DE3789514T2

DE3789514T2 - Gekühlte Gasturbinenschaufel.

Info

Publication number: DE3789514T2
Application number: DE3789514T
Authority: DE
Inventors: Nobuyuki Iizuka; Kazuhiko Kawaike; Tomo Sato; Mitsutaka Narusawa Apt Shizuya; Sadao Umezawa; Katsuo Wada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1987-01-15
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2007-01-16
Also published as: JPS62271902A; EP0230917A3; DE3789514D1; JPH0418121B2; US4786233A; EP0230917A2; EP0230917B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Gasturbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaufel ist aus der JP-A-61-1804 bekannt. Insbesondere bezieht sie sich auf eine intern konvektiv gekühlte Schaufel für eine Gasturbine. Die Kühlung der Vorderkante, insbesondere die Kühlung der inneren Oberfläche der Vorderkante der Turbinenschaufel einer mehrkanaligen, konvektiv gekühlten Gasturbinenschaufel kann verbessert werden.
In einer Gasturbine treibt heißes Verbrennungsgas hoher Temperatur, das in einem Kompressor und einer Verbrennungsvorrichtung erzeugt wird, die Gasturbine. Einhergehend mit der Verbesserung der thermischen Effizienz der Maschine in den letzten Jahren überschreitet die Gastemperatur nun die Hitzewiderstandsgrenze der heißen Turbinenbauteile einschließlich der Turbinenschaufeln.
Um der starken thermischen Spannungen und der Korrosion, die in einer solchen Atmosphäre heißen Gases erzeugt werden, Herr zu werden, und um ausreichende mechanische Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen, sind gleichzeitig Verbesserungen bei wärmewiderstandsfähigen Legierungen und Beschichtungsmaterialien sowie hinsichtlich der Kühltechnologien für die heißen Rauteile der Turbine notwendig.
Insbesondere da die Turbinenschaufeln direkt dem Verbrennungsgas ausgesetzt sind und deshalb sehr gute Kühleigenschaften haben müssen, wurden komplizierte Kühlstrukturen verwendet, bei denen die Turbinenschaufel hohl ausgebildet wurde, um innenliegende Kühlkanäle und Auslaßlöcher nach außen zu bilden, wobei eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise ein vom Kompressor her zugeführtes Fluid in beide Kanäle eingeleitet wurde.
Um die Vorteile hoher thermischer Effizienz durch Erhöhung der Gastemperatur voll ausnützen zu können, muß die Zunahme der gesamten Kühlflußrate, die die obengenannte Effizienz merklich verringert, und insbesondere die Zunahme der Kühlflußmenge in den Turbinenblättern, die einen hohen Prozentsatz des Kühlflusses ausmacht, minimiert werden. Dementsprechend wurden verschiedene Hochleistungs-Gasturbinenschaufeln entwickelt, die mit den Verbesserungen bei den Schaufelherstellungstechniken Schritt hielten.
Eine typische gekühlte Gasturbinenschaufel ist eine aufprallgekühlte Schaufel, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 9623/1981 offenbart ist. Diese aufprallgekühlte Gasturbinenschaufel hat eine Doppelstruktur, die aus einem hohlen Schaufelhauptkörper und einem Einsetzkörper zur Kühlung besteht, wobei letzterer in den Hohlraum des Schaufelhauptkörpers eingesetzt wird. Das dem kühlenden Einsetzkörper zugeführte Kühlfluid fließt durch Düsenöffnungen der Oberfläche und prallt gegen die innere Oberfläche der Turbinenschaufel, wodurch sich eine wirkungsvolle Aufprallkühlung ergibt.
Obwohl diese Aufprallkühlstruktur der Gasturbinenschaufel den Nachteil mit sich bringt, daß der einzusetzende Kühlkörper getrennt vom hohlen Schaufelhauptkörper herzustellen ist, hat sie den Vorteil, daß die Kühlleistung der Turbinenschaufel einfach gemäß äußeren Wärmebelastungsverteilungen eingestellt werden kann, indem die Größe und die Anordnung des Feldes der Düsenöffnungen angepaßt wird, und durchschnittlich weist sie für gekühlte Gasturbinenschaufeln eine hohe Kühlleistung auf.
Eine andere typische gekühlte Gasturbinenschaufel ist eine mehrkanalige, konvektiv gekühlte Schaufel, die beispielsweise im britischen Patent 2 112 467 und im US-Patent Nr. 4 514 144 offenbart ist. In dieser gekühlten Gasturbinenschaufel ist zumindest ein Abschnitt des Kühlkanals in der Turbinenschaufel so festgelegt, daß er seinen Ausgangspunkt an der Wurzel der Schaufel nimmt und sich in Richtung der Schaufelhöhe erstreckt und auch wieder zurückkehrt. Das Kühlfluid fließt längs der inneren Oberfläche jeder Schaufelwand, auf denen Vorsprünge und zapfenartige Finnen zur Erhöhung des Wärmeaustauschs angebracht sind, und bewirkt erhöhte erzwungene konvektive Kühlung.
Hinsichtlich der Schaufelherstellungstechnik hat diese mehrkanalige konvektiv gekühlte Struktur einer Gasturbinenschaufel den Vorteil, daß der Schaufelhauptkörper und die meisten Teile der Kühlkanäle gemeinsam durch Genauguß hergestellt werden können, es weist jedoch den Nachteil auf, daß die Einstellbarkeit der Kühlleistung gemäß der durchschnittlichen Kühlleistung und äußerer Wärmebelastung niedriger als bei der aufprallgekühlten Schaufel ist.
Durch erhöhten Einsatz der Wärmeübergangs-Förderungselemente bzw. Rippen und durch Verkleinern der Kühlkanäle wurden technische Verbesserungen einschließlich neuer Schaufelherstellungsverfahren angewendet, um die Kühlleistung für die gekühlten Gasturbinenschaufeln zu erhöhen.
Eine weitere Kühlstruktur für Gasturbinenschaufeln ist eine Schichtkühlungsstruktur, bei der ein Kühlfluid auf die Schaufeloberfläche aufgebracht wird, um die Gastemperatur an der äußeren Oberfläche der Schaufel zu vermindern. Diese Schichtkühlungsstruktur von Gasturbinenschaufeln kann jedoch nur im Feld von Flugzeugmotoren o.a. eingesetzt werden, da diese Öl hoher Qualität verwenden, das keine Verstopfungen der Düsenöffnungen bewirkt, es wird deshalb gemeinsam mit der weiter oben beschriebenen Kühlstruktur angewendet.
Da sich die nachfolgende Beschreibung hauptsächlich auf Kühlstrukturen für Turbinenbeschaufelungen bezieht, die mit Öl niedriger Qualität betrieben werden können, werden nur die aufprallgekühlte Schaufel und die durch mehrere Kühlkanäle konvektiv gekühlte Gasturbinenschaufel ohne die gleichzeitige Verwendung von Schichtkühlstrukturen untersucht.
Entsprechend den jüngsten aerodynamischen Entwürfen von Turbinenschaufeln wurde zur Erhöhung der aerodynamischen Leistung die äußere Form der Schaufeln auf eine geringere Schaufeldicke als bei herkömmlichen Turbinenschaufeln gesetzt, wobei die Vorderkante der Schaufel die äußere Form angenähert an eine Ellipse hat, wohingegen die hintere Kante so dünn wir möglich gemacht wird. Für die sich bewegende Schaufel wird das aerodynamische Design eines jeden Abschnitts entsprechend den Unterschieden der Flußbedingungen auf der Grundlage der Unterschiede der Umlaufgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Schaufelhöhe gemacht, so daß üblicherweise eine Gasturbinenschaufel eine in Richtung der Schaufelhöhe verdrehte äußere Form hat.
Wenn die Kühlung für eine sich bewegende Schaufel mit einer äußeren Schaufelform mit ausgezeichneten aerodynamischen Leistungen entworfen wird, wird insbesondere die Kühlung der Vorderkante der Schaufel schwierig, wenn die Schaufelkühlungsstruktur unter der Randbedingung bestimmt werden muß, daß im Hinblick auf ausreichende Stärke und Zuverlässigkeit die Schaufelwanddicke ausreichend ist.
Grundsätzlich entspringt dies der Tatsache, daß aufgrund des vergleichsweise kleinen Krümmungsradius der äußeren Oberfläche der Vorderkante der Schaufel die äußere Wärmebelastung zunimmt und das Verhältnis der Wärmeübergangsflächen zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche der Vorderkante der Schaufel klein wird. Außerdem leidet jede gekühlte Schaufel unter dem folgenden nachteiligen Effekt.
Für aufprallgekühlte Gasturbinenschaufeln ist es sehr schwer, den einzusetzenden Kühlungskörper so zu entwerfen und zu gießen, daß er entsprechend der äußeren Schaufelform leicht verdreht ist. Selbst aber wenn unter Inkaufnahme gewisser aerodynamischer Nachteile die äußere Form der Schaufel geändert wird, um den einzusetzenden Kühlkörper einsetzbar zu machen, wird der Abstand zwischen der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand der Schaufel und den Düsenöffnungen der Vorderfläche des einzusetzenden Kühlungskörpers zu groß, was aufgrund von Diffusion des Düsenstrahls zu einer Verringerung der Aufprallkühlleistung führt.
Im Hinblick auf aerodynamische Leistung, Kühlleistung und Möglichkeiten der Schaufelherstellung haben somit aufprallgekühlte Schaufeln sowohl Vorteile als auch Nachteile, und die nachfolgend beschriebenen konvektiv gekühlten Schaufeln mit mehreren Kanälen für Gasturbinen haben praktisch allgemeinere Anwendung gefunden.
In der mehrkanaligen konvektiv gekühlten Schaufel für Gasturbinen sind die Einschränkungen für den aerodynamischen Entwurf bzw. hinsichtlich der Schaufelherstellung nicht so stark, es tritt jedoch das folgende Problem hinsichtlich des Kühlungsentwurfs auf. Innerhalb des Kühlkanals in der Vorderkante, der einen in etwa dreieckigen Querschnitt hat, verringert sich die innere Oberflächenfläche der Vorderkante der Schaufel entsprechend dem Scheitel eines spitzen Winkels, die Verteilung des Kühlfluids auf die innere Oberfläche der Vorderkante verschlechtert sich und die wirksame Flußgeschwindigkeit ist vergleichsweise gering. Somit kann die konvektive Kühlleistung einer mehrkanaligen, konvektiv gekühlten Schaufel für eine Gasturbine nicht verbessert werden, selbst wenn Rippen zur Erhöhung des Wärmeaustauschs vorgesehen werden.
Für herkömmliche mehrkanälige, konvektiv gekühlte Schaufeln für Gasturbinen, wie sie soeben beschrieben wurden, wurde außerdem ein Verfahren zur Verbesserung der konvektiven Kühlung mittels Rippen zur Erhöhung des Wärmeaustauschs vorgeschlagen. Im britischen Patent 2 112 467 werden Rippen zur Förderung des Wärmeaustauschs an der Rückseitenwand und der Körperseitenwand zur inneren Oberfläche der Vorderkantenwand hin schräg in bezug auf den Fluß angebracht, wodurch durch Verursachung von Kanalisierung die Kühlung der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand erhöht wird. Im US- Patent 4 514 144 werden zwischen den Rippen zur Erhöhung des Wärmeaustauschs, die schräg zum Fluß angebracht sind, Abstände definiert, um den Wärmeaustausch zu erhöhen und den Widerstand für das Fluid zu verringern.
Das Kühlungsverbesserungsverfahren für Turbinenschaufeln mit diesen Rippen zur Erhöhung des Wärmeaustauschs verursacht jedoch hauptsächlich Kanalisierung und die Vermehrung von Turbulenzen an der Grenzschicht des Kühlfluids in der Nähe der inneren Oberfläche des Kühlfluids und erhöht den Wärmeübergang und seine Leistung, die Leistung ist aber insbesondere dann begrenzt, wenn dies auf die Erhöhung der Kühlung der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand begrenzt wird.
Somit muß bei mehrkanäligen, konvektiv gekühlten Schaufeln für Gasturbinen, die weniger Regrenzungen hinsichtlich des aerodynamischen Entwurfs und der Schaufelherstellung haben und die in ihrer Gesamtheit sehr gut sind, besonders der Kühlkanal der Vorderkante verbessert werden, um in Zukunft die Kühlleistung weiter verbessern zu können, insbesondere die Kühlleistung der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand der Turbinenschaufel.
Die japanische Patentanmeldung 61-1804 offenbart einen Turbinenflügel, der durch umlaufende Luft gekühlt wird. Hierzu sind in den Kühlluftkanälen Führungsplatten angeordnet, die Kühlluft auf die Vorderfläche des Kühlluftkanals des Vorderkantenteils eines Flügels leiten. Der Kühlluftkanal wird gebildet, indem eine Trennwand im vorderen Kantenteil eines hohlen Flügels angeordnet wird. Die Kühlluft, die von der Einlaßleitung her in den Kühlluftkanal gelangte, wird durch die Führungsplatten so geführt, daß sie auf die vordere innere Oberfläche fließt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gekühlte Gasturbinenschaufel anzugeben, bei der die Kühlleistung des Kühlkanals der Vorderkante der mehrkanaligen, konvektiv gekühlten Schaufel bzw. an ihrer inneren Oberfläche erhöht werden kann, und wobei die Kanalisierung und Turbulenzen des Hauptstroms des Kühlfluids auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand konzentriert werden können, so daß die Kühlleistung für diese Bereich merklich verbessert ist.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Innerhalb des Kühlkanals sind an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand als an der Vorderkantenwand liegen, mehrere sich erstreckende Bauteile in der Weise angeordnet, daß sie dem Fluß eines Kühlfluids ausgesetzt sind und sich zumindest entweder von der Rückseitenwand oder der Körperseitenwand her erstrecken.
Die durchstoßenden Bauteile oder die hervorstehenden Bauteile, die die oben genannten sich erstreckenden Bauteile bilden und die in den Kühlkanal der Vorderkante hervorstehen bzw. ihn durchstoßen, stören den Hauptstrom des Kühlfluids in der Nähe der ersten inneren Trennwand sowohl in Richtung der Vorderkantenwand und der ersten inneren Trennwand und rufen eine Uneinheitlichkeit des Hauptstroms bzw. seine Kanalisierung hervor. Die Kanalisierung hin zur ersten inneren Trennwand ist nicht sehr stark, da die durchstoßenden Bauteile oder die hervorstehenden Bauteile eng beabstandet angeordnet sind.
Die hervorstehenden Bauteile sind innerhalb des Kühlkanals an Positionen angeordnet, die näher an der ersten inneren Trennwand liegen als an der Vorderkantenwand derart, daß sie dem Fluß des Kühlfluids ausgesetzt sind und daß sie von der Körperseitenwand hervorstehen und mit ihrem einen Ende an der Körperseitenwand befestigt sind. Die hervorstehenden Bauteile stehen von der Rückseitenwand hervor und haben eines ihrer Enden an der Rückseitenwand befestigt.
Die hervorstehenden Bauteile können auch sowohl von der Rückseitenwand als auch von der Körperseitenwand her hervorstehen und mit ihrem einen Ende jeweils an der Rückseitenwand bzw. der Körperseitenwand befestigt sein.
Die durchstoßenden Bauteile oder die hervorstehenden Bauteile haben eine im Querschnitt kreisförmige, zylindrische Form und eine im Querschnitt elliptische zylindrische Form oder eine ähnliche Form. Die durchstoßenden Bauteile oder die hervorstehenden Bauteile haben eine elliptische oder eine ähnliche Form oder eine im Querschnitt schaufelartige, zylindrische Form und sind schräg in der Art angeordnet, daß sie den Fluß des Kühlfluids auf die Vorderkantenwand leiten.
Die transversale Querschnittsfläche der durchstoßenden Bauteile liegt zwischen 20% und 50% der transversalen Querschnittsfläche des Kühlkanals, und die transversale Querschnittsfläche des Kühlkanals zur ersten inneren Trennwand hin kann bis zu 20% betragen. Die Länge der hervorstehenden Bauteile beträgt zumindest 50% des Abstands zur gegenüberliegenden Fläche hin.
Gemäß dieser Struktur kann der Hauptstrom des Kühlfluids, der im Stand der Technik lediglich hindurchfließt und nicht zur Kühlung der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand der Schaufel beiträgt, voll ausgenutzt werden, so daß der Einstellspielraum für die konvektive Kühlleistung entsprechend äußeren Wärmebelastungen einer jeden Wand der Schaufel größer wird, und es kann die Kühlleistung des Kühlkanals in der Vorderkante der von ihnen konvektiv gekühlten Schaufel insgesamt verbessert werden.
Da jedoch der Querschnitt des Kühlkanals in der Vorderkante einem Dreieck ähnelt, dessen Scheitel an der Vorderkantenwand liegt und dessen drei Seiten der Rückseitenwand, der Körperseitenwand und der ersten inneren Trennwand entsprechen, trifft die Kanalisierung auf die Vorderkantenwand hin auf die Grenzschicht in der Nähe der inneren Oberfläche der Rückseitenwand und der Körperseitenwand und wird dort beschleunigt, während sie in der Nähe der Vorderkantenwand fließt, wobei die Turbulenzen nicht stark verringert werden.
Dementsprechend konzentrieren sich die Kanalisierung und die Turbulenzen des Hauptstroms des Kühlfluids des Kühlkanals in der Vorderkante der mehrkanaligen, konvektiv gekühlten Schaufel einer Gasturbine, die durch die durchstoßenden oder hervorstehenden Bauteile verursacht werden, auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand, und die konvektive Kühlleistung für diesen Bereich wird effektiv erhöht.
Genauso wird die konvektive Kühlleistung für jede andere Wand als die Vorderkantenwand des Vorderkantenkühlkanals der mehrkanaligen, konvektiv gekühlten Schaufel für die Gasturbine durch die Kanalisierung und die Turbulenzen verbessert, wenngleich nicht so stark wie an der Vorderkantenwand. Somit kann entsprechend einer äußeren Wärmebelastung einer jeden Wand die Kühlleistung auf eine geeignete Kühlleistungsverteilung eingestellt werden, und die Kühlleistung des Vorderkantenkühlkanals kann insgesamt verbessert werden.
Erfindungsgemäß sind mehrere Ausrichtungsrippen an Zwischenpositionen zwischen benachbarten, durchstoßenden oder hervorstehenden Bauteilen auf einer Oberfläche der ersten inneren Trennwand angebracht und erstrecken sich von der Seitenwand her.
Die Ausrichtungsrippen sind auf der Oberfläche der ersten inneren Trennwand entsprechend den Zwischenpositionen von benachbarten zylindrischen durchstoßenden Bauteilen oder benachbarten säulenartigen hervorstehenden Bauteilen angebracht und verringern die Kanalisierung des Hauptstroms aufgrund der durchstoßenden Bauteile oder der hervorstehenden Bauteile auf die erste innere Trennwand zu. Dadurch nimmt die Kanalisierung des Hauptstroms des Kühlfluids in Richtung auf die Vorderkantenwand hin zu, was die konvektive Kühlleistung der inneren Oberfläche der Führungskantenwand verbessern kann und wodurch die Erhöhung der Wärmeübergangs an der ersten inneren Trennwand begrenzt wird.
Das Ausmaß der Kanalisierung und der Turbulenzen, die sich auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand konzentrieren, sowie die Kühlleistung an ihrer inneren Oberfläche hängen von den durchstoßenden oder hervorstehenden Bauteilen und der Form des Kanals, beispielsweise seiner Querschnittsform, ab, werden dies geeignet gewählt, können sie eine stärkere Kanalisierung und stärkere Turbulenzen hervorrufen als diejenigen durch die Grenzschicht bei herkömmlichen Rippen zur Erhöhung des Wärmeübergangs. Wird dies gemeinsam mit herkömmlichen Rippen zur Erhöhung des Wärmeübergangs verwendet, ergibt sich eine noch weiter erhöhte Kühlleistung.
Erfindungsgemäß kann somit die Kühlleistung des Vorderkantenkühlkanals der mehrkanaligen konvektiv gekühlten Schaufel für die Gasturbine erhöht werden und insbesondere kann die Kühlleistung an der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand effektiv verbessert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine teilweise perspektivische Ansicht, die schematisch den Vorderkantenkühlkanal zeigt;
Fig. 4 ist ein teilweiser Schnitt längs der Ebene IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 ist ein teilweiser Schnitt längs der Ebene V-V in Fig. 3;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die äußere Wärmebelastungsverteilung einer Schaufeloberfläche zeigt;
Fig. 7 ist ein teilweiser Querschnitt des Vorderkantenkühlkanals einer gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 8 ist ein teilweiser Querschnitt des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 9 ist ein teilweiser Querschnitt des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 10 ist ein teilweiser Querschnitt des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 11 ist ein teilweiser Querschnitt des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 12 ist ein teilweiser Querschnitt längs der Linie XII-XII aus Fig. 11;
Fig. 13 ist ein Längsschnitt einer gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer siebten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 14A ist ein Diagramm, das die Verteilung der Gastemperatur an der äußeren Oberfläche der Vorderkantenwand längs des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Gasturbinenschaufel zeigt;
Fig. 14B ist ein Diagramm, das die Verteilung des Verhältnisses des Wärmeübergangs an der inneren Oberfläche an der Vorderkantenwand längs des Vorderkantenkühlkanals der gekühlte Gasturbinenschaufel zeigt;
Fig. 14C ist ein Diagramm, das die Verteilung der Metalltemperatur an der äußeren Oberfläche an der Vorderkantenwand längs des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Gasturbinenschaufel zeigt; und
Fig. 15 ist ein Diagramm, das die Nusselt-Zahl jeder Oberfläche des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Gasturbinenschaufel mit und ohne zylindrischen, durchstoßenen Bauteilen als Funktion der Reynolds-Zahl zeigt, wie sie sich bei Wärmeübergangstest an einem Modell ergaben.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen werden nachfolgend bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Ausführungsform 1

Die Fig. 1 und 2 sind ein Längsschnitt einer mehrkanaligen konvektiv gekühlten Schaufel einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung sowie ein Querschnitt längs der Linie II-II aus Fig. 1.
Die gekühlte Schaufel der Gasturbine besteht aus einer einheitlichen Struktur eines Schaftbereichs 1 und eines Schaufelbereichs 2, die einstückig miteinander in Richtung der Schaufelhöhe verbunden sind, und in ihnen ist eine Struktur eines Kühlkanals definiert. In eine Schaufelwurzel 6 des Schaufelbereichs 2 wird durch eine Einlaßöffnung 4 an der Wurzel des Schaftbereichs 1 und durch einen Einleitkanal 5, der das Innere der einheitlichen Struktur durchdringt, Kühlfluid 3 eingeleitet.
Der Kühlkanal innerhalb des Schaufelbereichs 2 besteht aus einem Vorderkantenkühlkanal 8, einem ersten Umlenkkanal 10, einem mittleren Kühlkanal 11, einem zweiten Umlenkkanal 12, einem hinteren Kühlkanal 13 und einem Hinterkantenkühlkanal 15.
Somit besteht der Kühlkanal aus dem Vorderkantenkühlkanal 8, der sich in Richtung der Schaufelhöhe in der vorderen Hälfte der Schaufel entsprechend dem Inneren der Schaufelvorderkante 7 nach oben erstreckt, dem ersten Umlenkkanal 10, der in der Schaufelspitze 9 liegt, dem mittleren Kühlkanal 11, der sich im mittleren Bereich der Schaufel in Richtung der Schaufelhöhe nach unten erstreckt, dem zweiten Umlenkkanal 12, der in der Schaufelwurzel im Zentrum der Schaufel liegt, dem hinteren Kühlkanal 13, der sich in Richtung der Schaufelhöhe in der hinteren Hälfte der Schaufel in Richtung der Blatthöhe nach oben erstreckt, und dem Hinterkantenkühlkanal 15, der fortlaufend vom mittleren Teil des hinteren Kühlkanals 13 abzweigt und mit der Schaufelhinterkante 14 in Verbindung steht.
Diese Kanäle 8, 10, 11, 12, 13 und 15 sind in der aufgezählten Reihenfolge miteinander verbunden. Das Kühlfluid 3 fließt durch die Kanäle 8, 10, 11, 12, 13 und 15, ruft Konvektion und Kühlung hervor und wird schließlich aus der Schaufelhinterkante 14 abgelassen.
Der Vorderkantenkühlkanal 8 wird durch eine Vorderkantenwand 16, eine Rückseitenwand 17, einer Körperseitenwand 18 und eine erste innere Trennwand 19, die sich vom Schaftbereich 1 aus in Richtung der Schaufelhöhe nach oben erstreckt, gebildet. Auf der Vorderkantenwand 16 und den inneren Oberflächen in der Nähe der Vorderkantenwand 16 sind mehrere Rippen 20 zur Erhöhung des Wärmeaustauschs ausgebildet. In der Nähe der ersten inneren Trennwand 19 sind mehrere zylindrische durchstoßende Bauteile 21 mit gleichförmiger Querschnittsfläche so ausgebildet, daß ihre beiden Enden in die Rückseitenwand 17 bzw. die Körperseitenwand 18 integriert sind und daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind. Die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 21 sind im Vorderkantenkühlkanal 8 an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand 19 als an der Vorderkantenwand 16 liegen, derart angebracht, daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind. Die Rippen 20 zur Erhöhung des Wärmeaustauschs und die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 21 bewirken Turbulenzen sowie eine Kanalisierung des Kühlfluids 3 und erhöhen den Wärmeaustausch.
Die innere Begrenzung des ersten Umlenkkanals 10 wird durch die Spitze der ersten inneren Trennwand 19 gebildet, während seine äußere Begrenzung durch die Schaufelspitzenwand 22 gebildet wird. Eine Umlenkwand 23 zur Ausrichtung ist innerhalb des ersten Umlenkkanals 10 angebracht. Der mittlere Kühlkanal 11 wird durch die erste innere Trennwand 19, die Rückseitenwand 17 und die Körperseitenwand 18 sowie eine zweite innere Trennwand 24, die sich in Richtung der Schaufelhöhe von der Schaufelspitzenwand 22 aus nach unten erstreckt, gebildet. Auf der inneren Oberfläche der Rückseitenwand 17 und der Körperseitenwand 18 sind mehrere Rippen 25 zur Erhöhung des Wärmeaustauschs angeordnet. Die innere Begrenzung des zweiten Umlenkkanals 12 wird durch die Spitze der zweiten inneren Trennwand 24 gebildet, seine äußere Grenze durch die Wurzelwand 26 der ersten inneren Trennwand 19.
Der hintere Kühlkanal 13 wird durch die zweite innere Trennwand 24 und die Rückseitenwand 17 sowie die Körperseitenwand 18 gebildet, eines seiner Enden steht mit dem Hinterkantenkühlkanal 15 in Verbindung. Auf der inneren Oberfläche der Rückseitenwand 17 und der Körperseitenwand 18 sind mehrere Rippen 27 zur Erhöhung des Wärmeaustauschs angeordnet. Der Hinterkantenkühlkanal 15 wird durch die Rückseitenwand 17 und die Körperseitenwand 18 gebildet, wobei mehrere zapfenartige Flügel 28, die die Rückseitenwand 17 und die Körperseitenwand 18 miteinander verbinden, in den Hinterkantenkühlkanal 15 ragen. Ein Verstärkungskanal 29 durchdringt die hintere Hälfte des Schaftbereichs 1 und steht mit dem zweiten Umlenkkanal 12 in Verbindung. Dies entspricht dem Verstärkungsteil eines keramischen Kerns, wenn die Schaufel in Genauguß hergestellt wird. Sein Wurzelbereich ist verschlossen und wird nicht für die Einleitung von Kühlfluid 3 verwendet.
In den Fig. 3 bis 5 ist der Vorderkantenkühlkanal 8 genau dargestellt. Fig. 3 ist eine teilweise perspektivische Ansicht, Fig. 4 und 5 sind teilweise Querschnitte längs der Ebene IV-IV und längs der Ebene V-V aus Fig. 3. Zur Vereinfachung der Darstellung zeigt Fig. 3 nur die Umrißlinie der inneren Oberfläche einer jeden Wand, die Rippen 20 zur Erhöhung des Wärmeaustauschs sind weggelassen. Der Effekt, den die in der Nähe der ersten inneren Trennwand 19 hervorstehenden zylindrischen durchstoßenden Bauteile 21 hervorrufen, führt aufgrund der Konzentrierung der Kanalisierung sowie der Turbulenzen auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand 16 in der nachfolgend beschriebenen Weise zu einer Erhöhung der konvektiven Kühlleistung des Hauptstroms 3a des kühlenden Fluids 3.
In dem Schnittbild des Vorderkantenkühlkanals 8, in dem das in der Ebene IV-IV gezeigte zylindrische durchstoßende Bauteil 21 liegt, wird der Hauptstrom 3a des Kühlfluids 3 durch das zylindrische durchstoßende Bauteil 21 auf beide Seiten geleitet. Da die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 21 und die erste innere Trennwand 19 nahe beieinanderliegen, ergibt sich eine starke Kanalisierung in einer Richtung von der ersten inneren Trennwand 19 auf die Vorderkantenwand 16 hin.
Wenn die Kanalisierung dieses Flusses auf die Vorderkantenwand 16 hin bezüglich der Mittenachse der zylindrischen durchstoßenden Bauteile 21 mit der Rückseitenwand 17 einen spitzen Winkel und mit der Körperseitenwand 18 einen stumpfen Winkel einschließt, wie in Fig. 4 gezeigt, bildet die Kanalisierung auf der Rückseite innerhalb der Grenzschicht eine Kanalisierung 3b an und längs der inneren Oberfläche der Rückseitenwand 17 auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand 16 zu.
Eine Kanalisierung 3c auf der Körperseite innerhalb der Grenzschicht von und längs der inneren Oberfläche der Körperseitenwand 18, die von der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16 ausgeht, und die Kanalisierung 3b auf der Rückseite werden verstärkt und fließen in die innere Oberfläche der Vorderkantenwand 16, die eine mit Einbuchtungen versehene Oberfläche ist.
Im Querschnitt der Ebene V-V im Zwischenstück zwischen benachbarten zylindrischen durchstoßenden Bauteilen 21 erfolgt andererseits die Kanalisierung entgegengesetzt zur oben beschriebenen Richtung und ist aufgrund des Hauptstroms 3a des Kühlfluids 3 klein. Da sich zwischen den zylindrischen durchstoßenden Bauteilen 21 ein Nachstromgebiet geringer Geschwindigkeit ausbildet, wird die Kanalisierung in die entgegengesetzte Richtung klein.
Demgemäß kann die Kanalisierung 3b hoher Geschwindigkeit auf der Rückseite längs der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16 die Richtung nicht ändern, spült die Kanalisierung 3c längs der in der Nähe befindlichen Körperseite und verursacht in diesem Bereich starke Turbulenzen. Da die Kanalisierung und die Turbulenzen auf diese Weise auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand 16 konzentriert sind, kann eine starke Erhöhung der Wärmeaustauschleistung beobachtet werden. Betrachtet man den Kanal insgesamt, werden auch die Turbulenzen an den anderen inneren Oberflächen der Wände erhöht, so daß sich auch hier eine Erhöhung der Wärmetauschleistung ergibt, sie ist jedoch nicht so groß wie die Erhöhung der Wärmetauschleistung an der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16.
Fig. 6 zeigt die Verteilung der externen Wärmebelastung an der Schaufeloberfläche der Turbinenschaufel (wobei die Belastung als Produkt eines Wärmeübergangsverhältnisses auf der Gasseite und der Differenz zwischen der Gastemperatur an der äußeren Oberfläche und der Metalltemperatur an der äußeren Oberfläche ausgedrückt wird). Man erkennt, daß die externe Wärmebelastung an der Schaufelvorderkante 7 da am größten ist, wo der Stagnationspunkt des hochtemperaturigen Gasstroms 30 ist, dann auf der Rückseite 31 und auf der Körperseite 32 in dieser Reihenfolge.
Von den Wänden, die den Vorderkantenkühlkanal 8 bilden, hat die Vorderkantenwand 16 den kleinsten Krümmungsradius und die Schaufelwanddicke muß über dem aus Festigkeit und Zuverlässigkeit hergeleiteten Minimalwert liegen. Deshalb wird das Verhältnis der inneren und der äußeren Wärmeaustauschflächen das kleinste.
Der obigen Beschreibung kann man entnehmen, daß die an den jeweiligen inneren Oberflächen des Vorderkantenkühlkanals 8 benötigte Kühlleistung besonders groß an der Vorderkantenwand 16 ist, gefolgt von der Rückseitenwand 17, der Körperseitenwand 18 und der ersten inneren Trennwand 19. Bezüglich der ersten inneren Trennwand 19 ist die Einstellung notwendig, damit keine Überwärmung auftritt und die thermischen Spannungen nicht zu groß werden.
Der Beschreibung der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann entnommen werden, daß die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt werden können, wenn die vorliegende Erfindung als Verfahren zur Erhöhung des Wärmeübergangs verwendet wird.
Gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es demnach möglich, einen Kühlkanalaufbau zu erhalten, der die Kühlleistung des Vorderkantenkühlkanals 8 der mehrkanaligen konvektiv gekühlten Schaufel einer Gasturbine erhöht und der insbesondere eine wirksame Kühlung der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16 zu leisten vermag.

Ausführungsform 2

Fig. 7 ist ein teilweiser Querschnitt des Vorderkantenkühlkanals der gekühlten Schaufel einer Gasturbine, wobei die Schaufel mit säulenartigen, hervorstehenden Bauteilen 33 entsprechend einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform versehen ist.
In der zweiten, in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind die säulenartigen, hervorstehenden Bauteile 33 mit gleichförmiger elliptischer Querschnittsform an der Körperseitenwand 18 befestigt und stehen in Richtung auf die Rückseitenwand 17 hervor. Innerhalb des Vorderkantenkühlkanals sind die säulenartigen, hervorstehenden Bauteile 33 an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand 19 als an-der Vorderkantenwand 16 liegen, in der Weise angebracht, daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind.
Da die säulenartigen, hervorstehenden Bauteile 33 nicht die zylindrischen, durchstoßenden Bauteile 21 der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind, die die Rückseitenwand 17 mit der Körperseitenwand 18 verbinden, ergibt sich eine etwas andere Größe und Richtung der Kanalisierung des Hauptstroms 3a des Kühlfluids im Vergleich zu derjenigen der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die Leistungserhöhung der konvektiven Kühlleistung aufgrund der Konzentration der Kanalisierung und der Turbulenzen auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand 16 ist jedoch die gleiche.

Ausführungsform 3

Fig. 8 ist ein teilweiser Querschnitt des Vorderkantenkühlkanals einer gekühlten Gasturbinenschaufel, die gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit zwei säulenartigen, hervorstehenden Bauteilen 34A und 34B versehen sind.
In der in Fig. 8 gezeigten dritten Ausführungsform steht ein säulenartiges, hervorstehendes Bauteil 34A mit gleichförmiger elliptischer Querschnittsform von der Körperseitenwand 18 hervor bis nahe zur gegenüberliegenden Oberfläche der Rückseitenwand 17, und ein anderes säulenförmiges, hervorstehendes Bauteil 34B mit gleichförmiger elliptischer Querschnittsfläche steht von der Rückseitenwand 17 bis nahe zur gegenüberliegenden Oberfläche der Körperseitenwand 18 hervor. Innerhalb des Vorderkantenkühlkanals 8 sind die säulenartigen, hervorstehenden Bauteile 34A an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand 19 als an der Vorderkantenwand 16 liegen, derart angebracht, daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind.
Da diese säulenartigen hervorstehenden Bauteile 34A und 34B nicht die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 21 der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind, die die Rückseitenwand 17 und die Körperseitenwand 18 miteinander verbinden, wird die Größe und die Richtung der Kanalisierung des Hauptstroms 3a des Kühlfluids 3 ein wenig von denjenigen der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform abweichen, die Leistungserhöhung der konvektiven Kühlleistung aufgrund der Konzentration der Kanalisierung und der Turbulenzen auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand 16 ist jedoch die gleiche.

Ausführungsform 4

Fig. 9 zeigt eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform, sie ist ein teilweiser Längsschnitt des Vorderkantenkühlkanals 8 der gekühlten Gasturbinenschaufel.
In Fig. 9 sind mehrere zylindrische durchstoßende Bauteile 35 mit einheitlich kreisförmiger Querschnittsform durchstoßend angebracht dargestellt. Innerhalb des Vorderkantenkühlkanals 8 sind die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 35 an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand 19 als an der Vorderkantenwand 16 liegen, derart angebracht, daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind.
Auf der Oberfläche der ersten inneren Trennwand 19 sind mehrere Ausrichtrippen 36 ausgebildet, diese Ausrichtrippen 36 sind auf der Oberfläche der ersten inneren Trennwand 19 entsprechend den Zwischenräumen zwischen benachbarten zylindrischen durchstoßenden Bauteilen 35 angebracht und verringern die Kanalisierung des Hauptstroms 3a des Kühlfluids 3 aufgrund der zylindrischen durchstoßenden Bauteile 35 in Richtung auf die erste innere Trennwand 19 zu.
Dadurch nimmt die Kanalisierung des Hauptstroms 3a des Kühlfluids 3 in Richtung auf die Vorderkantenwand 16 hin zu, was die konvektive Kühlleistung an der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16 erhöhen kann, und die Erhöhung des Wärmeübergangs an der ersten inneren Trennwand 19 ist begrenzt. Außerdem kann eine Überkühlung der ersten inneren Trennwand 19, die eine geringere Wärmebelastung als die anderen Schaufelwandungen erfährt, vermieden werden.

Ausführungsform 5

Fig. 10 zeigt eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform, sie ist ein teilweiser Längsschnitt des Vorderkantenkühlkanals 8, in dem die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 35 eine schaufelartige Querschnittsform haben. Die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 37 sind innerhalb des Vorderkantenkühlkanals 8 an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand 19 als an der Vorderkantenwand 16 liegen, derart angebracht, daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind.
In der in Fig. 10 dargestellten fünften Ausführungsform ist jedes zylindrische durchstoßende Bauteil 37 mit schaufelartiger Querschnittsform schräg in der Weise angeordnet, daß dies den Hauptstrom 3a des Kühlfluids 3 in Richtung auf die Vorderkantenwand 16 zuleitet, so daß die Kanalisierung des Hauptstroms 3a des Kühlfluids 3 in Richtung Vorderkantenwand 16 stärker ist als in Richtung der ersten inneren Trennwand 19.
Somit ist genauso wie bei der vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform die konvektive Kühlleistung an der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16 erhöht und eine Überkühlung der ersten inneren Trennwand 19 kann verhindert werden.

Ausführungsform 6

Fig. 11 und 12 zeigen eine sechste erfindungsgemäße Ausführungsform. Fig. 11 ist ein teilweiser Längsschnitt des Vorderkantenkühlkanals 8, bei dem die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 38 eine elliptische Querschnittsform veränderlicher Größe haben. Fig. 12 ist ein teilweiser Querschnitt längs der Linie XII-XII aus Fig. 11. Der Vorderkantenkühlkanal 8 der gekühlten Gasturbinenschaufel hat zylindrische durchstoßende Bauteile 38 mit schaufelartiger Querschnittsform und Querschnitten veränderlicher Größe. Innerhalb des Vorderkantenkühlkanals 8 sind die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 38 an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand 19 als an der Vorderkantenwand 16 liegen, derart angebracht, daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind.
In der in den Fig. 11 und 12 dargestellten sechsten Ausführungsform nimmt die Querschnittsform der zylindrischen durchstoßenden Bauteile 38 in Richtung auf die Rückseitenwand 17 hin zu, so daß die Kanalisierung des Hauptstroms 3a des Kühlfluids 3 in Richtung Vorderkantenwand 16 zur Rückseite hin größer wird. Dadurch wird die Kanalisierung 3b auf der Rückseite groß und es ist wahrscheinlicher, daß die Konzentration der Kanalisierung und der Turbulenzen auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand 16 auftritt, so daß die Kühlleistung in diesem Bereich erhöht ist.

Ausführungsform 7

Fig. 13 ist ein Längsschnitt einer gekühlten Gasturbinenschaufel gemäß einer siebten erfindungsgemäßen Ausführungsform. In der in Fig. 13 gezeigten siebten Ausführungsform ändert sich die Querschnittsgröße der zylindrischen durchstoßenden Bauteile 39, die eine einheitliche kreisförmige Querschnittsform haben, in Richtung der Schaufelhöhe und wird in deren Mitte maximal. Innerhalb des Vorderkantenkühlkanals 8 sind die zylindrischen durchstoßenden Bauteile 39 an Positionen, die näher an der ersten inneren Trennwand 19 als an der Vorderkantenwand 16 liegen, derart angebracht, daß sie dem Fluß des Kühlfluids 3 ausgesetzt sind.
Dementsprechend wird der Grad der Kanalisierung 3' des Kühlfluids 3 in der Mitte bezogen auf die Schaufelhöhe groß, und die Kühlleistung an der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16 zeigt den gleichen Verlauf.
Fig. 14A, 14B und 14C sind Diagramme, die jeweils den Verlauf der Gastemperatur an der äußeren Oberfläche, des Wärmeübergangsverhältnisses an der inneren Oberfläche und der Metalltemperatur an der äußeren Oberfläche der Vorderkantenwand 16 längs des Vorderkantenkühlkanals 8 entsprechend der in Fig. 13 gezeigten siebten Ausführungsform zeigen.
Wie in Fig. 14A gezeigt, neigt die Kurve C&sub1; der Gastemperatur an der äußeren Oberfläche der Schaufelvorderkante in Richtung der Schaufelhöhe dazu, in der Mitte höher zu liegen als an der Schaufelspitze 9 und der Schaufelwurzel 6. Die Einstellung wird vorzugsweise so vorgenommen, daß die Kühlleistung für die innere Oberfläche des Vorderkantenkühlkanals 8 in der Mitte in Richtung der Schaufelhöhe am größten wird, um die Schaufelwandtemperatur zu vereinheitlichen.
Wird die in Fig. 13 gezeigte siebte Ausführungsform gewählt, zeigt die Kurve C&sub2; des Verhältnisses des Wärmeübergangs der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16, also die Kühlleistung, den oben beschriebenen Verlauf, wie er in Fig. 14B durch die Strich-Punkt-Linie dargestellt ist, während die Kurve C&sub3; des Verhältnisses des Wärmeübergangs der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand 16, wenn keine zylindrischen durchstoßenden Bauteile vorhanden sind, die Form der gestrichelten Linie hat.
Die Kurve C&sub4; der Temperatur an der äußeren Oberfläche der Vorderkante, wie sie in Fig. 14C dargestellt ist, zeigt eine fast gleichförmige Verteilung, die in Richtung der Blatthöhe allmählich zunimmt. Die in den Fig. 14B und 14C gezeigten Diagramme zeigen mit gestrichelten Linien auch die Verteilung C&sub3; des Verhältnisses des Wärmeübergangs und die Verteilung C&sub5; der Temperatur der äußeren Oberfläche, wenn keine zylindrischen durchstoßenden Bauteile vorgesehen sind.
Den Diagrammen kann man entnehmen, daß erfindungsgemäß die Kühlleistung im Abschnitt des Vorderkantenkühlkanals 8 optimiert und die Kühlleistung in Richtung der Schaufelhöhe an einen gewünschten Verlauf angepaßt werden kann.
Fig. 15 zeigt das Ergebnis tatsächlicher Messungen der Unterschiede der Nusselt-Zahl einer jeden Oberfläche des Vorderkantenkühlkanals 8 aufgrund des Vorhandenseins bzw. des Fehlens zylindrischer durchstoßender Bauteile, als Funktion der Reynolds-Zahl des Kühlkanals anläßlich des Überprüfens des Wärmeübergangs an einem Modell.
In Fig. 15 beziehen sich die Diagramme (A&sub1;, A&sub2;, A&sub3;) auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand und die Diagramme (B&sub1;, B&sub2;, B&sub3;) auf die innere Oberfläche der ersten inneren Trennwand.
Das Diagramm der Fig. 15 zeigt die Nusselt-Zahl entsprechend der Kühlleistung der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand und der ersten inneren Trennwand für den Fall (A&sub1;, B&sub1;), daß keine zylindrischen durchstoßenden Bauteile, sondern nur die Rippen zur Erhöhung des Wärmeübergangs vorgesehen sind, im Vergleich zum Fall (A&sub2;, B&sub2;), daß zylindrische durchstoßende Bauelemente mit kreisförmiger Querschnittsform und Ausrichtungsrippen auf der ersten inneren Trennwand kombiniert vorgesehen sind, sowie den Fall (A&sub3;, B&sub3;), daß zylindrische durchstoßende Bauteile mit elliptischer Querschnittsform und Ausrichtungsrippen auf der ersten inneren Trennwand gemeinsam vorgesehen sind.
Im Vergleich zum Fall (A&sub1;), bei dem keine zylindrischen durchstoßenden Bauteile vorgesehen waren, nimmt für den Fall (A&sub2;, A&sub3;), bei denen zylindrische durchstoßende Bauteile vorgesehen waren, die Nusselt-Zahl um etwa 200 auf der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand und um etwa 100 auf der inneren Oberfläche der ersten inneren Trennwand zu, und ihr Verhältnis nimmt auf 2 : 1 zu.
Im Fall (A&sub2;, B&sub2;), bei dem die zylindrischen durchstoßenden Bauteile elliptische Querschnittsform haben, wird das Verhältnis der inneren Oberfläche der Vorderkantenwand zur inneren Oberfläche der ersten inneren Trennwand größer als im Fall (A&sub3;, B&sub3;), bei dem die zylindrischen durchstoßenden Bauteile die kreisförmige Querschnittsfläche haben. Somit sieht man, daß die Zunahme der Kühlung der Vorderkantenwand und die Verhinderung der Überkühlung der ersten inneren Trennwand gleichzeitig erreicht werden und die Kühlleistung des Vorderkantenkühlkanals effektiv verbessert werden kann.
Bei der gekühlten Testschaufel einer Gasturbine wie oben beschrieben war das Verhältnis eines jeden Bereichs zur Querschnittsfläche des Vorderkantenkühlkanals auf 30% gesetzt für die zylindrischen Bauteile, auf 20% für den Bereich des Kanals nahe an der ersten inneren Trennwand und 50% für den Bereich des Kanals nahe der Vorderkantenwand. Aus den oben beschriebenen Ergebnissen leitet man ab, daß geeignete Bereiche der Verhältnisse auf zwischen 20 und 50%, bis 20% und 30 bis 60% jeweils zu setzen sind, um die Kühlleistung zu erhöhen.
Für den Fall säulenartiger hervorstehender Bauelemente wird ihre Länge so gewählt, daß die säulenförmigen hervorstehenden Bauteile dem Hauptstrom des Kühlfluids ausgesetzt sind und muß so festgesetzt werden, daß sie zumindest 50% des Abstands zur gegenüberliegenden Oberfläche beträgt.

Claims

1. Gekühlte Gasturbinenschaufel mit einem Kühlkanal (8) einer inneren konvektiven Kühlanordnung, der durch eine Vorderkantenwand (16), eine Rückseitenwand (17) und eine Körperseitenwand (18) des Blattvorderkantenbereichs gebildet wird, einer ersten inneren Trennwand (19) und mehreren sich erstreckenden Bauteilen (21, 33, 34A, 34B, 35, 37, 38, 39), die im Kühlkanal (8) angeordnet sind und die sich zumindest entweder von der Rückseitenwand (17) oder von der Körperseitenwand (18)' über zumindest 50% des Abstands zwischen der Rückseitenwand (17) und der Körperseitenwand (18) erstrecken und die dem Fluß eines Kühlfluids (3) ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die sich erstreckenden Bauteile (21, 33, 34A, 34B, 35, 37, 38, 39) längs einer Linie angeordnet sind, die parallel zur ersten inneren Trennwand (19) läuft und näher an der ersten inneren Trennwand (19) als an der Vorderkantenwand (16) in der Nähe der ersten inneren Trennwand (19) über die gesamte Höhe der ersten inneren Trennwand (19) in der Weise angeordnet sind, daß sie dem Fluß des Kühlfluids (3) Widerstand entgegensetzen, wodurch sie die Kanalisierung und die Verwirbelung des Hauptstroms (3a) des Kühlfluids (3) auf die innere Oberfläche der Vorderkantenwand (16) hin konzentrieren.

2. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich erstreckenden Bauteile durchstoßende Bauteile (21, 35, 37, 38, 39) sind, von denen jedes mit beiden seinen Enden an der Rückseitenwand (17) und der Körperseitenwand (18) befestigt ist.

3. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich erstreckenden Bauteile hervorstehende Bauteile (33, 34A, 34B) sind, die zumindest entweder von der Rückseitenwand (17) oder der Körperseitenwand (18) hervor stehen und deren eines Ende an der Rückseitenwand (17) oder an der Körperseitenwand (18) befestigt ist.

4. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hervorstehenden Bauteile (33) ausgehend von der Körperseitenwand (18) hervorstehen und mit einem ihrer Enden an der Körperseitenwand (18) befestigt sind.

5. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hervorstehenden Bauteile (34A, 34B) sowohl ausgehend von der Rückseitenwand (17) als auch ausgehend von der Körperseitenwand (18) hervorstehen und daß sie jeweils mit einem ihrer Enden entweder an der Rückseitenwand (17) oder Körperseitenwand (18) befestigt sind.

6. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchstoßenden Bauteile (21, 35, 37, 38) eine zylindrische und im Querschnitt entweder kreisförmige oder elliptische Form haben.

7. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchstoßenden Bauteile (21, 35, 37, 38) eine zylindrische und im Querschnitt entweder elliptische oder schaufelartige Form haben und schräg angeordnet sind, um den Fluß des Kühlfluids (3) zur Vorderkantenwand (16) hin zu leiten.

8. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hervorstehende Bauteil (33, 34A, 34B) eine säulenförmige und im Querschnitt entweder kreisförmige oder elliptische Form hat.

9. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hervorstehende Bauteil (33, 34A, 34B) eine säulenförmige und im Querschnitt entweder elliptische oder schaufelartige Form hat und schräg angeordnet ist, um den Fluß des Kühlfluids (3) auf die Vorderkantenwand (16) zu leiten.

10. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnittsgröße der durchstoßenden Bauteile (39) derart ändert, daß die Querschnittsgröße in der Mitte maximal und zu den Enden in Richtung der Schaufelhöhe hin kleiner wird.

11. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die querliegende Querschnittsfläche der durchstoßenden Bauteile (21, 35, 37, 38, 39) zwischen 20% und 50% der quer liegenden Querschnittsfläche des Kühlkanals (8) liegt, und daß die querliegende Querschnittsfläche des Bereichs des Kühlkanals (8) zwischen den durchstoßenden Bauteilen (21, 35, 37, 38, 39) und der ersten inneren Trennwand (19) bis zu 20% der querliegenden Querschnittsfläche des Kühlkanals (8) ist.

12. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Ausrichtungsrippen (36) aufweist, die an Positionen angebracht sind, die in einer Fläche liegen, die in der Nähe und zwischen den durchstoßenden Bauteilen (21, 35, 37, 38, 39) und aneinandergrenzend auf der Oberfläche der ersten inneren Trennwand (19) liegt, und die sich von der Rückseitenwand (17) der erstrecken.

13. Gekühlte Gasturbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Ausrichtungsrippen (36) aufweist, die an Positionen angebracht sind, die in einer Fläche liegen, die in der Nähe und zwischen den hervorstehenden Bauteilen (33, 34A, 34B) und aneinandergrenzend an der Oberfläche der ersten inneren Trennwand (19) liegt, und die sich von der Rückseitenwand (17) her erstrecken.