DE10131073A1 - Vorrichtung zur Kühlung eines Deckbandes einer Gasturbinenschaufel - Google Patents
Vorrichtung zur Kühlung eines Deckbandes einer GasturbinenschaufelInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Kühlvorrichtung für ein Deckband (1) einer Gasturbinenschaufel, mit einem in dem Deckband (1) vorgesehenen Kühlkanalsystem, das radial zur Garturbinenschaufel einseitig offene Kühlkanäle (4) aufweist und mit einer Deckplatte (2) abgeschlossen ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen Deckplatte (2) und den einseitig offenen Kühlkanälen (4) eine Prall-Kühlplatte (5) derart vorgesehen ist, dass die Prall-Kühlplatte (5) auf den einseitig offenen Kühlkanälen (4) aufliegt, kraftschlüssig gegen diese gepresst ist und mit der Deckplatte (2) einen Zwischenraum einschließt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für ein Deckband einer
Gasturbinenschaufel, mit einem in dem Deckband vorgesehenen Kühlkanalsystem,
das radial zur Gasturbinenschaufel einseitig offene Kühlkanäle aufweist und mit einer
Deckplatte abgeschlossen ist.
Bei leistungsstarken, modernen Gasturbinenanlagen werden aufgrund der hohen
Verbrennungstemperaturen die den beim Verbrennungsvorgang entstehenden
Heißgasen mittelbar und unmittelbar ausgesetzten Gasturbinenkomponenten aktiv
gekühlt. Insbesondere sehen die den Heißgasen unmittelbar ausgesetzten
Gasturbinenschaufeln innere Kühlkanäle vor, durch die Kühlluft radial vom
Schaufelfuß durch das Schaufelblatt in Richtung des Schaufeldeckbandes geleitet
wird, um möglichst alle Bereiche einer Gasturbinenschaufel wirksam von Innen zu
Kühlen. Die Effizienz derartiger Kühlmaßnahmen spielt eine entscheidende Rolle für
die maximale thermische Belastbarkeit und letztendlich die maximale Lebensdauer
einer Gasturbinenschaufel. Da die Kühllufteinspeisung in das Kühlkanalsystem von
Seiten des Schaufelfußes erfolgt, nimmt die Kühlwirkung der Kühlluft aufgrund der
zunehmenden Erwärmung in Radialrichtung zur Schaufelspitze bzw.
Deckbandbereich hin ab. Eben jene Bereiche einer Turbinenschaufel, die sich
radialwärts erstrecken, unterliegen jedoch den größten thermischen und
insbesondere mechanischen Belastungen, insbesondere im Falle von Laufschaufeln,
an denen aufgrund ihrer Rotation erhebliche Zentrifugalkräfte angreifen.
So weist eine mit einem Deckband oder äußeren Plattform versehene
Gasturbinenschaufel zu Kühlzwecken im Inneren des Deckbandes ein
Hohlkanalsystem auf, das zur Kühlluftverteilung und -führung innerhalb des
Deckbandes die Kühlluftströmung umlenkende Flächenstrukturen vorsieht. Aus
Fertigungsgründen einer im Wege eines Gießprozesses herstellbaren
Gasturbinenschaufel ist der mit den Strömungskanälen versehene Deckbandbereich
radialwärts gerichtet einseitig offen ausgebildet. Mit Hilfe einer Deckplatte wird der
Strömungsbereich für die Kühlluft innerhalb des Deckbandes gasdicht verschlossen,
indem die Deckplatte bündig mit der radialwärts gerichteten Oberseite des
Deckbandes verfügt wird. Dies erfolgt im Allgemeinen mittels Hochtemperaturlöten.
Eine derartige Fügeverbindung zwischen einem Deckband 1 und einer Deckplatte 2
ist in einer Teilquerschnittsdarstellung gemäß Fig. 2 gezeigt. Die Deckplatte 2 ist
über eine Hochtemperaturlötnaht 3 mit dem Umfangsrand des Deckbandes 1 fest
verfügt. Die radialwärts einseitig offen ausgebildeten Kühlkanäle 4, die von
Kühlluftleitflächen 5 begrenzt sind, werden durch die Deckplatte 2 radialwärts
gasdicht abgeschlossen. In der Teilquerschnittsdarstellung gemäß Fig. 2 nicht
dargestellt sind die radialwärts innerhalb der Turbinenschaufel gerichteten Zu- und
Abströmkühlkanäle, durch die Kühlluft in den Deckbandbereich zu- und abgeführt
wird, wobei die Kühlluft in den Kühlkanälen 4 die Turbinenschaufelspitze kühlt. Wie
eingangs bereits erwähnt, vermag die den Deckbandbereich durchströmende
Kühlluft aufgrund der sich in Radialrichtung in der Gasturbinenschaufel
vorherrschenden Erwärmung nur mit einer vergleichsweise geringen Effizienz zu
kühlen, so dass nach Maßnahmen zu suchen ist, durch die die Kühlwirkung gerade
im Deckbandbereich durch die Kühlluft gesteigert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kühlvorrichtung für ein Deckband
einer Gasturbinenschaufel, mit einem in dem Deckband vorgesehenen
Kühlkanalsystem, das radial zur Gasturbinenschaufel einseitig offene Kühlkanäle
aufweist und mit einer Deckplatte abgeschlossen ist, im Hinblick auf eine verbesserte
Kühlwirkung weiterzubilden, so dass der thermisch und mechanisch stark belastete
Deckbandbereich einer Gasturbinenschaufel besser gekühlt werden kann. Die zu
treffenden Maßnahmen sollen einen möglichst geringen konstruktiven sowie auch
technischen Mehraufwand erfordern aber zugleich eine deutlich bessere Kühlwirkung
hervorrufen, als es bei den bisher bekannten Deckbandkühlvorkehrungen der Fall ist.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Vorteilhafte Merkmale, die den Erfindungsgedanken weiterbilden, sind
Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf
Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1
derart weitergebildet, dass zwischen Deckplatte und den einseitig offenen
Kühlkanälen eine Prall-Kühlplatte derart vorgesehen ist, dass die Prall-Kühlplatte auf
den einseitig offenen Kühlkanälen aufliegt, kraftschlüssig gegen diese gepresst ist
und mit der Deckplatte einen Zwischenraum einschließt.
Durch Vorsehen einer Prallluft-Kühlplatte im Strömungsweg des Kühlkanalsystems
innerhalb der Deckplatte tritt Kühlluft durch verengte Strömungsöffnungen innerhalb
der Prallluft-Kühlplatte hindurch, wodurch die Kühlluft lokal beschleunigt wird und auf
eine der in Strömungsrichtung der Durchtrittsöffnung innerhalb der Prallluft-Kühlplatte
gegenüberliegende Kühlkanalwand in Form eines Prallluftkühlstrahls auftrifft. Durch
die beschleunigende Wirkung der Prallluft-Kühlplatte auf die Kühlluftströmung wird
der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Gasturbinenschaufel und dem
Kühlluftstrom lokal erhöht und die Kühlwirkung des Kühlluftstromes verbessert.
Durch Vorsehen eines Abstandes zwischen der Prall-Kühlplatte und der Deckplatte
ist es möglich, einen Kühlluftstrom zwangsgeführt über einen entsprechenden
Kühlkanal in den zwischen Deckplatte und Prall-Kühlplatte eingeschlossenen
Zwischenraum einzuleiten, so dass sich aufgrund des in dem Zwischenraum
einstellenden Überdruckes die Kühlluft durch die Vielzahl in der Prall-Kühlplatte
vorgesehenen Strömungsöffnungen zwangshindurchgeführt wird. Andererseits kann
die Kühlluftströmung durch eine alternative geeignete Kühlkanalanordnung die Prall-
Kühlplatte auch in entgegengesetzter Richtung durchströmen, so dass die Deckplatte
gezielt mit Prallluft beaufschlagt wird.
Um einerseits ein möglichst gasdichtes Aufliegen der Prall-Kühlplatte auf dem
einseitig offen ausgebildeten Kühlkanalsystem des Deckbandes zu gewährleisten,
andererseits eine möglichst biegespannungsfreie Lagerung der Prall-Kühlplatte
zwischen der Deckplatte und dem Deckband zu garantieren, ist die Prall-Kühlplatte
kraftschlüssig gegen die einseitig offenen Kühlkanäle gepresst. Die Pressung erfolgt
mit Hilfe wenigstens eines Distanzelementes, das vorzugsweise elastisch oder
plastisch verformbar ausgebildet ist und zwischen der Deckplatte und der Prall-
Kühlplatte, vorzugsweise am Randbereich der Prall-Kühlplatte, vorgesehen ist.
Die Deckplatte selbst wird wie eingangs bereits erwähnt mit herkömmlichen
Fügetechniken, bspw. Hochtemperaturlöten, mit dem Deckband fest verfügt, wobei
die Deckplatte die für die Kraftschlussverbindung erforderliche Presskraft auf die
Prallkühlplatte erzeugt. Um zu hohe Presskräfte zu vermeiden und die Möglichkeit
einer weitgehend freien thermischen Ausdehnung für die Prall-Kühlplatte zu
gewährleisten, ist das Distanzelement elastisch oder plastisch verformbar
ausgebildet, so dass bei Überschreiten einer maximal zulässigen Fügekraft zwischen
der Deckplatte und der Prall-Kühlplatte eine Verformung des Distanzelementes
eintritt.
In einer einfachsten Ausführungsform ist die Prall-Kühlplatte lediglich an ihrem
Umfangsrand zwischen Deckplatte und Deckband mit Hilfe des vorstehend
erwähnten Distanzelementes verfügt, das in Form einer nahe des Umfangsrandes
der Prall-Kühlplatte verlaufenden Dichtungslippe ausgebildet ist. Um mögliche
flächige Verwerfungen innerhalb der Prall-Kühlplatte zu vermeiden, können entweder
weitere Distanzelemente zwischen Deckplatte und Prall-Kühlplatte eingebracht
werden oder die Prall-Kühlplatte ist mit entsprechend ausgebildeten Überhöhungen
und/oder Vertiefungen auszugestalten, die in Kontakt mit der Deckplatte und/oder
dem Deckband treten und die Prall-Kühlplatte kraftschlüssig aber spannungsfrei
fixieren.
Um Kühlluftleckagen an jenen Stellen zu vermeiden, an denen die Prall-Kühlplatte
kraftbeaufschlagt gegen das Deckband oder andererseits gegen die Deckplatte
gepresst wird, dienen zusätzliche Dichtelemente, die jeweils zwischen der Prall-
Kühlplatte und dem Deckband respektive Deckband einbringbar sind.
Ferner dient in vorteilhafter Weise ein federartiges Element dazu, die Prall-Kühlplatte
flächig von Seiten der Deckplatte gegen das einseitig offen ausgebildete Kühlsystem
des Deckbandes zu pressen. Dies verleiht der Prall-Kühlplatte eine flächige
Anpresswirkung gegenüber dem Deckband, so dass die Prall-Kühlplatte nahezu
gasdicht gegen die Struktur der Kühlkanäle gepresst werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Teilquerschnittsdarstellung durch ein Deckband mit Prall-Kühlplatte,
Fig. 2 Teilquerschnittsdarstellung durch ein bekanntes Deckband (Stand der
Technik),
Fig. 3 Teilquerschnittsdarstellung durch ein Deckband mit einer Überhöhungen
und Vertiefungen aufweisenden Prall-Kühlplatte.
In Fig. 1 ist eine Teilquerschnittsdarstellung durch das Deckband 1 einer
Turbinenschaufel schematisiert dargestellt. Radialwärts ist das Deckband 1 mit einer
Deckplatte 2, vorzugsweise über eine Hochtemperaturlötverbindung 3 verfügt.
Zwischen der Deckplatte 2 und dem Deckband 1 ist ein Kühlkanalsystem 4
vorgesehen, das von einer Prall-Kühlplatte 5 überdeckt ist. Die Prall-Kühlplatte 5 ist
zwischen der Deckplatte 2 und dem Deckband 1 mittels eines Distanzstückes 6
kraftbeaufschlagt verpresst. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das
Distanzelement 6 über den gesamten Umfangsbereich der Prall-Kühlplatte 5 und
presst die Prall-Kühlplatte 5 mit einer durch die Deckplatte 2 einstellbaren Fügekraft
gegen die Auflagefläche 7 am Deckband 1. Zusätzlich ist im Kontaktbereich in der
Auflagefläche 7 ein Dichtungselement 8 vorgesehen, das zum Einen für einen
gasdichten Abschluss und zum Anderen zu einer verbesserten Klemmwirkung
insbesondere quer zur Presskraft dient.
Die Prall-Kühlplatte 5 weist Strömungsdurchtrittsöffnungen 9 mit verengtem
Strömungsquerschnitt auf, durch die Kühlluft je nach Druckverhältnisse aus den
Kühlkanälen 4 in Richtung Deckplatte 2 oder in umgekehrter Richtung in Form eines
lokalen Prall-Kühlluftstromes hindurchtritt und auf diese Weise zu einer verbesserte
Kühlwirkung führt.
Ferner ist zu Zwecken der flächigen Stabilisierung der Prall-Kühlplatte 5 ein
federartiges, gasdurchlässiges Element 10 vorgesehen, das die Prall-Kühlplatte
zusätzlich gegen die Kühlkanalwandstrukturen 11 gasdicht presst.
Die Fügekraft, mit der die Prallkühlplatte 5 zwischen Deckplatte 2 und Deckband 1
kraftbeaufschlagt verfügt ist, sollte vorzugsweise begrenzt sein, so dass zumindest
die Prall-Kühlplatte 5 im Wege ihrer thermischen Ausdehnung biegespannungsfrei
gehalten wird. Hierzu ist das Distanzelement 6 aus einem elastisch oder plastisch
verformbaren Material gefertigt, so dass sich das Distanzelement 6 bei Überschreiten
einer maximalen Fügekraft elastisch verformt, wodurch eine Überhöhung der
Fügekraft auf die Prall-Kühlplatte 5 nicht weitergeleitet wird.
In Fig. 3 ist eine vergleichbare Teilquerschnittsdarstellung zu Fig. 1 dargestellt,
jedoch weist die Prall-Kühlplatte 5 sickenartige Verformungen 12 auf. Über eine
längs des Umfangsrandes der Prall-Kühlplatte 5 verlaufende, als Vertiefung
ausgebildete Sicke 12 liegt die Prall-Kühlplatte 5 auf der Auflagefläche 7 des
Deckbandes 1 auf. Zusätzliche kann durch Vorsehen einer nicht dargestellten
Dichtungsfläche im Bereich der Auflagefläche der Sicke 12 ein gasdichter Abschluss
zwischen Prall-Kühlplatte 5 und Deckband 1 gewährleistet werden. Inmitten der Prall-
Kühlplatte 5 ist eine als Überhöhung ausgebildete Sicke 12' vorgesehen, die mit der
Unterseite der Deckplatte 2 in Kontakt tritt und somit die Prall-Kühlplatte 5 zentral
gegen die Kühlkanäle des Deckbandes 1 presst. Zusätzliche Distanzelemente 6, von
denen lediglich eine in der Fig. 3 dargestellt ist, können zur weiteren Fixierung der
Prall-Kühlplatte 5 dienen.
In Fig. 4 ist eine Detaildarstellung einer Pressverbindung zwischen einer Deckplatte
2 und der Prall-Kühlplatte 5 dargestellt. Hierbei ist der Randbereich der Prall-
Kühlplatte 5 umbörtelt ausgeführt und weist ein elastisches Distanzelement 13 im
umbörtelten Bereich auf. Zwischen Deckplatte 2 und Prall-Kühlplatte 5 ist wiederum
das vorstehend beschriebene Distanzelement 6 eingebracht.
1
Deckband
2
Deckplatte
3
Lötnaht
4
Kühlkanal
5
Prall-Kühlplatte
6
Distanzelement
7
Auflagefläche
8
Dichtelement
9
Durchtrittsöffnung innerhalb der Prall-Kühlplatte
10
elastisches gasdurchlässiges Element
11
Kühlkanalwand
12
,
12
' Sicke
13
Elastisches Dichtelement
Claims (9)
1. Kühlvorrichtung für ein Deckband (1) einer Gasturbinenschaufel, mit einem in
dem Deckband (1) vorgesehenen Kühlkanalsystem, das radial zur
Gasturbinenschaufel einseitig offene Kühlkanäle (4) aufweist und mit einer
Deckplatte (2) abgeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Deckplatte (2) und den einseitig offenen
Kühlkanälen (4) eine Prall-Kühlplatte (5) derart vorgesehen ist, dass die Prall-
Kühlplatte (5) auf den einseitig offenen Kühlkanälen (4) aufliegt, kraftschlüssig gegen
diese gepresst ist und mit der Deckplatte (2) einen Zwischenraum einschließt.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Deckplatte (2) und Prall-Kühlplatte (5)
wenigstens ein Distanzelement (6) derart vorgesehen ist, dass die Prall-
Kühlplatte (5) vermittels der zwischen der Deckplatte (2) und dem Deckband (1)
herrschenden Fügekraft elastisch plastisch begrenzt gegen die einseitig offenen
Kühlkanäle (4) pressbar ist.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (6) elastisch oder plastisch
verformbar ist.
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Prall-Kühlplatte (5) Überhöhungen und/oder
Vertiefungen (12, 12') aufweist, die in Kontakt mit der Deckplatte (2) und/oder dem
Deckband (1) treten und die Prall-Kühlplatte (5) kraftschlüssig aber spannungsfrei
fixieren.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung in Form einer im Bereich des
Umfangsrandes der Prall-Kühlplatte (5) umlaufenden Sicke (12) ausgebildet ist, die
auf einer die einseitig offenen Kühlkanäle (4) umgebenden Auflagefläche (7) am
Deckband (1) aufliegt.
6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auflagefläche (7) am Deckband (1)
ein Dichtungselement vorgesehen ist, über das die Prall-Kühlplatte (5) mit dem
Deckband (1) in Kontakt steht.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (6) die Prall-Kühlplatte (5) im
Bereich ihres Umfangsrandes gegen das Deckband (1) presst.
8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum ein elastisches, gasdurchlässiges
Element (10) vorgesehen ist, das die Prall-Kühlplatte (5) kraftbeaufschlagt gegen die
einseitig offenen Kühlkanäle (4) presst.
9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das elastische, gasdurchlässige Element (10) ein
Federelement ist.
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