EP1219780A2 - Prallkühlung eines Bauteils in einer Strömungskraftmaschine - Google Patents

Prallkühlung eines Bauteils in einer Strömungskraftmaschine Download PDF

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EP1219780A2
EP1219780A2 EP01129066A EP01129066A EP1219780A2 EP 1219780 A2 EP1219780 A2 EP 1219780A2 EP 01129066 A EP01129066 A EP 01129066A EP 01129066 A EP01129066 A EP 01129066A EP 1219780 A2 EP1219780 A2 EP 1219780A2
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EP
European Patent Office
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turbine blade
flow
cooled
cooling
flow channel
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EP01129066A
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EP1219780B1 (de
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Bernhard Dr. Prof. Weigand
James P. Downs
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Power NV
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    • 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
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Definitions

  • the invention relates to a device for impingement cooling in one Fluid machine of heat-exposed component with a component to be cooled Wall section, the at least one side at least one impact cooling air flow exposed through a flow channel within a surface element, which is arranged at a distance from the wall section to be cooled, passes through and strikes the wall section to be cooled. Further relates the invention to a related cooling method and a method for Production of a heat-resistant component.
  • Cooling measures have been taken to precisely expose those to the hot gases Cool components, which reduces the thermal load as well as the Component life is to be increased.
  • those components that are supplied with cooling air are targeted Side of the compressor branched off in partial flows and by accordingly provided cooling channels is fed directly to the components to be cooled.
  • the maximum of the so-called external Heat transfer coefficients are typically at those points of the Turbine blade leading edge reached, on which the hot gases meet vertically and thus lead to a maximum accumulation effect on the front edge of the turbine blade. It is precisely these areas that need to be cooled with maximum efficiency in order to ensure that not to exceed material-related temperature limits.
  • a preferred technique for cooling the turbine blade leading edge is based on the targeted supply of cooling air within the turbine blade along in itself Inside the blade cooling channels, the cooling air directly on the The inside of the turbine blade leading edge is passed around the front edge to cool in a convective manner.
  • a turbine blade designed in this way is known, for example, from US Pat. No. 5,603,606 can be seen in the cross section through the Front region of a turbine blade is shown, the cooling air duct 166th having a connecting gap 180 with a front cooling volume 168 is connected, which is directly inside the turbine blade on the Turbine blade leading edge adjoins.
  • the connection channel 180 is on one side of the turbine blade inner wall is limited, which means that in the front Volume of cooling air introduced tangentially the inside of the Turbine blade leading edge overflows. This will make the entire area the turbine blade leading edge is subjected to an internal cooling air flow, however this can just the hot areas described above along the Insufficient cooling of the turbine blade leading edge.
  • FIG Area of a turbine blade 1 shown a cross section through the front is in FIG Area of a turbine blade 1 shown.
  • FIG Area of a turbine blade 1 shown schematically streamlines 2, which on the Turbine blade leading edge 3 should represent hot gases.
  • the turbine blade 1 provides an inner cooling duct 4, which passes through at least one connecting channel 5, which is located in a partition 8, with a front volume 6 is connected, in the same one with the Extending outlet duct 7 connected to the turbine blade top.
  • Cooling air which is supplied at high pressure via the cooling channel 4, passes through the Flow channel 5 in the volume 6 at high speed and hits the Area 3 of the turbine blade leading edge.
  • This is also known as impingement cooling
  • cooling technology can reinforces that area on the turbine blade leading edge that is cooled by the Hot gases are most thermally stressed. Closer examination of the known impingement air flow through the connecting channel in the direction of cooling turbine blade leading edge, however, show that the rectilinear flow channel only an expansion of the cooling jet when Allows leaving the connection channel. This will only cover small areas effectively applied cooling air to the inside of the turbine blade leading edge and the cooling effect is limited to a very restricted area.
  • Another disadvantage of the straight-line connecting channels is that that the emerging cooling jet massively cools a very small area and therefore too strong temperature gradients and caused by it Stress gradient in the material contributes.
  • the invention has for its object a device for impingement cooling in a turbomachine exposed to heat, preferably one Turbine blade, according to the type mentioned above evolve that area of heat-stressed Turbine blade leading edge can be cooled as effectively and optimally as possible that the pursuit of higher combustion chamber temperatures or a reduction the cooling air requirement used can be taken into account accordingly.
  • claim 12 The object underlying the invention is achieved in claim 1 specified.
  • the subject of claim 12 is an inventive method for Impingement cooling.
  • Claim 14 relates to a manufacturing method according to the invention Component according to claim 1.
  • Advantageously further developing the inventive concept Features are the subject of the subclaims and the entire description, in particular with reference to the exemplary embodiments according to drawings, refer to.
  • the device for impingement cooling is one in one Fluid machine of heat-exposed component with a component to be cooled Wall section, the at least one side at least one impact air cooling flow is exposed through a flow channel within a surface element is spaced from the wall section to be cooled, passes through and on strikes the wall section to be cooled, designed such that the Flow channel has an inlet and an outlet opening that the Outlet opening directly faces the wall section to be cooled and that the inlet opening has a flow cross-section that is smaller than that Flow cross section of the outlet opening is.
  • FIG. 1 shows the front area of a turbine blade 1 in Cross-sectional view with a main cooling channel 4, which via a flow channel 5 is connected to a front cooling volume 6, the rest of a Partition 8 is separated from the main cooling duct 4.
  • the front cooling volume 6 has an outlet channel 7, which opens on the surface of the turbine blade 1.
  • the Cooling air supplied through the main cooling duct 4 passes through the at high pressure Flow channel 5 through and meets the flow channel 5 opposite lying inner wall of the turbine blade 1 in the area of Turbine blade leading edge 3.
  • the flow channel 5 is included a flow cross section widening in the flow direction, so that in the form of an impact air cooling flow through the flow channel 5 cooling air passing therethrough emerges divergent from the flow channel 5 and thus applied to a larger area of the turbine blade leading edge 3.
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the geometric design of the Flow channel 5, which is provided within the partition 8, the Main cooling duct 4 separates from the front volume 6.
  • the flow channel 5 has an inlet opening 9 and an outlet opening 10, the inlet opening 9 has a smaller cross section or smaller opening diameter than that Outlet opening 10.
  • the flow channel 5 flared and has straight cut Boundary walls. In principle, however, it is also possible to have a funnel shape to provide curved boundary wall contours. It is essential that the Baffle air cooling flow in the longitudinal direction propagating through the flow channel 5 Flow profile widens divergent after passing through the flow channel in this way the largest possible area of the turbine blade leading edge 3 to be acted upon by impingement air cooling.
  • the opening angle ⁇ shown in FIG. 2 is between the Center axis through the flow channel 5 and from a boundary wall included, values between 2 ° and 9 °.
  • Typical mean diameters for the flow channel 5 are in the range between 0.5 and 7 mm.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the front area of a turbine blade 1 shown, with the main cooling channel 4, the front volume 6 and the Partition 8, in the radial to the turbine blade 1 distributed a large number of individual Flow channels 5 is provided. All individual flow channels 5 are of this type oriented relative to the turbine blade leading edge 3, so that the through the Individual impingement cooling streams passing through flow channels immediately Able to cool the inner wall of the turbine blade leading edge.
  • the conventional casting process which involves training within a mold of the flow channels designed according to the invention are heat-resistant Insert forms are provided which are subsequently removed from the casting, to expose the free flow channels.

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Prallkühlung eines in einer Strömungsmaschine hitzeexponierten Bauteils mit einem zu kühlenden Wandabschnitt, der wenigstens einseitig wenigstens einem Prallluftkühlstrom ausgesetzt ist, der durch einen Strömungskanal innerhalb eines Flächenelementes, das beabstandet gegenüber dem zu kühlenden Wandabschnitt angeordnet ist, hindurchtritt und auf den zu kühlenden Wandabschnitt auftrifft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strömungskanal eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung aufweist, dass die Austrittsöffnung unmittelbar dem zu kühlenden Wandabschnitt zugewandt ist, und dass die Eintrittsöffnung einen Durchströmungsquesrschnitt aufweist, der kleiner als der Durchströmungsquerschnitt der Austrittsöffnung ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Prallkühlung eines in einer Strömungsmaschine hitzeexponierten Bauteils mit einem zu kühlenden Wandabschnitt, der wenigstens einseitig wenigstens einem Prallkühlluftstrom ausgesetzt ist, der durch einen Strömungskanal innerhalb eines Flächenelementes, das beabstandet gegenüber dem zu kühlenden Wandabschnitt angeordnet ist, hindurchtritt und auf den zu kühlenden Wandabschnitt auftrifft. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein diesbezügliches Kühlverfahren sowie ein Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Bauteils.
Stand der Technik
Die mit modernen Gasturbinenanlagen erzielbare maximale Ausgangsleistung sowie der mit diesen Anlagen erzielbare Wirkungsgrad hängt unmittelbar mit den innerhalb der Brennkammer erzielbaren Verbrennungstemperaturen zusammen, bei denen die in der Brennkammer entstehenden Heißgase die stromab vorgesehenen Turbinenstufen durchströmen. Unter rein thermodynamischen Gesichtspunkten könnte der Wirkungsgrad derartiger Strömungskraftmaschinen entscheidend durch eine Erhöhung der innerhalb der Brennkammer erzielbaren Verbrennungstemperaturen gesteigert werden, doch sind diesen Bestrebungen Grenzen gesetzt, die durch die Materialien jener Bauteile bestimmt sind, die mittelbzw. unmittelbar den Heißgasen ausgesetzt sind. So gilt es aus rein materialspezifischen Gesichtspunkten darauf zu achten, die innerhalb von Gasturbinen herrschenden Temperaturen unterhalb der Schmelztemperaturen der jeweilig betroffenen Bauteile zu halten. Um dennoch möglichst hohe Verbrennungstemperaturen erzielen zu können, werden einerseits stets neue, hochtemperaturbeständige Materialien entwickelt, andererseits werden Kühlmaßnahmen getroffen, um eben jene, den Heißgasen unmittelbar ausgesetzten Bauteile zu kühlen, wodurch die thermische Belastung reduziert sowie die Lebensdauer der Bauteile erhöht werden soll.
Aus der Vielzahl der innerhalb einer Gasturbinenanlage zu kühlenden Bauteile sind es gerade die Leit- und Laufschaufeln innerhalb einer der Brennkammer unmittelbar nachgeschalteten Turbinenstufe, die nicht nur den Heißgasen ausgesetzt sind, sondern darüber hinaus auch hohen mechanischen Belastungen standhalten müssen.
Üblicherweise werden eben jene Bauteile gezielt mit Kühlluft beaufschlagt, die von Seiten des Verdichters in Teilströmen abgezweigt und durch entsprechend vorgesehene Kühlkanäle direkt den zu kühlenden Bauteilen zugeleitet wird. Insbesondere gilt es jene Bereiche der Turbinenschaufel wirksam zu kühlen, die einer besonders starken thermischen Belastung ausgesetzt sind. Dies betrifft in erster Linie die Turbinenschaufelvorderkante auf die die Heißgase unmittelbar auftreffen und in diesem Bereich besonders hohe Wärmeübergangszahlen hervorrufen. Das Maximum des sogenannten externen Wärmeübergangskoeffizienten wird typischerweise an jenen Stellen der Turbinenschaufelvorderkante erreicht, auf die die Heißgase senkrecht auftreffen und somit zu einer maximalen Stauwirkung an der Turbinenschaufelvorderkante führen. Gerade jene Stellen gilt es mit höchster Effizienz zu kühlen, um die materialbedingten Temperaturgrenzen nicht zu überschreiten.
Eine bevorzugte Technik zur Kühlung der Turbinenschaufelvorderkante basiert auf der gezielten Kühlluftzufuhr innerhalb der Turbinenschaufel längs von sich im Inneren der Schaufel befindlichen Kühlkanälen, wobei die Kühlluft unmittelbar an der Innenseite der Turbinenschaufelvorderkante vorbeigeleitet wird um die Vorderkante auf konvektive Weise zu kühlen.
Eine derartig ausgebildete Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der US 5,603,606 zu entnehmen, in der gemäß Figur 1 in dieser Druckschrift ein Querschnitt durch den vorderen Bereich einer Turbinenschaufel gezeigt ist, der einen Kühlluftkanal 166 aufweist, der über einen Verbindungsspalt 180 mit einem vorderen Kühlvolumen 168 verbunden ist, das unmittelbar im Inneren der Turbinenschaufel an der Turbinenschaufelvorderkante angrenzt. Der Verbindungskanal 180 ist einseitig von der Turbinenschaufelinnenwand begrenzt, wodurch die in den vorderen Volumenbereich eingeleitete Kühlluft tangential die Innenseite der Turbinenschaufelvorderkante überströmt. Hierdurch wird zwar der gesamte Bereich der Turbinenschaufelvorderkante mit einem inneren Kühlluftstrom beaufschlagt, doch vermag dieser gerade die vorstehend bezeichneten heißen Bereiche entlang der Turbinenschaufelvorderkante nur unzureichend zu kühlen.
Um dem Kontakt und damit verbunden den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlluftstrom und der zu kühlenden Wandoberfläche zu verbessern ist in der DE 32 481 62C2 vorgeschlagen worden, Rippenelemente an der zu kühlenden Wandoberfläche anzubringen, deren Rippenlängsachsen in etwa 45° zur Kühlluftströmungsrichtung orientiert sind. Zwar kann mit der vorstehend beschriebenen Maßnahme der Wärmeübergang zwischen dem Kühlluftstrom und der zu kühlenden Oberfläche verbessert werden, doch überströmt die Kühlluft die zu kühlende Oberfläche lediglich tangential, wodurch besonders heiße Bereiche der Wandoberfläche ebenso nicht in einem ausreichenden Maße gekühlt werden.
Um diesen Nachteil zu beseitigen ist in Figur 4 ein Querschnitt durch den vorderen Bereich einer Turbinenschaufel 1 dargestellt. Zur Verdeutlichung der Hitzeproblematik sind Stromlinien 2 schematisiert eingezeichnet, die die auf die Turbinenschaufelvorderkante 3 auftreffenden Heißgase repräsentieren sollen. Insbesondere in jenem Bereich der Turbinenschaufelvorderkante 3, in dem die Heißgasströmung 2 nahezu senkrecht auf die Turbinenschaufelvorderkante auftrifft, findet eine extrem starke Temperaturerhöhung innerhalb des Materials der Turbinenschaufel statt. Eben diesen Bereich gilt es besonders wirksam zu kühlen. Hierzu sieht die Turbinenschaufel 1 einen inneren Kühlkanal 4 vor, der durch wenigstens einen Verbindungskanal 5, der sich in einer Trennwand 8 befindet, mit einem vorderen Volumen 6 verbunden ist, in das ebenso ein mit der Turbinenschaufeloberseite verbundener Austrittskanal 7 hineinragt.
Kühlluft, die mit hohem Druck über den Kühlkanal 4 zugeführt wird, tritt durch den Strömungskanal 5 in das Volumen 6 mit hoher Geschwindigkeit ein und trifft den Bereich 3 der Turbinenschaufelvorderkante. Diese auch als Prallkühlung bezeichnete Kühltechnik vermag im Unterschied zu den vorstehend genannten Kühltechniken verstärkt jenen Bereich an der Turbinenschaufelvorderkante zu kühlen, der durch die Heißgase am stärksten thermisch belastet wird. Genauere Untersuchungen der an sich bekannten Prallluftströmung, die durch den Verbindungskanal in Richtung der zu kühlenden Turbinenschaufelvorderkante hindurchtritt, zeigen jedoch, dass der geradlinig ausgebildete Strömungskanal erst eine Aufweitung des Kühlstrahls beim Verlassen des Verbindungskanals zulässt. Hierdurch werden nur kleine Flächen an der Innenseite der Turbinenschaufelvorderkante wirksam mit Kühlluft beaufschlagt und die Kühlwirkung beschränkt sich nur auf einen stark eingeschränkten Bereich. Ein weiterer Nachteil der geradlinig ausgebildeten Verbindungskanäle liegt darin, dass der austretende Kühlstrahl sehr massiv einen sehr kleinen Bereich kühlt und deshalb zu sehr starken Temperaturgradienten und dadurch verursachten Spannungsgradienten im Material beiträgt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Prallkühlung eines in einer Strömungsmaschine hitzeexponierten Bauteils, vorzugsweise einer Turbinenschaufel, gemäß der vorstehend genannten Gattung derart weiterzuentwickeln, dass der Bereich der hitzebelasteten Turbinenschaufelvorderkante möglichst effektiv und optimal gekühlt werden kann, so dass dem Bestreben nach höheren Brennkammertemperaturen oder einer Reduktion der verwendeten Kühlluftbedarfs entsprechend Rechnung getragen werden kann.
Ferner wir ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils angegeben.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 12 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Prallkühlung. Anspruch 14 betrifft ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren eines Bauteiles gemäß Anspruch 1. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der gesamten Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele gemäß Zeichnungen, zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Prallkühlung eines in einer Strömungsmaschine hitzeexponierten Bauteils mit einem zu kühlenden Wandabschnitt, der wenigstens einseitig wenigstens einem Prallluftkühlstrom ausgesetzt ist, der durch einen Strömungskanal innerhalb eines Flächenelementes beabstandet gegenüber dem zu kühlenden Wandabschnitt ist, hindurchtritt und auf dem zu kühlenden Wandabschnitt auftrifft, derart ausgebildet, dass der Strömungskanal eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung aufweist, dass die Austrittsöffnung unmittelbar dem zu kühlenden Wandabschnitt zugewandt ist und dass die Eintrittsöffnung einen Strömungsquerschnitt aufweist, der kleiner als der Strömungsquerschnitt der Austrittsöffnung ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist im Unterschied zum Stand der Technik den Strömungskanal derart auszugestalten, dass der durch den Strömungskanal hindurchtretende Kühlstrom nach Durchtritt durch den Strömungskanal stark divergent aufgefächert wird und auf diese Weise einen größeren Bereich der zu kühlenden Turbinenschaufelvorderkante erfasst. Bildet man erfindungsgemäß die Kontur des Strömungskanals mit einem sich in Strömungsrichtung aufweitenden Strömungsquerschnitt aus, so verringern sich zudem die Druckverluste, was wiederum der Kühlwirkung des durch den Strömungskanal hindurchtretenden Kühlluftstromes zugute kommt, zumal die Prallluftkühlströmung innerhalb des Strömungskanals abgebremst wird. Dies ist ebenso der Grund dafür, dass Strömungsverluste, die unmittelbar an der Austrittsöffnung von konventionell ausgebildeten Strömungskanälen auftreten, erheblich reduziert werden können.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann nicht nur die Kühlwirkung im Bereich der Turbinenschaufelvorderkante erheblich verbessert werden, vielmehr trägt der divergent auf die Innenseite der Turbinenschaufelvorderkante auftreffende Prallluftkühlstrom zu einem verbesserten Ausgleich des sich innerhalb der Turbinenschaufelvorderkante ausbildenden Temperaturgradients bei. Dies reduziert auch zugleich die innerhalb der Turbinenschaufel auftretenden mechanischen Spannungen, wodurch nicht zuletzt ein entscheidender Beitrag zur Reduzierung der Materialermüdung geleistet wird. Zusammenfassend kann festgestellt werden , dass die erfindungsgemäße Maßnahme zu einer Homogenisierung der sich entlang der Turbinenschaufeloberfläche durch die innere Kühlung einstellenden Wärmeübergangszahlen beiträgt. Überhitzte Stellen entlang der Turbinenschaufelvorderkante, über der der Staudruck der Heißgase ein Maximum aufweist, können wirkungsvoll vermieden werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
Querschnittsdarstellung durch den vorderen Teil einer Turbinenschaufel mit erfindungsgemäß ausgebildeter Prallluftkühlung,
Fig. 2
Detaildarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Strömungskanals,
Fig. 3
schematisierte Längsschnittdarstellung durch eine Turbinenschaufel, sowie
Fig. 4
Querschnittsdarstellung durch den vorderen Teil einer Turbinenschaufel gemäß Stand der Technik.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt den vorderen Bereich einer Turbinenschaufel 1 in Querschnittsdarstellung mit einem Hauptkühlkanal 4, der über einen Strömungskanal 5 mit einem vorderen Kühlvolumen 6 verbunden ist, das im übrigen von einer Trennwand 8 vom Hauptkühlkanal 4 getrennt ist. Das vordere Kühlvolumen 6 weist einen Austrittskanal 7 auf, der an der Oberfläche der Turbinenschaufel 1 mündet. Die durch den Hauptkühlkanal 4 zugeführte Kühlluft tritt unter hohem Druck durch den Strömungskanal 5 hindurch und trifft auf die dem Strömungskanal 5 gegenüber liegende Innenwand der Turbinenschaufel 1 im Bereich der Turbinenschaufelvorderkante 3 auf. Erfindungsgemäß ist der Strömungskanal 5 mit einem sich in Strömungsrichtung erweiternden Strömungsquerschnitt ausgebildet, so dass die in Form eines Prallluftkühlstromes durch den Strömungskanal 5 hindurchtretende Kühlluft divergent aus dem Strömungskanal 5 austritt und somit einen größeren Bereich der Turbinenschaufelvorderkante 3 beaufschlagt.
Figur 2 zeigt eine Detaildarstellung bezüglich der geometrischen Ausbildung des Strömungskanals 5, der innerhalb der Trennwand 8 vorgesehen ist, die den Hauptkühlkanal 4 vom vorderen Volumen 6 abtrennt. Der Strömungskanal 5 weist eine Eintrittsöffnung 9 sowie eine Austrittsöffnung 10 auf, wobei die Eintrittsöffnung 9 einen geringeren Querschnitt, bzw. kleineren Öffnungsdurchmesser, aufweist als die Austrittsöffnung 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Strömungskanal 5 konisch erweiternd ausgebildet und weist geradlinig geschnittene Begrenzungswände auf. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, trichterförmig gebogene Begrenzungswandkonturen vorzusehen. Wesentlich ist, dass die sich längs durch den Strömungskanal 5 ausbreitende Prallluftkühlströmung im Strömungsprofil nach Durchtritt durch den Strömungskanal divergent aufweitet, um auf diese Weise einen möglichst großen Bereich der Turbinenschaufelvorderkante 3 im Wege der Prallluftkühlung zu beaufschlagen.
Typischerweise weist der in Figur 2 dargestellte Öffnungswinkel α, der zwischen der Mittenachse durch den Strömungskanal 5 und von einer Begrenzungswand eingeschlossen ist, Werte zwischen 2° und 9° auf. Typische mittlere Durchmesser für den Strömungskanal 5 liegen im Bereich zwischen 0.5 und 7 mm.
In Figur 3 ist ein Längsschnitt durch den vorderen Bereich einer Turbinenschaufel 1 dargestellt, mit dem Hauptkühlkanal 4, dem vorderen Volumen 6 sowie der Trennwand 8, in der radial zur Turbinenschaufel 1 verteilt eine Vielzahl einzelner Strömungskanälen 5 vorgesehen ist. Alle einzelnen Strömungskanäle 5 sind derart relativ zur Turbinenschaufelvorderkante 3 orientiert, so dass die durch die Strömungskanäle hindurchtretenden einzelnen Prallluftkühlströme unmittelbar die Innenwand der Turbinenschaufelvorderkante zu kühlen vermögen.
Zur Herstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenschaufel eignet sich das konventionelle Gießverfahren, bei dem innerhalb einer Gussform zur Ausbildung der erfindungsgemäß ausgebildeten Strömungskanäle hitzebeständige Einsatzformen vorgesehen sind, die aus dem Gussteil nachträglich entfernt werden, um die freien Strömungskanäle offenzulegen.
Auf die Beschreibung der Figur 4 werden auf die eingangs beschriebenen Ausführungen verwiesen.
Bezugszeichenliste
1
Turbinenschaufel
2
Heißgasströmung
3
Bereich der Turbinenschaufelvorderkante
4
Kühlkanal, Hauptkühlkanal
5
Strömungskanal
6
vorderes Volumen
7
Austrittskanal
8
Trennwand
9
Eintrittsöffnung
10
Austrittsöffnung

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Prallkühlung eines in einer Strömungsmaschine hitzeexponierten Bauteils (1) mit einem zu kühlenden Wandabschnitt (3), der wenigstens einseitig wenigstens einem Prallluftkühlstrom ausgesetzt ist, der durch einen Strömungskanal (5) innerhalb eines Flächenelementes (8), das beabstandet gegenüber dem zu kühlenden Wandabschnitt (3) angeordnet ist, hindurchtritt und auf den zu kühlenden Wandabschnitt (3) auftrifft,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (5) eine Eintritts- (9) und eine Austrittsöffnung (10) aufweist,
    dass die Austrittsöffnung (10) unmittelbar dem zu kühlenden Wandabschnitt (3) zugewandt ist, und
    dass die Eintrittsöffnung (9) einen Durchströmungsquerschnitt aufweist, der kleiner als der Durchströmungsquerschnitt der Austrittsöffnung (10) ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (5) in Kanallängsrichtung einen in Strömungsrichtung sich monoton erweiternden Querschnitt aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass in einem Längsschnitt durch den Strömungskanal (5) eine Verbindungslinie zwischen einem Punkt der Eintrittsöffnung (9) sowie einem Punkt der Austrittsöffnung (10), wobei beide Punkte in der gleichen Halbebene des Längsschnittes liegen, mit der Strömungskanallängsachse eine Winkel α einschließt, für den gilt: 2° ≤ α ≤ 9°.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine eine Gasturbine und das hitzeexponierte Bauteil eine Turbinenschaufel (1) ist, deren zu kühlender Wandabschnitt die Turbinenschaufelvorderkante (3) ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Turbinenschaufel (1) wenigstens ein sich radialwärts zur Turbinenschaufel erstreckender Kühlkanal (4) vorgesehen ist, der in Richtung Turbinenschaufelvorderkante von einer Trennwand (8) begrenzt ist, dass die Trennwand (8) mit der Turbinenschaufelwand im Bereich der Turbinenschaufelvorderkante (3) ein Volumen (6) einschließt und
    dass die Trennwand (8) das Flächenelement mit wenigstens einem Strömungskanal (5) und die der Trennwand zugewandte Turbinenschaufelwand der zu kühlende Wandabschnitt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (5) eine Kanallängsachse einschließt, die die Turbinenschaufelwand an der Innenseite der Turbinenschaufelvorderkante (3) schneidet.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kanallängsachse die Turbinenschaufelwand an der Innenseite der Turbinenschaufelvorderkante (3) orthogonal schneidet.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass in Radialrichtung innerhalb der Trennwand (8) eine Vielzahl von Strömungskanäle (5) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abströmkanal (7) aus dem von der Trennwand und der Turbinenschaufelwand eingeschlossenen Volumen (6) vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmkanal (7) die Turbinenschaufelwand durchragt.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (9) einen Öffnungsdurchmesser von wenigstens 0.5 mm besitzt.
  12. Verfahren zur Kühlung eines in einer Strömungsmaschine hitzeexponierten Bauteils (1) mit einem zu kühlenden Wandabschnitt (3) mittels Prallkühlung, bei dem der zu kühlende Wandabschnitt (3) wenigstens einseitig mit einem Prallluftkühlstrom beaufschlagt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Prallluftkühlstrom mit einem divergenten Strömungsprofil auf den zu kühlenden Wandabschnitt (3) gerichtet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass Kühlluft durch einen Strömungskanal (5) mit in Strömungsrichtung divergent verlaufenden Strömungsquerschnitt geleitet wird und stromab des Strömungskanals auf den zu kühlenden Wandabschnitt (3) unmittelbar auftrifft.
  14. Verfahren zur Herstellung eines in einer Strömungsmaschine hitzeexponierten Bauteils (1) mit einem mittels Prallkühlung zu kühlenden Wandabschnitt (3), der wenigstens einseitig wenigstens einem Prallluftkühlstrom ausgesetzt ist, der durch einen Strömungskanal (5) innerhalb eines Flächenelementes (8), das beabstandet gegenüber dem zu kühlenden Wandabschnitt (3) angeordnet ist, hindurchtritt und auf den zu kühlenden Wandabschnitt (3) angeordnet ist, hindurchtritt und auf den zu kühlenden Wandabschnitt (3) auftrifft,
    dadurch gekennzeichnet, dass das hitzeexponierte Bauteil (1) mittels einer Gußform im Rahmen eines Gießprozesses hergestellt wird, und
    dass die Gußform an der Stelle des Strömungskanals (5) eine Einsatzform vorsieht, die aus dem Gußteil nachträglich entfernt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzform in Art eines konisch geformten Korkens besteht, die aus dem Gußteil abgetrennt wird, wodurch der Strömungskanal (5) gebildet wird.
EP01129066A 2000-12-22 2001-12-07 Vorrichtung und Verfahren zur Prallkühlung eines Bauteils in einer Strömungskraftmaschine Expired - Lifetime EP1219780B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10064271 2000-12-22
DE10064271A DE10064271A1 (de) 2000-12-22 2000-12-22 Vorrichtung zur Prallkühlung eines in einer Strömungskraftmaschine hitzeexponierten Bauteils sowie Verfahren hierzu

Publications (3)

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