EP1584789A1

EP1584789A1 - Kühlbare Schaufel

Info

Publication number: EP1584789A1
Application number: EP04008601A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad; Jürgen Dellmann; Heinz-Jürgen Dr. Gross; Andreas Dr. Kayser; Gernot Lang; Christian Menke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2024-04-08
Also published as: EP1584789B1; DE502004004022D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel (1) mit mindestens einem Kühlkanal (2), der strömungsausgangsseitig in einen Umgebungsraum mündet, wobei der Kühlkanal (2) derart ausgebildet ist, dass eine den Kühlkanal (2) durchströmende Kühlmediummenge temperaturabhängig steuerbar ist. Insbesondere ist der Kühlkanal (2) mit mindestens einer variablen von der Temperatur (T) des Kühlmediums abhängigen Drosselstelle (6) versehen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel, insbesondere eine Turbinenschaufel mit mindestens einem Kühlkanal, z. B. eine Leit- oder Laufschaufel, für eine Strömungsmaschine.

Die Schaufel wird beispielsweise in einer Strömungsmaschine, z. B. in einer Gasturbine, eingesetzt. Eine Gasturbine wird in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energiegehalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.

Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefasste Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet. Die Schaufeln sind somit hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Daher werden diese üblicherweise gekühlt. Dazu werden beispielsweise Schlitze oder Bohrungen als Kühlkanäle im Schaufelblatt der Schaufel eingebracht. Diese Schlitze oder Bohrungen (= Kühlkanäle) werden mit Verdichterluft durchströmt, die sich beim Durchströmen der Schaufel aufheizt und als aufgeheizte Verdichterluft über Öffnungen in der Schaufel in den Umgebungsraum der Schaufel, den Verbrennungsraum der Strömungsmaschine, strömt.

Im Allgemeinen werden Schaufeln in der Auslegung stark idealisiert, da die relativ großen Streuungen im Fertigungsprozess der Schaufeln nur indirekt berücksichtigt werden können. Hierdurch ist eine individuelle Auslegung der Schaufel nur begrenzt möglich. Die durch die Fertigung bedingten Streuungen in der Auslegung der Schaufeln werden dabei beispielsweise durch einen hohen Kühlluftbedarf ausgeglichen. Dies führt zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads der zugehörigen Gasturbine.

Üblicherweise wird die Kühlluftzufuhr für die Schaufeln über externe Drosselklappen geregelt. Die Drosselklappen regeln dabei den Versorgungsdruck und damit auch die Kühlluftmenge. Allerdings ist eine individuelle Regelung oder Steuerung der Kühlluftmenge für jede Schaufel in einer Schaufelreihe nicht vorgesehen. Vielmehr werden die für eine gesamte Reihe vorgesehenen Schaufeln über eine zugehörige gemeinsame externe Drosselklappe hinsichtlich der zuzuführenden Kühlluftmenge geregelt. Eine individuelle Regelung der Kühlung einer einzelnen Schaufel ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaufel anzugeben, welche eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlung aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einer Schaufel mit mindestens einem Kühlkanal, der strömungsausgangsseitig in einen Umgebungsraum, z. B. einer Turbine, mündet, wobei der Kühlkanal derart ausgebildet ist, dass eine den Kühlkanal durchströmende Kühlmediummenge temperaturabhängig steuerbar ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine hinreichend lange Lebensdauer einer Schaufel die fertigungstechnisch bedingten Ungenauigkeiten in der Herstellung der Turbinenschaufeln im Betrieb der Schaufel ausgeglichen werden sollten. Insbesondere sollte im Betrieb einer Turbine eine gleichmäßige Spannungsfeldverteilung der Schaufel sichergestellt werden. Hierzu sollte die durch die Schaufel geführte Kühlmediummenge vom Temperaturniveau innerhalb der Schaufel abhängig sein. Dazu ist der Kühlkanal derart ausgebildet, dass die den Kühlkanal durchströmende Kühlmediummenge temperaturabhängig steuerbar ist. Dabei ist die durch den Kühlkanal geführte Kühlmediummenge abhängig von der Querschnittsgröße des Kühlkanals. Zweckmäßigerweise variiert daher der Querschnitt des Kühlkanals zumindest bereichsweise, insbesondere im Strömungseingangsbereich, im Strömungsausgangsbereich und/oder im Kanalbereich, temperaturabhängig. Mit anderen Worten: In Abhängigkeit von der Temperatur im Kühlkanal, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperaturbeaufschlagung der Schaufel durch Heißgase, kann abschnittsweise durch entsprechend temperaturabhängige Ausbildung des Kühlkanals eine Vergrößerung und/oder Verkleinerung des Querschnitts des Kühlkanals bewirkt werden.

Bei einer möglichen Ausführungsform des im Querschnitt variierenden Kühlkanals ist dieser mit mindestens einer temperaturabhängigen, im Querschnitt variierenden Drosselstelle versehen. Je nach Schaufeltyp ist die Drosselstelle in einem zusätzlich aufgeweiteten Strömungseingangsbereich und/oder Strömungsausgangsbereichs des Kühlkanals gebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist der Kühlkanal im Bereich der Drosselstelle mit einem Drosselelement versehen. Beispielsweise ragt über eine in der Kühlkanalwand angeordnete Öffnung ein Drosselelement waagerecht in den Kühlkanal hinein. Das Drosselelement ist beispielsweise stiftartig ausgebildet. Für eine temperaturabhängige Größenänderung des waagerecht im Kühlkanal angeordneten Drosselelements, wodurch es zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Querschnitts des Kühlkanals kommt, ist das Drosselelement aus einem Bi-Metall-Material.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist das Drosselelement als eine Drosselblende ausgebildet. Dabei umfasst die Drosselblende mehrere Bi-Metall-Sektorbleche mit unterschiedlich gestaffelten Temperatureinsatzpunkten. In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist das Drosselelement als eine Lamellendrossel ausgebildet. Hierbei umfasst das Drosselelement einen an der Kühlkanalwand angeordneten Ring, auf welchem Lamellen angeordnet sind. Alternativ kann das Drosselelement aus mehreren die Kühlkanalwand umlaufenden Ringsegmenten mit Lamellen gebildet sein. Auch kann der Ring feststehend oder frei bewegbar an der Kühlkanalwand angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform mit zwei axial übereinander angeordneten Ringen kann einer der Ringe feststehend und der andere Ring frei bewegbar angeordnet sein. Die Lamellen können beispielsweise paarweise angeordnet sein. Je nach Vorgabe der Drosselwirkung an der betreffenden Stelle im Kühlkanal können darüber hinaus die Lamellen feststehend oder frei bewegbar angeordnet sein.

Eine weitere mögliche Ausführungsform für ein Drosselelement ist durch ein Drosselblech gegeben, welches senkrecht zur Kühlkanalachse im Kühlkanal angeordnet ist. Dabei ist das Drosselelement, insbesondere das Drosselblech, zumindest teilweise entlang der Kühlkanalwand angeordnet. Insbesondere ragt das Drosselblech zumindest teilweise aus der Kühlkanalöffnung in Form eines Kragens hinaus. Hierzu ist das Drosselblech beispielsweise als ein L-Profil ausgebildet, dessen langer Schenkel im Kühlkanal angeordnet ist und dessen kurzer Schenkel zumindest teilweise den Rand der Kühlkanalöffnung bildet. Zweckmäßigerweise ist das Drosselblech zumindest teilweise, insbesondere im Bereich des in den Kühlkanal hineinragenden langen Schenkels, als Bi-Metallstreifen ausgebildet. In Abhängigkeit von der Temperatur des im Bereich des Bi-Metallstreifens durchströmenden Kühlmediums kommt es zu einer Ausdehnung des Bi-Metallstreifens, wodurch das Drosselblech derart verschoben wird, dass die Kühlkanalöffnung zumindest teilweise geschlossen bzw. geöffnet wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist für einen variierenden Querschnitt des Kühlkanals dieser mit mindestens zwei die Kühlkanalwand zumindest teilweise umlaufenden Schichten versehen. Bevorzugt sind dabei die Schichten aus unterschiedlichem temperaturabhängigen Material in Art eines Bi-Metallstreifens gebildet. Beispielsweise ist eine der Schichten aus einem möglichst festen, insbesondere temperaturbeständigen Material und die andere Schicht aus einem weichen, temperaturabhängigen Material gebildet. Als ein mögliches Material für die Beschichtung der Kühlkanalwand dient beispielsweise Stahl unterschiedlicher Härte mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten und unterschiedlichem E-Modul. Je nach Kühlkanaltyp, Hauptkühlkanal oder Nebenkühlkanal, können die Schichten als Voll- oder partielle Schichten ausgebildet sein. Bedingt durch die im Allgemeinen kleinen Querschnittsgrößen der Kühlkanäle einer Schaufel ist die Beschichtung der Kühlkanalwand bevorzugt in einem aufgeweiteten Bereich, insbesondere in einem aufgeweiteten Strömungseingangs- oder Strömungsausgangsbereich, vorgesehen. Beispielsweise ist die Kühlkanalwand im Strömungseingangsbereich im Schaufelfuß konisch aufgeweitet und mit mindestens zwei Schichten versehen. Bedingt durch die auf die Schaufel wirkende Temperatur erfährt dann die jeweilige Schicht aus dem temperaturabhängigen Material eine Ausdehnung oder Schrumpfung, welche zu einer Verengung oder Querschnittsänderung des Kühlkanals führt, so dass eine Drosselstelle im Kühlkanal gebildet ist.

Je nach Drosselart, z. B. Materialart des Drosselelements oder dessen Anordnung im Kühlkanal, erfolgt an der Drosselstelle eine Querschnittsänderung durch Ausdehnung oder Schrumpfung in einem Bereich von 0 % bis 30 %, insbesondere von 10 % bis 20 %, der Querschnittsgröße des Kühlkanals.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit einer temperaturabhängigen Drosselung im Kühlkanal einer jeweiligen Schaufel durch entsprechende Ausbildung des Kühlkanals selbst, wobei mit zunehmender Aufheizung der Kühlkanal hinsichtlich der durchströmenden Kühlmediummenge geschlossen bzw. geöffnet wird, der Verbrauch an Kühlmedium, z. B. Kühl- oder Verdichterluft, ohne eine auslegungsgemäße Änderung oder Gestaltung auf den aktuellen thermischen Zustand der Schaufel begrenzt ist und somit die Kühlung optimiert wird. Mit anderen Worten: Bedingt durch eine derartige, schaufelbezogene Einstellung der Kühlmediummenge kann der Kühlmediumbedarf in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebszuständen der Turbine, z. B. bei Teillast, Volllast, eingestellt, insbesondere reduziert werden. Ein Mehrverbrauch an Kühlmedium wird sicher vermieden.

Darüber hinaus ist die Schaufel einer geringeren thermischen Belastung durch Verringerung der Temperaturgradienten ausgesetzt. Zudem kann der Wirkungsgrad einer Turbine im Auslegungspunkt durch optimierten Kühlmediumbedarf ohne Sicherheitszuschlag gegen Überhitzungen angehoben werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: schematisch in perspektivischer Darstellung eine Schaufel mit mehreren Kühlkanälen,
FIG 2: schematisch im Querschnitt eine Schaufel mit mehreren Kühlkanälen mit unterschiedlichen Durchmessern,
FIG 3: schematisch einen Kühlkanal im Querschnitt im Bereich einer temperaturabhängigen Drosselstelle,
FIG 4, 5: schematisch einen Kühlkanal im Längsschnitt im Bereich einer temperaturabhängigen Drosselstelle bei einer Beaufschlagung der Schaufel mit kalten bzw. heißen Temperaturen,
FIG 6: schematisch eine weitere Ausführungsform für eine ein Drosselelement umfassende, temperaturabhängige Drosselstelle in einem Kühlkanal, und
FIG 7 bis 14B: schematisch weitere verschiedene Ausführungsformen für eine temperaturabhängige Drosselstelle in einem Kühlkanal.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt eine Schaufel 1, z. B. eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Lauf- oder Leitschaufel. Die Schaufel 1 ist zum Zweck der Kühlung mit mehreren Kühlkanälen 2 versehen, die in nicht näher dargestellter Art und Weise senkrecht und/oder waagerecht, geschlungen und/oder weitgehend geradlinig durch die Schaufel 1 verlaufen können. Je nach Funktion des jeweiligen Kühlkanals 2 weist dieser einen entsprechenden Durchmesser D auf. In FIG 1 sind die vertikal dargestellten Kühlkanälen 2 mit einem größeren Durchmesser D ausgebildet, da diese Kühlkanäle 2 zumeist als so genannte Hauptkühlkanäle oder Sammelkühlkanäle dienen. Je nach Beaufschlagung der Schaufel 1 mit heißen Temperaturen weist die Schaufel 1 in einem besonders heiß beaufschlagten Bereich eine Vielzahl von Kühlkanälen 2 und in weniger heiß beaufschlagten Bereichen eine geringere Anzahl von Kühlkanälen 2 auf, wie dies in der FIG 1 dargestellt ist.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Kühlkanal 2 in einem besonders heiß beaufschlagten Bereich, z. B. im Bereich einer Anströmkante 3 der Schaufel 1, einen Kühlkanal 2 mit einem besonders großen Durchmesser D, z. B. von 3 mm bis 4 mm, insbesondere von 3,3 mm, aufweisen, wohingegen in einem nicht so heiß beaufschlagten Bereich die Kühlkanäle 2 einen kleineren Durchmesser D aufweisen, wie dies beispielsweise in FIG 2 dargestellt ist.

FIG 3 zeigt einen einzelnen Kühlkanal 2 im Querschnitt. Für eine gleichmäßige Spannungsfeldverteilung im Betrieb der Schaufel 1 sollte die durch die Schaufel 1 geführte Kühlmediummenge vom Temperaturniveau innerhalb der Schaufel 1 abhängig sein. Dazu ist der Kühlkanal 2 derart ausgebildet, dass die den Kühlkanal 2 durchströmende Kühlmediummenge temperaturabhängig steuerbar ist. Dies wird erreicht, indem die durch den Kühlkanal 2 geführte Kühlmediummenge abhängig von der Querschnittsgröße des Kühlkanals 2 gesteuert wird. Für einen variierenden Querschnitt des Kühlkanals 2 ist dieser in einer ersten möglichen Ausführungsform mit mindestens zwei die Kühlkanalwand 4, d. h. die Innenwand, zumindest teilweise umlaufenden Schichten S1 und S2 versehen. Bevorzugt sind die Schichten S1 und S2 aus unterschiedlichem temperaturabhängigen Material in Art eines Bi-Metallstreifens gebildet.

Beispielsweise ist eine der Schichten S2 aus einem möglichst festen, insbesondere temperaturbeständigen Material und die andere Schicht S1 aus einem weichen, temperaturabhängigen Material gebildet. Insbesondere ist die temperaturstabile Schicht S2 die außen liegende und die Innenwand des Kühlkanals 2 bildende Schicht. Die temperaturabhängige Schicht S1 ist zwischen der Schicht S1 und dem Grundmaterial G der Schaufel 1 angeordnet. Es können auch weitere Schichten Sn, welche aus gleichem oder unterschiedlichem Material gebildet sind, vorgesehen sein. Alternativ kann auch nur eine einzelne Schicht S1, insbesondere eine Schicht S1 aus temperaturabhängigem Material, vorgesehen sein. Je nach Kühlkanal 2 kann die jeweilige Schicht S1 und S2 im Normalzustand eine Dicke von 0,1 mm bis 0,7 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 0,3 mm aufweisen.

Als ein mögliches Material für den schichtweisen Aufbau der Kühlkanalwand 4 dient beispielsweise Stahl unterschiedlicher Härte mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten und unterschiedlichem E-Modul. Mit anderen Worten: Die Schichten S1, S2 und das Grundmaterial G der Schaufel 1 weisen folgende Verhältnisse hinsichtlich der Ausdehnungskoeffizienten α und des E-Moduls E auf:

α_S1 ≈ α_G,

α_S2 > α_S1, und

E_S1 ≈ E_G,

E_S2 > E_S1.

Je nach Kühlkanaltyp, Hauptkühlkanal oder Nebenkühlkanal, können die Schichten S1 und S2 als Voll- oder partielle Schichten ausgebildet sein.

Bedingt durch eine derartige Auslegung der Schichten S1 und S2 des Kühlkanals 2 variiert der Querschnitt des Kühlkanals 2 in Abhängigkeit von der Temperatur T, insbesondere von Temperaturänderungen ΔT.

Je nach Umfang und Aufbau der Schichten S1 und S2 im Kühlkanal 2 kann dieser nur bereichsweise mit den Schichten S1, S2 versehen sein. In möglichen Ausführungsformen ist der Kühlkanal 2 beispielsweise im Strömungseingangsbereich, im Strömungsausgangsbereich und/oder im Kanalbereich mit den Schichten S1 und S2 versehen. Mit anderen Worten: In Abhängigkeit von der Temperatur T im Kühlkanal 2, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperaturbeaufschlagung der Schaufel 1 durch Heißgase, wird abschnittsweise durch entsprechenden Schichtenaufbau und somit temperaturabhängige Ausbildung des Kühlkanals 2 eine Vergrößerung und/oder Verkleinerung des Querschnitts des Kühlkanals 2, d. h. eine Änderung des Durchmessers D, bewirkt, gemäß: D = f (αS1, αS2, αG, ES1, ES2, EG, ΔT) mit D = Durchmesser des Kühlkanals, α_S1 = Ausdehnungskoeffizient der Schicht S1, α_S2 = Ausdehnungskoeffizient der Schicht S2, α_G = Ausdehnungskoeffizient des Grundmaterials der Schaufel, E_S1 = E-Modul der Schicht S1, E_S2 = E-Modul der Schicht S2, E_G = E-Modul des Grundmaterials der Schaufel, ΔT = Temperaturänderung.

Mit anderen Worten: Die aus verschiedenen temperaturabhängigem Material gebildeten Schichten S1, S2 ermöglichen einen im Querschnitt variierenden Kühlkanal 2, wobei die Schichten S1, S2 im Kühlkanal 2 mindestens eine temperaturabhängige, im Querschnitt variierende Drosselstelle 6 bilden. In den FIG 4 und 5 ist der Kühlkanal 2 im Längsschnitt im Bereich einer durch die Schichten S1 und S2 gebildeten Drosselstelle 6 dargestellt.

Der Kühlkanal 2 kann dabei entlang seiner Längsausrichtung bereichsweise mit den Schichten S1 und S2 versehen sein. Bedingt durch die im Allgemeinen kleinen Querschnittsgrößen der Kühlkanäle 2 einer Schaufel 1 ist die Beschichtung der Kühlkanalwand 4 bevorzugt in einem aufgeweiteten Bereich des Kühlkanals 2 angeordnet, insbesondere in einem aufgeweiteten Strömungseingangs- oder Strömungsausgangsbereich. Beispielsweise ist die Kühlkanalwand 4 im Strömungseingangsbereich im Schaufelfuß konisch aufgeweitet und mit mindestens zwei Schichten S1, S2 versehen. Bedingt durch die auf die Schaufel 1 wirkende Temperatur erfährt dann die Schicht S1 aus dem temperaturabhängigen Material eine Schrumpfung (siehe FIG 4) oder Ausdehnung (siehe FIG 5), welche zu einer Verengung bzw. Vergrößerung, d. h. einer Querschnitts- oder Durchmesseränderung, des Kühlkanals 2 führt, so dass die Drosselstelle 6 im Kühlkanal 2 gebildet ist. In FIG 4 ist der Kühlkanal 2 der Schaufel 1 im Zustand bei kalten Temperaturen mit einem zugehörigen Durchmesser Dc dargestellt, in FIG 5 ist der Kühlkanal 2 im Zustand bei einer Beaufschlagung der Schaufel 1 mit heißen Temperaturen mit einem zugehörigen großen Durchmesser Dh dargestellt, wobei gilt: Dc < Dh.

Je nach Drosselart, z. B. Materialart oder dessen Anordnung im Kühlkanal 2, erfolgt an der Drosselstelle 6 eine Querschnittsänderung durch Ausdehnung oder Schrumpfung in einem Bereich von 0 % bis 30 %, insbesondere von 10 % bis 20 %, der Querschnittsgröße des Kühlkanals 2.

In einer zweiten möglichen Ausführungsform, wie beispielhaft in FIG 6 dargestellt, ist der Kühlkanal 2 im Bereich der Drosselstelle 6 mit einem Drosselelement 8 versehen. Beispielsweise ragt über eine in der Kühlkanalwand 4 angeordnete Öffnung 10 das Drosselelement 8 waagerecht in den Kühlkanal 2 hinein. Das Drosselelement 8 ist beispielsweise stiftartig ausgebildet. Für eine temperaturabhängige Größenänderung des waagerecht im Kühlkanal 2 angeordneten Drosselelements 8, wodurch es zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Querschnitts des Kühlkanals 2 kommt (wie durch den Pfeil P1 dargestellt), ist das Drosselelement 8 aus einem Bi-Metall-Material. Durch den Pfeil P2 ist die Strömungsrichtung des den Kühlkanal 2 durchströmenden Kühlmediums, z. B. Luft, dargestellt.

Die FIG 7A, 7B sowie 8A, 8B zeigen eine weitere Ausführungsform für eine Drosselstelle 6 im Kühlkanal 2. Dabei zeigen die FIG 7A, 7B den Kühlkanal 2 im Bereich der Drosselstelle 6 und unter Beaufschlagung der Schaufel 1 mit heißen Temperaturen T und einem entsprechend großen Durchmesser D für eine größtmögliche Durchströmung des Kühlkanals 2 mit dem Kühlmedium in Strömungsrichtung P2. Die FIG 8A, 8B zeigen den Kühlkanal 2 im Bereich der Drosselstelle 6 im Normalzustand, d. h. bei kalten Temperaturen T, so dass der Kühlkanal 2 einen kleinen Durchmesser D mit entsprechend kleinerem Kanalquerschnitt aufweist.

FIG 7A zeigt den Kühlkanal 2 dabei im Querschnitt, d. h. im weit geöffneten Zustand mit größtmöglichem Durchmesser D, so dass eine entsprechend maximale Kühlluftmenge durch den Kühlkanal 2 strömt. FIG 7B zeigt den Kühlkanal 2 gemäß FIG 7A im Längsschnitt im Bereich der Drosselstelle 6, wobei als Drosselelement 8 ein Drosselblech 10 vorgesehen ist, welches senkrecht zur Kühlkanalachse im Kühlkanal 2 angeordnet ist. Das Drosselblech 10, welches beispielsweise als Lochblech ausgebildet ist, ist zumindest teilweise entlang der Kühlkanalwand 4 angeordnet. Insbesondere ragt das Drosselblech 10 zumindest teilweise aus einer Kühlkanalöffnung 12 in Form eines Kragens hinaus. Hierzu ist das Drosselblech 12 beispielsweise als ein L-Profil ausgebildet, dessen langer Schenkel im Kühlkanal 2 angeordnet ist und dessen kurzer Schenkel zumindest teilweise den Rand der Kühlkanalöffnung 12 bildet.

Für eine Änderung des Querschnitts des Kühlkanals 2 im Bereich der Kühlkanalöffnung 12 entlang des Pfeils P1 ist das Drosselblech 10 zumindest teilweise, insbesondere im Bereich des in den Kühlkanal 2 hineinragenden langen Schenkels als Bi-Metallstreifen 10a, 10b ausgebildet. Durch die Verwendung eines Bi-Metallstreifens 10a, 10b kann eine temperaturabhängige individuelle Steuerung der Kühlluftmenge für jede einzelne Schaufel 1 erreicht werden.

Je nach Aufheizung des Kühlmediums, d. h. der Kühlluft, bis zu dem Bi-Metallstreifen 10a, 10b wird durch den Bi-Metalleffekt (= unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Metallschichten) die Kühlkanalöffnung 12 durch entsprechende Verschiebung des Drosselblechs 10 entlang des Pfeils P1 freigeben. D. h., in Abhängigkeit von der Temperatur T des im Bereich des Bi-Metallstreifens 10a, 10b in Strömungsrichtung P2 strömenden Kühlmediums kommt es zu einer Ausdehnung des Bi-Metallstreifens 10a, 10b, wodurch das Drosselblech 10 derart verschoben wird, dass die Kühlkanalöffnung 12 zumindest teilweise geschlossen (FIG 8A, 8B dargestellt) bzw. vollständig geöffnet (FIG 7A, 7B dargestellt) wird. Mit anderen Worten: Je heißer die Schaufel 1 wird, um so mehr heizt sich das Kühlmedium auf und umso mehr wird durch den Bi-Metalleffekt der Bereich der Kühlkanalöffnung 12, insbesondere im Strömungseingangsbereich, durch Verschieben des Drosselblechs 10 freigeben, so dass mehr Kühlmedium zur Kühlung der Schaufel 1 zur Verfügung steht.

In den FIG 9 und 10 ist eine alternative Ausführungsform für ein als Drosselblech 10 ausgebildetes Drosselelement 8 dargestellt. In FIG 9 durchläuft der Kühlkanal 2 die Schaufel 1 mit einem geschwungenen Verlauf, wobei sich der Kühlkanal 2 durch das aus zwei Drosselblechen 10 gebildete Drosselelement 8 aufteilt in Abzweigkanäle. Die Drosselbleche 10 sind aus einem temperaturabhängigen Material mit hohem Ausdehnungskoeffizienten. Durch die Verwendung derartiger Drosselbleche 10 wird eine temperaturabhängige individuelle Steuerung der Kühlluftmenge für die einzelne Schaufel 1 bewirkt. Je nach Temperaturänderung ΔT zwischen Schaufel 1 und Drosselblech 10 wird ein mehr oder weniger großer Spalt S freigegeben, der die Kühlluftmenge steuert. Je heißer die Schaufel 1 und je größer die Temperaturdifferenz bzw. -änderung ΔT ist, desto größer ist der Spalt S und die Spalthöhenänderung Δh und somit die durchströmende Kühlluftmenge, gemäß: Δh = f (T, WAK) mit Δh = Änderung der Spalthöhe, T = Temperatur, WAK = Wärmeausdehnungskoeffizient des Drosselblechs.

In FIG 10 ist eine weitere alternative Ausführungsform für ein Drosselblech 10 dargestellt mit einem entlang der Kanalwand 4 verlaufenden Bi-Metallstreifen 10a, 10b, der wie in den FIG 7A bis 8B ein Öffnen und Schließen der Kühlkanalöffnung 12 bewirkt. Der Bi-Metallstreifen 10a, 10b weist insbesondere unterschiedlich gestaffelte Temperatureinsatzpunkten auf.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist das Drosselelement 8 als eine Lamellendrossel 14 ausgebildet, wie in FIG 11 gezeigt. Hierbei umfasst das Drosselelement 8 einen an der Kühlkanalwand 4 angeordneten Ring R, auf welchem Lamellen L angeordnet sind. Alternativ kann das Drosselelement 8 aus mehreren, die Kühlkanalwand 4 umlaufenden Ringsegmenten RS mit Lamellen L gebildet sein, wie in den FIG 12 und 13 gezeigt.

Auch kann der Ring R oder die Ringsegmente RS feststehend oder frei bewegbar an der Kühlkanalwand 4 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform mit zwei axial übereinander angeordneten Ringen R kann einer der Ringe feststehend und der andere Ring frei bewegbar angeordnet sein. Die Lamellen L können beispielsweise paarweise angeordnet sein. Je nach Vorgabe der Drosselwirkung an der betreffenden Drosselstelle 6 im Kühlkanal 2 können darüber hinaus die Lamellen L feststehend oder frei bewegbar angeordnet sein.

Die FIG 14A und 14B zeigen eine weitere Ausführungsform für eine Drosselstelle 6 mit einem Drosselelement 8, welches als eine Drosselblende 14 ausgebildet ist. Die Drosselblende 14 ist aus mehreren Bi-Metall-Sektorblechen 14a bis 14d mit unterschiedlich gestaffelten Temperatur-Einsatzpunkten gebildet. Hierdurch ist eine Drosselung der den Kühlkanal 2 durchströmenden Kühlluftmenge bewirkt, welche temperaturabhängig durch Änderung der Stellung der Bi-Metall-Sektorbleche 14a bis 14d erfolgt. Somit ist der Verbrauch an Kühlluft ohne einen auslegungsgemäßen Zuschlag auf den aktuellen thermischen Zustand der Schaufel 1 begrenzt und die Kühlung der Schaufel 1 optimiert.

Claims

Schaufel (1) mit mindestens einem Kühlkanal (2), der strömungsausgangsseitig in einen Umgebungsraum mündet, wobei der Kühlkanal (2) derart ausgebildet ist, dass eine den Kühlkanal (2) durchströmende Kühlmediummenge temperaturabhängig steuerbar ist.
Schaufel nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt des Kühlkanals (2) zumindest bereichsweise, insbesondere im Strömungseingangsbereich, im Strömungsausgangsbereich und/oder im Kanalbereich, temperaturabhängig variierbar ist.
Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlkanal (2) mit mindestens einer variablen, von der Temperatur (T) des Kühlmediums abhängigen Drosselstelle (6) versehen ist.
Schaufel nach Anspruch 3, wobei die Drosselstelle (6) in einem zusätzlich aufgeweiteten Strömungseingangsbereich und/oder Strömungsausgangsbereich des Kühlkanals (2) gebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Kühlkanal (2) im Bereich der Drosselstelle (6) mit einem Drosselelement (8) versehen ist.
Schaufel nach Anspruch 5, wobei ein Drosselelement (8) über eine in der Kühlkanalwand (4) angeordneten Öffnung (10) in den Kühlkanal (2) hineinragt.
Schaufel nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Drosselelement (8) stiftartig ausgebildet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Drosselelement (8) aus einem temperaturabhängigen Material, z. B. einem Metall mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten (α_SG), gebildet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Drosselelement (8) als eine Drosselblende (14) ausgebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 9, wobei die Drosselblende (14) aus mehreren Bi-Metall-Sektorblechen (14a, 14b) mit unterschiedlich gestaffelten Temperatur-Einsatzpunkten gebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 5, wobei das Drosselelement (8) als eine Lamellendrossel (14) ausgebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 11, wobei das Drosselelement (8) aus einem die Kühlkanalwand (4) umlaufenden Ring (R) mit Lamellen (L) gebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Drosselelement (8) aus mehreren die Kühlkanalwand (4) umlaufenden Ringsegmenten (RS) mit Lamellen (L) gebildet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Lamellen (L) paarweise angeordnet sind.
Schaufel nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Lamellen (L) feststehend angeordnet sind.
Schaufel nach Anspruch 5, wobei das Drosselelement (8) als ein Drosselblech (10) ausgebildet ist, welches senkrecht zur Kühlkanalachse im Kühlkanal angeordnet ist.
Schaufel nach Anspruch 16, wobei das Drosselblech (10) zumindest teilweise entlang der Kühlkanalwand (4) angeordnet ist.
Schaufel nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Drosselblech (10) zumindest teilweise aus der Kühlkanalöffnung (12) herausragt.
Schaufel nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Drosselblech (10) als ein L-Profil ausgebildet ist, dessen langer Schenkel im Kühlkanal (2) angeordnet ist und dessen kurzer Schenkel zumindest teilweise den Rand der Kühlkanalöffnung (12) bildet.
Schaufel nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Drosselblech (10) zumindest teilweise ein Bi-Metallstreifen (10a, 10b) ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei mindestens ein Ende des Drosselblechs (10), insbesondere das im Kühlkanal (2) angeordnete Ende, als Bi-Metallstreifen (10a, 10b) ausgebildet ist.
Schaufel einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei das Drosselblech (10) als Lochblech ausgebildet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Kühlkanal (2) mit mindestens zwei die Kühlkanalwand (4) zumindest teilweise umlaufenden Schichten (S1, S2) versehen ist.
Schaufel nach Anspruch 23, wobei die Schichten (S1, S2) aus unterschiedlichem temperaturabhängigen Material in Art eines Bi-Metallstreifens (10a, 10b) gebildet sind.
Schaufel nach Anspruch 23 oder 24, wobei eine der Schichten (S1) aus einem möglichst festen Material, insbesondere einem temperaturstabilen Material und die andere Schicht (S2) aus einem temperaturabhängigen Material gebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 25, wobei das temperaturstabile Material aus einem Blech, insbesondere Stahl mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, gebildet ist.
Schaufel nach Anspruch 25 oder 26, wobei das temperaturabhängige Material aus einem Blech, insbesondere Stahl mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten (α_SG), gebildet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei die jeweilige Schicht (S1, S2) im Normalzustand eine Dicke von 0,1 mm bis 0,7 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 0,3 mm, aufweist.