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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil einer Kraftmaschine gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Turbomaschine gemäß dem nebengeordneten Hauptanspruch.
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Aufgrund
der hohen Prozesstemperaturen ist es in heutigen Turbomaschinen
oftmals erforderlich, Bauteile, die dem Heißgasstrom exponiert sind, zu
kühlen.
Zur Kühlung
wird hierbei in der Regel ein Kühlfluid, üblicherweise
Kühlluft, über eine
Kühlfluidzuführung zu
der zu kühlenden
Stelle des Bauteils geführt.
Eine wirkungsvolle Kühlung
der zu kühlenden
Stelle des Bauteils kann dann beispielsweise durch eine Prallkühlung erzielt
werden. Bei einer Prallkühlung
trifft das Kühlfluid
frontal oder näherungsweise
frontal auf die zu kühlende
Stelle und bildet hier eine Staupunktströmung.
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Eine
effiziente und wirkungsvolle Kühlung
ist in erheblichem Maße
von der gezielten Zuführung des
Kühlfluids
zu der zu kühlenden
Stelle des Bauteils abhängig.
Erfolgt die Zuführung
des Kühlfluid nur
schlecht oder unzureichend und erreicht nur ein Teil des Kühlfluids
die zu kühlende
Stelle oder tritt eine zu starke Vermischung des Kühlfluids
mit dem Heißgas
vor Erreichen der zu kühlenden
Stelle auf, so wird auch nur eine teilweise oder sogar gar keine Kühlwirkung
erzielt. Als Folge der unzureichenden Kühlung kommt es an der zu kühlenden
Stelle des Bauteils zur Ausbildung eines Hotspots, der in der Regel
zu einer Lebenszeitverkürzung
des Bauteils bis hin zu einem sofortigen Totalausfall des betreffenden
Bauteils führt.
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Bei
gekühlten
Leitschaufeln wird die zur Kühlung
umliegender Bauteile sowie umliegender Kavitäten erforderliche Kühlluft häufig aus
einem Plenum abgezweigt, das in dem äußeren Deckband der Leitschaufeln
bzw. in den Schaufelfüßen der
Leitschaufeln ausgebildet ist.
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So
wird beispielsweise bei der Gasturbine GT13E2 der Anmelderin das äußere Deckband
der Laufschaufeln (LA 2) der zweiten Laufschaufelreihe der Turbine
der Gasturbine mittels einer Prallkühlung gekühlt, wobei die für die Prallkühlung erforderliche Kühlluft aus
einem in dem Schaufelfuß der
jeweiligen Leitschaufel der zweiten Leitschaufelschaufelreihe der
Turbine angeordneten Plenum zugeführt wird. Diese Anordnung ist
schematisch in 1 dargestellt.
Das in dem Schaufelfuß 1 einer
jeden Leitschaufel 2 der zweiten Leitschaufelschaufelreihe
angeordnete Plenum 3 wird über eine Hauptzuführleitung 4,
die in dem Schaufelträger 5 angeordnet
ist, mit Kühlluft
versorgt. Um die Kühlluft
aus dem Plenum zu den zu kühlenden
Stellen, hier der zwischen den Leitschaufeln 2 und den
Laufschaufeln 6 angeordneten Kavität 7 sowie dem äußeren Deckband 8 der
Laufschaufeln 6, zu führen,
sind auf der Rückseite
des Schaufelfußes 1 einer
jeden Leitschaufel jeweils drei als Bohrungen ausgeführte Kühlkanäle 9 angeordnet.
(In dem in 1 dargestellten
Schnitt ist nur ein Kühlkanal 9 dargestellt.)
Das Kühlfluid
gelangt durch die Kühlkanäle 9 aus
dem Plenum 3 auf die Rückseite
der Leitschaufeln und somit in die zwischen den Leitschaufeln 2 und
den Laufschaufeln 6 angeordnete Kavität 7. Ein Teil des
aus den Kühlkanälen austretenden
Kühlfluids
gelangt auch auf die den Kühlkanälen gegenüberliegende
Seite des Deckbands 8 der Laufschaufeln 6 und
bewirkt hier eine Prallkühlung.
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Die
in der Gasturbine GT13E2 realisierte Kühlluftzuführung wird jedoch erheblich
von dem jeweiligen Betriebspunkt der Gasturbine beeinflusst. Verändert sich
beispielweise der Druck des Heißgases
der Turbine, so wird hierdurch die Abströmung des Kühlfluids aus den Kühlkanälen verändert. Auch ist
die Kühleffektivität oftmals
nur gering, da ein großer
Teil des Kühlfluids
durch den in die Kavität
eindringenden Heißgasstrom
umgelenkt wird und somit die Prallkühleffektivität erheblich
vermindert wird. Ferner tritt hier auch eine sehr starke Vermischung des
Kühlfluids
mit dem Heißgas
auf.
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Darstellung der Erfindung
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Hier
will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt somit die
Aufgabe zugrunde, eine Bauteilanordnung anzugeben, mit welcher die
Nachteile des Standes der Technik vermindert werden.
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Die
Erfindung trägt
dazu bei, dass in einer Kraftmaschine Kühlfluid gezielter an eine beabsichtigte
Stelle geführt
werden kann und eine möglichst geringe
Beeinflussung des Kühlfluidstroms
durch eine Umgebungsströmung
oder eine Vermischung des Kühlfluidstroms
mit dem Fluid der Umgebungsströmung
erfolgt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt soll durch die Erfindung eine effektive und zuverlässige Kühlung eines
Bauteils oder einer Stelle eines Bauteils unter allen Betriebsbedingungen
einer Turbomaschine sichergestellt werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Bauteil gemäss
Anspruch 1 sowie die Turbomaschine gemäß Anspruch 16 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil
einer Kraftmaschine, insbesondere einer Turbomaschine, umfasst wenigstens
einen in dem Bauteil angeordneten Kühlkanal sowie ein Hülsenelement.
Der Kühlkanal mündet über eine
Austrittsöffnung
zweckmäßig in die Umgebung
des Bauteils. Das Hülsenelement
ist in Längsrichtung
in einen ersten Abschnitt sowie einen zweiten Abschnitt unterteilt,
wobei der erste Abschnitt durch die Austrittsöffnung in den Kühlkanal eingefügt ist.
Der zweite Abschnitt kragt aus dem Kühlkanal. Zum Schutz des aus
dem Kühlkanal
kragenden, zweiten Abschnitts des Hülsenelements gegen Eigenschwingungen
und/oder Temperatureinwirkungen einer Umgebungsströmung ist
wenigstens in einem Bereich am Umfang des zweiten Abschnitts des
Hülsenelements
eine Schutzummantelung um das Hülsenelement
angeordnet.
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Durch
die in wenigstens einem Bereich am Umfang des Hülsenelements vorgesehene Schutzummantelung
des frei kragenden Abschnitts des Hülsenelements mit Versteifungs-
und Isoliermaterial werden insbesondere fremderregte Eigenschwingungen
des Hülsenelements
wirkungsvoll gedämpft. Fremderregte
Eigenschwingungen des Hülsenelements
können
insbesondere durch die Umgebungsströmung (in der Regel die Strömung des
Heißgases) oder
auch durch Bauteilschwingungen verursacht werden. Des weiteren wird
durch die Isoliereigenschaft der Schutzummantelung aber auch die
von der Umgebungsströmung
verursachte Temperaturbelastung auf das Hülsenelement gemindert.
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Würde das
Hülsenelement
ohne Schutzummantelung ungeschützt
aus dem Bauteil hervorstehen, beispielsweise in eine von Heißgas durchströmte Kavität, so besteht
die Gefahr, dass die Heißgasströmung das
Hülsenelement
und eventuell auch das gesamte Bauteil in eine gefährliche
Eigenschwingung bringen könnte.
Die Ummantelung des Hülsenelements
in zumindest einem Bereich am Umfang des Hülsenelements begünstigt das
Frequenzverhalten wesentlich, wodurch das Hülsenelement insbesondere gegen
ein Abbrechen des frei kragenden Abschnitts des Hülsenelements
wirkungsvoll geschützt
ist.
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Der
frei kragende Abschnitt des Hülsenelements
bildet hierbei somit gleichsam eine Verlängerung des Kühlkanals,
wodurch eine verbesserte Zuführung
des Kühlfluids
an eine zu kühlende
Stelle möglich
ist.
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Die
Länge des
frei kragenden Abschnitts ist in Abhängigkeit der geometrischen
Verhältnisse
sowie auch der Umgebungsbedingungen, d.h. insbesondere in Abhängigkeit
der Geschwindigkeit als auch der Temperatur der Umgebungsströmung sowie
der sonstigen Bauteilschwingungen, zu wählen. Aus Festigkeitsgründen ist
es häufig
zweckmäßig, die
Aufteilung so vorzunehmen, dass der erste Abschnitt des Hülsenelements
etwa zwei Drittel der Länge
des Hülsenelements
beträgt
und der zweite Abschnitt etwa ein Drittel der Länge des Hülsenelements beträgt.
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Auch
ist der zu ummantelnde Bereich am Umfang des Hülsenelements in Abhängigkeit
der geometrischen Verhältnisse
sowie der Umgebungsbedingungen zu wählen. In vielen Fällen wird
es ausreichend sein, einen Umfangsabschnitt des Hülsenelements
von wenigstens etwa 90°, vorzugsweise
von etwa 180° mit
Schutzummantelung zu versehen, wobei der ummantelte Bereich vorzugsweise
in Richtung der Anströmung
der Umgebungsströmung
ausgerichtet sein sollte. In vielen Fällen kann es aber auch zweckmäßig sein,
das Hülsenelement
vollständig
zu ummanteln.
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Die
Dicke der Schutzummantelung ist vorzugsweise etwa gleich der Länge des
aus dem Kühlkanal
kragenden, zweiten Abschnitts des Hülsenelements.
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Weiterhin
ist die Breite der Schutzummantelung zweckmäßig wenigstens gleich dem halben Durchmesser
des lichten Querschnitts des Hülsenelements.
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Auch
wenn die Erfindung grundsätzlich
auf Kühlkanäle mit beliebigen
Querschnittsgeometrien anwendbar ist, ist es aus fertigungstechnischen Gründen häufig zweckmäßig, den
Kühlkanal
als Kühlbohrung
mit einem runden Querschnitt auszuführen.
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Vorzugsweise
ist das Hülsenelement
als Röhrchen
ausgeführt.
Die Längenabmessungen
des Röhrchens
sowie die Wandstärke
sind so zu wählen, dass
sie den festigkeitstechnischen Anforderungen genügen. Der Querschnitt des Röhrchens
ist in Abhängigkeit
des gewünschten
Kühlfluidmassenstroms zu
wählen.
Hierbei kann es durchaus zweckmäßig sein,
das Hülsenelement
mit einem sich in Strömungsrichtung
des Kühlfluids
verjüngenden
auszuführen.
Hierdurch wird eine Beschleunigung der Kühlfluidströmung zum Austritt hin bewirkt.
Das Grundmaterial des Röhrchens
ist den thermischen und mechanischen Bedingungen entsprechend zu wählen. Üblicherweise
wird hier ein hochwarmfester Stahlwerkstoff zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzummantelung
aus einem Wabenmaterial, vorzugsweise aus einem Honeycomb-Material,
gefertigt. Wabenmaterial bietet den Vorteil, dass es trotz sehr
geringen Gewichts eine sehr hohe Festigkeit gegen Biegung und Schwingungen
aufweist. Überdies
wirken die in den Waben eingeschlossenen Lufttaschen wärmeisolierend.
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Die
Geometrie der Schutzummantelung und insbesondere die Wabengeometrie
ist den geometrischen Verhältnissen
und den Belastungsanforderungen entsprechend zu wählen. Als
Grundmaterial dient hier üblicherweise
zweckmäßig ein
hochwarmfester Stahlwerkstoff, wobei der Werkstoff in Abhängigkeit
der Bauteilumgebungstemperatur und somit der zu erwartenden Metalltemperatur
zu wählen
ist.
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Üblicherweise
ist die Schutzummantelung mit der Oberseite des Bauteils durch ein
Hartlöten verbunden.
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Ergänzend kann
es aber auch zweckmäßig sein,
die Schutzummantelung auch mit dem Hülsenelement durch Hartlöten zu verbinden.
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Eine
zweckmäßige Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine Leitschaufel mit Schaufelfuß und einem
in dem Schaufelfuß angeordneten
Plenum ist. Von dem Plenum führt
wenigstens ein Kühlkanal
ab.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Kühlkanal
als Durchgangsbohrung durch eine Begrenzungswand des Plenums ausgebildet.
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Weiterhin
ist der Kühlkanal
zweckmäßig so ausgerichtet,
dass bei Anordnung der Leitschaufel in einer Turbomaschine das über den
Kühlkanal
zugeführte
Kühlfluid
zur Kühlung
eines äußeren Deckbandes
einer stromab der Leitschaufel angeordneten Laufschaufel dient.
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In
vielen Anwendungsfällen
umfasst das Bauteile eine Mehrzahl von Kühlkanälen, die nebeneinander angeordnet
sind. Hier ist es zweckmäßig, die
Schutzummantelung als ein durchgängiges
Band über
wenigstens einen Teil der Mehrzahl der Kühlkanäle auszubilden.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Turbomaschine zur
Verfügung,
die wenigstens ein wie oben beschriebenes, erfindungsgemäß ausgeführtes Bauteil
umfasst.
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Eine
Turbomaschine umfasst typischerweise eine Leitschaufelreihe sowie
eine stromab der Leitschaufelreihe angeordnete Laufschaufelreihe.
Erfindungsgemäß sind die
Schaufelfüße der Leitschaufeln
der Leitschaufelreihe dann gemäß dem oben
beschriebenen, erfindungsgemäßen Bauteil
ausgeführt,
wobei jeder Schaufelfuß wenigstens
einen Kühlkanal
umfasst, der zur Kühlung
eines äußeren Deckbandes
der stromab angeordneten Laufschaufelreihe ausgerichtet ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausführung der
Schaufelfüße wird
eine deutlich verbesserte, vom jeweiligen Betriebspunkt der Turbomaschine
weitgehend unabhängige
und effizientere Kühlung
des Deckbandes der Laufschaufelreihe und der Kavitäten zwischen
Leitschaufelreihe und Laufschaufelreihe sowie zwischen Deckband
und Gehäusewand
erzielt als dies in den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen
der Fall ist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren illustrierten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
einer schematisierten Darstellung den Aufbau einer aus dem Stand
der Technik bekannten Anordnung einer Turbinenstufe mit Prallkühlung des
Laufschaufeldeckbandes;
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2 einen
erfindungsgemäß ausgeführten Schaufelfuß mit Plenum
und Kühlkanal
in einer Schnittdarstellung;
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3 eine
perspektivische Ansicht des Schaufelfußes aus 2;
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4 eine
Rückansicht
des Schaufelfußes aus 2;
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5 eine
Draufsicht des Schaufelfußes aus 2.
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In
den Figuren sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente und Bauteile dargestellt.
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Die
dargestellten Ausführungsbeispiele
sind rein instruktiv zu verstehen und sollen einem besseren Verständnis dienen,
jedoch nicht als Einschränkung
des Erfindungsgegenstandes verstanden werden.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 ist
in einer schematisierten Darstellung der Aufbau einer aus dem Stand
der Technik bekannten Anordnung einer Turbinenstufe mit Prallkühlung des
Laufschaufeldeckbandes dargestellt. Die hier gezeigte Anordnung
findet sich so beispielsweise in der Gasturbine GT13E2 der Anmelderin
als zweite Turbinenstufe.
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Die
in 1 dargestellte Turbinenstufe umfasst eine Leitschaufelreihe
sowie eine stromab der Leitschaufelreihe angeordnete Laufschaufelreihe. Leit-
und Laufschaufelreihe umfassen jeweils eine Vielzahl von am Umfang
nebeneinander angeordneten Leitschaufeln 2 und Laufschaufeln 6.
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Das äußere Deckband 8 der
Laufschaufeln 6 der Laufschaufelreihe wird hier mittels
Prallkühlung gekühlt, wobei
die für
die Prallkühlung
erforderliche Kühlluft
aus einem gemeinsamen in den Schaufelfüßen der Leitschaufeln angeordneten
Plenum 3 oder aus mehreren voneinander getrennt in den
Schaufelfüßen der
Leitschaufeln angeordneten Plena zugeführt wird. Das in den Schaufelfüßen 1 der
Leitschaufeln der zweiten Leitschaufelschaufelreihe ausgebildete
Plenum 3 oder die Plena wird/werden hier über eine
Hauptzuführleitung 4,
die in dem Schaufelträger angeordnet
ist, mit Kühlluft
versorgt. Um die Kühlluft aus
dem Plenum 3 zu den zu kühlenden Stellen, somit hier
der zwischen den Leitschaufeln 2 und den Laufschaufeln 6 angeordneten
Kavität 7 sowie
dem äußeren Deckband 8 der
Laufschaufeln 6, zu führen, sind
auf der Rückseite
des Schaufelfußes 1 einer
jeden Leitschaufel 2 jeweils drei als Bohrungen ausgeführte Kühlkanäle 9 angeordnet.
(In der Schnittdarstellung gemäß 1 ist
nur ein Kühlkanal
sichtbar.) Das Kühlfluid
gelangt durch die Kühlkanäle 9 aus dem
jeweiligen Plenum 3 auf die Rückseite des jeweiligen Schaufelfußes 1 und
somit in die Kavität
zwischen den Leitschaufeln 2 und den Laufschaufeln 6. Ein
Teil des aus den Kühlkanälen austretenden
Kühlfluids
gelangt auch auf die den Kühlkanälen 9 gegenüberliegende
Seite des Deckbandes 8 der Laufschaufeln 6 und
bewirkt hier eine Prallkühlung.
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Jedoch
verbleibt zwischen dem Schaufelfuß 1 der Leitschaufeln 2 und
dem Deckband 8 der Laufschaufeln 6 ein verhältnismäßig großer Spalt.
Die über
die Kühlkanäle 9 zugeführte Kühlluft muß nach dem
Austreten aus dem jeweiligen Kühlkanal
zunächst
den Spalt 10 überqueren,
bevor die Kühlluft dann
auf das Deckband 8 trifft. Aufgrund der in diesem Bereich
sehr hohen Turbulenz der heißen Hauptströmung (Heißgasströmung) der
Turbomaschine findet beim Überströmen des
Spalts bereits eine starke Vermischung der Kühlluft mit dem Heißgas statt,
was zu einer erheblichen Verminderung der Kühleffektivität der Kühlluft führt. Ferner
wird durch das Eindringen des Heißgases in den Spalt 10 die Strömung des
Kühlfluids
umgelenkt, so dass die Anströmung
des Deckbandes 8 nicht in optimal erfolgt, wodurch die
Effektivität
der Prallkühlung
vermindert wird. Überdies
führt eine
Veränderung
des Betriebspunktes der Gasturbine mit einer Veränderung des Drucks der Heißgasströmung zu
einer veränderten Umlenkung
der Kühlluftströmung und
somit zu einer veränderten
Kühlung
der zu kühlenden
Bauteile.
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Hier
setzt die Erfindung an. In den 2 bis 5 ist
als ein erfindungsgemäß ausgeführtes Bauteil
eine Leitschaufel 100 einer Leitschaufelreihe mit einem
Schaufelfuß 101 und
einem Leitschaufelblatt 102 dargestellt. 2 zeigt
den erfindungsgemäß ausgeführten Schaufelfuß 101 mit
einem Plenum 103 und einem Kühlkanal 109 in einer
geschnittenen Seitenansicht. 3 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Schaufelfußes 101, 4 eine
Rückansicht
des Schaufelfußes 101 und 5 eine
Draufsicht auf den Schaufelfuß 101.
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Der
in den 2 bis 5 dargestellte Schaufelfuß 101 ist
im Vergleich zu den Schaufelfüßen 1 der
Leitschaufeln 2 aus 1 konstruktiv
weitgehend gleich oder ähnlich
ausgeführt.
Die in 2 dargestellte Leitschaufel 100 kann
daher ohne weitere konstruktive Maßnahmen in der in 1 gezeigten Turbomaschine
im Austausch zu den dort dargestellten Leitschaufeln 2 eingesetzt
werden. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten
Anordnung ist jedoch die Kühlluftzuführung der
in 2 dargestellten Leitschaufel zur Kühlung einer
stromab angeordneten Laufschaufelreihe erfindungsgemäß verbessert.
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Der
in 2 dargestellte Schaufelfuß 101 einer Leitschaufel 100 umfasst
hierzu eine vordere Begrenzungswand 110, eine hintere Begrenzungswand 111,
seitliche Begrenzungswände 112 und 113 (in den 3 und 5 dargestellt)
sowie eine den Strömungskanal
der Turbomaschine begrenzende Strömungskanalwand 114.
Der von der vorderen Begrenzungswand 110, der hinteren
Begrenzungswand 111, den seitlichen Begrenzungswänden 112 und 113 sowie
der Strömungskanalwand 114 umschlossene Hohlraum
bildet das Plenum 103, das, wie in 1 dargestellt, über eine
Hauptzuführleitung
mit Kühlluft versorgt
wird. Im unteren Bereich des Plenums 103 befindet sich
zusätzlich
ein Lochblech 115, um die Kühlluftströmung innerhalb des Plenums 103 zu
lenken. Über
Anzahl und Position der in dem Lochblech 115 angeordneten
Löcher
läßt sich
regeln, welcher Anteil der in dem Plenum 103 befindlichen
Kühlluft
zu der Strömungskanalwand 114 gelangt
und dort zur Kühlung
der Strömungskanalwand 114 der
Leitschaufel 100 dient.
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Wie
auch in der Ausführung
gemäß 1 sind
des weiteren in der hinteren Begrenzungswand 111 des Schaufelfußes 101 der
erfindungsgemäß ausgeführten Leitschaufel 100 drei
Kühlkanäle 109 angeordnet,
durch die im Betrieb der Leitschaufel Kühlfluid aus dem Plenum 103 auf
die Rückseite
des Schaufelfußes 101 gelangt.
Die Kühlluft
dient hier ebenso wie in 1 zur Kühlung einer Kavität zwischen
der Leitschaufelreihe und einer in einer Turbomaschine stromab der
Leitschaufelreihe angeordneten Laufschaufelreihe, der Kavität zwischen
dem Deckband der Laufschaufelreihe und dem Gehäuse der Turbomaschine sowie
zur Kühlung
des Deckbands der Laufschaufelreihe selbst.
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Die
Kühlkanäle 109 sind
hier jeweils als Kühlbohrungen
ausgeführt.
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Im
Unterschied zu der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung gemäß 1 ist
in 2 jedoch zur verbesserten und gezielteren Kühlluftzuführung jeweils
ein Röhrchen 116 mit
einem ersten Abschnitt 116-1 durch
die jeweilige in der hinteren Begrenzungswand 111 befindliche
Austrittsöffnung 117 in
den betreffenden Kühlkanal 109 eingefügt. Wie
in den 2 und 5 gut zu erkennen ist, kragen
die Röhrchen 116 jeweils
mit einem zweiten Abschnitt 116-2 aus den Kühlkanälen 109.
Der zweite Abschnitt 116-2 beträgt hier etwa 30% der Gesamtlänge des
jeweiligen Röhrchens 116.
Durch die Anordnung der über
die Begrenzungswand 111 hinausragenden Röhrchen 116 wird
gleichsam der Kühlkanal 109 verlängert, um
so die Kühlluft
gezielter der zu kühlenden
Stelle zuführen
zu können.
In anderen Worten bedeutet dies, dass der Spalt (in 1 mit 10 gekennzeichnet)
zwischen dem Austritt aus dem Kühlkanal
und der zu kühlenden
Stelle durch die Anordnung der Röhrchen 116 vermindert
wird. Somit kann beispielsweise ein Heißgas auch nur in dem zu 1 verkleinerten
Spalt in den Kühlluftstrom
eindringen, diesen ablenken und/oder sich mit der Kühlluft vermischen.
Insgesamt steigt somit die Kühleffektivität der eingesetzten
Kühlluft
im Vergleich zu der Ausführung
nach 1.
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Um
den aus dem Kühlkanal
kragenden, zweiten Abschnitt 116-2 des Röhrchens 116 gegen Eigenschwingungen
und/oder Temperatureinwirkungen einer Heißgasströmung zu schützen, ist zusätzlich das
Röhrchen 116 gemäß der in 2 dargestellten
Ausführung
vollständig
von einer aus Honeycomb-Material (Honigwaben-Material) hergestellten Schutzummantelung 118 ummantelt.
Die Anordnung der Schutzummantelung 118 ist in den 2, 3 und 5 gut
zu erkennen.
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Das
Honeycomb-Material weist eine wabenförmige Struktur mit einem nur
geringen Gewicht auf. Trotz des geringen Gewichts des Honeycomb-Materials weist das
Wabenmaterial eine hohe Steifigkeit und aufgrund der wabenförmig ausgebildeten
Luftpolster auch hervorragende Isoliereigenschaften auf. Durch die
Schutzummantelung 118 wird das jeweilige Röhrchen 116 somit
einerseits versteift, insbesondere gegen mögliche Eigenschwingungen, als
auch wärmeisoliert.
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Damit
die Schutzummantelung 118 nicht durch die in einer Turbine
im Betrieb herrschenden hohen Temperaturen des Heißgases beschädigt wird,
ist die Schutzummantelung aus einem für die jeweiligen Betriebstemperaturen
geeigneten Werkstoff (beispielsweise aus einem hochwarmfester Nickel-Basis-Werkstoff)
herzustellen. Die genaue Wahl des Werkstoffs hängt von den Einsatzbedingungen ab
und ist einem Fachmann geläufig.
Ebenso ist auch auf eine hinreichende, den Einsatzbedingungen genügende Festigkeit
des Werkstoffs zu achten.
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Darüber hinaus
sind auch die Röhrchen 116 aus
einem für
die jeweiligen Einsatzbedingungen geeigneten Werkstoff herzustellen.
Auch diese Werkstoffauswahl in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen
ist einem Fachmann geläufig.
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Die
Dicke der Schutzummantelung 118 im Bereich um das jeweilige
Röhrchen 116 ist
hier gleich der Länge
des jeweils aus dem Kühlkanal 109 kragenden,
zweiten Abschnitts 116-2 des jeweiligen Röhrchens 116.
Der jeweils aus dem Kühlkanal 109 kragende,
zweite Abschnitt 116-2 des jeweiligen Röhrchens 116 ist in
dem in den 2 – 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel
somit am Umfang sowie auch in der Länge vollständig von der Schutzummantelung 118 ummantelt.
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Wie
insbesondere in 2 dargestellt ist, variiert
in der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung die Breite der Schutzummantelung 118 in Abhängigkeit
der Umfangsposition. Während
die Schutzummantelung 118 hier in Richtung der Heißgasanströmung (in 2 nach
unten) eine Breite von etwa dem dreifachen Durchmesser des Röhrchens 116 aufweist,
beträgt
die Breite auf der dem Heißgasstrom
abgewandten Seite lediglich etwa einen halben Durchmesser des Röhrchens 116.
Somit ist die hier durch die Schutzummantelung 118 erzielte
Isolierwirkung in Richtung des Heißgasstroms auch deutlich höher als
auf der dem Heißgasstrom
abgewandten Seite. Die Steifigkeit hingegen ist auf jeder Seite
des jeweiligen Röhrchens 116 nahezu
gleich.
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Während das
Wabenmaterial des Schutzummantelung 118 durch Hartlöten mit
der Außen-
bzw. Oberseite der hinteren Begrenzungswand 111 des Schaufelfußes 101 verbunden
ist, ist eine durch Hartlöten
erzielte Verbindung zwischen dem Wabenmaterial der Schutzummantelung 118 und
dem Röhrchen 116 optional.
In 3 sind die Röhrchen 116 und
die Schutzummantelung 118 nicht miteinander hartverlötet.
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Wie
in den 3, 4 und 5 zu erkennen
ist, ist die Schutzummantelung 118 hier als ein durchgängiges Band über die
nebeneinander angeordneten Kühlkanäle 109 des
Schaufelfußes 101 ausgebildet.
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Weiterhin
ist in 5 dargestellt, dass die nebeneinander angeordneten
Kühlkanäle 109 hier jeweils
unter einem Neigungswinkel von etwa 45° zur Lotrechten auf die hintere
Begrenzungswand 111 verlaufen. Der Neigungswinkel hängt hierbei
von dem gewünschten
Vordrall ab, den die Kühlluft
beim Austritt aus den Kühlkanälen 109 aufweisen
soll, und kann von einem Fachmann in bekannter Weise in Abhängigkeit
der zu erzielenden Strömungsbedingungen
konstruktiv bestimmt werden.
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Die
im Zusammenhang mit den 2 bis 5 beschriebene
Anordnungen stellen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
dar, die von einem Fachmann durchaus in vielfältiger Weise ohne Weiteres
modifiziert werden können,
ohne den Erfindungsgedanken hierdurch zu verlassen.
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So
könnte
die Schutzummantelung auch nur in einem Bereich am Umfang des jeweiligen
Röhrchens,
beispielsweise in einem dem Heißgas
zugewandten Umfangsabschnitt des Röhrchens, angeordnet sein, d.h.
das Röhrchen
wäre dann
nur teilweise ummantelt. Dies kann zum Beispiel aus konstruktiven
Gründen
sinnvoll oder erforderlich sein. Auch in diesem Fall wird dennoch
das Röhrchen
durch die Schutzummantelung erheblich versteift. Insbesondere werden
auch hier Eigenschwingungen effektiv gedämpft. Weiterhin wird auch hier
durch die Schutzummantelung eine wärmeisolierende Wirkung in Richtung
der Heißgasanströmung erzielt.
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Auch
könnte
es beispielsweise sinnvoll sein, den lichten Querschnitt des Röhrchens
in Strömungsrichtung
der Kühlluft
zu verjüngen,
um so eine Beschleunigung der Kühlluft
beim Durchströmen
des Röhrchens
zu erzielen.
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- 1
- Schaufelfuß
- 2
- Leitschaufel
- 3
- Plenum
- 4
- Hauptzuführleitung
- 5
- Schaufelträger
- 6
- Laufschaufel
- 7
- Kavität
- 8
- äußeres Deckband
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Spalt
- 100
- Leitschaufel
- 101
- Schaufelfuß
- 102
- Leitschaufelblatt
- 103
- Plenum
- 109
- Kühlkanal
- 110
- vordere
Begrenzungswand
- 111
- hintere
Begrenzungswand
- 112,
113
- seitliche
Begrenzungswand
- 114
- Strömungskanalwand
- 115
- Lochblech
- 116
- Röhrchen
- 116-1
- erster
Abschnitt des Röhrchens
- 116-2
- zweiter
Abschnitt des Röhrchens
- 117
- Austrittsöffnung
- 118
- Schutzummantelung