EP1557533A1

EP1557533A1 - Kühlung einer Turbinenschaufel mit einem Doppelboden zwischen Schaufelblatt und Schaufelspitze

Info

Publication number: EP1557533A1
Application number: EP04001468A
Authority: EP
Inventors: Stefan Dr. Baldauf; Hans-Thomas Dr. Bolms; Michael HÄNDLER; Christian Lerner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: DE502004006484D1; EP1557533B1

Abstract

Zur effizienteren Kühlung einer Schaufelspitze (35, 85) ist bei einer Turbinenschaufel (31, 71) mit einem zum Turbinenschaufelende (29) hin, entlang einer Schaufelachse (11) in Form eines Hohlprofils angeordneten Schaufelblatt (33, 73) und mit einer Schaufelspitze (35, 85) in Form eines Hohlprofils, vorgesehen, dass das Schaufelblatt (33, 73) an seiner dem Turbinenschaufelende (29) zugewandten Seite eine im Hohlprofil quer zur Schaufelachse (11) verlaufende erste Wand (41, 79) aufweist und die Schaufelspitze (35, 85) an ihrer von dem Turbinenschaufelende (29) abgewandten Seite eine im Hohlprofil quer zur Schaufelachse verlaufende zweite Wand (43, 83) aufweist, wobei sich die erste Wand (41, 79) und die zweite Wand (43, 83) unter Bildung eines kühlungstechnische Mittel tragenden Doppelbodens (45) gegenüberliegen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem zur Spitze der Turbinenschaufel hin, entlang einer Schaufelachse, in Form eines Hohlprofils angeordneten Schaufelblatt und mit einer Schaufelspitze in Form eines Hohlprofils. Die Erfindung betrifft auch eine Gasturbine mit einem entlang einer Achse der Gasturbine sich erstreckenden Strömungskanal mit ringförmigem Querschnitt zur Beaufschlagung mit einem Arbeitsfluid und einer Anzahl von entlang der Achse angeordneten Schaufelstufen, wobei eine Schaufelstufe eine Anzahl von ringförmig angeordneten sich radial in den Strömungskanal erstreckende Turbinenschaufeln aufweist, die mit einem Kühlfluid beaufschlagbar sind.

Bei einer Gasturbine obiger Art treten im Strömungskanal Temperaturen auf, die im Bereich zwischen 1000°C und 1400°C liegen können, wenn dieser mit einem Arbeitsfluid in Form von Heißgas beaufschlagt wird. Turbinenschaufeln, die zur Aufnahme der kinetischen Energie des Arbeitsfluids demselben ausgesetzt sind, sind im Hinblick auf derartige Belastungen auszulegen. Eine Turbinenschaufel kann in Form einer sich mit einem Rotor und an dem Rotor befestigten Laufschaufel ausgebildet sein. Weiters kann eine Turbinenschaufel in Form einer am Gehäuse einer Turbine fest angebrachten Leitschaufel ausgebildet sein. Gleichermaßen ist bei beiden Schaufelarten insbesondere die Spitze der Turbinenschaufel hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Bei einer Laufschaufel tritt zudem die durch die Rotationsbewegung auftretende hohe mechanische Belastung hinzu.

Die äußere Formgebung der Schaufelspitze ist primär durch eine aerodynamische Aufgabenstellung bestimmt. Weiterhin spielen bei der Formgebung fertigungstechnische Gründe eine wesentliche Rolle. Daneben ist für die weitere Ausgestaltung einer Turbinenschaufel, und dabei insbesondere der Schaufelspitze, infolge der hohen thermischen Belastungen eine kühlungstechnische Auslegung relevant. Um nämlich hohe Standzeiten zu erreichen, muss die Spitze gekühlt werden. Ohne Kühlung der Schaufelspitze würde diese rasch oxidieren. Die Lebensdauer-Anforderungen an Leitschaufeln, und insbesondere an Laufschaufeln, werden dennoch immer größer. Das heißt die Bauteiltemperatur muss durch den Einsatz von einem Kühlfluid innerhalb gut vertretbarer Grenzen gehalten werden. Darüber hinaus sollte bei der kühlungstechnischen Auslegung einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Laufschaufel, bei der insbesondere die Auslegung der Schaufelspitze relevant ist, der Einsatz von Kühlfluid effizient gestaltet werden, um den Gesamtwirkungsgrad und die Leistung einer Gasturbine zu steigern.

Zur Kühlung einer Turbinenschaufel und insbesondere einer Turbinenschaufelspitze sind eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen worden. Die US 4,519,745 sieht zur Kühlung eines Schaufelblatts in Form eines Hohlprofils eine geriffelte Aufteilung der Innenwand des Hohlprofils vor. Zur Kühlung einer Schaufelspitze ist eine Vielzahl von Kanälen und eine Aussparung in einer Lageraufnahmefläche für die Schaufelspitze vorgesehen, so dass die Schaufelspitze von außen mit einem über die Kanäle und die Aussparung transportierten Kühlfluid gekühlt werden kann.

Die DE 198 131 73 A1 offenbart eine gekühlte Laufschaufel einer Gasturbine, dessen Schaufelblatt im Hohlprofil eine Vielzahl von Stegen trägt, welche als Verwirbelungseinrichtungen dienen. Ein Schirmblech oder Deck- oder Schaufelversteifungsband ist des Weiteren am Ende der Laufschaufel angeordnet. Eine Kühlluftöffnung und ein Kühlluftauslass stehen mit dem Hohlprofil um dieses Deckband herum in Verbindung. Des Weiteren ist das Deckband verformt und weist einen schmalen mittleren Abschnitt auf, so dass dieses Deckband leichtgewichtig gemacht wird. In ähnlicher Weise sind viele Deckband-Kühlluftöffnungen parallel zueinander derart ausgebildet, dass eine Gestalt vorgesehen wird, mittels derer die Kühlluft von dem Kühlluftauslass nach außen abgelassen werden kann.

Es ist auch bekannt eine Laufschaufelspitze dadurch intensiv zu kühlen, dass Bohrungen im Hohlprofil der Schaufelspitze selbst vorgesehen sind, um eine Schaufelspitze im Rahmen einer Filmkühlung zu kühlen. Dabei wird ein Kühlfluid aus den Bohrungen getrieben und legt sich in Form eines Films kühlend auf die Außenoberfläche des Hohlprofils. Bei den oben genannten Turbinenschaufeln besteht das Problem, dass einerseits die Kühlung einer Schaufelspitze noch effizienter gestaltet werden kann, aber zum anderen die kühlungstechnische Auslegung einer Schaufelspitze im Vergleich zum Schaufelblatt zu komplex ist, als dass sie fertigungstechnisch vorteilhaft hergestellt werden könnte.

Wünschenswert wäre, zur Steigerung der Leistung und des Gesamtwirkungsgrads einer Gasturbine, eine Turbinenschaufel, bei der ein Einsatz von Kühlmedium möglichst effizient gestaltet werden kann und die sich zudem leichter herstellen lässt.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Turbinenschaufel und eine Gasturbine mit einer Turbinenschaufel anzugeben, bei der eine verbesserte Kühlung der Schaufelspitze vorgesehen ist.

Betreffend die Turbinenschaufel wird die Aufgabe durch die Erfindung mittels der eingangs genannten Turbinenschaufel gelöst, bei der erfindungsgemäß das Schaufelblatt an seiner dem Turbinenschaufelende zugewandten Seite eine im Hohlprofil quer zur Schaufelachse verlaufende erste Wand aufweist und die Schaufelspitze an ihrer von dem Turbinenschaufelende abgewandten Seite eine im Hohlprofil quer zur Schaufelachse verlaufenden zweite Wand aufweist, wobei sich die erste Wand und die zweite Wand unter Bildung eines kühlungstechnische Mittel tragenden Doppelbodens gegenüberliegen.

Die kühlungstechnischen Mittel sind insbesondere zur Kühlung der Schaufelspitze vorgesehen und stellen Maßnahmen dar, die einen verbesserten Wärmeübergang zwischen Schaufel und Kühlmedium unterstützen. Die wesentliche Erkenntnis der Erfindung liegt darin, dass der durch die erste und die zweite Wand gebildete Doppelboden besonders effektiv zur Anbringung von kühlungstechnischen Mitteln als den Wärmeübergang verbessernde Maßnahme geeignet ist und damit zu einer besonders effizienten Kühlung der Schaufelspitze genutzt werden kann. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Geometrie eines Doppelbodens eine besonders geeignete Grundlage für ein kühlungstechnisches Mittel ist. Dabei kommen unterschiedliche Arten von kühlungstechnischen Mitteln in Frage, die allesamt im Rahmen der Geometrie des genannten Doppelbodens sehr effektiv auslegbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an die Turbinenschaufel hinsichtlich der Kühlung der Schaufelspitze mit einer ganzen Reihe von weiteren Vorteilen gegenüber bisher üblichen Maßnahmen auszugestalten. Vorteilhaft handelt es sich bei der ersten und/oder der zweiten Wand um eine Wand, die sich über den gesamten Querschnitt des Hohlprofils im Innenraum des Hohlprofils quer zur Schaufelachse erstreckt, vorzugsweise senkrecht zur Schaufelachse, also horizontal. Der gemäß dem Konzept der Erfindung gebildete und kühlungstechnische Mittel tragende Doppelboden sieht also die Bildung eines Hohlraums zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand vor.

Zweckmäßigerweise ist das kühlungstechnische Mittel ein Mittel aus der Gruppe bestehend aus: Turbulatormittel, Prallkühlmittel und Filmkühlmittel. D.h. zweckmäßig kommen zur Steigerung der Kühlungseffizienz das Prinzip der Turbulatoren, Prallkühlung und Filmkühlung oder andere Maßnahmen zur Erhöhung der Kühlwirkung des eingesetzten Kühlmediums oder zur Absenkung der äußeren Heißgastemperatur einzeln oder in Kombination zur Anwendung.

Vorteilhafterweise trägt zur Bildung des Turbulatormittels die erste Wand und/oder die zweite Wand eine Anzahl von Verwirbelungselementen. Solche Verwirbelungselemente dienen zur Verwirbelung eines Kühlfluids, wenn die Turbinenschaufel mit einem Kühlfluid beaufschlagt wird. Dazu ist insbesondere die Verwirbelung des Kühlfluids zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand, also im oben genannten Hohlraum, zweckmäßig. Geeigneterweise dient dazu eine Anordnung von Nippeln, Dimpeln oder anderen geeigneten Anformungen, z.B. Stege u.a., an dem Hohlprofil oder den Wänden. Weitere Verwirbelungselemente haben zudem eine vorteilhafte Wirkung hinsichtlich der Wärmeableitung von der Schaufelspitze, wie z.B. eine geeignete Anordnung von Rippen oder Fugen.

Zweckmäßigerweise trägt zur Bildung eines Prallkühlmittels die erste Wand eine Anzahl von Prallkühlöffnungen, die es erlauben bei Beaufschlagung der Turbinenschaufel mit Kühlfluid, das Kühlfluid auf die zweite Wand prallen zu lassen. Dazu wird ein Kühlfluid vom Schaufelblatt her zur Schaufelspitze zunächst durch die erste Wand und dann ggf. zusätzlich durch die zweite Wand geleitet. Eine Prallkühlöffnung in der ersten Wand zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie in einem Winkel im Bereich von etwa 0° gemessen zur Schaufelachse, also senkrecht zur zweiten Wand, angeordnet ist. Eine angemessene räumliche Nähe der zweiten Wand zur ersten Wand führen dazu, dass ein durch die Prallkühlöffnungen mit geeignetem Druck tretendes Kühlfluid auf die zweite Wand prallt und diese sowie die Schaufelspitze besonders effizient im Rahmen der Prallkühlung kühlt. Diese Maßnahme kann insbesondere durch eine Anordnung von Verwirbelungselementen obiger Art an der zweiten Wand noch effektiver gestaltet werden.

Zweckmäßigerweise trägt zur Bildung eines Filmkühlmittels die zweite Wand und/oder das Hohlprofil der Schaufelspitze eine Anzahl von Filmkühlöffnungen, die es erlauben bei Beaufschlagung der Turbinenschaufel mit Kühlfluid einen Film aus Kühlfluid auf der Wandstruktur der Schaufelspitze zu erzeugen. Insbesondere führen solche Filmkühlöffnungen also in Richtung des Turbinenschaufelendes schräg von innen nach außen und leiten Kühlfluid auf die Innenwand und/oder Außenwand der Schaufelspitze. Eine Filmkühlöffnung ist also im Wesentlichen in einem Winkel von ≤ 90° und deutlich größer als 0° gemessen zur Schaufelachse in der zweiten Wand angeordnet. Darüber hinaus können Filmkühlöffnungen zur Kühlung des Schaufelblattes ggf. auch an der ersten Wand, vorgesehen sein. Weitere Maßnahmen können durch weitere Kühlöffnungen oder Kühlkanäle realisiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Wandstruktur der Schaufelspitze eine höhere Porosität und/oder eine geringere Wandstärke aufweisen als die Wandstruktur des Schaufelblatts. Dies betrifft vor allem auch die äußeren Wände der Schaufelspitze und des Schaufelblatts. Dies hat den Vorteil, dass die zu kühlende Masse einer Schaufelspitze möglichst gering gehalten ist. Weiterhin ist es möglich das Schaufelblatt und die Schaufelspitze aus unterschiedlichen Materialien herzustellen, um besondere Vorteile wie z.B. geringes Gewicht oder hohe Wärmeleitfähigkeit der Schaufelspitze oder z.B. hohe Festigkeit des Schaufelblatts gleichzeitig realisieren zu können.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat es sich im Rahmen des oben erläuterten Konzepts als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Schaufelblatt und die Schaufelspitze, im Rahmen des Herstellungsverfahrens, getrennt, z.B. in einem Gussverfahren, hergestellt wird. Auf diese Weise ist es nämlich besonders einfach möglich den oben genannten Doppelboden und den damit für kühlungstechnische Maßnahmen zur Verfügung stehenden Hohlraum herzustellen.

Gusstechnisch stellt die Bildung einer solchen Geometrie üblicherweise ein Problem dar, wenn die Turbinenschaufel im Ganzen hätte gegossen werden müssen. Die Anordnung der obigen Hohlräume und der genannten kühlungstechnischen Mittel lässt sich besonders einfach durch die getrennte Herstellung von Schaufelblatt und Schaufelspitze bewirken.

Im Rahmen oben genannter besonders bevorzugter Weiterbildung erweist es sich darüber hinaus als besonders vorteilhaft, dass die zweite Wand ein Verschlussmittel für eine Kernhaltebohrung in der ersten Wand aufweist. Bei einem getrennten Gießvorgang für das Schaufelblatt und die Schaufelspitze wäre im Rahmen des Gussverfahrens für das Schaufelblatt zweckmäßigerweise in der ersten Wand eine Haltebohrung für das Schaufelblatt, auch als Kernhaltebohrung bezeichnet, vorzusehen. Bei einer getrennt gegossenen Schaufelspitze kann zweckmäßigerweise die zweite Wand einen Stopfen oder ein anderes Verschlussmittel für die Kernhaltebohrung tragen, so dass in einem zusammengesetzten Zustand von Schaufelblatt und Schaufelspitze das Verschlussmittel an der zweiten Wand die Kernhaltebohrung in der ersten Wand verschließt.

Des Weiteren hat es sich im Rahmen der obigen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung auch als vorteilhaft erwiesen, dass das Schaufelblatt und die Schaufelspitze aus unterschiedlichen Materialien gegossen sind. Insbesondere ist das Schaufelblatt aus einem hochfesten Material gegossen. Insbesondere ist die Schaufelspitze aus einem hochwärmeleitenden Material gegossen. Diese Art der Ausbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass das Schaufelblatt vor allem hinsichtlich mechanischer Anforderungen, vor allem aufgrund der rotatorischen Belastung einer Laufschaufel ausgelegt werden sollte. Dagegen ist vor allem die Schaufelspitze hinsichtlich kühlungstechnischer Maßnahmen aufgrund der gegenüber einem Schaufelblatt höheren thermischen Belastung auszulegen.

Vorteilhaft ist die Schaufelspitze an das Schaufelblatt im Rahmen eines Fügeverfahrens angelötet und/oder angeschweißt. Eine mechanische Verbindung ist auch zusätzlich oder alternativ möglich.

Die Erfindung führt auch auf eine Gasturbine eingangs genannter Art, bei der die Turbinenschaufeln nach oben erläuterter Art ausgebildet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

FIG 1 eine schematisierte Darstellung einer mit Kühlfluid beaufschlagten Laufschaufel an einem Rotor einer Gasturbine,

FIG 2 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Laufschaufel mit einem Schaufelblatt und einer Schaufelspitze gemäß dem erläuterten Konzept,

FIG 3 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Laufschaufel mit einem Schaufelblatt und einer Schaufelspitze gemäß oben erläutertem Konzept.

Figur 1 zeigt eine an einem Rotor 3 einer nicht näher dargestellten Gasturbine befestigte Laufschaufel 1. Die Laufschaufel 1 ist dabei eine von einer Anzahl von ringförmig angeordneten, sich radial in einen Strömungskanal 5 der Gasturbine erstreckenden Turbinenschaufeln, die in ihrer Gesamtheit eine Schaufelstufe bilden, die sich in den ringförmigen Querschnitt des Strömungskanals 5 erstreckt. Eine Vielzahl solcher ringförmigen Schaufelstufen ist dabei ebenso wie der Strömungskanal entlang einer Achse 7 der nicht näher dargestellten Gasturbine angeordnet. Der Strömungskanal 5 wird mit einem Arbeitsfluid 9 in Form eines Heißgasgemisches beaufschlagt, das sich unter Antrieb der Laufschaufel 1 entspannt und damit seine kinetische Energie unter Drehung des Rotors zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Generators abgibt.

Die Laufschaufel 1 weist zum Turbinenschaufelende 29 hin, entlang ihrer Schaufelachse 11 nacheinander angeordnet einen Plattformbereich 13, ein in Form eines Hohlprofils angeordnetes Schaufelblatt 15 und eine in Form eines Hohlprofils angeordnete Schaufelspitze 17 auf. Der Plattformbereich 13 umfasst dabei eine Schaufelplattform zur Begrenzung des Strömungskanals 5 und einen Schaufelfuß, die im Einzelnen nicht dargestellt sind. Die Laufschaufel 1 ist wie vorliegend schematisch angedeutet, über ein Kanalsystem 19 mit einem Kühlfluid 21 beaufschlagbar. Das Kühlsystem 19 verfügt dabei auch über geeignete Dosierungsmittel 23, die die Zuführung 25 des Kühlfluids 21 in die Laufschaufel regeln können und die hier nur schematisch mit den Bezugszeichen 23 angedeutet sind.

Die Kühlung der Laufschaufel 1 erstreckt sich dabei insbesondere auch auf das Schaufelblatt 15 und die Schaufelspitze 17.

Im Einzelnen ist in den Figuren 2 und 3 eine erste und zweite besonders bevorzugte Ausführungsform der Auslegung des Kühlsystems 19 im Bereich 27 zwischen dem Schaufelblatt 15 und der Schaufelspitze 17 dargestellt. Der Übergangsbereich 27 umfasst dabei insbesondere das Schaufelblatt 15 an seiner dem Turbinenschaufelende 29 der Turbinenschaufel 1 zugewandten Seite und die Schaufelspitze 17 an ihrer von dem Turbinenschaufelende 29 der Laufschaufel 1 abgewandten Seite.

Während sich das oben erläuterte Konzept der Erfindung als besonders nützlich für die hier gezeigten Ausführungsformen einer Laufschaufel erweisen, so sollte dennoch klar sein, dass das beschriebene Konzept gleichermaßen im Rahmen einer Leitschaufel einer Gas- oder Dampfturbine umgesetzt werden kann.

Figur 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Laufschaufel 31 im Übergangsbereich 27 der Figur 1 in einer perspektivischen Schnittansicht. Die Laufschaufel 31 weist ein als Hohlprofil ausgebildetes Schaufelblatt 33 und eine als Hohlprofil ausgebildete Schaufelspitze 35 auf. Das Hohlprofil des Schaufelblatts 33 weist dabei einen Hohlraum 37 auf und das Hohlprofil der Schaufelspitze 35 weist dabei einen Hohlraum 39 auf, die Teil des in Figur 1 dargestellten Kühlsystems 19 sind und mit Kühlfluid beaufschlagbar sind. Das Schaufelblatt 33 weist an seiner dem in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufelende 29 der Turbinenschaufel 31 zugewandten Seite eine quer zur Schaufelachse 11 verlaufende erste Wand 41 auf. Die Schaufelspitze 35 weist an ihrer von dem in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufelende 29 der Turbinenschaufel 1 abgewandten Seite eine quer zur Schaufelachse 11 verlaufende zweite Wand 43 auf. Die erste Wand 41 und die zweite Wand 43 liegen sich dabei unter Bildung eines Doppelbodens 45 gegenüber. Durch die Bildung eines Doppelbodens 45 wird zwischen der ersten Wand 41 und der zweiten Wand 43, die sich beide über den gesamten Querschnitt des Hohlprofils horizontal erstrecken, ein Hohlraum 47 gebildet. Der Doppelboden 45 trägt dabei kühlungstechnische Mittel, die im Folgenden im Einzelnen erläutert sind.

Bei der vorliegenden ersten Ausführungsform trägt die zweite Wand 43 eine Anzahl von Verwirbelungs- oder Turbulatorelementen in Form von Nippeln 49 und Dimpeln 51. Ein Nippel 49 ist dabei in den Hohlraum 47 hinein an der zweiten Wand 43 angeformt. Ein Dimpel 51 erweitert den Hohlraum 47 in Form einer Ausnehmung in der zweiten Wand 43. Die genannten Verwirbelungselemente dienen vornehmlich zur Verwirbelung eines Kühlfluids, das durch die Prallkühlöffnungen 53 in der ersten Wand 41 dem Hohlraum 47 zugeführt werden kann. Insbesondere sind die Prallkühlöffnungen 53 senkrecht zur zweiten Wand 43 angeordnet. Darüber hinaus ist die erste Wand 41 so nah an der zweiten Wand 43 angeordnet, dass ein entsprechend druckbeaufschlagtes Kühlmedium über die Prallkühlöffnungen 53 auf die zweite Wand 43 prallt und die Schaufelspitze 35 über den zweiten Steg 43 im Rahmen einer Prallkühlung effektiv kühlt. Durch die genannten Verwirbelungselemente in Form von Nippeln 49 und Dimpeln 51 wird diese erläuterte Prallkühlung noch verstärkt. Das heißt in der Schaufelspitze aufgenommene Wärme wird dadurch effektiv durch das Kühlfluid abgeführt.

Darüber hinaus weist die zweite Wand 43 eine erste Anzahl von Filmkühlöffnungen 55 und eine zweite Anzahl von Filmkühlöffnungen 57 auf. Eine erste Filmkühlöffnung 55 ist dabei in Richtung des Turbinenschaufelendes 29 der Turbinenschaufel 31 schräg von innen nach außen ausgerichtet und kann somit auf angemessen sanfte Weise einen Film aus Kühlfluid auf die Innenwand 59 der Schaufelspitze 35 leisten.

Eine noch schräger angeordnete zweite Filmkühlöffnung 57 ermöglicht es über den selben Mechanismus einen weiteren Film aus Kühlfluid auf der Außenwand 61 der Schaufelspitze 35 zu erzeugen.

Um die zu kühlende Masse der Schaufelspitze 35 möglichst gering zu halten, weist die Wandstruktur der Schaufelspitze 35 eine Wandstärke 63 auf, die geringer ist, als die Wandstärke 65 der Wandstruktur des Schaufelblatts 33. Darüber hinaus weist die Wandstruktur der Schaufelspitze 35 aus dem gleichen Grund eine nicht dargestellte höhere Porosität als die Wandstruktur des Schaufelblattes 33 auf.

Bei der hier dargestellten ersten Ausführungsform einer Laufschaufel 31 ist also der einen Hohlraum 47 umfassende Doppelboden 45 der Laufschaufel 31 in vorteilhafterweise mit kühlungstechnischen Mitteln versehen, die es besser als bisher erlauben, die Schaufelspitze 35 effektiv zu kühlen und damit Kühlmedium einzusparen, was den Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbine erhöhen kann. Insbesondere lässt sich die in Figur 2 dargestellte, besonders bevorzugte erste Ausführungsform einer Laufschaufel 31 vorteilhaft im Rahmen eines Herstellungsverfahren herstellen, das ein getrenntes Gießverfahren, und damit eine getrennte Herstellung des Schaufelblattes 33 einerseits und der Schaufelspitze andererseits vorsieht. Die getrennt gegossene Schaufelspitze 35 wird dann an das getrennt gegossene Schaufelblatt 33 unter Bildung des Doppelbodens 45 und des Hohlraums 47 angelötet. Der besonders vorteilhafte Doppelboden 45 mit Hohlraum 47 und kühlungstechnischen Mitteln lässt sich also besonders zweckmäßig über einen getrennten Gießvorgang für Schaufelspitze 35 und Schaufelblatt 33 wie erläutert erreichen. Hinzu kommt vorteilhafterweise, dass das Schaufelblatt 33 aus einem anderen Material gegossen werden kann als die Schaufelspitze 35. So wird zweckmäßigerweise das Schaufelblatt 33 hinsichtlich seiner größeren mechanischen Beanspruchung aus einem hochfesten Material gegossen, während die Schaufelspitze 35 hinsichtlich ihrer höheren thermischen Beanspruchung aus einem hochwärmeleitenden Material, z.B. einem Kobalt-Werkstoff, gegossen wird.

Eine besonders bevorzugte zweite Ausführungsform einer Laufschaufel 1 ist in Figur 3 gezeigt, die insbesondere im Hinblick auf eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens zusätzlich zur in Figur 2 dargestellten ersten Ausführungsform weitere Elemente aufweist. Die übrigen Merkmale der Figur 2 sind in Figur 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der hier dargestellten Laufschaufel 71 sieht das Schaufelblatt 73 eine Kernhaltebohrung 77 in der ersten Wand 79 vor, die vorliegend über einen Stopfen 81 in der zweiten Wand 83 der Schaufelspitze 85 verschlossen ist, sobald die getrennt hergestellte Schaufelspitze 85 und das getrennt hergestellte Schaufelblatt 73 aneinander gefügt sind. Da die hier erläuterte anspruchsvolle Spitzengeometrie der Schaufelspitze 85 nicht zusammen mit dem Schaufelblatt 73 abgegossen werden muss, vereinfacht sich der Abguss der Schaufel 71.

Weiterhin kann mit der aufgesetzten Spitze 85 die hier gezeigte Kernhaltebohrung 77, die gusstechnisch vorhanden ist, besonders zuverlässig verschlossen werden. Die Verbindung zwischen Schaufelspitze 85 und Schaufelblatt 73 ist vorliegend durch ein besonders geeignetes Schweißverfahren im Fügebereich 87 hergestellt. Die Verbindungsflächen zwischen Schaufelspitze 85 und Schaufelblatt 73 im Fügebereich 87 lassen sich besonders einfach und präzise herstellen. Der Verschluss der Kernhaltebohrung 77 erfolgt im Rahmen einer speziell ausgemessenen Passung des Stopfens 81 auf die Kernhaltebohrung 77.

Sowohl bei der in Figur 2 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform der Laufschaufel 31 als auch bei der in Figur 3 gezeigten besonders bevorzugten zweiten Ausführungsform der Laufschaufel 71 lassen sich im Rahmen einer getrennten Herstellung von Schaufelblatt 33, 73 und Schaufelspitze 35, 85 verhältnismäßig komplexe kühlungstechnische Mittel dennoch auf relativ einfache Weise im Rahmen eines gusstechnischen Herstellungsverfahrens im Schaufelprofil 31, 71 vorsehen und damit eine besonders effiziente Kühlung der Schaufelspitze 35, 85 erreichen.

Zusammenfassend ist zur effizienteren Kühlung einer Schaufelspitze 35, 85 bei einer Turbinenschaufel 31, 71 mit einem zum Turbinenschaufelende 29 hin entlang einer Schaufelachse 11 in Form eines Hohlprofils angeordneten Schaufelblatt 33, 73 und mit einer Schaufelspitze 35, 85 in Form eines Hohlprofils, vorgesehen, dass das Schaufelblatt 33, 73 an seiner dem Turbinenschaufelende 29 zugewandten Seite eine im Hohlprofil quer zur Schaufelachse 11 verlaufende erste Wand 41,79 aufweist und die Schaufelspitze 35, 85 an ihrer dem Turbinenschaufelende 29 abgewandten Seite eine im Hohlprofil quer zur Schaufelachse 11 verlaufende zweite Wand 43, 83 aufweist, wobei sich die erste Wand 41, 79 und die zweite Wand 43, 83 unter Bildung eines kühlungstechnische Mittel tragenden Doppelbodens 45 gegenüberliegen.

Claims

Turbinenschaufel (31, 71) mit einem zum Turbinenschaufelende (29) hin entlang einer Schaufelachse (11) in Form eines Hohlprofils angeordneten Schaufelblatt (33, 73) und mit einer Schaufelspitze (35, 85) in Form eines Hohlprofils
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaufelblatt (33, 73) an seiner dem Turbinenschaufelende (29) zugewandten Seite einen im Hohlprofil quer zur Schaufelachse (11) verlaufende erste Wand (41, 79) aufweist und
die Schaufelspitze (35, 85) an ihrer von dem Turbinenschaufelende (29) abgewandten Seite eine im Hohlprofil quer zur Schaufelachse (11) verlaufende zweite Wand (43, 83) aufweist, wobei
sich die erste Wand (41, 79) und die zweite Wand (43, 83) unter Bildung eines kühlungstechnische Mittel tragenden Doppelbodens (45) gegenüberliegen.
Turbinenschaufel (31, 71) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
das kühlungstechnische Mittel eines aus der Gruppe bestehend aus, Turbulatormittel, Prallkühlmittel und Filmkühlmittel, ist.
Turbinenschaufel (31, 71) nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bildung eines Turbulatormittels die erste Wand (41, 79) und/oder die zweite Wand (43, 83) eine Anzahl von Nippeln (49), Dimpeln (51), Rippen, Fugen oder anderen Verwirbelungselementen trägt.
Turbinenschaufel (31, 71) nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bildung eines Prallkühlmittels die erste Wand (41, 79) eine Anzahl von Prallkühlöffnungen (53) trägt, die es erlauben bei Beaufschlagung der Turbinenschaufel (31, 71) mit Kühlfluid, das Kühlfluid auf die zweite Wand (43, 83) prallen zu lassen.
Turbinenschaufel (31, 71) nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bildung eines Filmkühlmittels die zweite Wand (43, 83) und/oder das Hohlprofil der Schaufelspitze (35, 85) eine Anzahl von Filmkühlöffnungen (55, 57) trägt, die es erlauben bei Beaufschlagung der Turbinenschaufel (31, 71) mit Kühlfluid, einen Film aus Kühlfluid auf der Wandstruktur der Schaufelspitze (35, 85) zu erzeugen.
Turbinenschaufel (31, 71) nach einem der Ansprüche 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandstruktur der Schaufelspitze (35, 85) eine höhere Porosität und/oder eine geringere Wandstärke aufweist als die Wandstruktur des Schaufelblattes (33, 73).
Turbinenschaufel (31, 71) nach einem der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaufelblatt (33, 73) und die Schaufelspitze (35, 85) getrennt gegossen sind.
Turbinenschaufel (31, 71) nach einem der Ansprüche 1 bis 7
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Wand (43, 83) ein Verschlussmittel für eine Kernhaltebohrung in der ersten Wand (41, 79) aufweist.
Turbinenschaufel (31, 71) nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaufelblatt (33, 73) und die Schaufelspitze (35, 85) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei das Schaufelblatt (33,73) aus einem hochfesten Material gegossen ist und die Schaufelspitze (35, 85) aus einem hochwärmeleitenden Material hergestellt ist.
Turbinenschaufel (31, 71) nach einem der Ansprüche 1 bis 9
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaufelspitze (35, 85) an das Schaufelblatt (33, 73) angefügt ist, wobei die Schaufelspitze (35, 85) und das Schaufelblatt (33, 73) insbesondere angelötet oder angeschweißt, sind.
Gasturbine (1) mit einem entlang einer Achse (7) der Gasturbine (1) sich erstreckenden Strömungskanal (5) mit ringförmigem Querschnitt zur Beaufschlagung mit einem Arbeitsfluid (9), einer Anzahl von entlang der Achse angeordneten Schaufelstufen, wobei eine Schaufelstufe eine Anzahl von ringförmig angeordneten sich radial in den Strömungskanal (5) erstreckende Turbinenschaufeln (31, 71), die mit einem Kühlfluid beaufschlagbar sind, aufweist und die nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.