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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelblatt zur Verwendung
in einer Gasturbine, wie etwa für
eine Leitschaufel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
ein Schaufelblatt, das einen verbesserten Kühlluft-Durchflussweg aufweist.
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Bei
einer Gasturbine wird eine Vielzahl von feststehenden Leitschaufeln
verwendet, welche in einem Turbinenteil entlang des Umfangs in Reihen
angeordnet sind. Da solche Leitschaufeln der Einwirkung des aus
dem Verbrennungsteil ausströmenden Heißgases ausgesetzt
sind, ist die Kühlung
dieser Leitschaufeln von größter Wichtigkeit.
Normalerweise wird die Kühlung
durchgeführt,
indem man Kühlluft durch
im Inneren des Schaufelblattes der Leitschaufel ausgebildete Hohlräume strömen lässt.
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Gemäß einer
Herangehensweise wird die Kühlung
des Schaufelblattes einer Leitschaufel durchgeführt, indem ein oder mehrere
rohrförmige Einsätze in jeden
der Hohlräume
des Schaufelblattes eingebaut werden, so dass zwischen den Einsätzen und
den Wänden
des Schaufelblattes Durchlässe
gebildet werden, welche die Einsätze
umgeben. Die Einsätze
weisen eine Anzahl von entlang ihres Umfangs verteilten Löchern auf,
welche die Kühlluft
um diese Durchlässe
herum verteilen.
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Gemäß einer
anderen Herangehensweise weist jedes Schaufelblatt eine Anzahl von
sich radial erstreckenden Durchlässen
auf, normalerweise drei, die eine verschlungene Anordnung bilden.
Kühlluft, welche
der äußeren Deckplatte
der Leitschaufel zugeführt
wird, strömt
in den ersten Durchlass ein und strömt radial nach innen, bis sie
die innere Deckplatte der Leitschaufel erreicht. Ein erster Teil
der Kühlluft tritt
durch die innere Deckplatte aus der Leitschaufel aus und strömt in einen
Hohlraum ein, der zwischen benachbarten Reihen von Laufrädern angeordnet
ist. Die Kühlluft
im Hohlraum dient dazu, die Seitenflächen der Laufräder zu kühlen. Ein
zweiter Teil der Kühlluft
kehrt seine Richtung um und strömt
durch den zweiten Durchlass radial nach außen, bis er die äußere Deckplatte
erreicht, woraufhin er erneut seine Richtung ändert und durch den dritten
Durchlass radial nach innen strömt.
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Das
Kühlen
des Hinterkantenteils der Leitschaufel ist aufgrund der geringen
Dicke des Hinterkantenteils besonders schwierig. Bei herkömmlichen Kühlsystemen
mit geöffnetem
Kreis strömt
die Kühlluft
aus dem inneren Hohlraum der Leitschaufel über axial ausgerichtete Durchlässe in der
Hinterkante des Schaufelblattes in den Heißgas-Durchfussweg aus. Bei Systemen mit geschlossenem
Kreislauf kann der Hinterkantenteil des Schaufelblattes der Leitschaufel
gekühlt
werden, indem die Kühlluft durch
einen Kanal gelenkt wird, der in der Hinterkante in Tiefenrichtung
herumgezogen ist. Diese Herangehensweise führt jedoch zu einer dicken
Hinterkante, welche in aerodynamischer Hinsicht nicht wünschenswert
ist, und zu einer erhöhten
Kompliziertheit der Fertigung.
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Bei
einer anderen Herangehensweise wird die Kühlluft durch in Spannweitenrichtung
verlaufende radiale Löcher
geleitet, die sich zwischen der inneren und der äußeren Deckplatte erstrecken,
wobei die Luft entweder von der inneren Deckplatte radial nach außen zur äußeren Deckplatte
oder von der äußeren Deckplatte
radial nach innen zur inneren Deckplatte strömt. Leider weist diese Herangehensweise mehrere
Nachteile auf. Erstens kann die Kühlluft bis zu dem Zeitpunkt,
zu dem sie die Enden der Löcher erreicht,
genügend
stark erwärmt
werden, so dass ihre Kühlwirkung
nicht ausreichend ist, wodurch eine Überhitzung des an die innere
oder äußere Deckplatte
angrenzenden Teils der Hinterkante verursacht wird. Außerdem führt, wenn
der Durchmesser der Löcher
relativ klein ist, die Länge
der Löcher
zu einem unerwünscht
großen
Druckabfall in der Kühlluft.
Eine Verringerung des Druckabfalls durch Vergrößerung des Durchmessers der
Löcher
führt dagegen
zu unerwünscht
dicken Hinterkanten.
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In
Spannweitenrichtung verlaufende radiale Löcher sind außerdem schwer
herzustellen. Wenn das Schaufelblatt gegossen wird, kann die Verwendung
von langen, in Spannweitenrichtung verlaufenden radialen Löchern mit
geringem Durchmesser lange, nicht abgestützte und folglich schwache
Gießkerne
zur Folge haben. Hinzu kommt, dass solche langen Kühllöcher es
schwierig machen, die Toleranzen der Wanddicke einzuhalten, und
zu einer langen Laugungszeit führen.
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In
US-A-3.420.502 (W. E. Holland) wird ein mittels eines Fluids gekühltes Schaufelblatt
bereitgestellt. Verteiler, die an einander gegenüberliegenden Enden des Schaufelblattes
angeordnet sind, führen Kühlfluid
durch jeweilige radial ausgerichtete Durchlässe hindurch einem Hohlraum
zu. Der Hohlraum führt
Fluid Austrittsöffnungen
zu, die senkrecht zur radialen Richtung angeordnet sind und aus
denen es in einen Gasstrom gelangt, der mit der Außenseite des
Schaufelblattes gekoppelt ist.
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Es
ist daher wünschenswert,
ein Kühlungsschema
zum Kühlen
des Hinterkantenteils eines Schaufelblattes bereitzustellen, welches
die Probleme der früheren
Herangehensweisen überwindet, einschließlich der
Minimierung sowohl der Aufwärmung
des Kühlfluids
bis zu dem Zeitpunkt, zu dem es das Ende des Kühlweges erreicht, als auch
des Druckabfalls, den das Fluid erfährt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend
besteht die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
ein Kühlungsschema
zum Kühlen
des Hinterkantenteils eines Schaufelblattes bereitzustellen, welches
die Probleme der früheren
Herangehensweisen überwindet, einschließlich der
Minimierung sowohl der Aufwärmung
des Kühlfluids
bis zu dem Zeitpunkt, zu dem es das Ende des Kühlweges erreicht, als auch
des Druckabfalls, den das Fluid erfährt.
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Kurz
gesagt, wird diese Aufgabe ebenso wie andere Aufgaben der vorliegenden
Erfindung durch ein Schaufelblatt für eine Gasturbine gelöst, welches umfasst:
(i) eine Vorderkante und eine Hinterkante, (ii) ein erstes und ein
zweites Ende, wobei das erste Ende radial außen in Bezug auf das zweite
Ende angeordnet ist, (iii) eine erste und eine zweite Seitenwand,
(iv) einen ersten Durchlass, der zwischen der ersten und der zweiten
Seitenwand ausgebildet ist, wobei der erste Durchlass eine Eintrittsöffnung zur Aufnahme
eines zum Schaufelblatt gerichteten Stroms eines Kühlfluids
aufweist, (v) einen Sammelraum, der mit dem ersten Durchlass kommuniziert, (vi)
eine Vielzahl von zweiten und dritten, mit dem Sammelraum kommunizierenden
Durchlässen,
die in der Nähe
der Hinterkante des Schaufelblattes angeordnet sind, wobei sich
die zweiten und dritten Durchlässe
in einer im Wesentlichen radialen Richtung vom Sammelraum zum ersten
bzw. zweiten Ende hin erstrecken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Längsschnitt
durch eine Gasturbinen-Leitschaufel
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist ein Querschnitt entlang
der in 1 dargestellten
Linie II-II.
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3 ist ein Querschnitt entlang
der in 1 dargestellten
Linie III-III.
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4 ist eine isometrische
Darstellung eines Teils der Hinterkante der in 1 dargestellten Leitschaufel in der Nähe des Sammelraums.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen; die 1–4 zeigen eine Leitschaufel 1,
die ein Schaufelblatt gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung im Turbinenteil einer Gasturbine aufweist.
Die Leitschaufel 1 besteht aus einem Schaufelblatt 6,
das eine innere Deckplatte 2 an einem Ende und eine äußere Deckplatte 4 am
anderen Ende aufweist. Wie in 2 am
besten zu erkennen ist, wird der Schaufelblatt-Teil 6 der
Leitschaufel 1 von einander gegenüberliegenden Seitenwänden 9 und 11 gebildet,
die sich treffen, um eine Vorderkante 8 und eine Hinterkante 10 zu
bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Kühlen
des Schaufelblattes 6, vorzugsweise des Teils des Schaufelblattes,
der sich in der Nähe
der Hinterkante 10 befindet.
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Der
Hauptteil des Schaufelblattes 6 ist hohl. Sich in Querrichtung
erstreckende Rippen 48, 50 und 52 unterteilen
das hohle Innere des Schaufelblattes 6 in drei Kühlluft-Durchlässe 32, 34 und 36.
Der erste Durchlass 32 ist ein Durchlass zur Zuführung von Kühlluft und
ist in dem Teil des Schaufelblattes 6 ausgebildet, der
an die Vorderkante 8 angrenzt. Der zweite Durchlass 34 ist
ebenfalls ein Durchlass zur Zuführung
von Kühlluft,
ist jedoch in der Nähe
der Hinterkante 6 ausgebildet. Ein Durchlass 17 in
der inneren Deckplatte 2 verbindet die Durchlässe 32 und 34.
Der dritte Durchlass 36 ist im Bereich der mittleren Blatttiefe
des Schaufelblattes 6 ausgebildet und stellt einen Durchlass
zum Ausströmen
von Kühlluft dar.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen;
ein Kühlfluid-Zuflussrohr 13 ist
mit der äußeren Deckplatte 4 verbunden.
Eine Öffnung 18 in
der äußeren Deckplatte 4 ermöglicht dem
Zuflussrohr 13, mit einem Durchlass 16 zu kommunizieren,
der innerhalb der äußeren Deckplatte
ausgebildet ist. Der Durchlass 16 der äußeren Deckplatte ist mit den
Durchlässen 32 und 34 im
Schaufelblatt 6 verbunden.
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Gemäß einem
wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, wie in den 2 und 4 am besten zu erkennen ist, zwischen
den Seitenwänden 9 und 11 ein
Hohlraum 42 ausgebildet, welcher als Sammelraum wirkt.
Der Sammelraum 42 ist vorzugsweise ungefähr auf halber
Höhe und
in der Nähe
der Hinterkante 10 des Schaufelblattes 6 angeordnet. Eine Öffnung 40 in
der Rippe 52 verbindet den Sammelraum 42 mit dem
Zuführungs-Durchlass 34.
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Wie
in den 1 und 3 am besten zu erkennen ist,
erstreckt sich eine erste Gruppe von Kühlfluid-Löchern 38' vom Sammelraum 42 aus
radial nach außen
zu einem in der äußeren Deckplatte 4 ausgebildeten
Kühlfluid-Verteiler 54,
wobei sich die Eintrittsöffnungen
der Löcher
am Sammelraum und die Austrittsöffnungen
am Verteiler befinden. Wie in 3 dargestellt
ist, ist in der äußeren Deckplatte 4 ein
Durchlass 58 ausgebildet, welcher sich im Großen und
Ganzen senkrecht zur radialen Richtung erstreckt. Der Durchlass 58 erstreckt
sich vom Verteiler 54 aus um den Teil des Schaufelblattes 6 herum,
welcher in die äußere Deckplatte
hineinragt. In den Teilen der Seitenwände 9 und 11,
welche sich in die äußere Deckplatte 4 hinein
erstrecken, sind Öffnungen 46 bzw. 47 ausgebildet.
Die Öffnungen 46 und 47 ermöglichen
dem Durchlass 58, mit dem Ausström-Durchlass 36 zu
kommunizieren. Wie in 1 dargestellt,
ist im Ausström-Durchlass 36 eine Austrittsöffnung 30 ausgebildet
und mit einem Rückflussrohr 14 verbunden.
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Wie
in den 1, 2 und 4 am besten zu erkennen ist, erstreckt
sich eine zweite Gruppe von Kühlfluid-Löchern 38'', welche vorzugsweise zu den Kühlfluid-Löchern 38' radial ausgerichtet
sind, vom Sammelraum 42 aus radial nach innen zu einem
in der inneren Deckplatte 2 ausgebildeten Kühlfluid-Verteiler 56,
wobei sich die Eintrittsöffnungen
der Löcher
am Sammelraum und die Austrittsöffnungen am
Verteiler befinden. In der inneren Deckplatte 2 ist ein
Durchlass (nicht dargestellt), der dem Durchlass 58 in
der äußeren Deckplatte 4 ähnlich ist,
ausgebildet, welcher sich vom Verteiler 56 aus um den Teil des
Schaufelblattes 6 herum, welcher in die innere Deckplatte
hineinragt, erstreckt. In den Teilen der Seitenwände 9 bzw. 11,
welche sich in die innere Deckplatte 2 hinein erstrecken,
sind Öffnungen 44 ausgebildet,
von denen eine in 1 dargestellt
ist und welche den Öffnungen 46 und 47 an
der äußeren Deckplatte ähnlich sind.
Die Öffnungen 44 ermöglichen
dem Durchlass in der inneren Deckplatte 2, mit dem Ausström-Durchlass 36 zu
kommunizieren.
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Es
ist klar, dass die innere und die äußere Deckplatte Kühlungs-Durchlässe zusätzlich zu
denen, welche die Kühlfluid-Verteiler 54 und 56 der
Hinterkante mit dem Ausström-Durchlass 36 verbinden, enthalten
können,
welche zur Kühlung
der Deckplatten selbst beitragen. Diese Kühlung der Deckplatten ist jedoch
nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung, welche die Kühlung des
Schaufelblattes 6 und vorzugsweise des Teils des Schaufelblattes,
der sich in der Nähe
der Hinterkante 10 befindet, betrifft.
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Während des
Betriebs wird Kühlfluid,
welches bei der bevorzugten Ausführungsform
Druckluft 20 ist, die normalerweise vom Verdichterteil
der Gasturbine abgezapft wird, mittels des Zuflussrohres 13 zur äußeren Deckplatte 4 der
Leitschaufel geleitet, wie in 1 dargestellt
ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Leitschaufel 1 Kühlungs-Durchlässe auf,
welche Bestandteil eines Kühlluftsystems
mit geschlossenem Kreislauf sind. Folglich wird im Prinzip de gesamte Kühlluft,
die der Leitschaufel 1 zugeführt wird, wieder in das Kühlsystem
eingespeist.
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Wenn
die Kühlluft 20 durch
die Öffnung 18 strömt und in
den Durchlass 16 in der äußeren Deckplatte 4 eintritt,
wird sie in zwei Ströme 22 und 24 aufgeteilt.
Der erste Kühlluftstrom 22 strömt durch
den Zuführungs-Durchlass 34 der
Hinterkante radial nach innen zum Sammelraum 42 und kühlt dabei
einen Teil der Seitenwände 9 und 11 des
Schaufelblattes 6.
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Der
zweite Kühlluftstrom 24 strömt durch
den Zuführungs-Durchlass 32 der
Vorderkante radial nach innen und kühlt den in der Nähe der Vorderkante 8 befindlichen
Teil des Schaufelblattes 6. Der Durchlass 17 in
der inneren Deckplatte leitet dann die Kühlluft 24 vom Durchlass 32 zum
Durchlass 34, wo sie radial nach außen (das heißt, in Richtung
der äußeren Deckplatte 4)
zum Sammelraum 42 strömt.
Im Sammelraum 42 vereinigen sich die Kühlluftströme 22 und 24 und
werden danach durch die Hinterkanten-Kühllöcher 38 in zahlreiche
kleine Ströme
aufgeteilt. Wie in den 2 und 4 am besten zu erkennen ist,
läuft der
Sammelraum in axialer Richtung zur Hinterkante 10 des Schaufelblattes 6 hin
konisch zu. Diese Verjüngung
gewährleistet
die Verringerung der Fläche,
die für
eine gleichmäßige Verteilung
des Stroms zwischen den Kühllöchern 38 erforderlich
ist.
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Ein
Teil 28 des vereinigten Kühlluftstroms 22 und 24 strömt von der
Sammelkammer 42 aus durch die Löcher 38' radial nach außen (das heißt, in Richtung
der äußeren Deckplatte 4)
zum Verteiler 54, wodurch er eine intensive Kühlung des
ungefähr
der oberen Hälfte
entsprechenden Teils des Schaufelblattes 6 in der Nähe der Hinterkante 10,
der sich über
dem Sammelraum 42 befindet, gewährleistet. Im Verteiler 54 werden
die einzelnen Ströme
von Kühlluft 28 gesammelt
und anschließend
mittels des Durchlasses 58 zu den Öffnungen 46 und 47 geleitet, wie
in 3 dargestellt. Durch
die Öffnungen 46 und 47 gelangt
die Kühlluft 28 in
den Ausström-Durchlass 36 und
strömt
radial nach außen zum
Ausströmrohr 14,
wie in 1 dargestellt.
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Ebenso
strömt
ein Teil 26 des vereinigten Kühlluftstroms 22 und 24 von
der Sammelkammer 42 aus durch die Löcher 38'' radial
nach innen zum Verteiler 56, wodurch er eine intensive
Kühlung
des ungefähr
der unteren Hälfte
entsprechenden Teils des Schaufelblattes 6 in der Nähe der Hinterkante 10 unter
dem Sammelraum 42 gewährleistet.
Im Verteiler 56 werden die einzelnen Ströme von Kühlluft 26 gesammelt
und anschließend
mittels des Durchlasses der inneren Deckplatte zu den Öffnungen 44 geleitet, wie
oben im Hinblick auf die äußere Deckplatte 4 erläutert wurde.
Durch die Öffnungen 44 gelangt
die Kühlluft 26 in
den Ausström-Durchlass 36 und
strömt radial
nach außen
zum Ausströmrohr 14,
und sie kühlt
dabei den der mittleren Blatttiefe entsprechenden Teil der Seitenwände 9 und 11 des
Schaufelblattes 6. Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung leitet das Ausströmrohr 14 die
Kühlluft 29 zu einem
Kühler
zwecks Rückführung zur
Turbine.
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Die
vorliegende Erfindung weist gegenüber herkömmlichen Schemata der Kühlung von
Schaufelblättern
zahlreiche Vorteile auf. Erstens besteht aufgrund dessen, dass die
Länge der
Kühlluft-Durchlässe 38 im
Vergleich zu den in Spannweitenrichtung verlaufenden Löchern, die
sich von der inneren Deckplatte bis zur äußeren Deckplatte erstrecken,
eigentlich halbiert wird, eine geringere Gefahr einer Überhitzung
des Kühlmittels,
bei dem es sich um Luft oder Dampf handeln kann, zum Beispiel bis
zu dem Zeitpunkt, zu dem es eine Deckplatte erreicht. Außerdem wird
der Druckabfall entlang der Durchlässe 38 verringert,
wodurch die Verwendung von Löchern 38 mit minimalem
Durchmesser ermöglicht
wird. Löcher
mit kleinem Durchmesser gestatten die Verwendung einer dünnen Hinterkante 10,
welche aerodynamische Vorteile aufweist. Das Schaufelblatt 6 lässt sich
ebenfalls leichter herstellen, da lange Verläufe von Kühllöchern vermieden werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit dem Schaufelblatt
für eine
Leitschaufel in einer Gasturbine erörtert wurde, ist die Erfindung
auch für
andere Arten von Bauteilen anwendbar. Außerdem ist die Erfindung, auch
wenn sie unter Bezugnahme auf ein Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf,
bei dem Druckluft verwendet wird, erörtert wurde, auch auf eher
herkömmliche
Systeme mit geöffnetem
Kreis sowie auf Systeme, bei denen andere Arten von Kühlfluids
wie etwa Dampf verwendet werden, anwendbar.