EP0954680B1 - Turbinenschaufel sowie verwendung in einer gasturbinenanlage - Google Patents

Turbinenschaufel sowie verwendung in einer gasturbinenanlage Download PDF

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EP0954680B1
EP0954680B1 EP97949947A EP97949947A EP0954680B1 EP 0954680 B1 EP0954680 B1 EP 0954680B1 EP 97949947 A EP97949947 A EP 97949947A EP 97949947 A EP97949947 A EP 97949947A EP 0954680 B1 EP0954680 B1 EP 0954680B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
cooling
turbine blade
region
outlet
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97949947A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0954680A1 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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 one of a hot gas flow around wall structure, at least in some areas an outer wall around which the hot gas can flow, one Inner wall and one arranged between the inner wall and outer wall Has cooling area for the flow of a cooling fluid.
  • the invention further relates to the use of a such a turbine blade in a gas turbine plant.
  • a gas turbine vane with a guide from Cooling gas for cooling them is described in US Pat. No. 5,419,039.
  • the guide vane is designed as a casting or composed of two castings. She points inside a supply of cooling air from the compressor to the assigned Gas turbine plant on. In their the hot gas flow exposed to the gas turbine, enclosing the air supply Wall structure are cast-in cool bags that are open on one side intended.
  • the cooler bags are on the outside of the wall structure both in the flow direction of the hot gas and perpendicular to the direction of flow of the hot gas along the Main direction of expansion of the guide vane arranged. In each Cooling bag flows from the cooling air supply over a plurality of holes in the wall structure cooling air into the cooler bag on.
  • Cooling bag can be a base or unspecified can use several unspecified sockets for improvement the heat conduction can be provided.
  • DE 22 41 192 B2 includes a hollow gas turbine blade described an operation.
  • This insert serves as a partition in the cavity enclosed by the turbine blade.
  • the Insert consists of two parts by spacers are spaced from each other.
  • the cavity of the turbine blade is by a longitudinally extending web in an inlet chamber for cooling air and into an outlet chamber divided for cooling air.
  • the two parts of the insert are in the entry chamber made impermeable to cooling air, so that the two parts form a channel, which is only in the inflow area the turbine blade toward the inlet chamber is open.
  • Cooling air therefore flows from the inflow area the turbine blade through the through the two parts of the Insert formed channel in the direction of the trailing edge the turbine blade.
  • the two parts of the insert each have a plurality from openings, through the cooling air into the outlet chamber can leak. Both at the inflow area as well There are openings for at the trailing edge of the turbine blade the exit of cooling air is provided. Through the openings in the inflow area is cooled by film as cooling air escapes reached on the outer surface of the blade wall.
  • Japanese Patent Application Laid-Open 3-130503A is a process for cooling high temperature loaded components of a gas turbine, in particular a gas turbine blade, described using water.
  • the Gas turbine blade is designed as a hollow blade and has a partition on the inside. This partition is via cooling fins with the outer wall of the turbine blade connected. In the interior enclosed by the partition feeds are provided through which under pressure standing water can be blasted into the gap can. The water atomized in this way collides with the partition and thereby cools them. Over the cooling fins by cooling the partition also the outer wall of the Shovel chilled. Both in the outer wall and in the There are a large number of small holes in the partition.
  • the object of the invention is to provide a turbine blade with a specify coolable wall structure. There is another task in using such a turbine blade specify.
  • a turbine blade with a Task directed by hot gas flow around wall structure solved by such a turbine blade that has an inflow area, an outflow area and in between, opposite each other has a pressure side and a suction side and at least in some areas the hot gas can flow around it Outer wall, an inner wall and one between the inner wall and Outside wall arranged cooling area for flow with a Has cooling fluid and the cooling area one of the inner wall assigned inlet and one assigned to the outer wall Has outlet for cooling fluid, wherein in the cooling area of flow around the cooling fluid in a main flow direction Heat transfer elements are arranged one behind the other are thermally connected to the outer wall.
  • the cooling area is preferably designed as a cooling chamber, which is enclosed by the outer wall and the inner wall.
  • the Forming an enclosed cooling chamber increases flexibility in the manufacture of inlet and outlet and gives the Possibility of retrofitting the inlet and the outlet of cooling fluid, especially cooling air, according to the requirements to change the turbine blade.
  • the outlet is preferably through one or more holes manufactured. These holes or funnel-shaped openings are preferably opposite the main flow direction inclined, in particular by an angle of less than 45 °, preferably 20 ° to 30 °.
  • the inclination is preferably chosen so that against a flow of the turbine blade hot gas flowing around an acute angle of, for example also 45 ° is formed. By such a point Angle is the formation of a cooling film on the surface the outer wall favors.
  • the direction of the holes or funnel-shaped openings can also be from one level perpendicular to the main axis of the turbine blade by the same Point out the angle.
  • the outer wall can be made with a smaller one Wall thickness should be formed, which makes them special can be effectively cooled via the heat transfer elements.
  • the cross section of the cooling area between the inner wall and the outer wall is preferred to form a high speed of the cooling fluid low trained, and is particularly in the area the wall thickness of the outer wall. Through a small flow Cross section of the cooling area and a so formed high speed of the cooling fluid become very high Heat transfer numbers reached. It also trains cooling air exiting the cooling area on the outer wall cooling film on the surface exposed to the hot gas Outer wall (film cooling).
  • a plurality of heat transfer elements are preferably along a line arranged in a row, the line opposite the main flow direction, preferably at an angle of 90 °.
  • the main direction of flow is preferred essentially perpendicular to a main axis of the turbine blade, along which the turbine blade is directed is. With a turbine blade that is used as a guide blade the main flow direction corresponds to the Flow direction of a flowing around the turbine blade Hot gas or is the opposite.
  • the heat transfer elements are preferred along the line equally spaced.
  • the heat transfer elements are preferably column-like or platform-like and extend from the outer wall to the inner wall. she can also be firmly connected to the inner wall.
  • the cross section of the heat transfer elements is in each case the heat transfer and adaptable to fluidic requirements, for example circular, polygonal or in the manner of a Flow profile trained.
  • the heat transfer elements directly in the main flow direction consecutive rows are preferred offset from each other, especially by half the distance two heat transfer elements arranged along the line. This primarily ensures that the between two heat transfer elements adjacent along the line sub-flows of the cooling fluid flowing essentially completely with one downstream in the main flow direction Heat transfer element for exchanging thermal energy comes into contact.
  • the outlet can also function as a funnel-shaped, towards Outer surface of the outer wall expanding opening is formed his.
  • the subsequent introduction of such a funnel-shaped Opening is, for example, by eroding or working out feasible using laser beams.
  • the funnel-shaped Opening has a cross section, which for example be circular, rectangular or some other simple geometric Can have shape and possibly also over changes the diameter of the outer wall. Through a funnel shape widening opening is a particularly good film cooling accessible from the outer wall.
  • the inlet is preferably directed along an axis, which is inclined towards the outer wall, especially on the Outer wall is vertical. Incoming through the inlet Cooling fluid therefore strikes the outer wall, causing a additional impingement cooling of the outer wall at least in the area of the inlet is reached.
  • the outlet of a cooling area is preferably between the inlet for cooling air and the inflow area the turbine blade arranged. This ensures a so-called counterflow cooling, in which the cooling fluid inside the cooling area against the flow direction of the the hot gas flow flowing around the turbine blade is. This leads in particular to one used as a guide vane Turbine blade for improved film cooling.
  • the cooling area with counterflow is preferably on the Suction side in the vicinity of the outflow area arranged so that the associated outlet for cooling fluid with respect to the Hot gas flow upstream of the lowest area Pressure level of the flowing along the suction side Hot gas lies. This is particularly advantageous aerodynamically, the flow of hot gas in the outflow area is largely unaffected by escaping cooling fluid.
  • a cooling area between an outer wall and an inner wall is arranged as a whole by casting in one Work step can be produced.
  • the turbine blade also contain two or more cast parts, using suitable methods (joining processes) according to Pouring be firmly connected.
  • the inlet is made by casting.
  • the turbine blade preferably has a variety of cooling areas both along their major axis as well as in a plane perpendicular to the main axis.
  • a stationary guide vane Gas turbine can be on the suction side as well as on the Pressure side three times three cooling chambers and depending on what can be achieved Heat transfer also more or less cooling chambers exhibit.
  • a geometrically complex blade preferably has less on the suction side and pressure side Cooling chambers as a comparable guide vane.
  • the task aimed at using the turbine blade is solved in that the turbine blade as a moving blade or guide vane in a gas turbine plant, in particular in the gas turbine, in the temperatures of clearly over 1000 ° C of the hot gas flowing around the turbine blade occur is used.
  • Turbine blade 1 a guide blade of a gas turbine, is shown.
  • This has a wall structure 2 with an inflow area 8, an outflow area 9 and a pressure side 10 and a suction side 11, which are arranged opposite each other are.
  • In the wall structure 2 are both on the suction side 11 as well as three on the pressure side 10 each as cooling chambers 20 formed hollow cooling areas 5, 5a are provided.
  • This Cooling areas 5, 5a are in the wall structure 2 between one Outer wall 3 and an inner wall 4 arranged.
  • the outer wall 3 is in operation of the gas turbine, not shown, of a hot gas 18 (see Figure 2).
  • the turbine blade 1 is designed as a hollow blade, so that one of the inner wall 4 enclosed cooling air supply 21 is formed is.
  • the cooling areas 5, 5a have a length that is clear larger, for example 10 times larger than their cross section is.
  • the outer wall 3 has a significantly smaller wall thickness than the inner wall 4, for example the wall thickness is the outer wall 3 1.0 mm and the wall thickness of the inner wall 4 1.5 mm.
  • the cross section of the cooling areas 5, 5a lies in the area the wall thickness of the outer wall 3 and is, for example in about 1.0 mm.
  • Over the length of each cooling area 5, 5a are a plurality, preferably over five, heat transfer elements 7 arranged. From the cooling air supply 21 leads into each cooling area 5, 5a, a respective inlet 15 into, which is preferably as a bore or a plurality formed from holes or cast and the required Cooling capacity is adjusted.
  • the inlet 15 is along directed an axis 22 which is substantially perpendicular stands on the outer wall 3. This will create an additional one Impact cooling of the outer wall 3 is achieved in the area of the inlet 15.
  • a respective outlet leads from each cooling area 5, 5a 16 to the outer surface of the wall structure 2.
  • the outlet 16 is also preferably through a bore 17 or more Bores 17, depending on the cooling capacity requirement; executed.
  • the outlet 16 can also e.g. by eroding or Machining with a laser beam and be funnel-shaped expand towards the flow of hot gas 18.
  • the Bores 17 are opposite to the flow direction of the Turbine blade 1 hot gas 18 flowing past under a acute angle inclined, which is particularly favorable Form cooling air film on the outer surface of wall structure 2 can.
  • the outlet is in particular on the suction side 11 16 arranged closer to the inflow area 8 than that of the same Cooling chamber 20 assigned inlet 15. This will Cooling air 6 in counterflow to the flow of hot gas 18 in the Cooling chamber 20 out.
  • FIG. 2 and FIG. 3 show an enlarged representation of the wall structure 2 in the area of a cooling chamber 20.
  • the cooling chamber 20 is flowed through by cooling fluid 6, in particular cooling air, 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 1 . 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 1 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 1 and the distances d 2 , d 3 can vary from line 14 to line 14, according to the desired heat transfer.
  • the heat transfer elements 7 of immediately adjacent rows 13a, 13b are offset from one another along the respective line 14 by approximately half the distance d 3 .
  • 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 a wall structure in which the cooling function essentially on an outer wall and the supporting function essentially is divided on an inner wall.

Landscapes

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

Description

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 aufweist. 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 beschrieben. 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 Verbesserung 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 Zwischenraum gebildet, in dem mit der Schaufelwand verbundene Abstandshalter, die auch der Wärmeübertragung dienen, vorgesehen sind. Die beiden Teile des Einsatzes sind in der Eintrittskammer für Kühlluft undurchlässig ausgeführt, so daß die beiden Teile einen Kanal bilden, der lediglich im Anströmbereich 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 Abströmkante der Turbinenschaufel. In der Austrittskammer für Kühlluft 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 Offenlegungsschrift 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 Zwischenwand 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 besteht 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 Anströmbereich, 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 beispielsweise 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 ebensolchen 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 funktionellen 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 geringeren 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 vorzugsweise zur Ausbildung einer hohen Geschwindigkeit des Kühlfluids gering ausgebildet, und liegt insbesondere im Bereich der Wandstärke der Außenwand. Durch einen geringen durchströmten 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 gegenüber 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 eingesetzt 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 wärmeübertragungs- und strömungstechnischen Anforderungen anpaßbar, beispielsweise kreisförmig, vieleckig oder nach Art eines Strömungsprofils 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 nachgeordneten 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 trichterförmigen 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 Anströmbereich 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 Turbinenschaufel 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 Saugseite als auch an der Druckseite drei mal drei Kühlkammern sowie je nach zu erzielender Wärmeübertragung auch mehr oder weniger Kühlkammern aufweisen. Eine geometrisch komplexer ausgebildete Laufschaufel 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 Laufschaufel 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 Ausführungsbeispiele wird die Turbinenschaufel näher erläutert. Es zeigen schematisiert unter Darstellung der für die Erläuterung verwendeten konstruktiven und funktionellen 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 beispielsweise 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 Mehrzahl 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 erreicht. 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 mehrere 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 d1 ausgeführt. Sie sind wärmetechnisch sowohl mit der Innenwand 4 als auch mit der Außenwand 3 verbunden. Mehrere Wärmeübertragungselemente 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 d1 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 d1 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 Kühlluft 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 Wärmeübertragungselemente 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 ist. 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 (12)

  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 Kühlbereich (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,
       dadurch gekennzeichnet,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 Kühlkammer (20) ausgebildet ist.
  2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (16) durch eine Bohrung (17) oder mehrere Bohrungen (17) hergestellt ist.
  3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeubertragungselemente (7) in einer Reihe (13) entlang einer 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,
    dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reihen (13) zueinander parallel angeordnet sind, und die Wärmeübertragungselemente (7) unmittelbar benachbarter Reihen (13a, 13b) entlang der Linie (14) zueinander versetzt sind.
  5. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (4), insbesondere dicker, z.B. um den Faktor 1,5, als die Außenwand ist.
  6. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, 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,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlbereich (5a) an der Saugseite (11) in der Umgebung des Abströmbereichs (9) so angeordent ist, daß der Auslaß (16) zwischen einem Bereich mit dem niedrigsten Druckniveau bei Umströmung mit Heißgas (18) und dem Anströmbereich (8) liegt.
  10. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 Laufschaufel oder eine Leitschaufel für eine Gasturbine ist.
  12. Verwendung einer Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 9 in einer Gasturbinenanlage.
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