EP1730389B1

EP1730389B1 - Vorrichtung zur kühlluftbeaufschlagung einer laufschaufel

Info

Publication number: EP1730389B1
Application number: EP05717155A
Authority: EP
Inventors: Remigi Tschuor; Heinz Neuhoff; Iouri Strelkov (Alexandrovich)
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: AU2005229202B2; US20070041836A1; EP1730389A1; MY140195A; ATE451541T1; DE502005008673D1; AU2005229202A1; ES2337800T3; WO2005095761A1; US7524168B2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlluftbeaufschlagung einer Laufschaufel wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert wird. Eine solche Vorrichtung ist z.B. aus der EP-A- 0 340 149 bekannt Rotationsmaschinen, beispielsweise Turbo- oder Verdichterstufen von Gas- oder Dampfturbinenanlagen weisen zur gezielten Expansion oder Kompression von Gasen oder Gasgemischen in der Regel feststehende Leit- und um eine Rotationsachse drehende Laufschaufeln auf, die zumeist hohen Prozesstemperaturen ausgesetzt sind und somit hohen thermischen Belastungen standhalten müssen. Neben der thermischen Belastung sind es insbesondere die um die Rotationsachse drehenden Laufschaufeln, die zusätzlich hohen, aufgrund der Zentrifugalkräfte hervorgerufenen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Im Bestreben den Wirkungsgrad derartiger Wärmekraftmaschinen zu verbessern, werden zumeist Maßnahmen getroffen, durch die die rotierenden Komponenten aufgrund zunehmenden Prozesstemperaturen und erhöhten Rotationsgeschwindigkeiten stets größer werden thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt werden. Diesen Bestrebungen sind jedoch aufgrund der eingesetzten Materialien, aus denen vor allem die rotierenden Anlagenkomponenten gefertigt sind, physikalische Belastungsgrenzen gesetzt. Um dennoch weitere Optimierungen hinsichtlich des Wirkungsgrades vornehmen zu können wird nach Wegen gesucht, insbesondere die Hitze exponierten und Zentrifugalkraft beaufschlagten Anlagenkomponenten effektiv zu kühlen. Hierzu ist bereits eine Reihe von Vorschlägen bekannt, mit denen Laufschaufeln in Rotationsmaschinen mit Kühlluft beaufschlagt werden. Typischerweise weist eine derartig ausgebildete Laufschaufel zu Zwecken ihrer rotorseitigen Befestigung einen tannenzapfenartig strukturierten Laufschaufelfuss auf, an den sich radialwärts das Laufschaufelblatt anschließt. Zu Kühlzwecken ist der Laufschaufelfuss vorzugsweise mit einer Vielzahl von radialwärts orientierten Kühlkanälen durchsetzt, die sich zur effektiven Kühlung der Laufschaufel innwandig durch die gesamte Erstreckung des Laufschaufelblattes erstrecken. Zur Kühllufteinspeisung dienen rotorseitig vorgesehene Kühlluftspeisekanäle, durch die Kühlluft in die den Laufschaufelfuss radial durchsetzenden Kühlkanäle eingespeist wird. Ein derartiges Kühlluftversorgungssystem setzt somit einen über eine Vielzahl von radial orientierten Kühlluftkanälen aufweisenden Rotor voraus, dessen einzelne Kühlkanäle exakt durch entsprechende Positionierung der einzelnen Laufschaufeln in Flucht mit den im Laufschaufelfuss vorgesehenen radialen Kühlkanälen gebracht werden müssen. Bereits geringste Dejustierungen zwischen Laufschaufelfuss und Rotoreinheit können eine wirksame Kühlung der Laufschaufel nachhaltig beeinträchtigen, durch die Lebensdauer der Laufschaufel erheblich reduziert wird.
Alternativ zur radialen Kühlluftversorgung einer Laufschaufel über ein rotorseitiges Kühlluftversorgungssystem ist vorgeschlagen worden, die Kühlluftversorgung über einen den Laufschaufelfuss axialwärts durchsetzten Kühlluftversorgungskanal vorzunehmen. Hierbei gelangt ein Kühlluftspeisestrom in den axialwärts orientierten Kühlluftversorgungskanal innerhalb des Laufschaufelfusses, von dem aus einzelne radialwärts in das Laufschaufelblatt hineinragende Kühlluftkanäle abzweigen. Da Laufschaufeln in aller Regel im Rahmen eines Giessverfahrens hergestellt werden, bedient man sich zur Ausbildung derartiger in einem Gussteil innen liegender Hohlräume der so genannten Gusskem-Technik, die es insbesondere ermöglicht den den Laufschaufelfuss axialwärts durchragenden Kühlluftversorgungskanal sowie die einzelnen, das Laufschaufelblatt innenliegend radial wenigstens teilweise durchsetzenden einzelnen Kühlkanäle, herzustellen. Es zeigt sich jedoch, dass für eine optimierte Verteilung des Kühlluftspeisestromes innerhalb des axial orientierten Kühlluftversorgungskanals Strömungskulissen vorzusehen sind, die den axial gerichteten Kühlluftspeisestrom in die sich radialwärts erstreckenden Kühlkanäle innerhalb des Laufschaufelblattes umlenken sollen. Herstellungsbedingt sind jedoch den hierfür vorzusehenden Strömungskulissen, die sowohl eine Richtungsänderung sowie auch eine Strömungsaufteilung der in den Schaufelfuss axial gerichteten Kühlluftspeisestrom bedingen, herstellungsbedingter Strukturformtoleranzen unterworfen, durch die eine exakte Führung und Aufteilung der Kühlluftströmung auf die einzelnen sich radial längs des Laufschaufelblattes erstreckenden Kühlkanäle nur mit einer unbefriedigenden Genauigkeit möglich ist.
Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen, so dass der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, die Kühlluftverteilung auf die einzelnen radial orientierten Kühlkanäle innerhalb einer Laufschaufel zu optimieren. Auch sollen die hierfür zu treffenden Maßnahmen keine kostenaufwendigen Herstellungs- oder Montageschritte verursachen und über robuste Eigenschaften verfügen, die den hohen Anforderungen bezüglich thermischer sowie auch mechanischer Belastung innerhalb derartiger um eine Drehachse rotierender Komponenten standhalten zu können.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Zur einfacheren Darstellung und Beschreibung des Erfindungsgedankens beziehen sich die weiteren Ausführungen auf den Fall einer Laufschaufel, die längs einer Rotoreinheit eines Gas- oder Dampfturbinenanlage montiert ist und in einer Turbostufe oder Verdichterstufe einsetzbar ist. Selbstverständlich soll durch diese Bezugnahme der allgemeine Erfindungsgedanke nicht eingeschränkt werden, der sich auch auf altemaive Anlagenkomponenten, die vergleichbaren Belastungen ausgesetzt sind, bezieht.
Die vorzugsweise aus temperaturbeständigem Flachmaterial gefertigte Verteilplatte sieht längs ihrer Erstreckung jeweils korrespondierend zu den sich radial erstreckenden Kühlkanalbereichen Durchtrittsöffnungen vor, jeweils mit Öffnungsdurchmessem, durch die der Volumenstrom an Kühlluft, der in die einzelnen Kühlkanalbereiche gelangt vorgebbar ist. Mit Hilfe der Verteilplatte ist es somit möglich, vorab berechnete an die jeweilige rotierende Laufschaufel angepasste Volumenanteile an Kühlluft auf die einzelnen sich radialwärts Laufschaufelblatt erstreckenden Kühlkanalbereiche aufzuteilen. Eine derartig exakte Aufteilung der Kühlluftströmung ist aufgrund der mit dem Giessverfahren unvermeidbar verbundenen Fertigungstoleranzen unter ausschließlicher Nutzung giesstechnisch hergestellter Strömungskulissen nicht möglich.
Um den Montageaufwand zum Einbringen der Verteilplatte längs der sich axialwärts durch den Komponentenfuss erstreckenden Kühlversorgungskanal möglichst gering zu halten und zugleich Voraussetzungen für einen exakten Sitz und eine exakte Positionierung der Verteilplatte relativ zu den wenigstens einen sich radialwärts erstreckenden Kühlkanalbereich zu schaffen, sind innerhalb des Kühlluftversorgungskanals wenigstens zwei axialwärts voneinander beabstandete Schulterelemente vorgesehen, die radialseitig dem Öffnungsrand der Öffnung des zumindest einen Kühlkanalbereich leicht beabstandet gegenüberliegt, und mit diesem einen Einschubschlitz begrenzt, in den durch axialwärtiges Einschieben in den Kühlluftversorgungskanal die Verteilplatte einen vorzugsweise bündigen Paßsitz erfährt. An dieser Stelle ist anzumerken, dass vorzugsweise mehrere das Laufschaufelblatt radialwärts durchsetzende Kühlkanalbereiche vorgesehen sind, die durch Zwischenwände voneinander getrennt angeordnet sind. Im Bereich des sich axial im Laufschaufelfuss erstreckenden Kühlluftversorgungskanals münden die Zwischenwände über jeweils einen zum Kühlluftversorgungskanal zugewandt orientierten Öffnungsrand, der die Öffnung des jeweiligen sich radialwärts ersteckenden Kühlkanalbereichs umschließt. Mit diesem Öffnungsrand gilt es zumindest im Zustand der Rotation eine fluiddichte Verbindung zur Verteilplatte zu schaffen, um mögliche Leckageströme zwischen Verteilplatte und Öffnungsrand vollkommen auszuschließen.
Durch die sich im Wege der Rotation selbstständig einstellende, fluiddichte Verbindung zwischen Verteilplatte und dem Öffnungsrand der Öffnung des wenigstens einen sich radialwärts erstreckenden Kühlkanalbereiches, ist es nicht erforderlich, toleranzfreie Spaltmaße für den Einschubschlitz, der zwischen den Schulterelementen und dem wenigstens einen Öffnungsrand begrenzt wird, vorzusehen, eine Forderung, der mit herkömmlichen Giessverfahren ohnehin nicht nachgekommen werden kann.
Um der Forderung nachzukommen, zumindest bei Rotation für eine fluiddichte Verbindung zwischen Verteilerplatte und den entsprechenden Öffnungsrändern zu sorgen, gilt es die Verteilerplatte aus einem Material sowie mit einer Materialstärke zu fertigen, so dass das Biegemoment der Verteilplatte durch die im Wege der Rotation entstehenden und an der Verteilplatte angreifenden Zentrifugalkräfte überschritten wird und sich die Verteilplatte an die Gussgeometrie der Öffnungsränder regelrecht anzuschmiegen vermag. Dieser Anschmiegevorgang kann in einer weiteren bevorzugten Ausbildungsform zudem dadurch unterstützt werden, in dem die Verteilerplatte lokal begrenzte Materialschwächungen, beispielsweise in Form mechanischer Einkerbungen oder Risse verfügt. Auch können derartige Materialschwächungen durch gezieltes Ändern der Gefügestruktur in der Verteilplatte erzeugt werden. Derartige Stellen herabgesetzter Festigkeiten werden längs der Verteilplatte verteilt angeordnet, vorzugsweise in Bereichen nahe der Öffnungsränder, an denen es gilt eine fluiddichte Verbindung herzustellen.
Auch kann es in einigen Fällen vorteilhaft sein, die Verteilplatte zumindest endseitig an einem Ende oder beiden Enden mit der inneren Gefügestruktur des Laufschaufelfusses im Bereich des Kühlluftversorgungskanals fest zu verfügen, beispielsweise im Wege einer Löt- oder Schweißverbindung. Die hierfür erforderlichen Fügestellen sind zu Montagezwecken axialwärts durch den Kühlluftversorgungskanal leicht zugänglich, so dass der hierfür erforderliche Montageaufwand nicht wesentlich erhöht wird.
Da, wie im weiteren anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert wird, der sich axialwärts durch den Laufschaufelfuss vollständig erstreckende Kühlluftversorgungskanal in Bezug auf den Laufschaufelfuss beidseitig offen ausgebildet ist, ist es erforderlich eine axialseitige Öffnung fluiddicht zu verschließen.
Eine einfachste Ausführungsform sieht vor, durch entsprechendes Umbiegen eines Endbereiches der Verteilplatte einen stirnseitigen Abschluß des Kühlluftversorgungskanales zu schaffen, wobei die Verteilplatte zumindest im Bereich ihres endseitig umgebogenen Plattenabschnittes mit der Innenwand des Kühlluftversorgungskanals zu verschweißen oder zu verlöten ist. Eine diesbezügliche Fixierung könnte sich jedoch nachteilhaft auf die geforderte sich zumindest im Zustand der Rotation einstellende fluiddichte Verbindung zwischen der Verteilplatte und dem wenigstens einen Öffnungsrand auswirken, so dass eine weitere bevorzugte Ausführungsform anstelle einer festen Verfügung der Verteilplatte im Bereich des umgebogenen Verteilplattenabschnittes eine gesonderte Abschlußplatte vorsieht, die den Kühlluftversorgungskanal axialwärts einseitig fluiddicht abschliesst. Hierzu bietet es sich an, die an die Querschnittskontur des Kühlluftversorgungskanals angepaßte Abschlußplatte über Löt- oder Schweißverbindungen mit dem Laufschaufelfuss fluiddicht zu verfügen.

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: Querschnitt durch eine Laufschaufel einer Gasturbinenanlage,
Fig. 2: detaillierte Querschnittsdarstellung durch den Fussbereich einer Laufschaufel,
Fig. 3: Detaildarstellung bezüglich einer den Kühlluftversorgungskanal axialwärts gasdicht abschließenden Abschlußplatte,
Fig.4 a-d: Ansichten alternativ ausgebildeter Verteitplatten sowie
Fig. 5: Alternative Verteilplatte innerhalb eines Laufschaufelfusses.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Figur 1 ist der Querschnitt durch eine Laufschaufel 1 dargestellt, die um eine Drehachse 2 einer in einer Gasturbinenanordnung integrierten Rotoreinheit drehbar angeordnet ist. Die Laufschaufel 1 weist einen Laufschaufelfuss 3 auf, der über eine entsprechend ausgebildete Fügekontur (Tannenbaumstruktur - nicht dargestellt) kraftschlüssig mit der nicht weiter dargestellten Rotoreinheit verbindbar ist. Radialwärts schließt sich an den Laufschaufelfuss 3 das Laufschaufelblatt 4 an, in dessen Inneren Kühlkanalbereiche K1 bis K4 vorgesehen sind. Im Bereich des Laufschaufelfusses 3 erstreckt sich ein axialwärts, d.h. parallel zur Drehachse 2, orientierter Kühlluftversorgungskanal 5, der zunächst die gesamte axiale Breite des Schaufelfusses 3 durchragt. Im Inneren des Kühlluftversorgungskanals 5 sind sogenannte Schulterelemente 6 vorgesehen, die im Wege des Giessverfahrens, mit dem die gesamte Laufschaufel 1 herstellbar ist, aus dem Gussmaterial herausgearbeitet sind, aus dem das übrige Laufschaufelmaterial besteht. Die Schulterelemente 6 weisen obere Flächenabschnitte 61 auf, die jeweils radialseitig so genannten Öffnungsrändern 71 leicht beabstandet gegenüber liegen. Die Öffnungsränder 71 umgeben zum Kühlversorgungskanal 5 zugewandte Öffnungen 7, an die sich radialseitig die Kühlkanalbereiche K1 und K2 anschließen, die jeweils von Kühlkanalbereichswänden 72 begrenzt sind. Gleichsam dem Kühlversorgungskanal 5 sind auch die im Inneren der im Laufschaufelblatt vorgesehenen Kühlkanalbereiche K1 bis K4 im Wege des Giessverfahrens herstellbar, durch Vorsehen eines geeignet modellierten Verdrängungskerns, der als Platzhalter für die jeweiligen Hohlräume dient und während des Giessprozesses in der Gussform eingebracht wird.
Zur Strömungsführung aber insbesondere zur Strömungsdimensionierung der durch die Kühlkanalbereiche K1, K2, K3 und K4 hindurch tretenden Kühlluftströmung ist eine Verteilplatte 8 vorgesehen, in der entsprechend positionierte und dimensionierte Durchtrittsöffnungen 81 eingebracht sind. Die Durchtrittsöffnungen 81 sind entsprechend im Öffnungsbereich der Öffnungen 7 vorgesehen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 gilt es den axialwärts über den Kühlluftversorgungskanal 5 zugeführten Kühlluftspeisestrom gezielt in die Kühlkanalbereiche K1 und K2 einzuspeisen. Die über die im Öffnungsbereich des Kühlkanalbereiches K1 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen 81 ermöglichen eine Kühlluftströmung radialseits durch den Kühlkanal K1 der an der oberen Flanke des Laufschaufelblattes 4 eine Austrittsöffnung A vorsieht, durch die die Kühlluft in den Heissgaskanal H entweicht. Demgegenüber wird die über die Durchtrittsöffnungen 81 in den Kühlkanalbereich K2 eintretende Kühlluft größtenteils durch entsprechende Strömungsleitmittel 9 in den Kühlkanalbereich K3 umgeleitet, an den sich in Strömungsrichtung (siehe Strömungspfeile) der Kühlkanalbereich K4 anschließt. Im Verbindungsbereich des Kühlkanalbereiches K3 und K4 sorgt die Verteilplatte 8 dafür, dass der im Kühlkanalbereich K3 nach unten strömende Kühlluftstrom gesamtheitlich in den sich radialseits nach oben erstreckenden Kühlkanalbereich K4 umgelenkt wird. Hierfür ist es erforderlich, dass sich die Verteilplatte 8 gas- bzw. fluiddicht an die entsprechenden Öffnungsränder 71 sowie die Randkontur 10 anschmiegt. Zugleich gilt es dafür Sorge zu tragen, dass keinerlei Leckageströme zwischen der Verteilplatte 8 und den Öffnungsrändern 71 auftreten. Um dies zu gewährleisten gilt es die Verteilplatte 8 derart zu dimensionieren und hinsichtlich ihres Plattenmaterials auszuwählen, dass sie von den durch die Rotation um die Drehachse 2 hervorgerufenen Zentrifugalkräfte fest an die entsprechenden Öffnungsränder 71 sowie die Randkontur 10 fluiddicht bündig gepresst wird. Die Verteilplatte 8 liegt dabei lose in dem zwischen den Flächenabschnitten 61 der Schulterelemente 6 und den Öffnungsrändern 71 sowie der Randkontur 10 begrenzten Eintrittsschlitz 11 (siehe Figur 2).
Für einen einseitig axialen, gasdichten Abschluss des Kühlluftversorgungskanals 5 sorgt eine Abschlussplatte 12, die fest mit dem Laufschaufelfuss 3 im Wege einer Schweiß- oder Lötverbindung verfügt ist.
Figur 2 zeigt eine Detaildarstellung der in den sich axialwärts erstreckenden Kühlluftversorgungskanal 5 eingebrachten Verteilplatte 8. Wie bereits erwähnt, werden die im Inneren des Kühltuftversorgungskanals 5 vorhandenen Schulterelemente 6 sowie die einzelnen Kühlkanalbereiche K1 bis K4, d.h. die Kühlkanalbereichswände 72 mit den entsprechenden Öffnungsrändern 71 im Wege des Giessverfahrens gemeinsam hergestellt. Die Öffnungsränder 71 schliessen mit den Oberflächenabschnitten 61 der Schulterelemente 6 einen Einschubschlitz 11 ein, längs dem die im Ausgangszustand ebenflächig geformte Verteilplatte 8 axialwärts einschiebbar ist. Nach Einschieben der Verteilplatte 8 in der in Figur 2 dargestellten Form innerhalb des Kühlluftversorgungskanals 5, werden zur weitgehend axialen und radialen Fixierung der Verteilplatte 8 innerhalb des Einschubschlitzes 11 die Endbereiche der Verteilplatte 8 in der in Figur 2 angegebenen Weise umgebogen. Die Verteilplatte 8 verbleibt ansonsten lose aufliegend auf den Flächenabschnitten 61 der Schulterelemente 6. Um den Kühlluftversorgungskanal 5 einseitig axialwärts fluiddicht abzuschließen, wird eine Abschlussplatte 12 auf die in Figur 2 linke Eintrittsöffnung in den Kühlluftversorgungskanal 5 eingesetzt und in Randbereichen mit dem Laufschaufelfuss 3 verschweißt bzw. verlötet. Durch den einseitigen, gasdichten Abschluss des Kühlluftversorgungskanals 5 erfährt die von der rechten Seite in den Kühlluftversorgungskanal 5 eintretende Kühlluftspeiseströmung S eine sich innerhalb des Kühlluftversorgungskanals 5 ausbildende Stauwirkung, wodurch der Kühlluftspeisestrom S durch die in der Verteilplatte 8 vorgesehenen Durchtrittsöffnungen 81 hindurch getrieben wird. Größe und Anordnung der einzelnen Durchtrittsöffnungen 81 definieren den Volumenstrom der in die jeweiligen Kühlkanalbereiche K1 und K2 eintretenden Kühlluftströmung. Durch die sich während der Rotation ausbildende fluiddicht innige Verbindung zwischen der Verteilplatte 8 und den Randbereichen 71 die die jeweiligen Öffnungen 7 der Kühlkanalbereiche K1 und K2 umgeben, werden jegliche Leckageströmungen, die sich zwischen der Verteilplatte 8 und den Randbereichen 71 ausbilden könnten, unterbunden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Kühlluftströmung ausschließlich längs der im Inneren des Laufschaufelblattes vorgesehenen Kühlkanalbereiche K1 bis K4 verlustfrei geführt wird.
Figur 3 zeigt eine weitere Detaildarstellung der mit dem axialen Endbereich des Kühlluftversorgungskanals 5 fluiddicht verschweißten Abschlussplatte 12. Die Abschlussplatte 12 sitzt in einer entsprechend gegenkonturierten Ausnehmung 13 innerhalb des Laufschaufelfusses 3 und ist mit diesem fluiddicht verschweißt. Ebenso aus der Bilddarstellung in Figur 3 kann entnommen werden, dass die Verteilplatte 8 lose innerhalb des Einschubschlitzes 11 auf dem Schulterelement 6 aufliegt. Erst im Wege der Rotation und den damit entstehenden Zentrifugalkräften wird die Verteilplatte 8 radialwärts angehoben und gerät somit in Kontakt mit der Randkontur 10, mit dem sie eine entsprechend fluiddichte Verbindung eingeht. Auf diese Weise wird vermieden, dass Kühlluft an dieser Stelle aus dem Kühlkanalbereich K4 in den Kühlluftversorgungskanal 5 zurückgelangen kann.
In den Figuren 4 a-d jeweils zwei unterschiedliche Ausbildungsformen für eine Verteilplatte 8 dargestellt. Figuren 4a und b zeigen eine Drauf- und Seitensichtdarstellung einer ersten Verteilplatte 8, deren geometrische Abmessungen an den vorstehend beschriebenen Einschubschlitz 11 angepasst sind. Die Verteilerplatte 8 ist aus einem hitzebeständigen Flachmaterial gefertigt und zu Montagezwecken zunächst auf einer Seite eben ausgebildet (siehe Figur 4a). Ferner verfügt die Verteilplatte 8 über Durchtrittsöffnungen 81, deren Anordnung, Form und Größe das Kühlluftvolumen bestimmt, das durch die Kühlkanalbereiche K1 bis K4 befördert wird.
Zu Montagezwecken gilt es die auf einer Seite eben ausgebildete Verteilerplatte 8 zwischen die Öffnungsränder 71 und den Flächenabschnitten 61 der Schulterelemente 6 axialwärts einzuschieben und nach vollständigem Einführen in den Kühlluftversorgungskanal 5 an einem Endabschnitt 82 oder 83 in der vorstehend beschriebenen Weise entsprechend umzubiegen. Siehe hierzu die Seitensichtdarstellung in Figur 4b. Wie bereits eingangs erwähnt sind die Dimensionen der Verteilplatte 8 sowie das Material derart gewählt, dass zumindest lokale Durchbiegungen an der Verteilplatte 8 im Bereich der Öffnungsränder 71 auftreten können, damit die Verteilplatte 8 eine fluiddichte Verbindung mit den Öffnungsrändern 71 eingehen kann. Um das Biegevermögen der Verteilplatte 8, insbesondere in Bereichen, die den Öffnungsrändern 71 gegenüberliegen, zu verbessern, dienen gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 4c und d lokale Materialschwächungen in Form von Einkerbungen 15 längs der Verteilplatte 8 vorgesehen werden. Durch die gezielt vorgenommenen lokal begrenzten Einkerbungen 15 kann die Biegesteifigkeit der Verteilplatte 8 zumindest lokal reduziert werden, um ein lokales Anschmiegen der Verteilplatte 8 an die Öffnungsränder 71 zu optimieren. Ebenso sieht das Ausführungsbeispiel in Figur 4 c und 4d jeweils unterschiedlich dimensionierte Durchtrittsöffnungen 81 für die Kühllufteinspeisung in die Kühlkanalabschnitte K1 und K2 vor. So wird der Kühlkanalbereich K1 mit wesentlich weniger Kühlluft beaufschlagt als der Kühlkanalbereich K2.
Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen dienen der bevorzugten losen Lagerung der Verteilplatte 8 innerhalb des Kühlversorgungskanals 5, wobei die Verteilplatte 8 lediglich innerhalb des Einschubschlitzes 11 einerseits durch die Schulterelemente 6 und andererseits durch die Öffnungsränder 71 respektive die Randkontur 10 räumlich fixiert wird. Montageaufwendige Schweissvorgänge sind auf diese Weise vollständig vermeidbar, können jedoch bei Bedarf lokal vorgesehen werden.
Figur 5 zeigt einen Teilquerschnitt durch den Fussbereich 3 einer Laufschaufel 1, die gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgebildet ist. Längs des Kühltuftversorgungskanals 5 ist lediglich ein einziger Kühlkanalbereich K1 vorgesehen, in den Kühlluft aus den Kühlluftversorgungskanal 5 gezielt abgezeigt werden soll. Dieser folgt über entsprechend vorgesehene Durchtrittsöffnungen in der axial eingefügten Verteilplatte 8, die an geeigneten Stellen längs der Verteilplatte 8 über das Biegevermögen verbessernde Einkerbungen 14 verfügt.

Bezugszeichenliste

1: Laufschaufel
2: Drehachse
3: Laufschaufelfuss
4: Schaufelblatt
5: Kühlluftversorgungskanal
6: Schulterelemente
61: Flächenabschnitt
7: Öffnung
71: Öffnungsrand
72: Kühlkanalzwischenwand
8: Verteilplatte
81: Durchtrittsöffnung
82,83: Endabschnitte
9: Umlenkelemente
10: Randkontur
11: Einschubschlitz
12: Abschlussplatte
13: Ausnehmung
14: Einkerbungen

Claims

Vorrichtung zur inwandigen Kühlluftbeaufschlagung einer um eine Drehachse (2) rotierenden Komponente, insbesondere eine Laufschaufel (1) in einer Rotationsmaschine, mit einem Komponentenfuss (3), der drehfest an eine Rotoreinheit befestigbar ist, an den sich einstückig radialwärts erstreckend ein Komponentenblatt (4) anschließt, in dem wenigstens sich ein längs zur Drehachse (2) radialwärts erstreckender Kühlkanalbereich (K1) vorgesehen ist, der im Bereich des Komponentenfusses (3) über eine Öffnung 7 in einen den Komponentenfuss (3) längs zur Drehachse (2) wenigstens teilweise durchsetzenden Kühlluftversorgungskanal (5) mündet, und eine Verteilplatte (8) im Bereich des Kühlluftversorgungskanals (5) derart vorgesehen ist, dass die Verteilplatte (8) eine mit einem die Öffnung (7) des Kühlkanalbereiches (K1) umgebenden Öffnungsrand (71) zumindest während der Rotation der Komponente um die Drehachse (2) eine fluiddichte Verbindung eingeht und im Bereich der Öffnung (7) des zumindest einen Kühlkanalbereiches (K1) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (81) vorsieht, durch die Kühlluft aus dem axialen Kühlluftversorgungskanal (5) in den radialen Kühlkanalbereich (K1) gelangt,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Kühlluftversorgungskanals (5) wenigstens zwei axialwärts voneinander beabstandete Schulterelemente (6) vorgesehen sind, die jeweils zu einem Öffnungsrand (71) radialwärts gegenüberliegend angeordnet sind und mit diesem einen für die Verteilplatte (8) vorgesehenen Einschubschlitz (11) einschliessen.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente im Wege eines Giessverfahrens herstellbar ist, bei dem der den Komponentenfuss (3) axial durchragende Kühlluftversorgungskanal (5) sowie der wenigstens eine in dem Komponentenblatt (4) radial orientierte Kühlkanalbereich (K1) mittels Gusskerntechnik erzeugbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der die Öffnung (7) umgebende Öffnungsrand (71) ein die Öffnung (7) umschließender Flächenbereich ist, der eine mit der Öffnungsebene zusammenfallende Flächenebene aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kühlkanalbereiche (K1, K2) vorgesehen sind, deren Öffnungsränder (71) in einer gemeinsamen Flächenebene liegen, mit der die Verteilplatte (8) zumindest während der Rotation der Komponente um die Drehachse (2) eine fluiddichte Verbindung eingeht.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsebene der Öffnung (7) senkrecht zur der durch die Drehung um die Drehachse (2) vorgegebenen Radialrichtung orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftversorgungskanal (5) den Komponentenfuss (3) axialwärts vollständig durchragt, und dass die Verteilplatte (8) wenigstens einseitig in den Kühlluftversorgungskanal (5) vollständig einschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilplatte (8) in dem im Kühlluftversorgungskanal (5) eingebrachten Zustand wenigstens einen umgebogenen Endbereich (82, 83) vorsieht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilplatte (8) aus einem metallischen Flachmaterial besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilplatte (8) lose auf den Schulterelementen (6) aufliegt und eine fluiddichte Verbindung zwischen der Verteilplatte (8) und dem Öffnungsrand (7) durch eine Kraftschlussverbindung erfolgt, die sich durch die Rotation hervorgerufene Zentrifugalkräfte, die auf die Verteilplatte (8) einwirken, einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass Material und Materialstärke der Verteilplatte (8) derart gewählt sind, dass sich die Verteilplatte (8) zumindest im Bereich des Öffnungsrandes 71 an deren Oberflächenkontur lokal begrenzt anschmiegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilplatte (8) aus einem Flach- oder Rundmaterial gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilplatte (8) zumindest lokal begrenzt innerhalb des Kühlluftversorgungskanals (5) fest verfügt ist, vorzugsweise mittels Löt- oder Schweißverbindung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilplatte (8) lokal begrenzte Materialschwächungen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschwächungen in Form mechanischer Einkerbungen (14) oder Risse oder durch Änderung der Gefügestruktur in der Verteilplatte (8) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftversorgungskanal (5) wenigstens einseitig mit einer Abschlussplatte (12) fluiddicht abgeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussplatte (12) nach Einbringen der Verteilplatte (8) in den Kühlluftversorgungskanal (5) mit dem Komponentenfuss (3) verschweisst oder verlötet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente eine Laufschaufel einer Verdichter- oder Turbinenstufe in einer Dampf- oder Gasturbinenanordnung ist.