DE4447515C2 - Gekühlte Turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gekühlte Turbinenschaufel einer Gasturbine, wie sie zur Stromerzeugung und in der Industrie verwendet wird.

Eine für ein Kraftwerk oder ein Triebwerk eingesetzte Gasturbine ist im allgemeinen, wie in Fig. 5 dargestellt, angeordnet, wobei verdichtete Luft, die durch Antreiben eines koaxial zu einer Gasturbine 1 vorgesehenen Kompressors 2 verdichtet wird, einem Brenner 3 zuge­ führt wird, in dem ausgekleideten Bereich 3a des Brenners 3 Kraftstoff verbrannt wird, und ein durch die Verbrennung entstehendes Verbrennungsgas hoher Temperatur durch ein Übergangsteil 4 und stationäre Schaufeln 5 der Gasturbine 1 zu beweglichen Schaufeln 6 geführt wird, so daß die Gasturbine 1 durch Drehung der beweglichen Schaufeln 6 Arbeit liefert.

Um den Wärmewirkungsgrad einer Gasturbine zu verbessern, ist es vorteilhaft, die Turbi­ neneinlaßtemperatur zu erhöhen. Wenn die Turbineneinlaßtemperatur erhöht wird, wird es notwendig, ein hochtemperaturfestes Material für den Brenner 3, die stationären Schaufeln 5 und die beweglichen Schaufeln 6 der Gasturbine 1 zu verwenden und entsprechend wur­ de bisher ein hochtemperaturfestes Superlegierungsmaterial für Gasturbinenteile verwendet.

Ein hochtemperaturfestes Superlegierungsmaterial, wie es für Hochtemperaturteile der Tur­ bine verwendet wird, hat gegenwärtig eine kritische Temperatur von 800 bis 900°C; die Turbineneinlaßtemperatur erreicht jedoch 1300°C und überschreitet somit die kritische Temperatur bei weitem. Daher ist es notwendig, gekühlte Schaufeln einzusetzen, um die Zuverlässigkeit der Gasturbine durch Kühlen der Schaufeln auf die kritische Temperatur aufrechtzuerhalten.

In vielen Fällen wird Luft als Betriebsfluid verwendet, um eine Schaufel auf ihre kritische Temperatur zu kühlen; die Luftversorgung erfolgt dadurch, daß die Luft teilweise vom hal­ ben Weg des Kompressors 2 oder von dem Strömungsweg vom Auslaß des Kompressors 2 zum Brenner 3 abgezogen wird. Wenn eine größere Menge an Kühlluft verwendet wird, kann die Luft natürlicherweise die Temperatur der Schaufel stärker absenken. Die Kühlluft erzeugt jedoch keine Ausgangsleistung, wenn sie nicht in einem Gasdurchlaß gesammelt wird, und selbst wenn die Kühlluft in einem Gasdurchlaß gesammelt wird, vermindert sie die Gastemperatur. Folglich wird der Wirkungsgrad der Gasturbine vermindert, wodurch die Wirkungsgradverbesserung infolge einer erhöhten Einlaßtemperatur aufgehoben wird. Ein wichtiges Problem liegt somit darin, wie effektiv die Kühlung durch eine so klein wie mögliche Luftströmung erfolgt.

Aus der DE 27 35 708 A1, von der in den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentan­ sprüche ausgegangen wird, ist eine gekühlte Turbinenschaufel bekannt, bei der sich das Einsatzkernbauteil an einteilig mit dem Schaufelkörper ausgebildeten, nach innen vorste­ henden Vorsprüngen abstützt. Für eine gegenseitige Abdichtung zwischen benachbarten Kammern, die lediglich durch die Vorsprünge voneinander getrennt sind, sind keine Maß­ nahmen vorgesehen. Ein zuverlässige Abdichtung zwischen benachbarten Kammern ist so­ mit nur begrenzt gewährleistet, wodurch eine optimale Kühlung erschwert wird.

Aus der EP 0 541 207 A1 ist eine gekühlte Turbinenschaufel bekannt, dessen Schaufelkör­ per aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist, die zwei Halbschalen eines Einsatzkernbau­ teils zwischen sich aufnehmen. Die beiden Halbschalen des Schaufelkörpers weisen sich gegenüberliegende Rippen auf, die in entsprechende Ausnehmungen der Halbschalen ein­ ragen. Beim Aufeinanderpressen der Halbschalen der Schaufelkörper kommen die Halb­ schalen des Einsatzkernbauteils im Bereich der Rippen in feste gegenseitige Anlage und in Anlage an die Rippen, so daß eine gegenseitige Verbindung möglich ist. Verhältnismäßig große Kammern zwischen den Außenseiten der Halbschalen des Einsatzkernbauteils und der Innenseiten der Halbschalen des Schaufelkörpers sind durch die Rippen des Schaufel­ körpers begrenzt und voneinander abgetrennt. Die Herstellung der Turbinenschaufel ist verhältnismäßig aufwendig, da die Halbschalen des Schaufelkörpers unter Berücksichtigung der Materialdicke der Halbschalen des Einsatzkernbauteils präzise gefertigt werden müs­ sen, damit beim Aufeinanderpressen definierte Auflagen erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße gekühlte Turbinenschaufel derart weiterzuentwickeln, daß bei einfacher Herstellbarkeit eine sichere Abdichtung zwischen benachbarten Kammern gegeben ist.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Durch das Einragen der freien Enden der Vorsprünge des Einsatzkernbauteils in entspre­ chend ausgesparte Bereiche des Schaufelkörpers wird zusätzlich zu einer sicheren Abdich­ tung zwischen benachbarten Kammern eine zuverlässige Halterung des Einsatzkernbauteils am Schaufelkörper erzielt, die durch den während der Kühlung vorhandenen, von der Kühlluft ausgehenden Anpreßdruck des Einsatzkernbauteils an den Schaufelkörper unter­ stützt wird. Das Einsatzkernbauteil kann durch Preßformung in einfacher Weise mit den Vorsprüngen ausgebildet werden.

Eine zweite Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 2 er­ reicht. Bei dieser Ausführungsform sind die Vorsprünge am Schaufelkörper ausgebildet und liegen an entsprechend ausgesparten Bereichen bzw. Ausnehmungen des Einsatzkern­ bauteils an. Wiederum wird eine zuverlässige Abdichtung zwischen benachbarten Kam­ mern und eine zuverlässige Halterung des Einsatzkernbauteils am Schaufelkörper erzielt, die durch den während der Kühlung wirksamen Druckunterschied unterstützt wird. Das Einsatzkernbauteil kann ebenso wie der Schaufelkörper in einfacher Weise durch ein Preß­ formverfahren hergestellt werden.

Die durch die Erfindung erzielte sichere Abdichtung zwischen den Kammern ermöglicht eine größere Kühlung, da die Kühlwirksamkeit von den Druckverhältnissen abhängt, die sich bei Strömungen zwischen benachbarten Kammern verändern.

Das Wesen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Beschreibungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlicher. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen seitlichen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel;

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Hauptbereiches oder Turbinen­ schaufel;

Fig. 3 einen seitlichen Querschnitt einer Abänderung der Turbinenschaufel und

Fig. 4 eine vergrößerte perspektivische Schnittansicht des Hauptbereiches der Abände­ rung.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Längs-/Querschnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, und Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die den Haupt­ bereich dieser Ausführungsform zeigt.

Gemäß Fig. 1 ist die Innenseite des wirksamen Schaufelbereiches eines Schaufelkörpers 30 als eine hohle Struktur ausgebildet, die durch eine Trennwand 31 in zwei Kammern unter­ teilt ist. In jeder der Kammern sind Einsatzkerne 32a, 32b aufgenommen. Am Umfang je­ des der Einsatzkerne 32a, 32b sind vorspringende Bereiche 33 an verschiedenen Stellen ausgebildet, die sich in Weitenrichtung - senkrecht zum Profilquerschnitt - der Schaufel 30 erstrecken, und durch Anlage der als Trennelemente wirkenden vorspringenden Bereiche 33 gegen eine Schaufelinnenwand 34 sind abgeteilte Kammern oder Zellen 35 gebildet. Die in Berührung mit den vorspringen­ den Bereichen 33 befindlichen Bereiche der Schaufelinnenwand 34 sind, wie in Fig. 2 dar­ gestellt, mit entgegengesetzter ausgesparter Gestalt ausgebildet, so daß die vorspringenden Bereiche 33 mit den ausgesparten Bereichen 36 der Innenwand 34 in Eingriff sind.

Jeder der Einsatzkerne 32a, 32b ist mit Ausnahme der vorstehende Bereiche 33 vollständig mit Aufprallöchern 37 ausgebildet, die von innen nach außen durchgehen. Es sind Film­ kühllöcher 38 definiert, die von den jeweiligen Kammern 35 zur Außenoberfläche der Schaufel führen. Des weiteren sind im hohlen Bereich an der Seite des Hinterrandes der Schaufel eine Stiftrippe 39 und ein Hinterrand-Abblasloch 40 ausgebildet.

Im folgenden wird die Betriebsweise dieser Ausführungsform beschrieben.

In die Einsatzkerne 32a, 32b eingeführte Kühlluft 31a strömt aus den Aufprallöchern 37 in die jeweiligen Kammern 35 und wird dabei ausgestoßen, um auf die Schaufelinnenwand 34 aufzuprallen bzw. aufzutreffen und diese zu kühlen. Da die vorspringenden Bereiche 33 der Einsatzkerne 32a, 32b gegen die ausgesparten Bereiche 36 der Innenwand infolge eines Druckunterschiedes zwischen der Innenseite und der Außenseite der Einsatzkerne 32a, 32b gepreßt werden, wird die Strömung der Kühlluft zwischen den jeweiligen Kammern 35 mittels Druck unterbunden und isoliert.

Dann wird die in die Kammern 35 eingeströmte Kühlluft 31a zu Filmkühlluft 31b, die auf die Schaufeloberfläche aus den Filmkühllöchern 38 ausgeblasen wird, um die Schaufel­ oberfläche filmzukühlen. Des weiteren kühlt ein Teil der Kühlluft 31a, die zur Aufprall­ kühlung aus dem Einsatzkern 32b verwendet wird, den Hinterrandbereich durch die Stift­ rippe 39 und das Hinterrand-Abblasloch 40 mittels Konvektion und wird dann zur Außen­ seite der Schaufel abgegeben.

Im Fall der Filmkühlung müssen optimale Fluidbedingungen auf der Kühlluftseite (Kam­ mern 35) in bezug auf die Fluidbedingungen auf einer Hauptfluidseite an den Ausblasstel­ len eingestellt werden. Zu diesem Zweck wird der Druck in den Kammern 35 bestimmt in Abhängigkeit vom Innendruck der Einsatzkerne 32a, 32b, von der Filmkühlluft 31b aus den Kammern 35, den Schaufeloberflächendrucken an den Abblasstellen, der Form der Aufprallöcher 37 (Anzahl und Durchmesser) und der Form der Filmkühllöcher 38 (Anzahl und Durchmesser).

Deshalb können die optimalen Abblasbedingungen erhalten werden, indem die Anzahl und Lage der Kammern 35 und die Formen der Aufprallöcher 37 und Filmkühllöcher 38, die den jeweiligen Kammern 35 entsprechen, in Abhängigkeit von der Verteilung des stati­ schen Druckes auf der Außenwandoberfläche der Schaufel und den Ausblasstellen der Film­ kühlluft 31b gewählt werden. Mit dieser Anordnung kann die Wirkung einer Querströmung gegen den Aufprallstrahl 31a unterdrückt werden, so daß die Aufprallkühlwirkung eben­ falls verbessert wird.

Fig. 3 ist eine Längs-/Querschnittansicht, die eine Abänderung der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel zeigt, und Fig. 4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die den Hauptbereich der Abänderung zeigt, wobei in Fig. 4 der Einfachheit halber die gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform zur Bezeichnung der gleichen Teile ver­ wendet werden.

Bei dieser Abänderung sind die sich in Weitenrichtung - d. h. senkrecht zum Profilquerschnitt - einer Schaufel 30 erstreckenden vor­ springenden Bereiche 41 einer Innenwand 34 an dem Innenumfang der Innenwand 34 an unterschiedlichen Stellen mit vorbestimmten Abständen ausgebildet. Die vorspringenden Bereiche 41 dienen als Mittel zum Bilden von Luftkammern als Zellen zwischen Einsatz­ kernen 32a, 32b und der Innenwand 34. Die vorspringenden Bereiche 41 der Innenwand 34 liegen an den Oberflächen der Einsatzkerne 32a, 32b an, um die Kammern 35 zu bil­ den.

Die in Berührung mit den vorspringenden Bereichen 41 der Innenwand befindlichen Berei­ che der Einsatzkerne 32a, 32b haben eine entsprechende ausgenommene Form und die vor­ springenden Bereiche 41 der Innenwand 34 sind mit den so gebildeten ausgesparten bzw. nischenförmigen Bereichen 42 in Eingriff. Mit dieser Anordnung wird der gleiche Vorteil wie mit der zweiten Ausführungsform erreicht. Die weitere Anordnung und die Betriebs­ weise der Abänderung sind naturgemäß die gleichen wie die der zweiten Ausführungsform und werden hier nicht beschrieben.

Die ausgesparten Bereiche 36 der Innenwand und die vorspringenden Bereiche 41 der In­ nenwand können mit dem Kühlschaufelhauptkörper 30 durch Präzisionsgießen einteilig aus­ gebildet sein, und die vorspringenden Bereiche 30 und die ihnen entsprechenden ausgespar­ ten Bereiche 42 können einteilig mit den Einsatzkernen 32a, 32b gepreßt bzw. geprägt sein.

Da am Einsatzkern Vorsprünge derart ausgebildet sind, daß sie zu dem Schaufelhauptkör­ per hin vorstehen, wobei zwischen den Vorsprüngen Aufprallöcher ausgebildet sind, kann entsprechend den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Zwischenraum zwi­ schen dem Einsatzkern und dem Schaufelhauptkörper vergrößert sein. Als Folge ist die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, mit der eine Aufprallkühlung erfolgt ist, vermin­ dert, so daß die Wechselwirkung der Kühlluft mit der Kühlluft nach dem Aufprallen, durch welche die Kühlwirkung der Aufprallkühlung vermindert ist, abgeschwächt werden kann. Da das Ausmaß, um das die Wärmeübergangszahl der Aufprallkühlung durch die Wechselwirkung vermindert wird, vermindert werden kann, wird auf diese Weise die Kühlwirkung vergrößert.

Da der zwischen dem Schaufelhauptkörper und dem Einsatzkern ausgebildete Zwischen­ raum in eine Mehrzahl von abgeteilten Kammern oder Zellen unterteilt ist und an jeder der Kammern in radialer Richtung des Schaufelhauptkörpers eine Mehrzahl von Filmkühllö­ chern zum Ausblasen von Kühlluft aus jeder Kammer ausgebildet ist, kann des weiteren der Druck der Kühlluft in jeder Kammer entsprechend dem statischen Druck an der Schau­ feloberfläche auf einem optimalen Wert gehalten werden, so daß eine maximale Filmwir­ kung erreichbar ist.

Im Ergebnis kann der Schaufelhauptkörper ausreichend gekühlt werden, kann eine Gastur­ bine mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden und wird der Wärmewirkungsgrad verbes­ sert, wenn die Gasturbine in einem Kraftwerk bzw. einer Stromversorgungsanlage einge­ setzt wird.

Die vorspringenden Bereiche des Einsatzkerns sind in Eingriff mit den ausgenommenen Bereichen des Schaufelhauptkörpers, oder die vorspringenden Bereiche des Schaufelhaupt­ körpers können in Eingriff mit den ausgenommenen bzw. nach hinten gewölbten Bereichen des Einsatzkerns sein, so daß die Kühlluft in den Kammern wirksam abgedichtet werden kann und die Betriebszuverlässigkeit verbessert werden kann.

Claims (2)

1. Gekühlte Turbinenschaufel mit:
einem Schaufelkörper (30) mit einer hohlen Struktur, mit mindestens
einem Einsatzkernbauteil (32a, 32b) für eine Einpassung in den inneren hohlen Bereich des Schaufelkörpers unter Bildung mehrerer abgeteilter Kammern (35) zwischen dem Einsatz­ kernbauteil und der Innenfläche des Schaufelkörpers, durch eine Mehrzahl von Vorsprün­ gen (33),
wobei das Einsatzkernbauteil mit einer Anzahl von Aufprallöchern (37) in Be­ reichen mit Ausnahme der Vorsprünge (33) ausgebildet ist und sich die Vorsprünge (33) in Schaufelweitenrichtung erstrecken, Kühlluft von der Innenseite des Einsatzkernbauteils (32a, 32b) durch die Aufprallöcher zu den Kammern (35) strömt, und der Schaufelkörper mit einer Mehrzahl von Filmkühllöchern (38) versehen ist, von denen jedes den Schaufel­ körper von den Kammern (35) zur Außenseite des Schaufelkörpers (30) durchdringt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (33) an das Einsatzkernbauteil (32a, 32b) einteilig derart ange­ formt sind, daß sie vom Einsatzkernbauteil in Richtung auf die Innenfläche (34) des Schau­ felkörpers (30) vorstehen und an ihren vorspringenden Endbereichen an ausgesparten Be­ reichen (36) dichtend anliegen, die an der Innenfläche (34) des Schaufelkörpers (30) den vorspringenden Endbereiche der Vorsprünge (33) entsprechend ausgebildet sind (Fig. 1, 2).

2. Gekühlte Turbinenschaufel mit:
einem Schaufelkörper (30) mit einer hohlen Struktur, mit mindestens
einem Einsatzkernbauteil (32a, 32b) für eine Einpassung in den inneren hohlen Bereich des Schaufelkörpers unter Bildung mehrerer abgeteilter Kammern (35) zwischen dem Einsatzkernbauteil und der Innenfläche des Schaufelkörpers und einer Mehrzahl von Vorsprüngen (41), die sich an dem Schaufelkörper (30) derart befinden, daß sie von der Innenfläche (34) des Schaufelkörpers in Richtung auf die Außenfläche des Einsatzkernbau­ teils (32a, 32b) vorstehen und an ihren vorspringenden Endbereichen an der Außenfläche des Einsatzkernbauteils anliegen,
wobei das Einsatzkernbauteil mit einer Anzahl von Aufprallöchern (37) in Be­ reichen mit Ausnahme der Vorsprünge ausgebildet ist, sich die Vorsprünge in Schaufel­ weitenrichtung erstrecken, Kühlluft von der Innenseite des Einsatzkernbauteils (32a, 32b) durch die Aufprallöcher (37) in Richtung auf die Kammern (35) strömt, und der Schaufel­ körper mit einer Mehrzahl von Filmkühllöchern (38) versehen ist, von denen jedes den Schaufelkörper von den Kammern (35) zur Außenseite des Schaufelkörpers durchdringt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzkernbauteil (32a, 32b) mit einer Mehrzahl ausgesparter Bereiche (42) ausgebildet ist, die an die vorspringenden Endbereiche der Vorsprünge (41) jeweils dichtend angepaßt sind (Fig. 3, 4).