DE10156193A1 - Hitzeschild für den Stator einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Bei einem Hitzeschild (25) für den Stator einer Turbine, welche Turbine einen von einem heißen Verbrennungsluftstrom (33) angeströmten drehbar gelagerten Turbinenrotor mit Turbinenschaufeln (10) aufweist, wobei der ortsfeste Hitzeschild (25) den Turbinenrotor in radialer Richtung beabstandet unter Bildung eines Hohlraumes (29) umfasst, und wobei die Turbinenschaufeln (10) des Turbinenrotors radial außenseitig ein umlaufendes Deckband (11) aufweisen, welches Deckband (11) umlaufende, sich radial nach außen erstreckende, erste Mittel (12, 13) aufweist, welche das Vorbeiströmen von heißer Verbrennungsluft (33) auf der radialen Außenseite des Deckbands am Turbinenrotor vorbei verhindern, wird die Ausbildung eines Wirbels (30) von heißer Verbrennungsluft im Hohlraum (29) vor den ersten Mitteln (12, 13) dadurch verhindert, dass am Hitzeschild (25) zweite Mittel (34) vorgesehen sind, welche insbesondere in den Hohlraum in Form einer umlaufenden, konvexen Auswölbung (34) hineinragen. Die Verhinderung des Wirbels (30) führt dazu, dass der Bereich des Deckbandes (11) sowie die ersten Mittel (12, 13), welche insbesondere in Form von Rippen vorliegen können, wesentlich effizienter gekühlt werden können.

Description

TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Hitzeschilde für den Stator von Gasturbinen, welche Hitzeschilde den Turbinenrotor in radialer Richtung umschliessend umgeben. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet von Hitzeschilden für Statoren von Turbinen, welche Turbinen einen von einem heissen Verbrennungsluftstrom angeströmten drehbar gelagerten Turbinenrotor mit Turbinenschaufeln aufweisen, wobei der ortsfeste Hitzeschild den Turbinenrotor in radialer Richtung beabstandet unter Bildung eines Hohlraumes umfasst, und wobei die Turbinenschaufeln des Turbinenrotors radial aussenseitig ein umlaufendes Deckband aufweisen, welches Deckband umlaufende, sich radial nach aussen erstreckende, erste Mittel aufweist, welche das Vorbeiströmen von heisser Verbrennungsluft auf der radialen Aussenseite des Deckbands am Turbinenrotor vorbei verhindern.
• STAND DER TECHNIK
• Moderne Gasturbinen arbeiten bei extrem hohen Temperaturen. Dies bedingt eine intensive Kühlung der Turbinenschaufeln, die heutzutage in modernen Gasturbinen eingesetzt werden. Hierbei ist es meist besonders schwierig, die exponierten Bereiche der Schaufeln gut zu kühlen. Derartige Bereiche sind z. B. das Deckband bzw. die Deckbandelemente der Schaufeln, sowie zur Abdichtung des Heissluftkanals dienende Rippen, welche auf den Deckbandelementen radial aussenseitig angeordnet sind. Üblicherweise ist nämlich der Turbinenrotor der Turbine derart von einem Gehäuse in radialer Richtung umgeben, dass ein gewisser Abstand zwischen den Spitzen der Schaufeln und den Gehäuse, meist in diesem Bereich als Hitzeschild bezeichnet, verbleibt. Diese Abstand ist zwingend notwendig, da der Turbinenrotor zum einen ein gewisses Spiel relativ zum ortsfesten Statorgehäuse haben können muss, und da zum anderen auch unterschiedliches Ausdehnungsverhalten z. B. infolge von Temperatur möglich sein muss, ohne dass dabei Turbinenrotor und Hitzeschild einander berühren. Die Turbinenschaufeln des Turbinenrotors weisen üblicherweise ein umlaufendes, auf der radialen Aussenseite des Turbinenrotors angeordnetes, je nach Strömungsbedingungen zylindrisch oder konisch verlaufendes Deckband auf. Dabei stellt sich natürlich das Problem, dass in dem infolge des zwingend notwendigen Abstandes vorhandenen Hohlraum zwischen Deckband und Hitzeschild ebenfalls heisse Verbrennungsluft strömen kann, ohne dabei arbeitleistend entspannt zu werden. Aus diesem Grunde werden meist Mittel vorgesehen, welche diesen ungenutzten Heissluftstrom vorbei an den Turbinenschaufeln weitgehend zu verhindern versuchen.
• So beschreiben z. B. die EP 1 013 884 A2 sowie die EP 1 126 136 A2 Turbinenschaufeln mit einem umlaufenden Deckband, welches auf seiner radialen Aussenseite zwei parallel hintereinander, im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Turbinenrotors angeordnete Rippen aufweist, welche möglichst nahe an den Hitzeschild des Stators reichen. Während das Deckbandelement wie in diesen zwei Schriften beschrieben relativ effizient durch zusätzliche Kühlluftbohrungen gekühlt werden kann, ist dies bei den Rippen kaum mehr durch interne Kühlung möglich und muss durch ein Beaufschlagen der Rippen von aussen, das heisst z. B. vom Hitzeschild her bewirkt werden. Das Problem der Kühlung der exponierten Bereiche der Schaufeln ist besonders bei diesen Rippen ausgeprägt, da diese unmittelbar dem heissen Verbrennungsluftstrom ausgesetzt sind. Findet ausserdem ein sogenanntes teilweises Deckband (partial shroud) Anwendung wie in den beiden obengenannten Schriften, das heisst ein Deckband, welches die Turbinenschaufeln nicht über die gesamte Tiefe überdeckt, sondern nur einen Teilbereich, ist die Kühlung der Rippen sehr schwierig. Ein teilweises Deckband ist aber in vielerlei Hinsicht von grossem Vorteil, da dadurch unter anderem die Masse des Turbinenrotors wesentlich reduziert werden kann, und es besteht deshalb ein Bedarf nach einer verbesserten Kühlung der Rippen insbesondere bei Verwendung eines derartigen Deckbandes.
• DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Hier greift die Erfindung ein. Sie stellt sich zur Aufgabe, einen Hitzeschild zur Verfügung zu stellen, welcher die obengenannten Nachteile in einfacher Weise vermeidet, das heisst die übermässige Erwärmung von auf dem Deckband angeordneten Mitteln zur Verhinderung des unerwünschten Vorbeiströmens von heisser Verbrennungsluft zwischen Turbinenrotor und Statorgehäuse respektive Hitzeschild reduziert. Es handelt sich dabei insbesondere um einen Hitzeschild für den Stator einer Turbine, welche Turbine einen von einem heissen Verbrennungsluftstrom angeströmten drehbar gelagerten Turbinenrotor mit Turbinenschaufeln aufweist, wobei der ortsfeste Hitzeschild den Turbinenrotor in radialer Richtung beabstandet unter Bildung eines Hohlraumes umfasst, und wobei die Turbinenschaufeln des Turbinenrotors radial aussenseitig ein umlaufendes Deckband aufweisen, welches Deckband umlaufende, sich radial nach aussen erstreckende, erste Mittel aufweist, welche das Vorbeiströmen von heisser Verbrennungsluft auf der radialen Aussenseite des Deckbands am Turbinenrotor vorbei verhindern.
• Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, insbesondere durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils. Es stellt sich nämlich heraus, dass die übermässige Erhitzung zum Beispiel von ersten Mitteln in Form von Rippen dadurch zustande kommt, dass sich in Strömungsrichtung unmittelbar vor der Rippe im Hohlraum zwischen Hitzeschild und Turbinenrotor ein Wirbel ausbildet. Dieser Wirbel führt zu dieser starken Erwärmung, und hat ausserdem zur Folge, dass ggf. vom Hitzeschild in den Hohlraum eingeblasene Kühlluft nicht wirklich die Rippe beaufschlagt, sondern bereits vor Annäherung an die Rippe durch den Wirbel zur Saugseite des Turbinenrotors transportiert und über die Turbinenschaufel abgeführt wird. Bei den Mitteln kann es sich dabei um Blenden, Rippen, Leitbleche oder Ähnliches handeln, wobei aber natürlich der Tatsache Rechnung getragen werden muss, dass diese Mittel sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
• Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den ersten Mitteln um wenigstens eine Rippe, welche insbesondere im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Turbinenrotors ausgebildet ist und insbesondere einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. Gerade in diesem Falle prallt der heisse Verbrennungsluftstrom unter besonderer Wirbelbildung auf die Rippe, und die Verhinderung des Wirbels ist speziell wichtig.
• Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich beim Deckband um ein sogenanntes teilweises Deckband (partial shroud). Mit anderen Worten erstreckt sich in diesem Fall das Deckband wenigstens bereichsweise nicht über die ganze, sich in Strömungsrichtung erstreckende Tiefe der Turbinenschaufeln. Die Wirbelbildung und negative Anströmung der Rippe ist ganz besonders bei teilweisen Deckbändern problematisch, denn im Vergleich zu sich über die ganze Tiefe der Turbinenschaufeln erstreckenden Deckbändern, bei welchen die stromauf angeordnete Kante des Deckbandes relativ gut anschliessend an den Hitzeschild gestaltet werden kann und deshalb nicht sehr viel heisse Verbrennungsluft in den Hohlraum zwischen Deckband und Hitzeschild gelangen kann, gelangt bei einem teilweisen Deckband viel heisse Verbrennungsluft in den Spalt zwischen Deckband und Hitzeschild.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Verhinderung eines Wirbels besonders angezeigt ist, und besonders gute Wirkung zeigt, zeichnet sich dadurch aus, dass zwei, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete und im wesentlichen parallel verlaufende Rippen auf dem Deckband vorhanden sind, und dass das die Rippen tragende Deckband bei seinen schmalsten Bereichen wenigstens die Breite der Beabstandung der Rippen aufweist.
• Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich beim Wirbel um einen umlaufenden, gewissermassen einen Torus bildenden Wirbel. Dieser rund umlaufende Wirbel bildet sich dabei insbesondere bei Verwendung eines teilweisen Deckbandes aus.
• Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel in Form einer insbesondere im wesentlichen umlaufenden, konvexen Auswölbung des Hitzeschilds in den Bereich des Hohlraums, welcher in Strömungsrichtung vor den ersten Mitteln liegt, ausgebildet sind. Die Ausbildung der zweiten Mittel in Form einer Auswölbung oder gewölbten Rippe in den Hohlraum hinein hat den Vorteil, dass diese Auswölbung einfach bei der Formgabe des Hitzeschildes berücksichtigt werden kann, und damit auch gleich auf die Temperaturbedingungen, wie sie an dieser Stelle vorherrschen, angepasst ist. Ausserdem führt eine derartige Auswölbung zu einer besonders effizienten Verhinderung des genannten Wirbels, und kann ihn in den meisten Fällen sogar ganz eliminieren. Ganz besonders gut lässt sich der Wirbel eliminieren, wenn der Hitzeschild im wesentlichen in Strömungsrichtung der heissen Verbrennungsluft konisch erweiternd ausgebildet ist, wobei auf dem Deckband zwei parallel verlaufende Rippen angeordnet sind, wobei die konvexe Auswölbung des Hitzeschilds der stromaufwärts liegenden Rippe leicht stromauf gegenüber angeordnet ist, und wobei insbesondere bevorzugt ein axialer Schnitt durch den Hitzeschild im Bereich der Auswölbung eine im wesentlichen S-förmige Kontur bildet.
• Als weiterhin besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemässe Anordnung von zweiten Mitteln zur Verhinderung des Wirbels dann, wenn den ersten Mitteln gegenüber ortsfest am Hitzeschild befestigte Honigwabenstrukturen angeordnet sind, wobei insbesondere die ersten Mittel wenigstens teilweise in die Honigwabenstrukturen eingreifen. Es zeigt sich nämlich, dass auch diese Honigwabenstrukturen bei zu hohen Temperaturen zu leiden beginnen, d. h. erhöhter Korrosion resp. Oxidation ausgesetzt sind. Entsprechend der effizienteren Kühlhaltung und aktiven Kühlung welche durch die zweiten Mittel an den Rippen möglich ist, werden auch die Honigwabenstrukturen besser geschont, resp. kühl gehalten resp. einer effizienten Kühlluftbeaufschlagung zugänglich.
• Wie bereits oben erwähnt, ermöglicht die Verhinderung des Wirbels ausserdem eine wesentlich effizientere Kühlung der Rippen, dies indem im Bereich der zweiten Mittel Kühlluft in den Hohlraum eingedüst wird. Da die Kühlluft zum Beaufschlagen der zweiten Mittel nicht mehr durch einen Wirbel zur Saugseite des Turbinenrotors abgeführt wird, ist eine derartige externe Kühlung in diesem Fall wesentlich effizienter. Insbesondere ist die Kühlung dann effizient, wenn die Eindüsung der Kühlluft auf die ersten Mittel gerichtet erfolgt, wobei insbesondere eine stromaufwärts angeordnete Rippe im wesentlichen senkrecht zu Ihrer Ebene mit einem Kühlluftstrom beaufschlagt werden sollte.
• Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Hitzeschildes finden sich in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine, welche sich dadurch auszeichnet, dass ihr Stator im Bereich wenigstens eines Turbinenrotors einen Hitzeschild, wie er oben beschrieben wird, aufweist.
• Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kühlung von auf einem Deckband eines Turbinenrotors angeordneten Rippen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einem Hitzeschild, wie er oben beschrieben ist, Kühlluft im wesentlichen senkrecht auf die Rippen geblasen wird.
• Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Gasturbine sowie des Verfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
• Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Turbinenschaufel mit teilweisem Deckband und darauf angeordneten Rippen nach dem Stand der Technik;
• Fig. 2 einen radialen Teilschnitt durch einen Hitzeschild und einen Turbinenrotor im Bereich des Deckbandes nach dem Stand der Technik;
• Fig. 3 einen radialen Teilschnitt durch einen Hitzeschild gemäss der vorliegenden Erfindung und einen Turbinenrotor im Bereich des Deckbandes; und
• Fig. 4 einen radialen Teilschnitt gemäss Fig. 3 mit unterschiedlichen Ausformungen der Auswölbung des Hitzeschildes.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• In Fig. 1 ist in der Draufsicht von oben eine Turbinenschaufel 10 mit teilweisem Deckband nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Turbinenschaufel 10 umfasst das eigentliche (senkrecht zur Zeichenebene sich erstreckende) Schaufelprofil 20 und ein quer dazu an der Schaufelspitze angeordnetes Deckbandelement, welches bei Aneinanderreihung mit den Deckbandelementen der anderen (nicht dargestellten) Schaufeln zum eigentlichen, umlaufend geschlossenen Deckband 11 zusammengefügt wird. Das Deckband 11 ist durchgehend, ringförmig und mechanisch stabilisierend (u. a. vibrationsdämpfend), und je nach Art des Verbrennungsluftkanals kann es zylindrisch, konisch zulaufend oder erweiternd ausgebildet sein. Das Schaufelprofil 20 ist im Inneren teilweise hohl und von einem oder mehreren Kühlluftkanälen 18 (in Fig. 1 gestrichen angedeutet) durchzogen, die Kühlluft vom Schaufelfuss bis in die Schaufelspitze leiten. Das Deckband 11 hat auf seiner Oberseite (Bezugszeichen 22 in Fig. 2 und 3) zwei parallel in Bewegungsrichtung der Schaufelspitze verlaufende Rippen 12 und 13, die zusammen mit der gegenüberliegenden Gehäusewand des Stators, dem eigentlichen Hitzeschild 25, einen mit der Umgebung verbundenen Hohlraum 29, eine Kavität bilden.
• Zur Kühlung verlaufen ausserdem im Inneren des Deckbandes 11 zwischen den Rippen 12 und 13 mehrere Kühlluftbohrungen 16 und 17 von der Mitte ausgehend nach aussen. Die Kühlluftbohrungen können von einheitlicher Gestalt sein, und stehen eingangsseitig mit dem Kühlluftkanal 18 in Verbindung und werden von diesem mit Kühlluft (oder einem anderen Kühlmittel) versorgt. Üblicherweise erstrecken sich die Kühlluftbohrungen 16, 17 nicht ganz bis zum seitlichen Ende bzw. Rand des Deckbandelementes, sondern münden jeweils von der Seite her in eine längliche, von der Oberseite her in das Deckbandelement eingelassene Vertiefung 14 bzw. 15.
• Das Deckband 11 erstreckt sich dabei nicht über die ganze Tiefe t der Turbinenschaufel, sondern im wesentlichen zwischen den beiden parallel angeordneten Rippen 12 und 13, weist aber ggf. Bereiche 19 ausserhalb der beiden Rippen auf, welche dazu dienen, die einzelnen Elemente und insbesondere die Turbinenschaufeln 10 besser zu stabilisieren (partial shroud).
• Fig. 2 zeigt einen radialen Schnitt durch einen Turbinenrotor und den Hitzeschild 25 im Bereich des Deckbandes 11 nach dem Stand der Technik. Es ist erkennbar, wie die Rippen 12 und 13 einen länglichen, rechteckigen Querschnitt aufweisen, und im rechten Winkel zur Rotationsachse des Turbinenrotors verlaufen. Das Deckband ist in diesem Fall in Strömungsrichtung konisch erweiternd ausgebildet. Der Hitzeschild 25 passt sich der konischen Führung des Turbinenrotors an, und weist einen gestuften Querschnitt auf. Den beiden Rippen 12 und 13 in radialer Richtung gegenüberliegend sind am Hitzeschild 25 jeweils Honigwabenstrukturen 27 respektive 28 (Honeycomb) ortsfest verbunden. Diese Honigwabenstrukturen 27, 28 dienen der Abdichtung des Abstandes zwischen der Schaufelspitze und dem Hitzeschild 25. Eine Beabstandung von Hitzeschild und Schaufelspitze ist nämlich zwingend notwendig, da der Rotor den Hitzeschild beim Betrieb nicht berühren darf und deshalb infolge des Spiels des Turbinenrotors ein gewisser Minimalabstand gewährleistet sein muss. Dadurch bildet sich der Hohlraum 29. Die Honigwabenstrukturen 27 und 28 dienen dazu, als gewissermassen etwas anpassungsfähige, aber dennoch abdichtende Elemente bei den Spitzen der Rippen 12, 13 zu wirken. Die Honigwabenstruktur reicht bis an die Spitzen der Rippen 12, 13 heran, oder sogar darüber hinaus und zwingt dabei die jeweilige Rippe, in die Honigwabenstruktur einzudringen, resp. die Honeycombs zu erodieren. Da die Honigwabenstruktur in Bezug auf Berührung vergleichsweise unkritisch ist und das Spiel des Turbinenrotors einfach zur Ausbildung einer grösseren Kerbe in der Honigwabenstruktur führt, kann so eine optimale Abdichtung des ausserhalb des Deckbandes 11 vorbeiströmenden heissen Verbrennungsluftstromes 33 gewährleistet werden.
• Die heisse Verbrennungsluft 33 strömt zunächst über eine Leitschaufel 21 um dann den Turbinenrotor anzuströmen. Der Hauptteil der heissen Luft 33 strömt die Anströmkante 23 der Turbinenschaufeln 10 an und entspannt über dem Turbinenrotor arbeitleistend. Ein gewisser Teilstrom der heissen Verbrennungsluft 33 strömt nun aber durch die Ritze zwischen Deckband und Hitzeschild in den Hohlraum 29, prallt dort auf die stromauf angeordnete erste Rippe 12 und bildet im Hohlraum 29 einen Wirbel 30, welcher den ganzen Rotor umlaufend gewissermassen eine Form eines Torus aufweist. Üblicherweise ist die Ausbildung eines derartigen Wirbels weniger ausgeprägt, wenn es sich um ein Deckband handelt, welches über die ganze Tiefe t der Turbinenschaufeln verläuft, da dann grundsätzlich weniger Luft in den Hohlraum 29 einströmen kann, weil die Vorderkante des Deckbandes 11 dann besser mit dem Gehäuse abschliesst. Dieser Wirbel 30 führt nun dazu, dass sich die Rippe 12 übermässig erhitzt und ausserdem wird es durch diesen Wirbel unmöglich, die Rippe 12 von vorne mit Kühlluft zu beaufschlagen. Wird z. B. Kühlluft gemäss Pfeil 32 in den Hohlraum eingeblasen, so wird diese Kühlluft durch den Wirbel 30 sofort nach unten zur Saugseite des Turbinenrotors geführt und über die Turbinenschaufeln 10 abgeführt, ohne die Rippe 12 wirklich kühlen zu können.
• Hier greift nun, wie in Fig. 3 dargestellt, die Erfindung ein. Die Innenform 31 des Hitzeschildes 25 stromauf der ersten Rippe 12 weist eine konvexe Auswölbung 34 in den Hohlraum 29 auf. Diese Auswölbung 34 führt dazu, dass sich im Hohlraum 29 kein Wirbel 30 mehr ausbilden kann. Dies resultiert einerseits aus der Reduktion des Volumens des Hohlraumes 29, als auch aus der günstigeren strömungstechnischen Führung (deshalb sollte die Form konvex sein). Entsprechend wird die thermische Belastung der ersten Rippe 12 wesentlich reduziert. Eine entsprechende verstärkte Ausformung des Hitzeschildes 25 zwischen den beiden Rippen 12 und 13, das heisst stromauf der zweiten Rippe 13 ist ebenfalls denkbar, hier aber nicht abgebildet. Da nun kein Wirbel 30 mehr vorhanden ist, kann auch die erste Rippe 12 mit erhöhter Effizienz mit Kühlluft beaufschlagt werden. Dies geschieht indem Kühlluft gemäss Pfeil 32 möglichst direkt, das heisst insbesondere bevorzugt senkrecht auf die erste Rippe 12 geblasen wird. Die Kühlluft erreicht nun diese erste Rippe, da sie nicht vom Wirbel zur Saugseite des Turbinenrotors abgeführt wird. Es zeigt sich ausserdem, dass die Abdichtungseigenschaften zwischen Hitzeschild und Deckband resp. Rippen allgemein besser werden, wenn die Ausbildung eines Wirbel verhindert wird.
• Die Fig. 4a) und b) zeigen verschiedene mögliche Ausformungen der Auswölbung 34. Die Auswölbung kann dabei wie dargestellt im wesentlichen S-förmig sein, wobei der konvexe Bereich möglichst weit in den Hohlraum 29 hineinragen sollte, ohne aber so nahe an das Deckband 11 heran zu reichen, dass die Gefahr besteht, dass bei Betrieb, d. h. bei Rotation des Turbinenrotors, die Schaufelspitzen, d. h. Teile des Deckbandes oder der Rippe 12 mit dem Hitzeschild in Berührung geraten können. Bei einem Turbinenrotor eines Durchmessers im Bereich von 660 bis 4500 Millimeter erweist sich üblicherweise ein Minimalabstand von im Bereich von 0.5 bis 20 Millimeter als genügend. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Turbinenschaufel
  11 Deckband
  12, 13 Rippe
  14, 15 Vertiefung
  16, 17 Kühlluftbohrung
  18 Kühlluftkanal
  19 Deckband ausserhalb der Rippen
  20 Schaufelprofil
  21 Leitschaufel
  22 Oberseite (Deckbandelement)
  23 Anströmkante der Turbinenschaufel
  24 Abströmkante der Turbinenschaufel
  25 Hitzeschild des Stators
  26 Hitzeschild der Leitschaufel
  27, 28 Honigwabenstruktur (Honeycomb)
  29 Kavität
  30 Wirbel
  31 Innenform des Hitzeschildes
  32 Kühlluftzuführung
  33 heisse Verbrennungsluft
  34 konvexe Auswölbung des Hitzeschilds
  

Claims (12)

1. Hitzeschild (25) für den Stator einer Turbine, welche Turbine einen von einem heissen Verbrennungsluftstrom (33) angeströmten drehbar gelagerten Turbinenrotor mit Turbinenschaufeln (10) aufweist, wobei der ortsfeste Hitzeschild (25) den Turbinenrotor in radialer Richtung beabstandet unter Bildung eines Hohlraumes (29) umfasst, und wobei die Turbinenschaufeln (10) des Turbinenrotors radial aussenseitig ein umlaufendes Deckband (11) aufweisen, welches Deckband (11) umlaufende, sich radial nach aussen erstreckende, erste Mittel (12, 13) aufweist, welche das Vorbeiströmen von heisser Verbrennungsluft (33) auf der radialen Aussenseite des Deckbands am Turbinenrotor vorbei verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass am Hitzeschild (25) zweite Mittel (34) vorgesehen sind, welche verhindern, dass sich in Strömungsrichtung vor den ersten Mitteln (12, 13) im Hohlraum (29) ein Wirbel (30) von heisser Verbrennungsluft (33) ausbildet.

2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den ersten Mitteln um wenigstens eine Rippe (12, 13) handelt, welche insbesondere im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Turbinenrotors ausgebildet ist und weiterhin insbesondere einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.

3. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Deckband (11) wenigstens bereichsweise nicht über die ganze, sich in Strömungsrichtung erstreckende Tiefe (t) der Turbinenschaufeln (10) erstreckt.

4. Hitzeschild nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete und im wesentlichen parallel verlaufende Rippen (12, 13) auf dem Deckband (11) vorhanden sind, und dass das die Rippen tragende Deckband (11) bei seinen schmalsten Bereichen wenigstens die Breite der Beabstandung der Rippen (12, 13) aufweist.

5. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Wirbel (30) um einen umlaufenden, gewissermassen einen Torus bildenden Wirbel handelt.

6. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel in Form einer insbesondere im wesentlichen umlaufenden, konvexen Auswölbung (34) des Hitzeschilds (25) in den Bereich des Hohlraums (29), welcher in Strömungsrichtung vor den ersten Mitteln (12, 13) liegt, ausgebildet sind.

7. Hitzeschild nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (25) im wesentlichen sich in Strömungsrichtung der heissen Verbrennungsluft (33) konisch erweiternd ausgebildet ist, dass auf dem Deckband (11) zwei parallel verlaufende Rippen (12, 13) angeordnet sind, dass die konvexe Auswölbung (34) des Hitzeschilds (25) der stromaufwärts liegenden Rippe (12) gegenüber angeordnet ist, und dass insbesondere ein axialer Schnitt durch den Hitzeschild (25) im Bereich der Auswölbung (34) eine im wesentlichen S-förmige Kontur bildet.

8. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den ersten Mitteln (12, 13) gegenüber ortsfest am Hitzeschild (25) befestigte Honigwabenstrukturen (27, 28) angeordnet sind, wobei insbesondere die ersten Mittel (12, 13) wenigstens teilweise in die Honigwabenstrukturen (27, 28) eingreifen.

9. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zweiten Mittel (34) Kühlluft (32) in den Hohlraum (29) eingedüst wird.

10. Hitzeschild nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung der Kühlluft (32) auf die ersten Mittel (12, 13) gerichtet erfolgt, wobei insbesondere eine stromaufwärts angeordnete Rippe (12) im wesentlichen senkrecht zu Ihrer Ebene mit einem Kühlluftstrom (32) beaufschlagt wird.

11. Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator im Bereich wenigstens eines Turbinenrotors einen Hitzeschild (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.

12. Verfahren zur Kühlung von auf einem Deckband (11) eines Turbinenrotors angeordneten Rippen (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Hitzeschild (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 Kühlluft (32) im wesentlichen senkrecht auf die Rippen (12, 13) geblasen wird.