EP0954680A1 - Turbinenschaufel sowie verwendung in einer gasturbinenanlage - Google Patents

Turbinenschaufel sowie verwendung in einer gasturbinenanlage

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EP0954680A1
EP0954680A1 EP97949947A EP97949947A EP0954680A1 EP 0954680 A1 EP0954680 A1 EP 0954680A1 EP 97949947 A EP97949947 A EP 97949947A EP 97949947 A EP97949947 A EP 97949947A EP 0954680 A1 EP0954680 A1 EP 0954680A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
cooling
turbine blade
heat transfer
area
Prior art date
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Application number
EP97949947A
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English (en)
French (fr)
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EP0954680B1 (de
Inventor
Michael Haendler
Michael Scheurlen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0954680A1 publication Critical patent/EP0954680A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0954680B1 publication Critical patent/EP0954680B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade with a wall structure around which a hot gas can flow and which, at least in regions, has an outer wall around which the hot gas can flow, an inner wall and a cooling region arranged between the inner wall and the outer wall for the flow of a cooling fluid.
  • the invention further relates to the use of such a turbine blade in a gas turbine system.
  • a guide vane of a gas turbine with a guide of cooling gas for cooling it is described in US Pat. No. 5,419,039.
  • the guide vane is designed as a casting or composed of two castings. In its interior, it has a supply of cooling air from the compressor of the associated gas turbine system.
  • cast-in cooling pockets which are open on one side are provided.
  • the cooling pockets are arranged on the outside of the wall structure both in the flow direction of the hot gas and perpendicular to the flow direction of the hot gas along the main direction of expansion of the guide vane. Cooling air flows into the cooling bag in each cooling bag from the cooling air supply through a plurality of holes in the wall structure. This is flowed through by the cooling air in the flow direction of the hot gas and enters into the flow of the gap in a gap already formed by the casting of the guide vanes and extending over the entire width of the cooling pocket
  • DE 22 41 192 B2 describes a hollow gas turbine blade with an insert.
  • This insert serves as a partition in the cavity enclosed by the turbine blade.
  • the insert consists of two parts that are spaced apart by spacers.
  • the cavity of the turbine blade is divided by a longitudinal web into an inlet chamber for cooling air and an outlet chamber for cooling air.
  • an intermediate space is formed in the inlet chamber for cooling air, in which spacers, which are also used for heat transfer, are provided which are connected to the blade wall.
  • the two parts of the insert are made impermeable to cooling air in the inlet chamber, so that the two parts form a channel which is only open in the inflow region of the turbine blade to the inlet chamber. Cooling air therefore flows from the inflow region of the turbine blade through the channel formed by the two parts of the insert in the direction of the trailing edge of the turbine blade.
  • the two parts of the insert In the outlet chamber for cooling air, each have a plurality of openings through which cooling air can exit into the outlet chamber. Openings for the exit of cooling air are provided both at the inflow region and at the trailing edge of the turbine blade. Film cooling on the outer surface of the blade wall is achieved through the openings in the inflow region by cooling air emerging.
  • the object of the invention is to provide a turbine blade with a coolable wall structure. Another object is to specify the use of such a turbine blade.
  • the object directed to a turbine blade with a wall structure around which hot gas can flow is achieved by such a turbine blade, which has an inflow region, an outflow region and, in between, has a pressure side and a suction side, and at least in regions, an outer wall around which the hot gas can flow
  • a turbine blade which has an inflow region, an outflow region and, in between, has a pressure side and a suction side, and at least in regions, an outer wall around which the hot gas can flow
  • the cooling area is preferably designed as a cooling chamber which is enclosed by the outer wall and the inner wall.
  • the formation of an enclosed cooling chamber increases the flexibility in the manufacture of the inlet and outlet and gives the possibility of also subsequently changing the inlet and the outlet of cooling fluid, in particular cooling air, in accordance with the requirements of the turbine blade.
  • the outlet is preferably made through one or more holes.
  • These bores or funnel-shaped openings are preferably opposite the main flow direction inclined, in particular by an angle less than 45 °, preferably 20 ° to 30 °.
  • the inclination is preferably selected such that an acute angle of, for example, 45 ° is also formed in relation to a flow of hot gas flowing around the turbine blade. Such an acute angle favors the formation of a cooling film on the surface of the outer wall.
  • the direction of the bores or funnel-shaped openings can also point out of a plane perpendicular to the main axis of the turbine blade at an angle of this type.
  • Effective heating of the cooling fluid in the cooling area over a long distance is made possible by heat transfer elements which are thermally connected to the outer wall and are arranged one behind the other in a main flow direction of the cooling fluid.
  • the thermal connection of the heat transfer elements to the outer wall ensures effective heat transfer from the outer wall to the cooling fluid. This leads to an effective and efficient cooling of the outer wall.
  • the conceptual division of the wall structure into an outer wall and into an inner wall allows the functional properties of the wall structure to be decoupled, with less demands being placed on the mechanical stability on the outer wall than on the inner wall.
  • the inner wall can therefore, since it is not directly exposed to a hot gas flow, be made with a larger wall thickness than the outer wall and essentially takes over the mechanical supporting function for the turbine blade.
  • the outer wall can be designed with a smaller wall thickness, as a result of which it can be cooled particularly effectively via the heat transfer elements.
  • the inner wall is preferably thicker by a factor of about 1.5 or more than the outer wall.
  • the cross section of the cooling area between the inner wall and the outer wall is preferably of a small design to form a high speed of the cooling fluid, and is in particular in the area of the wall thickness of the outer wall. With a slight flowed cross section of the cooling area and a high speed of the cooling fluid thus formed, very high heat transfer coefficients are achieved.
  • the cooling air emerging from the cooling area on the outer wall forms a cooling film on the surface of the outer wall which can be exposed to the hot gas (film cooling).
  • a plurality of heat transfer elements are preferably arranged in a row along a line, the line being inclined relative to the main flow direction, preferably at an angle of 90 °.
  • the main flow direction is preferably essentially perpendicular to a main axis of the turbine blade, along which the turbine blade is directed. In the case of a turbine blade which is used as a guide blade, the main flow direction therefore corresponds to the flow direction of a hot gas flowing around the turbine blade or is just opposite.
  • the heat transfer elements are preferably arranged equally spaced along the line.
  • the heat transfer elements are preferably column-like or platform-like and extend from the outer wall to the inner wall. They can also be firmly connected to the inner wall.
  • the cross section of the heat transfer elements can be adapted to the heat transfer and flow requirements, for example circular, polygonal or in the manner of a flow profile.
  • the heat transfer elements directly adjacent to one another in the main flow direction are preferably offset from one another, in particular by half the distance between two heat transfer elements arranged along the line.
  • the main result of this is that the partial flows of the cooling fluid flowing between two adjacent heat transfer elements along the line come essentially completely into contact with a heat transfer element arranged downstream in the main flow direction for the exchange of thermal energy.
  • the outlet can also be designed as a funnel-shaped opening that widens towards the outer surface of the outer wall. The subsequent introduction of such a funnel-shaped opening can be carried out, for example, by eroding or working out using laser beams.
  • the funnel-shaped opening has a cross section, which can be, for example, circular, rectangular or have another simple geometric shape and, if appropriate, also changes over the diameter of the outer wall. A particularly good film cooling of the outer wall can be achieved through a funnel-shaped opening.
  • the inlet is preferably directed along an axis which is inclined with respect to the outer wall, in particular is perpendicular to the outer wall. Cooling fluid flowing in through the inlet therefore impacts the outer wall, as a result of which additional impingement cooling of the outer wall is achieved, at least in the region of the inlet.
  • the outlet of a cooling area is preferably arranged between the inlet for cooling air and the inflow area of the turbine blade. This ensures a so-called counterflow cooling, in which the cooling fluid within the cooling region is directed against the flow direction of the hot gas flow flowing around the turbine blade. This leads to improved film cooling, in particular in the case of a turbine blade used as a guide blade.
  • the cooling area with counterflow is preferably on the
  • the turbine blade with the wall structure comprising at least one cooling area, which is arranged between an outer wall and an inner wall, can be produced as a whole by casting in one work step.
  • the turbine blade can also contain two or more cast parts, which are firmly connected to one another after casting by suitable methods (joining processes).
  • the inlet is also made by casting.
  • the turbine blade preferably has a plurality of cooling areas both along its main axis and in a plane perpendicular to the main axis.
  • a guide vane of a stationary gas turbine can have three times three cooling chambers both on the suction side and on the pressure side and, depending on the heat transfer to be achieved, also have more or fewer cooling chambers.
  • a geometrically more complex rotor blade preferably has fewer cooling chambers on the suction side and pressure side than a comparable guide blade.
  • the object aimed at using the turbine blade is achieved in that the turbine blade is used as a moving blade or guide blade in a gas turbine installation, in particular in the gas turbine, in which temperatures of well over 1000 ° C. of the hot gas flowing around the turbine blade occur.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the wall structure according to FIG. 1 and 3 shows a section through the wall structure according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a turbine blade 1, a guide blade of a gas turbine, which is directed along a main axis 19.
  • This has a wall structure 2 with an inflow region 8, an outflow region 9 and a pressure side 10 and a suction side 11, which are arranged opposite one another.
  • three hollow cooling areas 5, 5a designed as cooling chambers 20 are provided on both the suction side 11 and the pressure side 10.
  • These cooling areas 5, 5a are arranged in the wall structure 2 between an outer wall 3 and an inner wall 4.
  • a hot gas 18 acts on the outer wall 3.
  • the turbine blade 1 is designed as a hollow blade, so that a cooling air supply 21 enclosed by the inner wall 4 is formed.
  • the cooling areas 5, 5a have a length that is significantly larger, for example 10 times larger than their cross section.
  • the outer wall 3 has a significantly smaller wall thickness than the inner wall 4, for example the wall thickness of the outer wall 3 is 1.0 mm and the wall thickness of the inner wall 4 is 1.5 mm.
  • the cross section of the cooling areas 5, 5a lies in the area of the wall thickness of the outer wall 3 and is, for example, approximately 1.0 mm.
  • a plurality, preferably over five, heat transfer elements 7 are arranged over the length of each cooling region 5, 5a.
  • a respective inlet 15 leads from the cooling air supply 21 into each cooling area 5, 5a, which inlet is preferably designed or cast as a bore or a plurality of bores and is adapted to the required cooling capacity.
  • the inlet 15 is directed along an axis 22 which is substantially perpendicular to the outer wall 3. This results in an additional impact cooling of the outer wall 3 in the area of the inlet 15.
  • a respective outlet 16 leads to the outer surface of the wall structure 2.
  • the outlet 16 is likewise preferably through a bore 17 or more rere bores 17, depending on the cooling performance requirements.
  • the outlet 16 can also be produced, for example, by erosion or machining with a laser beam and can expand in a funnel shape towards the flow of the hot gas 18.
  • the bores 17 are inclined at an acute angle with respect to the direction of flow of the hot gas 18 flowing past the turbine blade 1, as a result of which a cooling air film can form on the outer surface of the wall structure 2 in a particularly favorable manner.
  • the outlet 16 is arranged closer to the inflow region 8 than the inlet 15 assigned to the same cooling chamber 20. As a result, cooling air 6 is guided in counterflow to the flow of the hot gas 18 in the cooling chamber 20.
  • FIG. 2 and FIG. 3 show an enlarged illustration of the wall structure 2 in the area of a cooling chamber 20.
  • Cooling fluid 6, in particular cooling air flows through the cooling chamber 20 along a main flow direction 12.
  • the main flow direction 12 is essentially perpendicular to the main axis 19 of the turbine blade 1.
  • the bores 17 of the outlet 16 can be directed out of a plane perpendicular to the main axis 19.
  • the heat transfer elements 7 are designed as columns with a circular cross section and a diameter d x . They are thermally connected to both the inner wall 4 and the outer wall 3.
  • Several heat transfer elements 7 are each arranged along a line 14 which is perpendicular to the main flow direction 12.
  • a plurality of rows 13a, 13b are provided along the main flow direction 12.
  • the distance d 2 between two adjacent rows 13a, 13b is approximately the same or slightly less than the distance d 3 between adjacent heat transfer elements 7 of a row 13a, 13b.
  • the diameter d x of a heat transfer element 7 is, for example, 1.0 mm
  • the distance d 2 between two rows 13a, 13b is approximately between 1.5 mm and 1.75 mm
  • the distance d 3 between two heat transfer elements 7 is approximately 1.75 mm .
  • the diameter d- L and the distances d 2 , d 3 can vary from line 14 to line 14 vary according to the desired heat transfer.
  • the heat transfer elements 7 of immediately adjacent rows 13a, 13b are offset from one another by approximately half the distance d 3 along the respective line 14.
  • the alternating arrangement of the heat transfer elements 7 thus increases the contact time for heat transfer between the cooling air 6 and the heat transfer element 7 connected to the outer wall 3, so that particularly high heat transfer and thus cooling of the outer wall 3 takes place.
  • the effectiveness of the cooling is further enhanced by the fact that the outer wall 3 is designed with a small wall thickness.
  • the supporting inner wall 4, which is not directly exposed to the hot gas 18, is also cooled.
  • the invention is characterized by a turbine blade with a wall structure in which the cooling function is essentially divided into an outer wall and the supporting function is essentially divided into an inner wall.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) mit einer von einem Heissgas (18) umströmbaren Wandstruktur (2), die zwischen einer Aussenwand (3) und einer Innenwand (4) einen Kühlbereich (5) zur Durchströmung mit einem Kühlfluid (6) aufweist. Jeder Kühlbereich (5) weist von dem Kühlfluid (6) umströmbare Wärmeübertragungselemente (7) auf, die entlang einer Hauptströmungsrichtung (12) hintereinander angeordnet und wärmetechnisch mit der Aussenwand (3) verbunden sind.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel sowie Verwendung in einer Gasturbinenanlage
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einer von einem Heißgas umströmbaren Wandstruktur, die zumindest bereichsweise eine von dem Heißgas umströmbare Außenwand, eine Innenwand und einen zwischen Innenwand und Außenwand angeordneten Kühlbereich zur Durchströmung mit einem Kühlfluid auf- weist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer solchen Turbinenschaufel in einer Gasturbinenanlage.
Eine Leitschaufel einer Gasturbine mit einer Führung von Kühlgas zu deren Kühlung ist in der US-PS 5,419,039 beschrie- ben. Die Leitschaufel ist als ein Gußstück ausgeführt bzw. aus zwei Gußstücken zusammengesetzt. Sie weist in ihrem Inneren eine Zuführung von Kühlluft aus dem Verdichter der zugeordneten Gasturbinenanlage auf. In ihrer der Heißgasströmung der Gasturbine ausgesetzten, die Luftzuführung umschließenden Wandstruktur sind eingegossene einseitig offene Kühltaschen vorgesehen. Die Kühltaschen sind an der Außenseite der Wandstruktur sowohl in Strömungsrichtung des Heißgases als auch senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißgases entlang der Hauptausdehnungsrichtung der Leitschaufel angeordnet. In jede Kühltasche strömt von der KühlluftZuführung über eine Mehrzahl von Löchern in der Wandstruktur Kühlluft in die Kühltasche ein. Diese wird in Strömungsrichtung des Heißgases von der Kühlluft durchströmt und tritt in einem bereits durch das Gießen der Leitschaufeln gebildeten, sich über die gesamte Breite der Kühltasche erstreckenden Spalt in die Strömung des
Heißgases aus. Hierdurch wird in gewissem Maße an der äußeren Oberfläche der Wandstruktur eine Filmkühlung erreicht. In der Kühltasche kann ein nicht näher spezifizierter Sockel oder können mehrere nicht näher spezifizierte Sockel zur Verbesse- rung der Wärmeleitung vorgesehen sein. In der DE 22 41 192 B2 ist eine hohle Gasturbinenschaufel mit einem Einsatz beschrieben. Dieser Einsatz dient als Trennwand in dem durch die Turbinenschaufel umschlossenen Hohlraum. Der Einsatz besteht aus zwei Teilen, die durch Abstandshalter voneinander beabstandet sind. Der Hohlraum der Turbinenschaufel ist durch einen in Längsrichtung verlaufenden Steg in eine Eintrittskammer für Kühlluft und in eine Austrittskammer für Kühlluft unterteilt. Zwischen dem Einsatz und der Schaufelwand ist in der Eintrittskammer für Kühlluft ein Zwischen- räum gebildet, in dem mit der Schaufelwand verbundene Abstandshalter, die auch der Wärmeübertragung dienen, vorgesehen sind. Die beiden Teile des Einsatzes sind in der Ein- trittskammer für Kühlluft undurchlässig ausgeführt, so daß die beiden Teile einen Kanal bilden, der lediglich im An- strömbereich der Turbinenschaufel zu der Eintrittskammer hin geöffnet ist . Kühlluft strömt mithin von dem Anströmbereich der Turbinenschaufel durch den durch die beiden Teile des Einsatzes gebildeten Kanal hindurch in Richtung der Abström- kante der Turbinenschaufel. In der Austrittskammer für Kühl- luft weisen die beiden Teile des Einsatzes jeweils eine Mehrzahl von Öffnungen auf, durch die Kühlluft in die Austrittskammer austreten kann. Sowohl an dem Anströmbereich als auch an der Abströmkante der Turbinenschaufel sind Öffnungen für den Austritt von Kühlluft vorgesehen. Durch die Öffnungen in dem Anströmbereich wird durch austretende Kühlluft eine Filmkühlung an der Außenoberfläche der Schaufelwand erreicht .
In dem Patents Abstracts of Japan, M-1151, August 26, 1991, Vol. 15/Nr. 136, betreffend die Japanische Offenlegungs- Schrift 3-130503A ist ein Verfahren zur Kühlung von Hochtemperatur belasteten Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mittels Wasser beschrieben. Die Gasturbinenschaufel ist als Hohlschaufel ausgebildet und weist in ihrem Inneren eine Zwischenwand auf. Diese Zwischen- wand ist über Kühlrippen mit der Außenwand der Turbinenschaufel verbunden. In dem von der Zwischenwand umschlossenen Innenraum sind Zuführungen vorgesehen, durch die unter Druck stehendes Wasser in den Zwischenraum eingestrahlt werden kann. Das so zerstäubte Wasser kollidiert mit der Zwischenwand und kühlt diese hierdurch. Über die Kühlrippen wird durch eine Kühlung der Zwischenwand auch die Außenwand der Schaufel gekühlt. Sowohl in der Außenwand, als auch in der Zwischenwand sind eine Vielzahl kleiner Löcher vorhanden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel mit einer kühlbaren Wandstruktur anzugeben. Eine weitere Aufgabe be- steht darin, eine Verwendung einer solchen Turbinenschaufel anzugeben.
Erfindungsgemäß sind die auf eine Turbinenschaufel mit einer von Heißgas umströmbaren Wandstruktur gerichtete Aufgabe durch eine solche Turbinenschaufel gelöst, die einen Anström- bereich, einen Abströmbereich und dazwischenliegend, sich gegenüberliegend eine Druckseite sowie eine Saugseite aufweist und zumindest bereichsweise eine von dem Heißgas umströmbare Außenwand, eine Innenwand und einen zwischen Innenwand und Außenwand angeordneten Kühlbereich zur Durchströmung mit einem Kühlfluid aufweist und der Kühlbereich einen der Innenwand zugeordneten Einlaß und einen der Außenwand zugeordneten Auslaß für Kühlfluid aufweist, wobei in dem Kühlbereich von dem Kühlfluid in einer Hauptströmungsrichtung umströmbare Wärmeübertragungselemente hintereinander angeordnet sind, die wärmetechnisch mit der Außenwand verbunden sind.
Der Kühlbereich ist vorzugsweise als Kühlkammer ausgebildet, die von der Außenwand und der Innenwand umschlossen ist. Die Ausbildung einer umschlossenen Kühlkammer erhöht die Flexibilität bei der Herstellung von Einlaß und Auslaß und gibt die Möglichkeit, auch nachträglich den Einlaß sowie den Auslaß von Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, entsprechend den Anforderungen an die Turbinenschaufel zu verändern. Der Auslaß ist hierbei vorzugsweise durch eine Bohrung oder mehrere Bohrungen hergestellt. Diese Bohrungen oder trichterförmigen Öffnungen sind vorzugsweise gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt, insbesondere um einen Winkel kleiner als 45°, vorzugsweise 20° bis 30°. Die Neigung ist vorzugsweise so gewählt, daß gegenüber einer Strömung eines die Turbinenschaufel umströmenden Heißgases ein spitzer Winkel von beispiels- weise ebenfalls 45° gebildet wird. Durch einen solchen spitzen Winkel wird die Ausbildung eines Kühlfilms auf der Oberfläche der Außenwand begünstigt. Die Richtung der Bohrungen oder trichterförmigen Öffnungen kann auch aus einer Ebene senkrecht zur Hauptachse der Turbinenschaufel um einen eben- solchen Winkel heraus weisen.
Durch wärmetechnisch mit der Außenwand verbundene Wärmeübertragungselemente, die in einer Hauptströmungsrichtung des Kühlfluids hintereinander angeordnet sind, ist eine wirksame Erwärmung des Kühlfluids in dem Kühlbereich über eine lange Wegstrecke ermöglicht . Durch die wärmetechnische Verbundenheit der Wärmeübertragungselemente mit der Außenwand ist eine wirksame Wärmeübertragung von der Außenwand auf das Kühlfluid gegeben. Dies führt zu einer effektiven und leistungsfähigen Kühlung der Außenwand. Weiterhin gestattet die konzeptionelle Aufteilung der Wandstruktur in eine Außenwand und in eine Innenwand eine Entkopplung der funktioneilen Eigenschaften der Wandstruktur, wobei an die Außenwand geringere Anforderungen an die mechanische Stabilität gestellt werden können als an die Innenwand. Die Innenwand kann mithin, da sie nicht unmittelbar einer HeißgasStrömung ausgesetzt ist, mit einer größeren Wandstärke als die Außenwand ausgeführt sein und übernimmt im wesentlichen die mechanische Tragfunktion für die Turbinenschaufel. Die Außenwand hingegen kann mit einer ge- ringeren Wandstärke ausgebildet sein, wodurch sie besonders effektiv über die Wärmeübertragungselemente kühlbar ist. Vorzugsweise ist die Innenwand um einen Faktor von etwa 1,5 oder mehr dicker als die Außenwand. Der Querschnitt des Kühlbereichs zwischen der Innenwand und der Außenwand ist Vorzugs- weise zur Ausbildung einer hohen Geschwindigkeit des Kühlfluids gering ausgebildet, und liegt insbesondere im Bereich der Wandstärke der Außenwand. Durch einen geringen durch- strömten Querschnitt des Kühlbereiches und eine damit ausgebildete hohe Geschwindigkeit des Kühlfluids werden sehr hohe Wärmeübergangszahlen erreicht. Darüber hinaus bildet die aus dem Kühlbereich an der Außenwand austretende Kühlluft einen kühlenden Film an der dem Heißgas aussetzbaren Oberfläche der Außenwand (Filmkühlung) .
Vorzugsweise sind mehrere Wärmeübertragungselemente entlang einer Linie in einer Reihe angeordnet, wobei die Linie gegen- über der Hauptströmungsrichtung, vorzugsweise in einem Winkel von 90°, geneigt ist. Die Hauptströmungsrichtung ist mit Vorzug im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptachse der Turbinenschaufel, entlang derer die Turbinenschaufel gerichtet ist. Bei einer Turbinenschaufel, die als Leitschaufel einge- setzt wird, entspricht mithin die Hauptströmungsrichtung der Strömungsrichtung eines die Turbinenschaufel umströmenden Heißgases oder ist dieser gerade entgegengesetzt. Die Wärmeübertragungselemente sind entlang der Linie vorzugsweise gleich beabstandet angeordnet. Die Wärmeübertragungselemente sind vorzugsweise säulenartig oder podestartig ausgebildet und reichen von der Außenwand bis an die Innenwand heran. Sie können auch mit der Innenwand fest verbunden sein. Der Querschnitt der Wärmeübertragungselemente ist jeweils den wärme- übertragungs- und strömungstechnischen Anforderungen anpaß- bar, beispielsweise kreisförmig, vieleckig oder nach Art eines Strömungspro ils ausgebildet .
Die Wärmeübertragungselemente unmittelbar in Hauptströmungsrichtung hintereinander benachbarter Reihen sind vorzugsweise gegeneinander versetzt, insbesondere um den halben Abstand zweier entlang der Linie angeordneter Wärmeübertragungselemente. Hierdurch wird vor allem erreicht, daß die zwischen zwei entlang der Linie benachbarten Wärmeübertragungselemente hindurchströmenden Teilströme des Kühlfluids im wesentlichen vollständig mit einem in Hauptströmungsrichtung nachgeordne- ten Wärmeübertragungselement zum Austausch von Wärmeenergie in Kontakt kommt . Der Auslaß kann auch als eine trichterförmige, sich hin zur Außenoberfläche der Außenwand erweiternde Öffnung ausgebildet sein. Das nachträgliche Einbringen einer solchen trichterför- migen Öffnung ist beispielsweise durch Erodieren oder Herausarbeiten mittels Laserstrahlen durchführbar. Die trichterförmige Öffnung hat einen Querschnitt, welcher beispielsweise kreisrund, rechteckig sein oder eine andere einfach-geometrische Form aufweisen kann und sich gegebenenfalls auch über den Durchmesser der Außenwand ändert. Durch eine sich trichterförmig erweiternde Öffnung ist eine besonders gute Filmkühlung der Außenwand erreichbar.
Der Einlaß ist vorzugsweise entlang einer Achse gerichtet, die gegenüber der Außenwand geneigt ist, insbesondere auf der Außenwand senkrecht steht. Durch den Einlaß einströmendes Kühlfluid prallt mithin auf die Außenwand auf, wodurch eine zusätzliche Prallkühlung der Außenwand zumindest im Bereich des Einlasses erreicht ist.
Der Auslaß eines Kühlbereichs, insbesondere an der Saugseite, ist vorzugsweise zwischen dem Einlaß für Kühlluft und dem An- strömbereich der Turbinenschaufel angeordnet. Dies gewährleistet eine sogenannte Gegenstromkühlung, bei der das Kühlfluid innerhalb des Kühlbereichs entgegen der Strömungsrichtung der die Turbinenschaufel umströmenden Heißgasströmung gerichtet ist . Dies führt insbesondere bei einer als Leitschaufel eingesetzten Turbinenschaufel zu einer verbesserten Filmkühlung.
Der Kühlbereich mit Gegenströmung ist vorzugsweise an der
Saugseite in der Umgebung des Abströmbereichs so angeordnet, daß der zugeordnete Auslaß für Kühlfluid in Bezug auf die Strömung des Heißgases stromauf des Bereichs mit dem niedrigsten Druckniveau des entlang der Saugseite strömenden Heißgases liegt. Dies ist insbesondere aerodynamisch von Vorteil, wobei die Strömung des Heißgases in dem Abströmbereich weitgehend durch austretendes Kühlfluid unbeeinflußt ist. Die Turbinenschaufel mit der Wandstruktur umfassend zumindest einen Kühlbereich, der zwischen einer Außenwand und einer Innenwand angeordnet ist, ist als Ganzes durch Gießen in einem Arbeitsschritt herstellbar. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel auch zwei oder mehrere gegossene Teile enthalten, die mit geeigneten Methoden (Fügeverfahren) nach dem Gießen miteinander fest verbunden werden. Vorzugsweise ist auch der Einlaß durch Gießen hergestellt. Die Turbinenschau- fei weist vorzugsweise eine Vielzahl von Kühlbereichen sowohl entlang ihrer Hauptachse als auch in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse auf. Eine Leitschaufel einer stationären Gasturbine kann sowohl an der Ξaugseite als auch an der Druckseite drei mal drei Kühlkammern sowie je nach zu erzie- lender Wärmeübertragung auch mehr oder weniger Kühlkammern aufweisen. Eine geometrisch komplexer ausgebildete Laufschaufei hat vorzugsweise an Saugseite und Druckseite weniger Kühlkammern als eine vergleichbare Leitschaufel.
Die auf eine Verwendung der Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Turbinenschaufel als Lauf- schaufel oder Leitschaufel in einer Gasturbinenanlage, insbesondere in der Gasturbine, in der Temperaturen von deutlich über 1000 °C des die Turbinenschaufel umströmenden Heißgases auftreten, verwendet wird.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiele wird die Turbinenschaufel näher erläutert. Es zeigen schematisiert unter Darstellung der für die Erläuterung ver- wendeten konstruktiven und funktioneilen Merkmale
FIG 1 eine Leitschaufel einer Gasturbine in einem Querschnitt,
FIG 2 eine vergrößerte Darstellung der Wandstruktur gemäß Figur 1 und FIG 3 einen Schnitt durch die Wandstruktur gemäß Figur 2.
In Figur 1 ist eine entlang einer Hauptachse 19 gerichtete Turbinenschaufel 1, eine Leitschaufel einer Gasturbine, dargestellt. Diese weist eine Wandstruktur 2 auf mit einem Anströmbereich 8, einem Abströmbereich 9 sowie einer Druckseite 10 und einer Saugseite 11, die einander gegenüber angeordnet sind. In die Wandstruktur 2 sind sowohl an der Saugseite 11 als auch an der Druckseite 10 jeweils drei als Kühlkammern 20 ausgebildete hohle Kühlbereiche 5, 5a vorgesehen. Diese Kühlbereiche 5, 5a sind in der Wandstruktur 2 zwischen einer Außenwand 3 und einer Innenwand 4 angeordnet . Die Außenwand 3 ist bei einem Betrieb der nicht dargestellten Gasturbine von einem Heißgas 18 (siehe Figur 2) beaufschlagt. Die Turbinenschaufel 1 ist als Hohlschaufel ausgebildet, so daß eine von der Innenwand 4 umschlossene Kühlluftzuführung 21 gebildet ist. Die Kühlbereiche 5, 5a haben eine Länge, die deutlich größer, beispielsweise 10 mal größer , als ihr Querschnitt ist. Die Außenwand 3 hat eine deutlich geringere Wandstärke als die Innenwand 4, beispielsweise beträgt die Wandstärke der Außenwand 3 1,0 mm und die Wandstärke der Innenwand 4 1,5 mm. Der Querschnitt der Kühlbereiche 5, 5a liegt im Bereich der Wandstärke der Außenwand 3 und beträgt beispiels- weise in etwa 1,0 mm. Über die Länge jedes Kühlbereiches 5, 5a sind eine Mehrzahl, vorzugsweise über fünf, Wärmeübertragungselemente 7 angeordnet. Von der Kühlluftzuführung 21 führt in jeden Kühlbereich 5, 5a ein jeweiliger Einlaß 15 hinein, welcher vorzugsweise als eine Bohrung oder eine Mehr- zahl von Bohrungen ausgebildet oder gegossen und der erforderlichen Kühlleistung angepaßt ist. Der Einlaß 15 ist entlang einer Achse 22 gerichtet, die im wesentlichen senkrecht auf der Außenwand 3 steht. Hierdurch wird eine zusätzliche Prallkühlung der Außenwand 3 im Bereich des Einlasses 15 er- reicht. Von jedem Kühlbereich 5, 5a führt ein jeweiliger Auslaß 16 an die Außenoberfläche der Wandstruktur 2. Der Auslaß 16 ist ebenfalls vorzugsweise durch eine Bohrung 17 oder meh- rere Bohrungen 17, je nach Anforderung an die Kühlleistung, ausgeführt. Der Auslaß 16 kann auch z.B. durch Erodieren oder Bearbeitung mit Laserstrahl hergestellt sein und sich trichterförmig zur Strömung des Heißgases 18 hin erweitern. Die Bohrungen 17 sind gegenüber der Strömungsrichtung des an der Turbinenschaufel 1 vorbeiströmenden Heißgases 18 unter einem spitzen Winkel geneigt, wodurch sich besonders günstig ein Kühlluftfilm an der Außenoberfläche der Wandstruktur 2 ausbilden kann. Insbesondere an der Saugseite 11 ist der Auslaß 16 näher an dem Anströmbereich 8 angeordnet als der der gleichen Kühlkammer 20 zugeordnete Einlaß 15. Hierdurch wird Kühlluft 6 im Gegenstrom zur Strömung des Heißgases 18 in der Kühlkammer 20 geführt.
Figur 2 und Figur 3 zeigen eine vergrößerte Darstellung der Wandstruktur 2 im Bereich einer Kühlkammer 20. Die Kühlkammer 20 wird entlang einer Hauptströmungsrichtung 12 von Kühlfluid 6, insbesondere Kühlluft, durchströmt. Die Hauptströmungsrichtung 12 ist im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse 19 der Turbinenschaufel 1. Die Bohrungen 17 des Auslasses 16 können aus einer Ebene senkrecht zur Hauptachse 19 heraus gerichtet sein. Die Wärmeübertragungselemente 7 sind als Säulen mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser dx ausgeführt. Sie sind wärmetechnisch sowohl mit der Innenwand 4 als auch mit der Außenwand 3 verbunden. Mehrere Wärmeübertra- gungselemente 7 sind jeweils entlang einer Linie 14, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 12 ist, angeordnet. Entlang der Hauptströmungsrichtung 12 sind mehrere Reihen 13a, 13b vorgesehen. Der Abstand d2 zwischen zwei benachbarten Reihen 13a, 13b ist in etwa gleich oder etwas geringer als der Abstand d3 zwischen benachbarten Wärmeübertragungselementen 7 einer Reihe 13a, 13b. Der Durchmesser dx eines Wärmeübertragungselementes 7 beträgt beispielsweise 1,0 mm, der Abstand d2 zweier Reihen 13a, 13b beträgt etwa zwischen 1,5 mm und 1,75 mm und der Abstand d3 zwischen zwei Wärmeübertragungselementen 7 beträgt etwa 1,75 mm. Der Durchmesser d-L sowie die Abstände d2, d3 können von Linie 14 zu Linie 14 variieren, entsprechend der gewünschten Wärmeübertragung. Die Wärmeübertragungselemente 7 unmittelbar benachbarter Reihen 13a, 13b sind entlang der jeweiligen Linie 14 um etwa den halben Abstand d3 voneinander versetzt. Hierdurch wird Kühl- luft 6, die zwischen zwei entlang der Linie 14 benachbarten Wärmeübertragungselementen 7 hindurchströmt, im wesentlichen vollständig in Kontakt mit einem Wärmeübertragungselement 7 der in Strömungsrichtung nachfolgenden Reihe 13 gebracht. Durch die alternierende Anordnung der Wärmeübertragungsele- mente 7 wird somit die Kontaktzeit zur Wärmeübertragung zwischen der Kühlluft 6 und dem mit der Außenwand 3 verbundenen Wärmeübertragungselement 7 erhöht, so daß eine besonders hohe Wärmeübertragung und damit eine Kühlung der Außenwand 3 stattfindet . Die Wirksamkeit der Kühlung wird dadurch noch begünstigt, daß die Außenwand 3 mit einer geringen Wandstärke ausgeführt is . Weiterhin erfolgt auch eine Kühlung der nicht unmittelbar dem Heißgas 18 ausgesetzten tragenden Innenwand 4.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenschaufel mit einer Wandstruktur aus, bei der die Kühlfunktion im wesentlichen auf eine Außenwand und die Tragfunktion im wesentlichen auf eine Innenwand aufgeteilt ist. Durch Ausbildung einer Kühlkammer zwischen Innen- und Außenwand mit geringem Querschnitt und dadurch hoher Strömungsgeschwindigkeit für Kühlluft sowie in der Kühlkammer angeordnete Wärmeübertragungselemente wird eine effektive Kühlung der Außenwand und mithin der gesamten Turbinenschaufel gewährleistet .

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (1) mit einer von einem Heißgas (18) umströmbaren Wandstruktur (2), die einen Anströmbereich (8), einen Abströmbereich (9) und dazwischenliegend sich gegenüberliegend eine Druckseite (10) sowie eine Saugseite (11) aufweist und zumindest bereichsweise eine von dem Heißgas (18) umströmbare Außenwand (3) , eine Innenwand (4) und einen zwischen Innenwand (4) und Außenwand (3) angeordneten Kühlbe- reich (5) zur Durchströmung mit einem Kühlfluid (6) aufweist, und jeder Kühlbereich (5) einen die Innenwand (4) durchdringenden Einlaß (15) und einen die Außenwand (3) durchdringenden Auslaß (16) für Kühlfluid (6) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in dem Kühlbereich (5) von dem Kühlfluid (6) in einer Hauptströmungsrichtung (12) umströmbare Wärmeübertragungselemente (7) hintereinander angeordnet sind, die wärmetechnisch mit der Außenwand (3) verbunden sind und der Kühlbereich (5) als eine von Außenwand (3) und Innenwand (4) umschlossene Kühl- kammer (20) ausgebildet ist.
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaß (16) durch eine Bohrung (17) oder mehrere Bohrungen (17) her- gestellt ist.
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere Wärmeübertragungselemente (7) in einer Reihe (13) entlang ei- ner Linie (14) angeordent sind, wobei die Linie (14) gegenüber der Hauptströmungsrichtung (12) , vorzugsweise um einen Winkel von 90°, geneigt ist.
4. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere Reihen (13) hintereinander angeordnet sind, und die Wärme- Übertragungselemente (7) unmittelbar benachbarter Reihen (13a, 13b) entlang der Linie (14) zueinander versetzt sind.
5. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die
Innenwand (4), insbesondere dicker, z.B. um den Faktor 1,5, als die Außenwand ist .
6. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der
Auslaß (16) einen Querschnitt aufweist, welcher sich von der Kühlkammer (20) zu der von dem Heißgas (18) umströmbaren Oberfläche der Außenwand (3) hin erweitert.
7. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Einlaß (15) entlang einer Achse (22) gerichtet ist, die gegenüber der Außenwand (3) geneigt ist, insbesondere um einen Winkel von etwa 90°.
8. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zumindest bei einem Kühlbereich (5a) der Auslaß (16) zwischen dem Einlaß (15) und dem Anströmbereich (8) angeordnet ist.
9. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kühl- bereich (5a) an der Saugseite (11) in der Umgebung des Abströmbereichs (9) so angeordent ist, daß der Auslaß (16) zwi- sehen einem Bereich mit dem niedrigsten Druckniveau bei Umströmung mit Heißgas (18) und dem Anströmbereich (8) liegt.
10. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Außenwand (3) , Innenwand (4) und Wärmeübertragungselemente (7) durch Gießen in einem Arbeitsschritt hergestellt sind.
11. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Laufschaufei (la) oder eine Leitschaufel (lb) für eine Gasturbine ist.
12. Verwendung einer Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 9 in einer Gasturbinenanlage.
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