufficient here to avoid over-temperature of the components. Too high material temperatures initially lead to a decrease in the strength values of the material. This often leads to cracking in components.
- the flow channel of a turbomachine is often constructed of annularly lined-up platforms.
- the blades of the turbomachine are often arranged on such platforms. In most cases, one bucket is made in one piece with one platform each. In particular, in stators such platforms are also often arranged in the form of a shroud of the blading at the blade tips of the blades. These platforms are thus exposed directly to the hot fluid flow.
- a temperature profile of the fluid emerging from the combustion chamber, usually air, in the turbine inlet region has traditionally been desired above the channel height.
- This temperature profile could be achieved via an admixture of cooling fluid in the edge regions of the hot fluid flow in the outlet region of the combustion chamber.
- the fluid immediately adjacent to the side walls and thus to the platforms therefore had a significantly reduced temperature compared to the temperature of the core flow.
- an over-temperature of the platforms could be avoided.
- the invention is based on the object, platforms efficient and reliable to cool.
- This object is achieved in that at least in one Section along the running between adjacent platforms Parting line a cooling channel is arranged, which as a slot-shaped depression in both adjacent to the parting line side walls of the platforms is executed, and the one along the parting line changing depth of penetration in the respective platform.
- the cooling fluid guided in the cooling channel has a lower one Temperature on than the adjacent platforms. This is what happens a convective heat transfer between the to the cooling channel adjacent platforms and the cooling fluid and consequently to one Cooling the platforms. It turned out that in this way realized cooling almost independent of fluctuations of the Operating state of the turbomachine is. Furthermore, compared to the other cooling method described above a much smaller Coolant fluid mass flow required to cool the platforms.
- the cooling channel extends at least in sections approximately parallel to the platform surface. This ensures that a large area of the platform is cooled evenly. It was found that thus a largely uniform Setting temperature distribution in the refrigerated areas of the platform. So-called 'hot spots' in the form of local overheating of the platforms become thereby avoided.
- the platforms are one-piece or multi-piece with on the platforms arranged blades executed.
- the platforms can be on the blade foot or be arranged on the blade head of the blades. Form strung together the platforms one or both side walls of the flow channel.
- the cooling channel approximately centrally between the blades to arrange.
- Particularly advantageous is the cooling channel with a Shovel profile course executed approximately similar course. It presented It turns out that an over-temperature is common in the peripheral areas and the free areas of the platforms occurs.
- the free areas of a platform are the areas that in the top view or the bottom view are not one on the Platform arranged shovel to be covered.
- the cooling channel course has at least one S-beat in such a way, in that at least a part of the cooling fluid guided in the cooling channel is the one Dividing line overflowed.
- the Cooling channel as a slot-shaped depression in the at the parting line adjacent side walls of the platform and thus not as closed Cooling channel, but is open towards the parting line, the Cooling fluid accordingly also flow into the parting line.
- the Cooling fluid supplied to the cooling channel in a simple manner via the parting line become.
- cooling channel is open towards the parting line, it is expedient to use the Cooling channel arranged by means of at least one in the cooling channel Sealing element, preferably a sealing strip inserted in the cooling channel, opposite to a fluid applied to the top of the platforms, in the Usually the hot fluid, seal. As a result, an outflow of the Cooling fluid prevented from the cooling channel.
- Sealing element preferably a sealing strip inserted in the cooling channel, opposite to a fluid applied to the top of the platforms, in the Usually the hot fluid, seal.
- an open to the parting line cooling channel is advantageous at least in a section along the parting line in a sealing chamber and a Cooling chamber divided. This subdivision of the cooling channel preferably takes place via a gradation of the channel height.
- the sealing chamber is to arrange a Sealing element expediently designed with a larger channel height.
- the Cooling chamber advantageously has a smaller channel height at the same time greater penetration depth.
- FIG. 1 shows a platform 110 for use in a turbomachine typical embodiment shown in a side view.
- the hatching was not used here, as usual, for marking cut surfaces, but merely serves to illustrate the presentation.
- the Platform 110 in one piece with one on the platform arranged blade 120 executed.
- the platform 110 is in one Arrangement shown with a rotor disc 121 of the turbomachine. This Arrangement corresponds to the typical structure of a bladed Turbine rotor of a turbomachine. Shown is only one of the am Scope of the rotor disc lined up, each with platforms running Blades. Form the platforms strung together on the circumference of the runner in this case, the hub-side side wall of the flow channel of the turbomachine.
- the hot fluid flow 125 as the main flow of Turbomachine flows in the representation from right to left along the Top of the platform 110. This results in an immediate Heat transfer between the hot fluid 125 and the platform 110.
- the Temperature of the hot fluid 125 is in this case at least in the full load range of Turbomachine above the maximum permissible material temperature of the platform.
- a cooling channel 130 arranged.
- the cooling channel 130 is approximately parallel to that of the hot Fluid flow facing top of the platform 110. According to the Representation is the cooling channel 130 as a slot-shaped depression in the Side wall of the platform 110 executed.
- Cooling channel 130 is fed here from two reservoirs with cooling fluid.
- Cooling fluid 126 flows from between the platform and the rotor disk arranged cooling fluid reservoir 155 via an opening 150 in the cooling channel 130.
- Another way of supplying cooling fluid to the cooling channel 130 results here via the lateral opening 151 of the cooling channel.
- the feed the cooling channel 130 with cooling fluid 126 is thus here in relation to the Main flow 125 upstream.
- the outflow is related to the Main flow at the downstream end of the cooling channel instead.
- the in Figure 1 illustrated cooling channel 130 ends without specially shaped outlet in the Platform 110. The cooling fluid 126 escapes via the parting line.
- FIG. 2 shows two juxtaposed platforms 210, 210 'in plan view.
- a blade 220, 220 ' is arranged in each case.
- a cooling channel 230 is arranged in the side walls of the platforms 210, 210' adjoining the parting line 211 along the parting line 211.
- the cooling channel 230 consists of slot-shaped recesses in the side walls of both platforms 210, 210 '.
- the arrangement of the cooling channel 230 was chosen in the illustrated embodiment so that the cooling channel 230 approximately centrally between the blades 220, 220 'extends and in this case has a profile similar to the blade profile.
- This profile of the cooling channel 230 which is similar to the blade profile, is achieved in that the course of the cooling channel 230 along the parting line 211 has two S-strikes.
- the sealing chamber 235 here consists of slit-shaped depressions which are arranged in both adjacent to the parting line 211 side walls with approximately the same and along the parting line 211 constant penetration depth. Furthermore, the sealing chamber 235 has a greater channel height compared to the cooling chamber 236. This feature is not apparent due to the representation perspective of Figure 2.
- the sealing element which is expediently to be arranged in the sealing chamber is not shown. This sealing element seals the cooling channel against the hot fluid flow on the top of the platforms.
- the cooling chamber 236 is designed in the same way as the sealing chamber 235 as a slot-shaped depression but with a smaller channel height. In contrast to the sealing chamber, the cooling chamber 236, however, as shown in Figure 2, a greater penetration depth in the platforms 210, 210 'a.
- the feeding of the cooling channel 230 with cooling fluid 226 takes place in relation to the hot fluid flow 225 at the upstream end of the cooling passage 230 via a longitudinal slot 250 from a lower side reservoir.
- Cooling channel 230 flows from the cooling fluid 226 the cooling channel 230 via a Outlet opening 252 in a downstream, not shown in Figure 2 Component gap.
- a seal of the cooling channel 330 is shown in FIG. 3 as a section through two Side-by-side platforms 310, 310 'shown.
- the cooling channel 330 is here from slot-shaped depressions in both to the parting line formed adjacent side walls of the platforms 310, 310 '.
- the first Platform 310 is again in one piece with one located on the platform Shovel 320 executed.
- the cooling channel 330 is over a gradation of Channel height in a sealing chamber 335 and a cooling chamber 336 divided.
- a sealing strip 340 inserted so that he in the Cooling passage 330 flowing cooling fluid to one on the tops of the Platforms adjacent fluid seals.
- the sealing strip 340 has at its at the rear end, a flange 341 on. This flange 341 serves here Guide the sealing fluid in the overflow of the parting line 311st
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Plattformen in
Turbomaschinen, insbesondere in Gasturbinen.
Der Wirkungsgrad von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen, kann
über eine Erhöhung der Kreisprozeßparameter der Turbomaschine erhöht
werden. Die relevanten Kreisprozeßparameter sind hierbei der Druck und die
Temperatur des Fluids.
Die im Betrieb von Turbomaschinen heutzutage üblicherweise auftretenden Fluidtemperaturen liegen insbesondere im Turbineneintrittsbereich bereits deutlich über den zulässigen Materialtemperaturen der Bauteile. Speziell die den Strömungskanal bildenden oder in den Strömungskanal ragenden Bauteile sind hierbei unmittelbar der heißen Fluidströmung ausgesetzt. Die durch die Wärmeleitung des Werkstoffs bedingte Wärmeabfuhr der Bauteile ist hier in der Regel nicht ausreichend, um eine Übertemperatur der Bauteile zu vermeiden. Zu hohe Materialtemperaturen führen zunächst zu einem Rückgang der Festigkeitswerte des Werkstoffs. Hierbei kommt es oftmals zur Rißbildung in Bauteilen. Im Falles des Überschreitens der Schmelztemperatur des Werkstoffs kommt es darüber hinaus zu einer lokalen oder auch vollständigen Zerstörung des Bauteils. Um diese fatalen Folgen zu vermeiden, ist dafür Sorge zu tragen, daß die Bauteiltemperaturen die maximal zulässigen Materialtemperaturen nicht überschreiten.
Der Strömungskanal einer Turbomaschine ist oftmals aus ringförmig aneinandergereihten Plattformen aufgebaut. Die Schaufeln der Turbomaschine sind häufig auf derartigen Plattformen angeordnet. Zumeist ist je eine Schaufel einteilig mit je einer Plattform ausgeführt. Insbesondere bei Statoren sind derartige Plattformen aber auch oftmals in Form eines Deckbandes der Beschaufelung an den Schaufelspitzen der Schaufeln angeordnet. Diese Plattformen sind somit unmittelbar der heißen Fluidströmung ausgesetzt.
Um die maximal zulässige Materialtemperatur der Plattformen nicht zu überschreiten, wurde bisher üblicherweise über der Kanalhöhe ein Temperaturprofil des aus der Brennkammer austretenden Fluids, meist Luft, im Turbineneintrittsbereich angestrebt. Dieses Temperaturprofil ließ sich über eine Beimischung von Kühlfluid in die Randbereiche der heißen Fluidströmung im Austrittsbereich der Brennkammer erzielen. Das unmittelbar an die Seitenwände und somit an die Plattformen angrenzende Fluid wies daher eine im Vergleich zur Temperatur der Kernströmung deutlich verminderte Temperatur auf. Somit konnte eine Übertemperatur der Plattformen vermieden werden. Als Nachteile dieses Verfahrens ergeben sich hieraus einerseits ein über die Kanalhöhe variierender Energiegehalt der Fluidströmung. Dieser über die Kanalhöhe variierende Energiegehalt der Fluidströmung führt wiederum zu einer uneinheitlichen Energieumsetzung in einem nachfolgenden Rotor und somit zu einer uneinheitlichen Belastung der Beschaufelung über der Kanalhöhe. Als ein weiterer Nachteil dieser Zumischung von Kühlfluid zur Hauptströmung resultiert hieraus eine Verminderung des erzielbaren Wirkungsgrades und somit auch der Leistungsdichte der Turbomaschine. Aus diesen Gründen wird heutzutage ein gleichmäßiges Temperaturprofil über der Kanalhöhe angestrebt. Darüber hinaus werden moderne Brennkammern heutzutage unter dem Aspekt der NOx-Reduktion so ausgelegt, daß keine oder nur eine geringe Beimischung von Sekundärverbrennungsluft mehr erfolgt. Hieraus resultiert ein sehr gleichmäßiges Temperaturprofil über der Kanalhöhe. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der thermischen Belastung der Bauteile, die der Brennkammer nachgeordnet sind, insbesondere der Seitenwände und somit der Plattformen.
Hier wurde bisher versucht, die Plattformen durch Ausblasung eines Kühlfluides zumeist unmittelbar stromauf der Plattformen zu kühlen. Das Kühlfluid soll hierbei einen Kühlfilm auf der Oberseite der Plattformen ausbilden, wodurch es zu einer fluidmechanischen Trennung zwischen dem heißen Fluid und der jeweiligen Plattform kommt. Bei der Lösung gemäss EP 0367984 sind zu diesem Zweck in einer Trennfuge zwischen benachbarten Plattformen schlitzförmige Kanäle zur Verteilung des Kühlfluids angeordnet, welches über Spaltöffnungen in der Streifendichtung zwischen den Plattformen austritt und auf der äusseren Plattformoberfläche einen Kühlfilm bildet. Die Wirkung derartiger Kühlfilme ist aber aufgrund der Durchmischung mit dem Heißgas oftmals räumlich eng begrenzt. Sich ändernde Druckverhältnisse der Heißgasströmung oder auch des Kühlfluids über den Lastbereich einer Turbomaschine führen ebenso zu einem veränderten Kühlfilm. Um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, ist darüber hinaus ein relativ großer Kühlfluidmassenstrom erforderlich. Dies wiederum führt zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Turbomaschine. Zur Erhöhung der Kühlwirkung wird gemäss US 5281097 angeregt, die von einer Fluidquelle zur Trennfuge führenden Kühlkanäle gekurvt auszubilden, um damit die Wirkung der konvektiven Kühlung auf einen grösseren Flächenbereich auszudehnen und somit eine intensivere und gleichmässigere Kühlung der Plattformen zu erreichen. Nach EP 0866214 verlaufen die vom Kühlfluid beaufschlagten Kühlkanäle vollständig innerhalb der Plattformen und im wesentlichen parallel zu deren Rändern. Diese auf Dampf als Kühlfluid ausgelegte Lösung soll insbesondere die Kühlung der peripheren, thermisch besonders beanspruchten Bereiche der Plattformen verbessern.
Die im Betrieb von Turbomaschinen heutzutage üblicherweise auftretenden Fluidtemperaturen liegen insbesondere im Turbineneintrittsbereich bereits deutlich über den zulässigen Materialtemperaturen der Bauteile. Speziell die den Strömungskanal bildenden oder in den Strömungskanal ragenden Bauteile sind hierbei unmittelbar der heißen Fluidströmung ausgesetzt. Die durch die Wärmeleitung des Werkstoffs bedingte Wärmeabfuhr der Bauteile ist hier in der Regel nicht ausreichend, um eine Übertemperatur der Bauteile zu vermeiden. Zu hohe Materialtemperaturen führen zunächst zu einem Rückgang der Festigkeitswerte des Werkstoffs. Hierbei kommt es oftmals zur Rißbildung in Bauteilen. Im Falles des Überschreitens der Schmelztemperatur des Werkstoffs kommt es darüber hinaus zu einer lokalen oder auch vollständigen Zerstörung des Bauteils. Um diese fatalen Folgen zu vermeiden, ist dafür Sorge zu tragen, daß die Bauteiltemperaturen die maximal zulässigen Materialtemperaturen nicht überschreiten.
Der Strömungskanal einer Turbomaschine ist oftmals aus ringförmig aneinandergereihten Plattformen aufgebaut. Die Schaufeln der Turbomaschine sind häufig auf derartigen Plattformen angeordnet. Zumeist ist je eine Schaufel einteilig mit je einer Plattform ausgeführt. Insbesondere bei Statoren sind derartige Plattformen aber auch oftmals in Form eines Deckbandes der Beschaufelung an den Schaufelspitzen der Schaufeln angeordnet. Diese Plattformen sind somit unmittelbar der heißen Fluidströmung ausgesetzt.
Um die maximal zulässige Materialtemperatur der Plattformen nicht zu überschreiten, wurde bisher üblicherweise über der Kanalhöhe ein Temperaturprofil des aus der Brennkammer austretenden Fluids, meist Luft, im Turbineneintrittsbereich angestrebt. Dieses Temperaturprofil ließ sich über eine Beimischung von Kühlfluid in die Randbereiche der heißen Fluidströmung im Austrittsbereich der Brennkammer erzielen. Das unmittelbar an die Seitenwände und somit an die Plattformen angrenzende Fluid wies daher eine im Vergleich zur Temperatur der Kernströmung deutlich verminderte Temperatur auf. Somit konnte eine Übertemperatur der Plattformen vermieden werden. Als Nachteile dieses Verfahrens ergeben sich hieraus einerseits ein über die Kanalhöhe variierender Energiegehalt der Fluidströmung. Dieser über die Kanalhöhe variierende Energiegehalt der Fluidströmung führt wiederum zu einer uneinheitlichen Energieumsetzung in einem nachfolgenden Rotor und somit zu einer uneinheitlichen Belastung der Beschaufelung über der Kanalhöhe. Als ein weiterer Nachteil dieser Zumischung von Kühlfluid zur Hauptströmung resultiert hieraus eine Verminderung des erzielbaren Wirkungsgrades und somit auch der Leistungsdichte der Turbomaschine. Aus diesen Gründen wird heutzutage ein gleichmäßiges Temperaturprofil über der Kanalhöhe angestrebt. Darüber hinaus werden moderne Brennkammern heutzutage unter dem Aspekt der NOx-Reduktion so ausgelegt, daß keine oder nur eine geringe Beimischung von Sekundärverbrennungsluft mehr erfolgt. Hieraus resultiert ein sehr gleichmäßiges Temperaturprofil über der Kanalhöhe. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der thermischen Belastung der Bauteile, die der Brennkammer nachgeordnet sind, insbesondere der Seitenwände und somit der Plattformen.
Hier wurde bisher versucht, die Plattformen durch Ausblasung eines Kühlfluides zumeist unmittelbar stromauf der Plattformen zu kühlen. Das Kühlfluid soll hierbei einen Kühlfilm auf der Oberseite der Plattformen ausbilden, wodurch es zu einer fluidmechanischen Trennung zwischen dem heißen Fluid und der jeweiligen Plattform kommt. Bei der Lösung gemäss EP 0367984 sind zu diesem Zweck in einer Trennfuge zwischen benachbarten Plattformen schlitzförmige Kanäle zur Verteilung des Kühlfluids angeordnet, welches über Spaltöffnungen in der Streifendichtung zwischen den Plattformen austritt und auf der äusseren Plattformoberfläche einen Kühlfilm bildet. Die Wirkung derartiger Kühlfilme ist aber aufgrund der Durchmischung mit dem Heißgas oftmals räumlich eng begrenzt. Sich ändernde Druckverhältnisse der Heißgasströmung oder auch des Kühlfluids über den Lastbereich einer Turbomaschine führen ebenso zu einem veränderten Kühlfilm. Um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, ist darüber hinaus ein relativ großer Kühlfluidmassenstrom erforderlich. Dies wiederum führt zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Turbomaschine. Zur Erhöhung der Kühlwirkung wird gemäss US 5281097 angeregt, die von einer Fluidquelle zur Trennfuge führenden Kühlkanäle gekurvt auszubilden, um damit die Wirkung der konvektiven Kühlung auf einen grösseren Flächenbereich auszudehnen und somit eine intensivere und gleichmässigere Kühlung der Plattformen zu erreichen. Nach EP 0866214 verlaufen die vom Kühlfluid beaufschlagten Kühlkanäle vollständig innerhalb der Plattformen und im wesentlichen parallel zu deren Rändern. Diese auf Dampf als Kühlfluid ausgelegte Lösung soll insbesondere die Kühlung der peripheren, thermisch besonders beanspruchten Bereiche der Plattformen verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Plattformen effizient und zuverlässig
zu kühlen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest in einem
Abschnitt längs der zwischen benachbarten Plattformen verlaufenden
Trennfuge ein Kühlkanal angeordnet ist, welcher als schlitzförmige Vertiefung in
beiden an die Trennfuge angrenzenden Seitenwänden der Plattformen
ausgeführt ist, und der eine sich längs der Trennfuge verändernde Eindringtiefe
in der jeweiligen Plattform aufweist.
Zweckmäßig weist das in dem Kühlkanal geführte Kühlfluid eine niedrigere
Temperatur auf als die angrenzenden Plattformen. Hierdurch kommt es zu
einem konvektiv bedingten Wärmeübergang zwischen den an den Kühlkanal
angrenzenden Plattformen und dem Kühlfluid und infolgedessen zu einer
Kühlung der Plattformen. Es stellte sich heraus, daß die in dieser Weise
realisierte Kühlung nahezu unabhängig von Schwankungen des
Betriebszustandes der Turbomaschine ist. Ferner ist im Vergleich zu den
anderen, oben beschriebenen Kühlverfahren ein wesentlich kleinerer
Kühlfluidmassenstrom zur Kühlung der Plattformen erforderlich.
Zweckmäßig verläuft der Kühlkanal zumindest in Teilabschnitten
näherungsweise parallel zur Plattformoberfläche. Hierdurch ist sichergestellt,
daß ein großer Bereich der Plattform gleichmäßig gekühlt wird. Es wurde
gefunden, daß sich somit eine weitestgehend gleichmäßige
Temperaturverteilung in den gekühlten Bereichen der Plattform einstellt.
Sogenannte 'Hot-Spots' in Form lokaler Überhitzungen der Plattformen werden
hierdurch vermieden.
Oftmals sind die Plattformen einteilig oder mehrteilig mit auf den Plattformen
angeordneten Schaufeln ausgeführt. Die Plattformen können am Schaufelfuß
oder am Schaufelkopf der Schaufeln angeordnet sein. Aneinandergereiht bilden
die Plattformen eine oder beide Seitenwände des Strömungskanals. Hierbei ist
es vorteilhaft, den Kühlkanal näherungsweise mittig zwischen den Schaufeln
anzuordnen. Besonders vorteilhaft ist der Kühlkanal mit einem dem
Schaufelprofilverlauf näherungsweise ähnlichen Verlauf ausgeführt. Es stellte
sich heraus, daß eine Übertemperatur häufig in den Randbereichen und den
freien Bereichen der Plattformen auftritt. Die freien Bereiche einer Plattform sind
die Bereiche, die in der Draufsicht oder der Untersicht nicht von einer auf der
Plattform angeordneten Schaufel überdeckt werden. Diese besondere
Gefährdung der Randbereiche und freien Bereiche hinsichtlich Übertemperatur
ist darauf zurückzuführen, daß hier aufgrund geringer Wanddicken der
Plattformen eine nur geringe Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung in der Plattform
selbst stattfindet. Darüber hinaus verlaufen Kühlfluidzuleitungen zur
Schaufelkühlung, sofern es sich um eine fluidgekühlte Schaufel handelt, oftmals
nur in der Mitte der Plattformen durch die Plattformen in die Schaufeln. Diese
Kühlfluidzuleitungen in die Schaufeln führen aber nur in ihrer unmittelbaren
Umgebung zu einer Kühlung der jeweiligen Plattform. Die Randbereiche der
Plattform verbleiben somit ungekühlt. Es wurde gefunden, daß ein bevorzugt
näherungsweise mittig zwischen den Schaufeln angeordneter Kühlkanal hier zu
einer optimalen Kühlung insbesondere der Randbereiche der Plattformen führt.
Infolge des gekrümmten Profilverlaufs der Schaufeln, ist es darüber hinaus
zweckmäßig, den Kühlkanal mit einem näherungsweise dem
Schaufelprofilverlauf ähnlichen Verlauf in den Plattformen anzuordnen.
Vorteilhaft weist der Kühlkanalverlauf zumindest einen S-Schlag dergestalt auf,
daß zumindest ein Teil des in dem Kühlkanal geführten Kühlfluids die
Trennfuge überströmt. Hierdurch ist es möglich, zumindest Teilbereiche beider
Plattformen mit nur einem Kühlkanal zu kühlen. Insbesondere im Falle der
Anordnung von Schaufeln auf den Plattformen, ist somit lediglich ein Kühlkanal
zur Kühlung der Bereiche zwischen jeweils zwei Schaufeln erforderlich.
Indem der Kühlkanal als schlitzförmige Vertiefung in den an die Trennfuge
angrenzenden Seitenwänden der Plattform und somit nicht als geschlossener
Kühlkanal, sondern gegenüber der Trennfuge hin offen ausgeführt ist, kann das
Kühlfluid demgemäß auch in die Trennfuge einströmen. Dies führt vorteilhaft
auch zu einer Kühlung der Seitenwände der Trennfuge. Ferner kann das
Kühlfluid dem Kühlkanal in einfacher Weise über die Trennfuge zugeführt
werden.
Verläuft der Kühlkanal zur Trennfuge hin offen, so ist es zweckmäßig, den
Kühlkanal mittels zumindest eines in dem Kühlkanal angeordneten
Dichtelements, bevorzugt eines in den Kühlkanal eingelegten Dichtstreifens,
gegenüber einem auf der Oberseite der Plattformen anliegenden Fluides, in der
Regel dem heißen Fluid, abzudichten. Hierdurch wird ein Ausströmen des
Kühlfluides aus dem Kühlkanal verhindert.
Ferner ist ein zur Trennfuge hin offener Kühlkanal vorteilhaft zumindest in
einem Abschnitt längs der Trennfuge in eine Dichtkammer und eine
Kühlkammer unterteilt. Bevorzugt erfolgt diese Unterteilung des Kühlkanals
über eine Stufung der Kanalhöhe. Die Dichtkammer ist zur Anordnung eines
Dichtelements zweckmäßig mit einer größeren Kanalhöhe ausgeführt. Die
Kühlkammer weist hingegen vorteilhaft eine kleinere Kanalhöhe bei gleichzeitig
größerer Eindringtiefe auf.
Zweckmäßig erfolgt die Zuführung des Kühlfluides zum Kühlkanal in Bezug zu
einer die Plattformen überströmenden Hauptströmung stromauf, wohingegen
der Auslaß zweckmäßig stromab erfolgt. Hierbei kann das Kühlfluid in die
Hauptströmung oder aber auch in einen nachgeordneten Spalt entweichen. In
einigen Fällen wird es darüber hinaus sinnvoll sein, das Kühlfluid weiterhin zur
Kühlung in einem Kühlkanal einzusetzen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die
Erfindung ist hierbei aber nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt,
sondern kann auch von diesen Ausführungsbeispielen abweichend realisiert
werden.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Plattform mit einem in der Plattform angeordneten Kühlkanal in der Seitenansicht
- Fig. 2
- zwei aneinandergereihte Plattformen mit auf den Plattformen angeordneten Schaufeln und einem längs der Trennfuge zwischen den Plattformen angeordneten Kühlkanal in der Draufsicht
- Fig. 3
- einen Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Plattformen mit einem in den Plattformen angeordneten Kühlkanal
In Figur 1 ist eine Plattform 110 in einer für den Einsatz in einer Turbomaschine
typischen Ausführung in einer Seitenansicht dargestellt. Die Schraffur wurde
hier nicht, wie üblicherweise, zur Kennzeichnung von Schnittflächen verwendet,
sondern dient lediglich der Veranschaulichung der Darstellung. Gemäß der
Darstellung ist die Plattform 110 hier einteilig mit einer auf der Plattform
angeordneten Schaufel 120 ausgeführt. Ferner ist die Plattform 110 in einer
Anordnung mit einer Läuferscheibe 121 der Turbomaschine dargestellt. Diese
Anordnung entspricht dem typischen Aufbau eines beschaufelten
Turbinenrotors einer Turbomaschine. Dargestellt ist jedoch nur eine der am
Umfang der Läuferscheibe aufgereihten, jeweils mit Plattformen ausgeführten
Schaufeln. Die am Umfang des Läufers aneinandergereihten Plattformen bilden
hierbei die nabenseitige Seitenwand des Strömungskanals der Turbomaschine.
Zwischen der dargestellten Plattform 110 und der nächsten, unmittelbar
angrenzend angeordneten Plattform verläuft eine Trennfuge zwischen den
Plattformen. Die heiße Fluidströmung 125 als die Hauptströmung der
Turbomaschine strömt in der Darstellung von rechts nach links entlang der
Oberseite der Plattform 110. Hierdurch kommt es zu einer unmittelbaren
Wärmeübertragung zwischen dem heißen Fluid 125 und der Plattform 110. Die
Temperatur des heißen Fluids 125 liegt hierbei zumindest im Volllastbereich der
Turbomaschine über der maximal zulässigen Materialtemperatur der Plattform.
Um eine Übertemperatur der Plattform 110 zu verhindern, ist in der
dargestellten Plattform 110 erfindungsgemäß ein Kühlkanal 130 angeordnet.
Der Kühlkanal 130 verläuft näherungsweise parallel zu der der heißen
Fluidströmung zugewandten Oberseite der Plattform 110. Gemäß der
Darstellung ist der Kühlkanal 130 als schlitzförmige Vertiefung in der
Seitenwand der Plattform 110 ausgeführt. Zu berücksichtigen ist hierbei, daß in
Figur 1 nur eine der beiden an den Trennspalt angrenzenden Plattformen
dargestellt ist. Der vollständige Kühlkanal erstreckt sich jedoch anteilig auf
beide Plattformen. Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Beschreibung
davon ausgegangen, daß sich der Kühlkanal nur in die dargestellte Plattform
erstreckt. Über eine Stufung der Kanalhöhe ist der hier dargestellte Kühlkanal
130 in zwei zur Trennfuge hin offene Kammern unterteilt. Die vordere Kammer
ist als Dichtkammer 135 mit einer großen Kanalhöhe ausgeführt. Mit einer
tieferen Eindringtiefe in die Plattform als die Dichtkammer ist hinter der
Dichtkammer ferner eine Kühlkammer 136 angeordnet. Diese Kühlkammer 136
weist eine geringere Kanalhöhe auf als die Dichtkammer 135 und erstreckt sich
auch in ihrer Länge auch nur über einen Abschnitt der Dichtkammer 135. Der
Kühlkanal 130 wird hier aus zwei Reservoirs mit Kühlfluid gespeist. Einerseits
strömt Kühlfluid 126 aus einem zwischen der Plattform und der Läuferscheibe
angeordneten Kühlfluidreservoir 155 über eine Öffnung 150 in den Kühlkanal
130. Eine weitere Möglichkeit der Zuführung von Kühlfluid zu dem Kühlkanal
130 ergibt sich hier über die seitliche Öffnung 151 des Kühlkanals. In der
zusammengebauten Anordnung der Turbomaschine mündet die seitliche
Öffnung 151 des Kühlkanals in den Bauteilspalt zwischen dem Rotor und dem
in Bezug zur Hauptströmung 125 stromauf angeordneten Bauteil. Die Speisung
des Kühlkanals 130 mit Kühlfluid 126 erfolgt hier somit in Bezug zu der
Hauptströmung 125 stromauf. Die Abströmung findet hingegen in Bezug zu der
Hauptströmung am stromabwärtigen Ende des Kühlkanals statt. Der in Figur 1
dargestellte Kühlkanal 130 endet ohne speziell ausgeformten Auslaß in der
Plattform 110. Das Kühlfluid 126 entweicht über die Trennfuge.
Figur 2 zeigt zwei nebeneinander angeordnete Plattformen 210, 210' in der
Draufsicht. Auf jeder Plattform ist jeweils eine Schaufel 220, 220' angeordnet.
Die Plattformen 210, 210' sind ist hierbei jeweils einteilig mit den Schaufeln 220,
220' ausgeführt. Die dreidimensional geformten Schaufeln 220, 220' sind über
Schnitte am Schaufelfuß sowie in der Mitteischnittsebene des Strömungskanals
als auch in der Draufsicht dargestellt. Ferner sind die Schaufeln 220, 220' hier
als gekühlte Turbinenschaufeln ausgeführt. Zwischen den Plattformen 210, 210'
verläuft eine Trennfuge 211. Erfindungsgemäß ist in den an die Trennfuge 211
angrenzenden Seitenwänden der Plattformen 210, 210' längs der Trennfuge
211 ein Kühlkanal 230 angeordnet. Der Kühlkanal 230 besteht aus
schlitzförmigen Vertiefungen in den Seitenwänden beider Plattformen 210, 210'.
Die Anordnung des Kühlkanals 230 wurde in der dargestellten Ausführung so
gewählt, daß der Kühlkanal 230 näherungsweise mittig zwischen den Schaufeln
220, 220' verläuft und hierbei einen dem Schaufelprofil ähnlichen Verlauf
aufweist. Dieser dem Schaufelprofil ähnliche Verlauf des Kühlkanals 230 wird
dadurch erzielt, daß der Verlauf des Kühlkanals 230 längs der Trennfuge 211
zwei S-Schläge aufweist. Diese S-Schläge sind so angeordnet, daß jeweils
zumindest ein Teil des in dem Kühlkanal 230 geführten Kühlfluids 226 die
Trennfuge 211 überströmt. Infolge des Verlaufs des Kühlkanals 230
entsprechend Figur 2 wird eine optimale Kühlung der Randbereiche und der
freien Bereiche der Plattformen 210, 210' erzielt. Die freien Bereiche einer
Plattform sind hierbei diejenigen Bereiche, die in der Draufsicht nicht von einer
auf der Plattform angeordneten Schaufel überdeckt werden. Der Kühlkanal 230
weist hierzu entsprechend dem zu kühlenden Bereich eine sich längs der
Trennfuge 211 verändernde Eindringtiefe in der jeweiligen Plattform 210, 210'
auf.
Der in Figur 2 dargestellte Kühlkanal 230 weist zusätzlich eine Unterteilung des Kühlkanals 230 in eine Dichtkammer 235 und eine Kühlkammer 236 auf. Die Dichtkammer 235 besteht hierbei aus schlitzförmigen Vertiefungen, die in beiden an die Trennfuge 211 angrenzenden Seitenwänden mit annähernd gleicher und längs der Trennfuge 211 konstanter Eindringtiefe angeordnet sind. Ferner weist die Dichtkammer 235 im Vergleich zu der Kühlkammer 236 eine größere Kanalhöhe auf. Dieses Merkmal ist aufgrund der Darstellungsperspektive der Figur 2 nicht zu entnehmen. Ebenso ist in Figur 2 das in der Dichtkammer zweckmäßig anzuordnende Dichtelement nicht abgebildet. Dieses Dichtelement dichtet den Kühlkanal gegenüber der heißen Fluidströmung auf der Oberseite der Plattformen ab. Die Kühlkammer 236 ist in gleicher Weise wie die Dichtkammer 235 als schlitzförmige Vertiefung mit jedoch einer kleineren Kanalhöhe ausgeführt. Im Vergleich zur Dichtkammer weist die Kühlkammer 236 hingegen, wie in Figur 2 dargestellt, eine größere Eindringtiefe in die Plattformen 210, 210' ein.
Der in Figur 2 dargestellte Kühlkanal 230 weist zusätzlich eine Unterteilung des Kühlkanals 230 in eine Dichtkammer 235 und eine Kühlkammer 236 auf. Die Dichtkammer 235 besteht hierbei aus schlitzförmigen Vertiefungen, die in beiden an die Trennfuge 211 angrenzenden Seitenwänden mit annähernd gleicher und längs der Trennfuge 211 konstanter Eindringtiefe angeordnet sind. Ferner weist die Dichtkammer 235 im Vergleich zu der Kühlkammer 236 eine größere Kanalhöhe auf. Dieses Merkmal ist aufgrund der Darstellungsperspektive der Figur 2 nicht zu entnehmen. Ebenso ist in Figur 2 das in der Dichtkammer zweckmäßig anzuordnende Dichtelement nicht abgebildet. Dieses Dichtelement dichtet den Kühlkanal gegenüber der heißen Fluidströmung auf der Oberseite der Plattformen ab. Die Kühlkammer 236 ist in gleicher Weise wie die Dichtkammer 235 als schlitzförmige Vertiefung mit jedoch einer kleineren Kanalhöhe ausgeführt. Im Vergleich zur Dichtkammer weist die Kühlkammer 236 hingegen, wie in Figur 2 dargestellt, eine größere Eindringtiefe in die Plattformen 210, 210' ein.
Die Speisung des Kühlkanals 230 mit Kühlfluid 226 erfolgt in Bezug zu der
heißen Fluidströmung 225 an dem stromaufwärtigen Ende des Kühlkanals 230
über einen Längsschlitz 250 aus einem unterseitigen Reservoir. Am Ende des
Kühlkanals 230 entströmt das Kühlfluid 226 dem Kühlkanal 230 über eine
Austrittsöffnung 252 in einen nachgeordneten, in Figur 2 nicht dargestellten
Bauteilspalt.
Eine Abdichtung des Kühlkanals 330 ist in Figur 3 als Schnitt durch zwei
nebeneinander angeordnete Plattformen 310, 310' dargestellt. Der Kühlkanal
330 wird hier aus schlitzförmigen Vertiefungen in beiden an die Trennfuge
angrenzenden Seitenwänden der Plattformen 310, 310' gebildet. Die erste
Plattform 310 ist wiederum einteilig mit einer auf der Plattform angeordneten
Schaufel 320 ausgeführt. Der Kühlkanal 330 ist über eine Stufung der
Kanalhöhe in eine Dichtkammer 335 und eine Kühlkammer 336 unterteilt. In die
Dichtkammer 335 ist hier ein Dichtstreifen 340 so eingelegt, daß er das in dem
Kühlkanal 330 strömende Kühlfluid gegenüber einem auf den Oberseiten der
Plattformen anliegenden Fluid abdichtet. Der Dichtstreifen 340 weist an seinem
hinteren Ende eine Bördelung 341 auf. Diese Bördelung 341 dient hier der
Führung des Dichtfluids bei dem Überströmen der Trennfuge 311.
- 110,210,310
- (erste) Plattform
- 210',310'
- (zweite) Plattform
- 211,311
- Trennfuge
- 120,220,220',320
- Schaufel
- 121
- Läuferscheibe
- 125,225
- Strömung des heißen Fluides (Hauptströmung durch die Turbomaschine)
- 126,226
- Kühlfluid
- 130,230,330
- Kühlkanal
- 135,235,335
- Dichtkammer
- 136,236,336
- Kühlkammer
- 340
- Dichtstreifen
- 341
- Bördelung
- 150,151,250
- Zuströmöffnung
- 252
- Austrittsöffnung
- 155
- Kühlfluidreservoir
Claims (5)
- Plattformen einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei zumindest zwei Plattformen (_10; _10') nebeneinander angeordnet sind, zwischen den Plattformen (_10; 10') eine Trennfuge (_11) verläuft und zur Kühlung der Plattformen (_10; 10') mittels eines Kühlfluids (226) zumindest in einem Abschnitt längs der Trennfuge (_11) ein Kühlkanal (_30) angeordnet ist, welcher als schlitzförmige Vertiefung in beiden an die Trennfuge (_11) angrenzenden Seitenwänden der Plattformen (_10; _10') ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (_30) eine sich längs der Trennfuge (_11) verändernde Eindringtiefe in der jeweiligen Plattform (_10; _10') aufweist.
- Plattformen einer Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Plattformen (_10; 10') Schaufeln (_20; _20') angeordnet sind, und der Kühlkanal L30) näherungsweise mittig zwischen den Schaufeln (_20; _20') mit einem dem Schaufelprofil ähnlichen Verlauf angeordnet ist.
- Plattformen einer Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (_30) in seinem Verlauf zumindest einen S-Schlag dergestalt aufweist, so dass zumindest ein Teil des in dem Kühlkanal (_30) geführten Kühlfluids (226) die Trennfuge (_11) überströmt.
- Plattformen einer Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (_30) mittels zumindest eines in dem Kühlkanal (_30) angeordneten Dichtstreifens (340) gegenüber einem auf der Oberseite der Plattformen (_10; _10') anliegenden Fluids abgedichtet ist.
- Plattformen einer Turbomaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (_30) zumindest in einem Abschnitt längs der Trennfuge (_11) über eine Stufung der Kanalhöhe in eine Dichtkammer (_35) und eine Kühlkammer (_36) unterteilt ist.
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