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Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, umfassend eine Schaufelplattform und ein von der Schaufelplattform in einer Längsrichtung vorstehendes Schaufelblatt, das eine Umfangswandung mit einem saugseitigen Wandungsabschnitt sowie einem druckseitigen Wandungsabschnitt aufweist, die über eine anströmseitige Vorderkante und eine abströmseitige Hinterkante des Schaufelblattes miteinander verbunden sind, und im Inneren einen Strömungskanal für ein Kühlfluid definiert, der einen sich in Längsrichtung erstreckenden vorderen Kanalabschnitt und einen sich entlang der Hinterkante erstreckenden hinteren Kanalabschnitt aufweist, zwischen denen sich eine einen Durchlass aufweisende Trennwand erstreckt und die über einen U-förmigen Kanalabschnitt miteinander verbunden sind, wobei der hintere Kanalabschnitt über im Bereich der Hinterkante angeordnete Kühlfluidauslässe mit der Umgebung verbunden ist und eine Vielzahl von sich zwischen dem druckseitigen Wandungsabschnitt und dem saugseitigen Wandungsabschnitt erstreckende Turbulatoren aufweist.
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Gasturbinen weisen gewöhnlich einen Stator und einen drehbar in diesem gelagerten Rotor auf. Der Stator und der Rotor definieren zwischen sich einen ringförmigen Strömungskanal, der während des Betriebs der Gasturbine von einem Heißgas durchströmt wird. Normalerweise ist eine Mehrzahl von Turbinenstufen vorgesehen, die in dem Strömungskanal in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Jede Turbinenstufe umfasst einen an dem Stator gehaltenen Leitschaufelkranz und stromabwärts einen an dem Rotor gehaltenen Laufschaufelkranz. In jeder Stufe wird das durch den Strömungskanal strömende Arbeitsfluid mittels der Leitschaufeln derart auf die Laufschaufeln gelenkt, dass diese den Rotor mit einem möglichst großen Drehmoment um seine Drehachse beaufschlagen. Dadurch wird der Rotor rotierend angetrieben. Abtriebsseitig kann mit dem Rotor beispielsweise ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt sein.
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Der Wirkungsgrad einer Gasturbine nimmt mit zunehmender Temperatur des Arbeitsfluids zu. Deshalb werden möglichst hohe Temperaturen des Arbeitsfluids angestrebt. Entsprechend sind die von dem Arbeitsfluid umströmten Turbinenschaufeln einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, die zu Schäden an den Turbinenschaufeln führen und deren Lebensdauer verkürzen kann. Infolgedessen müssen Turbinenschaufeln häufig ausgetauscht werden, was mit wartungsbedingten Stillstandzeiten der Strömungsmaschine einhergeht. Um die Lebensdauer der Turbinenschaufeln zu erhöhen und die Wartungsintervalle der Strömungsmaschine zu verlängern, werden Turbinenschaufeln an den Außenflächen der Schaufelblätter üblicherweise mit aufwendigen Beschichtungssystemen versehen.
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Eine weitere Verbesserung lässt sich durch Kühlen der Turbinenschaufeln erreichen. Dazu werden diese während des Betriebs der Strömungsmaschine von einem Kühlfluid durchströmt. Zu diesem Zweck definiert das Schaufelblatt im Innern einen Strömungskanal. Gemäß einer bekannten Variante umfasst dieser einen sich in Längsrichtung erstreckenden vorderen Kanalabschnitt und einen sich entlang der Hinterkante erstreckenden hinteren Kanalabschnitt, zwischen denen sich eine einen Durchlass aufweisende Trennwand erstreckt und die über einen U-förmigen Kanalabschnitt miteinander verbunden sind. Der hintere Kanalabschnitt ist über im Bereich der Hinterkante angeordnete Kühlfluidauslässe mit der Umgebung verbunden und weist eine Vielzahl von sich zwischen dem druckseitigen Wandungsabschnitt und dem saugseitigen Wandungsabschnitt erstreckenden Turbulatoren auf. Dieses Design wird auch als ATE-Design bezeichnet. Zur Kühlung wird ein Kühlfluid durch den vorderen Kanalabschnitt über den U-förmigen Kanalabschnitt in den hinteren Kanalabschnitt geleitet, wobei in Teilstrom auch über den Durchlass direkt aus dem vorderen kanalabschnitt in den hinteren Kanalabschnitt gelangt. Im hinteren Kanalabschnitt strömt das Kühlfluid durch die zwischen den Turbulatoren gebildeten Zwischenräume und verlässt die Schaufel durch die Kühlfluidauslässe. Die Turbulatoren vergrößern die Wärmetauschfläche, wodurch eine verbesserte Kühlung des hinteren Schaufelbereichs erreicht wird.
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Allerdings erhöhen die Turbulatoren auch den Strömungswiderstand für das Kühlfluid. Dadurch wird das Kühlfluid vor den Turbulatoren gestaut, was mit einer entsprechenden Absenkung der Strömungsgeschwindigkeit in dem hinteren Kanalabschnitt einhergeht. Insbesondere in dem Endbereich des hinteren Kanalabschnitts kann daher die Strömung des Kühlfluids zum Erliegen kommen. In diesem Fall wird der entsprechende Bereich des Schaufelblatts nicht oder nicht ausreichend gekühlt, wodurch für die Turbinenschaufel das Riskio thermisch bedingter Schäden erhöht ist. Diese Problematik zeigt sich insbesondere bei der Nachrüstung älterer Strömungsmaschinen, die zur Kühlung der Turbinenschaufeln eine geringere Kühlfluidmenge bereitstellen als modernere Strömungsmaschinen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Turbinenschaufel zu schaffen, die auch bei geringer Kühlfluidmenge eine verbesserte Kühlung des Endbereichs des hinteren Kanalabschnitts ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art gelöst, bei der eine durch den Durchlass definierte Durchlassrichtung zum Endbereich des hinteren Kanalabschnitts weist.
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Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, den in der Trennwand ausgebildeten und den vorderen und den hinteren Kanalabschnitt miteinander verbindenden Durchlass derart auszubilden, dass das durch den Durchlass strömende Kühlfluid in Richtung des Endbereichs des hinteren Kanalabschnitts gelenkt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die durch den Durchlass definierte Durchlassrichtung zum Endbereich des hinteren Kanalabschnitts weist.
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Untersuchungen haben ergeben, dass das den Durchlass durchströmende Kühlfluid in dem hinteren Kanalabschnitt eine Querströmung erzeugt, welche die eigentliche Strömung im hinteren Kanalabschnitt behindert. Mit anderen Worten stellt diese Querströmung für das den hinteren Kanalabschnitt ausgehend von dem U-förmigen Kanalabschnitt durchströmende Kühlfluid eine Barriere dar und bewirkt, dass dieses den Endbereich des hinteren Kanalabschnitts nicht erreicht. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Durchlasses wird diese Barrierewirkung des durch den Durchlass strömenden Kühlfluids abgeschwächt und gleichzeitig ein zusätzlicher Kühlfluidstrom in den Endbereich des hinteren Kanalabschnitts bewirkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Trennwand ausgehend von der Schaufelplattform, wobei der Durchlass in einem plattformseitigen Bereich der Trennwand vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ist bei vielen gebräuchlichen Turbinenschaufeln vorzufinden, bei denen der Strömungskanal für das Kühlfluid genau zwei sich in Längsrichtung erstreckende Abschnitte aufweist, nämlich einen vorderen Kanalabschnitt und einen hinteren Kanalabschnitt. Bei solchen Turbinenschaufeln wird das Kühlfluid aus der Schaufelplattform in den vorderen Kanalabschnitt des Strömungskanals eingeleitet, strömt dann radial auswärts und gelangt durch den U-förmigen Kanalabschnitt in den hinteren Kanalabschnitt, in dem es zu der Schaufelplattform zurückströmt. Entsprechend ist der Endbereich des hinteren Kanalabschnitts benachbart zu der Schaufelplattform angeordnet.
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Bei einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich die Trennwand ausgehend von einem der Schaufelplattform gegenüber liegenden Ende des Schaufelblattes und ist der Durchlass in dem entsprechenden endseitigen Bereich der Trennwand vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform definiert die Turbinenschaufel einen Strömungskanal mit drei Abschnitten, nämlich einem vorderen Kanalabschnitt, einem mittleren Kanalabschnitt und einem hinteren Kanalabschnitt. In einer derartigen Turbinenschaufel wird das Kühlfluid von der Schaufelplattform in den vorderen Kanalabschnitt eingeleitet und strömt dann unter zweimaliger Richtungsänderung mäanderförmig in den hinteren Kanalabschnitt. Daraus folgt, dass sich der Endbereich des hinteren Kanalabschnitts gegenüberliegend zu der Schaufelplattform des Schaufelblattes befindet.
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Vorteilhaft liegt ein zwischen der Haupterstreckungsrichtung der Trennwand und der Durchlassrichtung gebildeter Winkel in einem Bereich von 30° bis 60°, vorteilhafter in einem Bereich von 40° bis 50° und beträgt bevorzugt 45°. Durchlässe mit Durchlassrichtungen in dem angegebenen Winkelbereich sind einfach herzustellen und bewirken, dass das hindurchströmende Kühlfluid in Richtung des Endbereichs des hinteren Kanalabschnitts gelenkt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbindung weist der Durchlass einen Durchmesser im Bereich von 30 % bis 90 % einer Dicke der Trennwand auf. Mit anderen Worten ist der Durchmesser des Durchlasses geringer als die Dicke der Trennwand. Dies hat zur Folge, dass der Durchlass eine entsprechende Lenkungswirkung auf das hindurchströmende Kühlfluid ausüben kann.
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Die Turbulatoren können in einer Mehrzahl von Reihen vorgesehen sein, die in einer Vorne-Hinten-Richtung hintereinander angeordnet sind. Vorteilhaft sind 4 bis 16 und bevorzugt 13 Reihen vorgesehen. Gängige ATE-Designs (Advanced Trailing Edge) weisen Reihenanzahlen von Turbulatoren in diesem Bereich auf.
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Bevorzugt sind die Turbulatoren innerhalb einer Reihe äquidistant angeordnet. Zusätzlich können die Abstände benachbarter Turbulatoren innerhalb einer Reihe für alle Reihen identisch sein. Ferner können die Turbulatoren benachbarter Reihen bezogen auf die Längsrichtung des Schaufelblattes versetzt zueinander angeordnet sein. Derartige Turbulatorenanordnungen sind einfach herzustellen und führen zu einer effizienten Kühlung des Hinterkantenbereichs der Turbinenschaufel.
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Vorteilhaft weisen die Turbulatoren längliche Querschnitte auf und sind derart angeordnet, dass sich die Haupterstreckungsrichtung ihrer Querschnitte quer zu einer durch die Kühlfluidauslässe definierten Ausströmrichtung des Kühlfluids erstreckt, insbesondere senkrecht zu der Ausströmrichtung. Turbulatoren mit länglichen Querschnitten ermöglichen eine effektive Wärmeabgabe an das Kühlfluid. Bei einer Anordnung quer zu der Strömungsrichtung des Kühlfluids wird das Kühlfluid gestaut. Die entsprechend verringerte Strömungsgeschwindigkeit erhöht die Wärmeübergangszeit und verbessert so die Kühlwirkung der Tabulatoren.
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Ferner schlägt die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel zum Herstellen oder Reparieren einer Gasturbine vor. Durch ein Verbauen erfindungsgemäßer Turbinenschaufeln in Gasturbinen können die Wartungsintervalle, die wesentlich durch die Lebensdauer der Turbinenschaufeln bestimmt sind, verlängert werden, was zu geringeren Stillstandzeiten der Gasturbine und entsprechend verbesserter Wirtschaftlichkeit führt. Insbesondere können erfindungsgemäße Turbinenschaufeln auch in älteren Gasturbinen verbaut werden, die nur wenig Kühlfluid zur Kühlung der Turbinenschaufeln bereitstellen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist:
- 1 eine Perspektivansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine abgerollte Querschnittansicht der in 1 dargestellten Turbinenschaufel entlang der in 1 mit dem Bezugszeichen II bezeichneten Schnittlinie;
- 3 eine vergrößerte Detailansicht des mit dem Bezugszeichen III bezeichneten Ausschnitts des in 2 dargestellten Ausschnitts; und
- 4 eine vergrößerte Detailansicht des mit dem Bezugszeichen IV bezeichneten Ausschnitts des in 3 dargestellten Ausschnitts.
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Die 1 bis 4 zeigen eine Turbinenschaufel 1 für eine Gasturbine, die als Laufschaufel ausgebildet ist. Die Turbinenschaufel 1 umfasst eine Schaufelplattform 2 und ein Schaufelblatt 3, das von der Schaufelplattform 2 in einer Längsrichtung L vorsteht. Das Schaufelblatt 3 weist eine Umfangswandung 4 mit einem saugseitigen Wandungsabschnitt 5 und einem druckseitigen Wandungsabschnitt 6 auf. Die beiden Wandungsabschnitte 5, 6 sind über eine anströmseitige Vorderkante 7 und eine abströmseitige Hinterkante 8 miteinander verbunden. Im Inneren definiert das Schaufelblatt 3 einen Strömungskanal 9 für ein Kühlfluid.
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Der Strömungskanal 9 weist einen hinteren Kabschnitt 10 auf, der sich in der Längsrichtung L des Schaufelblattes 3 erstreckt. In dem hinteren Kanalabschnitt 10 ist eine Mehrzahl von beabstandet zueinander angeordneten Turbulatoren 11 vorgesehen. Die Turbulatoren 11 erstrecken sich zwischen dem druckseitigen Wandungsabschnitt 6 und dem saugseitigen Wandungsabschnitt 5. Sie sind in 13 in einer Vorne-Hinten-Richtung VH hintereinander vorgesehenen Reihen 12 angeordnet. Die Turbulatoren 11 innerhalb einer Reihe 12 sind äquidistant angeordnet, und die Abstände jeweils benachbarter Turbulatoren 11 einer Reihe 12 sind in allen Reihen 12 identisch. Bezogen auf die Längsrichtung L des Schaufelblattes 3 sind die Turbulatoren 11 benachbarter Reihen 12 versetzt zueinander angeordnet. Der hintere Kanalabschnitt des Strömungskanals 9 ist im Bereich der Hinterkante 8 durch eine Mehrzahl von Kühlfluidauslässen 13, die eine Ausströmrichtung A des Kühlfluids definieren, mit der Umgebung des Schaufelblattes 3 verbunden. Die Turbulatoren 11 weisen längliche Querschnitte auf und sind derart angeordnet, dass sich die Haupterstreckungsrichtungen ihrer Querschnitte im Wesentlichen senkrecht zu der Ausströmrichtung A des Kühlfluids erstrecken.
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Ferner weist der Strömungskanal 9 einen vorderen Kanalabschnitt 14 auf, der sich in der Längsrichtung L erstreckt und in der Vorne-Hinten-Richtung VH vor dem hinteren Kanalabschnitt 10 und benachbart zu diesem angeordnet ist. Der vordere Kanalbschnitt 14 ist mit dem hinteren Kanalabschnitt 10 über einen U-förmigen Kanalabschnitt verbunden. Dadurch werden der vordere Kanalabschnitt 14 und der hintere Kanalabschnitt 10 von dem Kühlfluid nacheinander und gegenläufig durchströmt.
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Der vordere Kanalabschnitt 14 ist von dem hinteren Kanalabschnitt 10 durch eine Trennwand 16 getrennt. Die Trennwand 16 erstreckt sich ausgehend von der Schaufelplattform 2. In dem plattformseitigen Bereich der Trennwand 16 ist ein Durchlass 17 ausgebildet, der die beiden Kanalabschnitte 10, 14 miteinander verbindet, so dass ein Teilstrom des durch den vorderen Kanalabschnitt 14 geleiteten Kühlfluid aus dem vorderen Kanalabschnitt 14 durch den Durchlass 17 in den hinteren Kanalabschnitt 10 strömen kann. Der Durchlass 17 weist einen Durchmesser d auf, der etwa 50 % der Dicke D der Trennwand 16 beträgt. Der Durchlass 17 definiert eine Durchlassrichtung S für das Kühlfluid. Die Durchlassrichtung S ist zu dem Endbereich des hinteren Kanalabschnitts 10 hin geneigt. Ein zwischen der Haupterstreckungsrichtung T der Trennwand 16 und der Durchlassrichtung S gebildeter Winkel α beträgt etwa 45°.
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Die Turbinenschaufel 1 kann beispielsweise in einem Gießverfahren hergestellt werden. Dazu wird zum Freihalten des Strömungskanals 9 ein Gießkern mit einem vorderen Kernabschnitt und einem hinteren Kernabschnitt verwendet, die über einen U-förmigen Verbindungskernabschnitt miteinander verbunden sind. Der vordere und der hintere Kernabschnitt sind im Bereich ihrer Kernabschnittsenden beabstandet zueinander angeordnet. Zur Stabilisierung des Gießkerns wird zwischen dem vorderen und dem hinteren Kernabschnitt im Bereich der Kernabschnittsenden eine Querstrebe (Cross Over) vorgesehen, die dann den Durchlass 17 zwischen dem vorderen Kanalabschnitt 14 und dem hinteren Kanalabschnitt 10 freihält. Die Querstrebe besitzt einen Durchmesser d im Bereich von 30 % bis 90 % des Abstandes zwischen den Kernabschnitten, welcher der Dicke D der gegossenen Trennwand 16 entspricht. Die Querstrebe wird derart zwischen dem vorderen Kernabschnitt und dem hinteren Kernabschnitt angeordnet, dass ihre Haupterstreckungsrichtung zu dem Kernabschnittsende des hinteren Kernabschnitts weist. Dadurch bildet die Haupterstreckungsrichtung der Querstrebe, die der Strömungsrichtung S des gegossenen Durchlasses 17 entspricht, mit der Haupterstreckungsrichtung des zwischen dem vorderen Kernabschnitt und dem hinteren Kernabschnitt vorhandenen Freiraums, die der Haupterstreckungsrichtung T der gegossenen Trennwand 16 entspricht, einen Winkel von etwa 45°.
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Während des Betriebs der Strömungsmaschine wird die Turbinenschaufel 1 von einem Kühlfluid durchströmt. Das Kühlfluid wird aus der Schaufelplattform 2 in den vorderen Kanalabschnitt 14 eingeleitet und strömt radial auswärts durch den vorderen Abschnitt 14 und den U-förmigen Kanalabschnitt 15 in den hinteren Kanalabschnitt 10. Aus dem hinteren Kanalabschnitt 10 strömt das Kühlfluid durch die zwischen den Turbulatoren 11 gebildeten Zwischenräume und verlässt das Schaufelblatt 3 durch die Kühlfluidauslässe 13 nach außen. Ein relativ geringer Teilstrom des Kühlfluids strömt durch den Durchlass 17 aus dem vorderen Kanalabschnitt 14 in den hinteren Kanalabschnitt 10. Durch den Durchlass 17 erhält es eine Durchlassrichtung S derart, dass es in Richtung des Endbereiches des hinteren Kanalabschnitts 10 strömt.
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Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel bietet den Vorteil, dass das den Durchlass 17 durchströmende Kühlfluid die Kühlfluidströmung in dem hinteren Kanalabschnitt 10 nicht wie eine Barriere behindert, so dass es den Endbereich des hinteren Kanalabschnitts nicht von der Versorgung mit Kühlfluid abschneidet. Überdies trägt das durch den Durchlass 17 strömende Kühlfluid selbst aktiv zu der Kühlung des Endbereichs des hinteren Kanalabschnitts 10 bei. Durch die Neigung der Durchlassrichtung S in Richtung der Schaufelplattform 2 werden demnach zwei Wirkungen erzielt, die gleichermaßen die Kühlwirkung in dem Endbereich des hinteren Kanalabschnitts 10 verbessern. Auf diese Weise wird es möglich, ältere Gasturbinen, die während des Betriebs nur geringe Mengen an Kühlfluid bereitstellen, nachträglich mit Turbinenschaufeln auszurüsten, die ein ATE-Design aufweisen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
