EP2022939A1 - Prallkühlelement sowie Heissgaskomponente mit einem Prallkühlelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein im Wesentlichen keramisches Prallkühlelement (28) für eine Heißgaskomponente (10) einer Gasturbine, bei der die Aufheizung von im Prallkühlelement (28) strömenden Kühlmittel noch vor dessen Ausblasung durch Prallkühlöffnungen (32) verringt werden kann. Hierdurch gelangt kühleres Kühlmittel zum Einsatz als bei im Stand der Technik verwendeten metallischen Prallkühlelementen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Prallkühlelement sowie eine Heißgaskomponente für eine Gasturbine mit einer zur kühlenden Wand, welche zumindest teilweise einen Hohlraum begrenzt und welcher ein Prallkühlelement gegenüber liegt.
• Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist als eine Heißgaskomponente beispielsweise eine Turbinenleitschaufel bekannt, die ein zu kühlendes Schaufelblatt aufweist. Das Schaufelblatt weist im Inneren einen Hohlraum auf, welcher von der Schaufelblattwand umgeben ist. Die Schaufelblattwand ist außenseitig von einem Heißgas umströmbar. Damit das Material der Turbinenschaufel den hohen Heißgastemperaturen standhalten kann, ist es bekannt, die Turbinenschaufel mittels einer Prallkühlung zu kühlen. Hierzu ist im Hohlraum ein Prallkühlelement vorgesehen. Das Prallkühlelement liegt unter Abstand den Innenseiten des Hohlraums gegenüber und weist eine Vielzahl von in einem Muster angeordneten Prallkühlöffnungen auf, wodurch ein im Inneren des Prallkühlelements strömendes Kühlfluid strahlenartig senkrecht auf die Innenfläche der Schaufelwand aufprallen kann. Das aufprallende Kühlmittel gelangt somit in einen innigen Kontakt mit der zu kühlenden Wand und entnimmt ihr Wärmeenergie. Nach erfolgter Prallkühlung strömt das Kühlmittel entlang der zu kühlenden Wand und verlässt an geeigneter Stelle den Zwischenraum zwischen dem Prallkühlelement und Schaufelwand. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Prallkühlelementen handelt es sich im Wesentlichen um Bleche, die in den Hohlraum eingesetzt sind.
• Die Turbinenleitschaufel ist in der Regel gegossen und somit in einem Gießverfahren hergestellt worden, so dass diese im Wesentlichen einstückig ausgebildet ist. Die blechartigen Prallkühlelemente werden nach dem Guss der Turbinenschaufel in diese eingesetzt. Anschließend werden beide Teile miteinander verschweißt, damit ein sicherer Sitz des Prallkühlelements in der Leitschaufel gewährleistet ist. Aufgrund der damit vorhandenen Verbindungen zwischen Turbinenleitschaufel und Prallkühlelement heizt sich das Prallkühlelement beim Betrieb auf. Hierdurch kann bereits vor dem Ausströmen des Kühlmittels durch die Prallkühlöffnungen eine geringfügige Aufheizung des Kühlmittels erfolgt, was die Kühleffizient verringern kann.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Heißgaskomponente, welche besonders effizient kühlbar ist.
• Die Aufgabe wird mit einem Prallkühlelement gelöst, welches im Wesentlichen keramisch ist. Das im Wesentlichen keramische Prallkühlelement kann der zu kühlenden Wand einer Heißgaskomponente unter Abstand gegenüberliegen, ohne sich wesentlich zu erwärmen. Eine vorzeitige Erwärmung des im Inneren strömenden Kühlfluids kann so verhindert werden.
• Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass anstelle eines metallischen Prallkühlelements auch ein keramisches Prallkühlelement der zu kühlenden Wand gegenüber angeordnet sein kann. Die Verwendung eines keramischen Prallkühlelements bringt mehrere Vorteile mit sich: Die Wechselwirkung zwischen der Keramik und des Kühlmittels ist wesentlich geringer als bei einem Prallkühlelement aus Metall. Dementsprechend kann die Aufheizung des Kühlmittels noch vor dessen Ausblasung durch Prallkühlöffnungen verringert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Kühlmittel innerhalb des Prallkühlelements einen vergleichsweise langen Weg zurücklegen muss. Aufgrund der verminderten Aufheizung kann Kühlmittel insgesamt eingespart werden. Darüber hinaus kann mittels der Verwendung einer Keramik ein in seiner Struktur komplexeres Prallkühlelement bzw. Prallkühleinsatz hergestellt werden als bei der Verwendung von Blechen oder Metallen. Ferner kann die Herstellung von keramischen Prallkühlelementen aus Keramik insbesondere bei der Verwendung von komplexen Strukturen preiswerter sein als bei metallischen Prallkühlelementen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Vorzugsweise sind zur Beabstandung von Prallkühlelement und der Innenseite der zu kühlenden Wand Abstandshalter vorgesehenen, die am Prallkühlelement angeordnet sind. Aufgrund der einfacheren Herstellbarkeit von in ihrer Struktur komplexeren Keramiken ist es besonders einfach, die zur Beabstandung vorgesehenen Abstandshalter auch an dem Prallkühlelement anzuordnen. Sofern die Heißgaskomponente eine gegossen hergestellte Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel ist, kann die Gießvorrichtung und der Guss selber hierdurch weiter vereinfacht werden. Sofern erforderlich, kann die Keramik auch die Festigkeit verstärkende Fasern aufweisen.
• Zweckmäßigerweise kann die Heißgaskomponente als Turbinenlaufschaufel, als Turbinenleitschaufel, als Führungsringelement, als Plattform oder metallisches Brennkammerhitzeschild ausgebildet sein. Führungsringelemente liegen den freien Enden von Laufschaufeln gegenüber und begrenzen in der Turbineneinheit den Heißgaspfad teilweise. Plattformen können Teile von Turbinenlaufschaufeln bzw. Turbinenleitschaufeln sein, an denen sich üblicherweise das aerodynamisch gekrümmte Schaufelblatt anschließt. Metallische Brennkammerhitzeschilder können in einer Brennkammer einer stationären Gasturbine Verwendung finden, um Heißgas zu führen und eine Tragstruktur vor unzulässig hoher Temperatur zu schützen. Aufgrund der vorgenannten Vorteile ist es zweckmäßig, dass eine Gasturbine mit einer Heißgaskomponente vorgenannter Art ausgestattet ist.
• Weitere Vorteile und weitere Merkmale werden anhand der Figurenbeschreibung aufgezeigt.
• Es zeigen:

FIG 1

den Längsschnitt durch eine Turbinenleitschaufel mit einem erfindungsgemäßen Prallkühleinsatz,

FIG 2

den Querschnitt durch eine Turbinenleitschaufel gemäß FIG 1 und

FIG 3

ein keramisches Prallkühlelement in einer Seitenansicht.

• Als eine Heißgaskomponente 10 ist in FIG 1 eine Turbinenleitschaufel 12 in einem Längsschnitt dargestellt. Die Turbinenleitschaufel 12 umfasst im Wesentlichen ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 14, welches sich von einer Vorderkante 16 zu einer Hinterkante 18 erstreckt. Das Schaufelblatt 14 umfasst eine Druckseitenwand 20 sowie eine Saugseitenwand 22. Im Inneren des Schaufelblatts 14 sind zwei Hohlräume 24, 26 vorgesehen. Im vorderen, d.h. nahe der Vorderkante 16 angeordneten Hohlraum 24 ist ein Prallkühlelement 28 eingesetzt. An den - bezogen auf die Einbaulage der Leitschaufel in einer Gasturbine - inneren und äußeren Enden des Schaufelblatts 14 sind Plattformen 23, 25 vorgesehen, die den ringförmigen Heißgaspfad der Gasturbine radial innen und außen teilweise begrenzen.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das Prallkühlelement 28 im Wesentlichen keramisch. Das heißt, dass das Prallkühlelement 28 als Hauptbestandteil eine Keramik aufweist. Es handelt sich also nicht um ein metallisches Prallkühlelement mit einer keramischen Beschichtung. Sofern erforderlich, kann die Keramik zudem Versteifungselemente wie Fasern oder ähnliche Strukturen aufweisen. Das in den Hohlraum 24 eingesetzte Prallkühlelement 28 liegt der zu kühlenden Schaufelwand 20, 22 unter Abstand gegenüber. Zwischen der zu kühlenden Schaufelwand 20, 22 und dem Prallkühlelement 28 ist somit ein Zwischenraum 30 vorgesehen, durch den das im Inneren der Keramik strömende Kühlmittel durch im Prallkühlelement 28 vorgesehene Öffnungen 32 strahlenartig ausströmen kann. Das aus den Prallkühlöffnungen 32 ausströmende Kühlmittel trifft im Wesentlichen senkrecht auf die Innenseite der zu kühlenden Wand 20, 22 der Turbinenleitschaufel. Dabei wird die Wand 20, 22 in bekannter Art und Weise gekühlt. Anschließend kann das im Zwischenraum 30 vorhandene Kühlmittel aus diesem abströmen. Anstelle von dediziert vorgesehenen Prallkühlöffnungen 32 ist es auch möglich, dass die Keramik als poröse Keramik ausgebildet ist, so dass die Porosität das Ausbilden von den auf die zu kühlende Wand 20, 22 auftreffenden Kühlluftstrahlen ermöglicht.
• Um den Zwischenraum zwischen keramischem Prallkühlelement 28 und der zu kühlenden Wand 20,22 zu erhalten, umfasst das keramische Prallkühlelement 28 auf seiner Oberfläche verteilte, in Mustern angeordnete Abstandshalter 34. Diese sind in FIG 3 schematisch skizziert.
• Insgesamt wird mit der Erfindung ein im Wesentlichen keramisches Prallkühlelement 28 für eine Heißgaskomponente 10 einer Gasturbine angegeben, bei der die Aufheizung von im Prallkühlelement 28 strömenden Kühlmittel noch vor dessen Ausblasung durch Prallkühlöffnungen 32 verringt werden kann. Hierdurch gelangt kühleres Kühlmittel zum Einsatz als bei im Stand der Technik verwendeten metallischen Prallkühlelementen.

Claims (6)

1. Prallkühlelement (28) für eine Heißgaskomponente (10),
   dadurch gekennzeichnet, dass
   es im Wesentlichen keramisch ist.
2. Heißgaskomponente (10) für eine Gasturbine
   mit einer zur kühlenden Wand (20, 22), welche zumindest teilweise einen Hohlraum (24, 26) begrenzt, in dem ein der Wand (20, 22) gegenüberliegendes Prallkühlelement (28) nach Anspruch 1 vorgesehen ist.
3. Heißgaskomponente (10) nach Anspruch 2,
   bei dem die zur Beabstandung vorgesehenen Abstandshalter (34) zwischen der zur kühlenden Wand (20, 22) und dem Prallkühlelement (28) an letztgenanntem angeordnet sind.
4. Heißgaskomponente (10) nach Anspruch 2 oder 3,
   bei der die Keramik Fasern aufweist.
5. Heißgaskomponente (10) nach Anspruch 2, 3 oder 4, ausgebildet als Turbinenlaufschaufel, Turbinenleitschaufel (12), Führungsringelement, Plattform oder Brennkammerhitzeschild.
6. Gasturbine mit einer Heißgaskomponente (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5.

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