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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Hitzeschutzschild für eine Turbomaschine, insbesondere
ein statorseitiges Hitzeschutzschild für einen Schaufelträger in einer
Gasturbine.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Hitzeschutzschilde ergeben
sich aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der
Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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Es
zeigen dabei, jeweils schematisch,
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Turbomaschine mit erfindungsgemäßen Hitzeschutzschilden,
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2 eine
Detailansicht aus 1 im Bereich des Hitzeschutzschildes,
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3a eine
Detailansicht wie in 2, jedoch aus einer anderen
Perspektive,
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3b eine
Schnittdarstellung im Bereich einer Kühlgasaustrittsöffnung,
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4 eine
Temperaturverteilung in der Turbomaschine,
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5 eine
Vorrichtung zum Herstellen der Kühlgasaustrittsöffnungen
mit dem Funkenerosionsverfahren,
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6 eine
Vorrichtung zum Herstellen der Kühlgasaustrittsöffnungen
mit einem elektrochemischen Verfahren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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