DE102007000516A1 - Hitzeschutzschild für eine Turbomaschine - Google Patents

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Markus Pitzer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschutzschild (6) für eine Turbomaschine (1), insbesondere ein statorseitiges Hitzeschutzschild (6) für einen Schaufelträger (5) in einer Gasturbine. Dabei ist das Hitzeschutzschild (6) lösbar am Schaufelträger (5) befestigt, wobei an einem der Strömungsrichtung (4) der Turbomaschine (1) entgegengesetzten oder gleichgerichteten Randbereich (7) des Hitzeschutzschildes (6) zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung (8) mit rundem Querschnitt vorgesehen ist, die mit einem im Schaufelträger (5) verlaufenden Kühlgaskanal (9) kommunizierend verbunden ist und durch welche beim Betrieb der Turbomaschine (1) Kühlgas austreten kann.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Hitzeschutzschild für eine Turbomaschine, insbesondere ein statorseitiges Hitzeschutzschild für einen Schaufelträger in einer Gasturbine.
  • Stand der Technik
  • Um die Lebensdauer von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen, verlängern zu können, ist es üblich, diejenigen Bauteilkomponenten, welche einem direkten Heißgasstrom ausgesetzt sind, mittels sogenannter Hitzeschutzschilde vor einem direkten Heißgaskontakt zu schützen. Ohne derartige Hitzeschutzschilde würden die dem Heißgasstrom ausgesetzten Komponenten, beispielsweise ein Schaufelträger, in kurzer Zeit oxidieren und dadurch schneller altern. Üblicherweise werden derartige Hitzeschutzschilde aus einer temperaturunempfindlichen Metalllegierung hergestellt oder mit einer solchen versehen.
  • Um bei modernen Turbomaschinen den Wirkungsgrad weiter verbessern zu können, werden diese mit stetig steigenden Betriebstemperaturen gefahren, was jedoch auch einen immer größeren Schutz der temperaturempfindlichen Komponenten erforderlich macht. Da die Hitzeschutzschilde turnusmäßig ausgetauscht bzw. erneuert werden müssen, sind für die Wirtschaftlichkeit der Turbomaschine auch die Kosten der Herstellung und des Austausches der Hitzeschutzschilde von entscheidender Bedeutung.
  • Darstellung der Erfindung
  • Hier setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Hitzeschutzschild eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere einfach und kostengünstig herstellen lässt.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Querschnitt von an einem Hitzeschutzschild vorgesehenen Kühlgasaustrittsöffnungen so zu verändern, dass diese im Unterschied zur Vergangenheit einfach und kostengünstig herzustellen sind. Die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung ist an einem der Strömungsrichtung der Turbomaschine entgegengesetzten oder gleichgerichteten Randbereich vorgesehen und weist erfindungsgemäß einen runden Querschnitt auf, welcher im Vergleich zu herkömmlichen, eckigen, insbesondere rechteckigen, Querschnitten fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herzustellen ist. Die Kühlgasaustrittsöffnung ist dabei mit einem im Schaufelträger verlaufenden Kühlgaskanal kommunizierend verbunden und dient beim Betrieb der Turbomaschine zur Erzeugung eines definierten Kühlgasstroms, welcher einerseits temperaturempfindliche Bauteile wirkungsvoll vor einem Heißgaskontakt schützt und andererseits die Temperatur in der Turbomaschine nur gerade soweit erniedrigt, wie es unbedingt erforderlich ist und dadurch einen hohen Wirkungsgrad der Turbomaschine gewährleistet. Die erfindungsgemäßen Kühlgasaustrittsöffnungen mit rundem Querschnitt lassen sich beispielsweise durch Funkenerosionsverfahren oder mittels elektrochemischer Verfahren äußerst präzise und gleichzeitig kostengünstig herstellen, wodurch sich die Herstellkosten für das Hitzeschutzschild allgemein reduzieren lassen. Da die Hitzeschutzschilde turnusmäßig ausgetauscht werden müssen, schlagen sich geringere Herstellkosten für die Hitzeschutzschilde auch in einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Turbomaschine positiv nieder.
  • Zweckmäßig variiert in Umfangsrichtung eines das Hitzeschutzschild aufweisenden Stators eine Querschnittsfläche der zumindest einen Kühlgasaustrittsöffnung und/oder eine Anzahl an Kühlgasaustrittsöffnungen und/oder ein Abstand zwischen einzelnen Kühlgasaustrittsöffnungen in Abhängigkeit eines spezifischen Temperaturprofils innerhalb eines Heissgaskanals. Üblicherweise ist dessen spezifisches Temperaturprofil nicht symmetrisch verteilt, sondern weist eine asymmetrische Verteilung auf, so dass beispielsweise über die Querschnittsfläche oder die Anzahl der Kühlgasaustrittsöffnungen direkt Einfluss auf einen lokalen Kühlbedarf genommen werden kann. Somit kann der aus den Kühlgasaustrittsöffnungen ausströmende Kühlgasstrom individuell und bedarfsgerecht an einen jeweils lokalen Kühlbedarf angepasst werden, wodurch einerseits eine effektive Kühlung besonders beanspruchter Komponenten erfolgen kann und andererseits der Kühlstrom insgesamt so klein wie möglich gehalten werden kann, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung strömt aus der zumindest einen Kühlgasaustrittsöffnung austretendes Kühlgas in einen Spalt zwischen zwei axial benachbarten Hitzeschutzschilden oder in einen Spalt zwischen dem Hitzeschutzschild und einer axial benachbarten Schaufel. Insbesondere in den Spalten zwischen zwei benachbarten Hitzeschutzschilden oder zwischen einem Hitzeschutzschild und einer benachbarten Schaufel kann der Heißgasstrom direkt auf die unter den Hitzeschutzschilden angeordnete Tragstruktur treffen, wodurch insbesondere diese Spaltbereiche zu den besonders gefährdeten Regionen zählen. Durch den im Spalt austretenden Kühlgasstrom werden der Schaufelträger bzw. die Tragstruktur vor einem direkten Heißgaskontakt geschützt und dadurch vor einer die Lebensdauer reduzierenden Oxidation.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung schließt sich an die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung ein Kühlgasaustrittskanal an, welcher im Hitzeschutzschild verläuft und welcher denselben Querschnitt aufweist, wie die Kühlgasaustrittsöffnung. Dies bietet den großen Vorteil, dass sowohl der Kühlgaskanal als auch die Kühlgasaustrittsöffnung in einem Arbeitsschritt hergestellt werden können, beispielsweise im Senkerodierverfahren, wodurch die Fertigungskosten für das erfindungsgemäße Hitzeschutzschild niedrig gehalten werden können.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Hitzeschutzschilde ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Es zeigen dabei, jeweils schematisch,
  • 1 einen Längsschnitt durch eine Turbomaschine mit erfindungsgemäßen Hitzeschutzschilden,
  • 2 eine Detailansicht aus 1 im Bereich des Hitzeschutzschildes,
  • 3a eine Detailansicht wie in 2, jedoch aus einer anderen Perspektive,
  • 3b eine Schnittdarstellung im Bereich einer Kühlgasaustrittsöffnung,
  • 4 eine Temperaturverteilung in der Turbomaschine,
  • 5 eine Vorrichtung zum Herstellen der Kühlgasaustrittsöffnungen mit dem Funkenerosionsverfahren,
  • 6 eine Vorrichtung zum Herstellen der Kühlgasaustrittsöffnungen mit einem elektrochemischen Verfahren.
  • Entsprechend 1 weist eine Turbomaschine 1 rotorseitige Laufschaufeln 2 und statorseitige Leitschaufeln 3 auf. Eine Hauptströmungsrichtung der Turbomaschine 1 ist dabei in 1 mit dem Pfeil 4 dargestellt.
  • Um einen Schaufelträger 5, insbesondere eine Tragstruktur, vor einem direkten Heißgaskontakt schützen zu können, sind sowohl statorseitig als auch rotorseitig Hitzeschutzschilde 6 angeordnet, welche üblicherweise aus hochtemperaturbeständigen Metalllegierungen ausgebildet sind oder zumindest solche aufweisen. Die Hitzeschutzschilde 6 haben dabei jedoch nicht nur die Aufgabe, die darunter liegende Tragstruktur bzw. die darunter liegenden Schaufelträger 5 vor einem direkten Heißgaszutritt zu schützen, sondern sie sollen zudem auch leicht austauschbar sein, um einen turnusmäßigen Montageaufwand gering halten zu können und darüber hinaus kostengünstig herzustellen sein. Um die Austauschbarkeit gewährleisten zu können, sind die Hitzeschutzschilde lösbar am Schaufelträger 5 befestigt.
  • Wie der 1 und insbesondere der 2 zu entnehmen ist, ist an einem der Strömungsrichtung 4 der Turbomaschine 1 entgegengesetzten oder gleichgerichteten Randbereich 7 des Hitzeschutzschildes 6 zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung 8 mit einem runden Querschnitt vorgesehen. Die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung 8 kommuniziert dabei mit einem im Schaufelträger 5 verlaufenden Kühlgaskanal 9, wobei der Kühlgaskanal 9, wie in 2 gezeigt, auch zumindest bereichsweise zwischen dem Schaufelträger 5 und dem Hitzeschutzschild 6 verlaufen kann. Beim Betrieb der Turbomaschine 1 wird Kühlgas durch den Kühlgaskanal 9 zur Kühlgasaustrittsöffnung 8 transportiert und tritt durch diese in einen Spalt 10, entweder zwischen zwei benachbarten Hitzeschutzschilden 6 und 6' oder in einen Spalt 10' zwischen dem Hitzeschutzschild 6 und einer axial benachbarten Schaufel 3.
  • Insbesondere in den Spalten 10 und 10' besteht für den Schaufelträger 5 eine besondere Gefährdung, da er hier direkt mit dem Heißgasstrom der Turbomaschine 1 in Kontakt treten kann, während die anderen Bereiche von den Hitzeschutzschilden 6 geschützt sind. Daher ist es für eine effektive und wirkungsvolle Kühlung der Turbomaschine 1 besonders sinnvoll, den Kühlgasstrom im Spalt 10, 10' austreten zu lassen. Gleichzeitig kühlt der Kühlgasstrom, insbesondere während seines Verlaufs zwischen dem Schaufelträger 5 und dem Hitzeschutzschild 6 auch letzteres. Wie 3a zeigt, weist die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung 8, hier sämtliche Kühlgasaustrittsöffnungen 8, einen runden Querschnitt auf, welcher im Vergleich zu herkömmlichen eckigen Querschnitten deutlich einfacher herzustellen ist und beim Betrieb der Turbomaschine 1 einer deutlich geringeren Belastung unterliegt, da keine scharfen Kanten vorhanden sind. Gemäß 3a sind insgesamt sechzehn Kühlgasaustrittsöffnungen 8 vorgesehen, welche in Umfangsrichtung in einer Reihe angeordnet sind.
  • Der 3b ist zu entnehmen, dass sich an die Kühlgasaustrittsöffnung 8 ein Kühlgasaustrittskanal 11 anschließt, welcher im Hitzeschutzschild 6 verläuft und welcher denselben Querschnitt aufweist wie die Kühlgasaustrittsöffnung 8. Dies hat insbesondere für die Fertigung der Kühlgasaustrittsöffnungen 8 bzw. der daran anschließenden Kühlgasaustrittskanäle 11 wesentliche Vorteile, wie später noch erläutert werden wird. Ebenfalls der 3b zu entnehmen ist, dass der die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung 8 aufweisende Randbereich 7 des Hitzeschutzschildes 6 abgerundet ist und dadurch ebenfalls keine verschleißanfälligen Kanten bzw. Konturen bietet. Betrachtet man die Orientierung der Kühlgasaustrittsöffnung 8 bzw. des daran anschließenden Kühlgasaustrittskanals 11, so fällt auf, dass diese parallel zur Strömungsrichtung 4 orientiert sind und dadurch eine vordefinierte Kühlgasströmung erzeugen. Nach dem Austritt des Kühlgases aus der Kühlgasaustrittsöffnung 8 tritt das Kühlgas in den Spalt 10 und von diesem entlang des Hitzeschutzschildes 6 stromabwärts. Dadurch kann eine Filmkühlung auf den Hitzeschutzschilden 6 erzeugt werden, welche einerseits die Hitzeschutzschilde 6 wirkungsvoll und effektiv kühlt und andererseits die Temperatur in der Turbomaschine 1 nur unwesentlich reduziert und dadurch den Wirkungsgrad der Turbomaschine 1 kaum beeinträchtigt.
  • Ebenfalls den 3a und 3b zu entnehmen ist, dass ein den Kühlgasaustrittsöffnungen 8 benachbarter Austrittsbereich 12 bezüglich einer Außenkontur des Hitzeschutzschildes 6 zurückversetzt ist. Dies bewirkt ebenfalls wiederum eine definierbare Kühlgasströmung, wodurch sich die Kühlung der Hitzeschutzschilde 6 besonders exakt steuern lässt.
  • In 4 ist mit unterbrochen gezeichneter Linie ein angenommenes Temperaturprofil 13 in der Turbomaschine 1 gezeichnet, während mit der durchgezogenen Linie die reale Temperaturverteilung 14 in der Turbomaschine 1 gekennzeichnet ist. Dabei fällt auf, dass die reale Temperaturverteilung von der angenommenen Temperaturverteilung elliptisch abweicht, so dass in einem Bereich 15 ein erhöhter Kühlbedarf und in einem Bereich 16 ein verringerter Kühlbedarf besteht. Prinzipiell besteht dabei immer ein erhöhter Kühlbedarf, sofern das reale Temperaturverteilungsprofil 14 radial außerhalb des angenommenen Temperaturverteilungsprofils 13 liegt. Die Strömungsrichtung bei der Turbomaschine 1 gemäß der 4 ist dabei im wesentlichen orthogonal zur Zeichenebene orientiert. Um die Kühlung besonders effektiv gestalten zu können und insbesondere um Bereiche 15 mit erhöhtem Kühlbedarf mehr und Bereiche 16 mit verringertem Kühlbedarf weniger kühlen zu können, kann in Umfangsrichtung des das zumindest eine Hitzeschutzschild 6 aufweisenden Stators eine Querschnittsfläche der zumindest einen Kühlgasaustrittsöffnung 8 und/oder eine Anzahl an Kühlgasaustrittsöffnungen 8 und/oder ein Abstand zwischen den Kühlgasaustrittsöffnungen 8 variieren. Hierdurch kann die Kühlung in Abhängigkeit des spezifischen Temperaturprofils 14 in dem Heissgaskanal erzeugt werden. Die Kühlung ist somit stets an einen lokalen Kühlbedarf angepasst, wodurch die Kühlung besonders effektiv ist, und wodurch der Wirkungsgrad der Turbomaschine 1 so wenig wie möglich beeinträchtigt wird.
  • Herstellen lassen sich die Kühlgasaustrittsöffnungen 8 bzw. die daran anschließenden Kühlgasaustrittskanäle 11 beispielsweise mittels eines Funkenerosionsverfahrens, üblicherweise auch als Senkerodierverfahren bekannt. Das Funkenerosionsverfahren ist ein abtragendes Fertigungsverfahren, das auf elektrischen Entladevorgängen (Funken) zwischen einer Elektrode 17 und einem leitenden Werkstück, hier dem Hitzeschutzschild 6, beruht. Die Bearbeitung findet dabei meist in einem nicht leitenden Medium statt, beispielsweise einem Dielektrikum. Die Elektroden 17 sind dabei gemäß 5 in einem Kamm 18 am Werkzeug 19 gehalten und werden auf einen so schmalen Spalt an das Hitzeschutzschild 6 herangeführt, bis ein Funken überschlägt, der aus dem Hitzeschutzschild 6 Material abträgt. Je nach Intensität, Dauer, Länge und Polung der Entladungen entstehen unterschiedliche Abtragergebnisse, wobei selbst komplizierte geometrische Formen herzustellen sind. Das Funkenerodierverfahren ist dabei billig und flexibel und erlaubt darüber hinaus eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit.
  • Demgegenüber ist das in 6 dargestellte elektrochemische Senken ein abtragendes Verfahren der Trenntechnik. Bei diesem elektrochemischen Verfahren werden keine mechanischen Kräfte auf das Hitzeschutzschild 6 übertragen und zudem nehmen Werkstoffeigenschaften, wie z.B. Härte oder Zähigkeit, keinen Einfluss auf den Abtragungsprozess. Von Bedeutung sind jedoch Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Wärme und elektrische Leitfähigkeit. Das Hitzeschutzschild 6 ist dabei die Anode, während das Werkzeug 19 die Kathode darstellt. Von großem Vorteil ist hierbei, dass am Werkzeug 19 kein prozessbedingter Verschleiß stattfindet. Um eine große Anzahl von Kühlgasaustrittsöffnungen 8 gleichzeitig fertigen zu können, sind die Kathoden wiederum in einem Kamm 18 am Werkzeug 19 gehalten.
  • 1
    Turbomaschine
    2
    Laufschaufel
    3
    Leitschaufel
    4
    Strömungsrichtung
    5
    Schaufelträger
    6
    Hitzeschutzschild
    7
    Randbereich
    8
    Kühlgasaustrittsöffnung
    9
    Kühlgaskanal
    10
    Spalt
    11
    Kühlgasaustrittskanal
    12
    Austrittsbereich
    13
    angenommene/nominale Temperaturverteilung
    14
    reale Temperaturverteilung
    15
    Bereich mit erhöhtem Kühlbedarf
    16
    Bereich mit verringertem Kühlbedarf
    17
    Elektrode
    18
    Kamm
    19
    Werkzeug

Claims (10)

  1. Hitzeschutzschild (6) für eine Turbomaschine (1), insbesondere ein statorseitiges Hitzeschutzschild (6) für einen Schaufelträger (5) in einer Gasturbine, – wobei das Hitzeschutzschild (6) an einem Schaufelträger (5) lösbar befestigt ist, – wobei an einem der Strömungsrichtung (4) der Turbomaschine (1) entgegengesetzten oder gleichgerichteten Randbereich (7) des Hitzeschutzschildes (6) zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung (8) mit einem runden Querschnitt vorgesehen ist, die mit einem im Schaufelträger (5) verlaufenden Kühlgaskanal (9) kommunizierend verbunden ist und durch welche beim Betrieb der Turbomaschine (1) Kühlgas austreten kann.
  2. Hitzeschutzschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung eines das Hitzeschutzschild (6) aufweisenden Stators eine Querschnittsfläche der zumindest einen Kühlgasaustrittsöffnung (8) und/oder eine Anzahl an Kühlgasaustrittsöffnungen (8) und/oder ein Abstand zwischen den Kühlgasaustrittsöffnungen (8) in Abhängigkeit eines spezifischen Temperaturprofils (14) eines Heissgaskanals variiert/variieren.
  3. Hitzeschutzschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zumindest einen Kühlgasaustrittsöffnung (8) austretendes Kühlgas in einen Spalt (10) zwischen zwei axial benachbarten Hitzeschutzschilden (6, 6') oder in einen Spalt (10') zwischen dem Hitzeschutzschild (6) und einer axial benachbarten Schaufel (3) strömt.
  4. Hitzeschutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Kühlgasaustrittsöffnungen (8) vorgesehen sind, welche in Umfangsrichtung in einer Reihe angeordnet sind.
  5. Hitzeschutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung (8) parallel zur Strömungsrichtung (4) der Turbomaschine (1) orientiert ist und eine vordefinierte Kühlgasströmung erzeugt.
  6. Hitzeschutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der, die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung (8) aufweisende Randbereich (7) des Hitzeschutzschildes (6) abgerundet ist.
  7. Hitzeschutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu der zumindest einen Kühlgasaustrittsöffnung (8) benachbarter Austrittsbereich (12) bezüglich einer Außenkontur des Hitzeschutzschildes (6) zurückversetzt ist.
  8. Hitzeschutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung (8) ein Kühlgasaustrittskanal (11) anschließt, der im Hitzeschutzschild (6) verläuft und denselben Querschnitt wie die Kühlgasaustrittsöffnung (8) aufweist.
  9. Hitzeschutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kühlgasaustrittsöffnung (8) mittels Funkenerosionsverfahren oder mittels elektrochemischem Verfahren hergestellt ist.
  10. Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem Hitzeschutzschild (6) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.
DE200710000516 2006-11-08 2007-10-17 Hitzeschutzschild für eine Turbomaschine Withdrawn DE102007000516A1 (de)

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