EP3124744A1 - Leitschaufel mit prallgekühlter plattform - Google Patents

Leitschaufel mit prallgekühlter plattform Download PDF

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EP3124744A1
EP3124744A1 EP15178804.9A EP15178804A EP3124744A1 EP 3124744 A1 EP3124744 A1 EP 3124744A1 EP 15178804 A EP15178804 A EP 15178804A EP 3124744 A1 EP3124744 A1 EP 3124744A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
impingement cooling
cooling
guide vane
impingement
vane according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15178804.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Daniela Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP15178804.9A priority Critical patent/EP3124744A1/de
Publication of EP3124744A1 publication Critical patent/EP3124744A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
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    • F05D2230/13—Manufacture by removing material using lasers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • F05D2240/81—Cooled platforms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/10—Two-dimensional
    • F05D2250/19—Two-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/191—Two-dimensional machined; miscellaneous perforated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Definitions

  • Such guide vanes are known in the prior art in different configurations and are used in turbomachines to make the enthalpy contained in a hot gas usable.
  • the guide vanes are usually arranged in the form of a blade ring and held on a blade carrier, which is provided in a housing of the turbomachine and fixedly connected thereto.
  • a turbine is provided within the housing adjacent to the vanes.
  • the turbine comprises moving blades, which usually also form a blade ring and are held on a further blade carrier.
  • the further blade carrier is rotatably connected to a housing passing through and rotatably mounted turbine shaft, which is coupled to a drive shaft of a working machine, such as a generator.
  • the enthalpy contained in the hot gas is completely or partially converted into flow energy by the guide vanes.
  • the flowing hot gas is then deflected on the blades, thereby exerting a circumferential force on them.
  • the turbine shaft is activated by the circumferential force acting on the blades Rotation displaces and finally drives the work machine.
  • Such a vane includes a vane platform and an airfoil and blade root projecting from the vane platform on opposite sides.
  • the blade root serves to secure the vane to the blade carrier while the airfoil is formed so that a directional flow can form in the expanding hot gas.
  • the vanes are exposed to a high thermal load due to the high temperature of the hot gas.
  • the concomitant temperature-induced wear of the guide vanes can be reduced for example by a heat-resistant coating of the outer surface.
  • a cavity can be formed within a guide vane, through which a cooling fluid, for example compressed air, can flow.
  • the EP 0 789 806 B1 proposes an improved guide vane whose vane platform is cooled by impingement cooling.
  • a baffle plate is associated with a wall portion, which is arranged within the blade platform spaced from the wall portion to form a baffle cooling space.
  • the impingement cooling plate is penetrated by impingement cooling bores, through which the cooling fluid can be fed to the impingement cooling chamber.
  • the cooling fluid flows through the baffle cooling bores into the baffle cooling chamber, bounces substantially perpendicularly from the inside to the wall section the blade platform, absorbing heat from the wall section. Finally, the heated cooling fluid leaves the impingement cooling chamber, whereby the absorbed heat is removed from the guide vane.
  • the cooling performance of the cooling fluid flowing into the impingement cooling space through the impingement cooling holes may be insufficient.
  • transverse secondary flows of the cooling fluid can be formed, which reduce the achievable cooling capacity, for example by causing a deflection of the cooling fluid flowing through the impingement cooling bores before it impacts on the wall section from the inside.
  • the present invention provides a guide vane of the type mentioned in the introduction, in which the impact cooling openings comprise at least one oblong impingement cooling slot and preferably additionally impact cooling bores.
  • the invention is based on the idea of forming the baffle cooling openings at least partially slit-shaped. Since the cooling fluid flow through a baffle cooling slot is more extensive than that through an impingement cooling bore, a corresponding improvement in the area-related baffle cooling performance is achieved.
  • baffle cooling slots can direct the cooling fluid flowing through it more precisely than baffle cooling bores, so that particularly hot areas of the wall section can be specifically cooled.
  • the cooling fluid walls created by the impingement cooling slots in the impingement cooling space can favorably influence the secondary flow of the cooling fluid in the impingement cooling space.
  • baffle cooling slots can direct the cooling fluid in the impingement cooling space such that a reduction in the achievable cooling capacity due to unfavorable secondary flow is largely avoided.
  • the wall portion is penetrated by film cooling channels, through which the cooling fluid flows from an inner surface to an outer surface of the wall portion.
  • the film cooling causes an immediate cooling of the outer surface of the wall portion and protects the wall portion from the overflowing hot gas, which further increases the thermal load capacity of the blade platform.
  • a closed cooling film along the outer surface of the wall section requires a favorable distribution of the cooling fluid to the film cooling channels.
  • impingement cooling slots direct the cooling fluid in the impingement cooling chamber such that an unfavorable distribution of the cooling fluid is counteracted to the film cooling channels.
  • a plurality of impingement cooling slots is provided. With a suitable arrangement of a plurality of impingement cooling slots, even more expansive areas of the wall section can be efficiently cooled if necessary and / or complex complex secondary flows of the cooling fluid in the impingement cooling compartment can be modeled.
  • a plurality of impingement cooling slots are arranged behind one another in the impingement cooling plate in such a way that they lie on a line.
  • a wall-shaped cooling fluid flow with even greater effective length expansion and / or steering effect can be produced from a plurality of impact cooling slots.
  • a plurality of impingement cooling openings and in particular a plurality of impingement cooling slots are arranged behind one another in the impingement cooling plate such that they lie on a plurality of lines.
  • Multiple lines in the impingement cooling plate allow for differentiated modeling of the secondary flow of cooling fluid in the impingement refrigerator when a single line does not perform the intended or sufficient effect.
  • a plurality of impingement cooling openings / impingement cooling slots are arranged one behind the other in the impingement cooling plate in such a way that they lie on at least two lines extending substantially parallel. Impact cooling slots arranged on parallel lines can produce channel-like structures in the impingement cooling chamber for the precise steering of the secondary flow.
  • impingement cooling bores and impingement cooling slots are arranged alternately on at least one line.
  • the alternating arrangement of impingement cooling bores and impingement cooling slots makes it possible to combine the respective advantages of both opening forms in the impingement cooling plate.
  • At least one line has a straight shape.
  • a straight-shaped line may result in a straight secondary flow of the cooling fluid in the impingement refrigerator.
  • At least one line has a curved shape.
  • a curved line may cause a correspondingly curved secondary flow of the cooling fluid in the impingement cooling space.
  • At least one line has a kinked shape. With a kinked line, abrupt changes of direction in the secondary flow of the cooling fluid can be produced.
  • At least one impingement cooling slot and in particular each impingement cooling slot has a width between 0.1 mm and 0.3 mm, preferably a width of 0.2 mm. Impingement cooling slots of this small width ensure that a sufficient pressure difference is maintained on both sides of the impingement cooling plate, which causes the cooling fluid to flow through the impingement cooling plate into the impingement cooling space.
  • At least one impingement cooling slot and in particular each impingement cooling slot may have a length between 15 mm and 25 mm, preferably a length of 20 mm. Impingement cooling slots of this length produce sufficiently extensive wall-like flow patterns to affect the direction of secondary flows in the impingement cooling space.
  • the impact cooling bores have a diameter between 0.2 mm and 0.8 mm, preferably a diameter of 0.5 mm. Impact cooling bores of this diameter can on the one hand maintain the required pressure difference on both sides of the impingement cooling plate, but on the other hand allow sufficient cooling fluid flow to cool a certain point of the wall section of the blade platform.
  • the impingement cooling bores and / or the at least one impingement cooling slot are introduced into the wall section by means of a laser. This fabrication process is easy to apply and provides the precision needed to produce small diameter baffles and / or baffles.
  • separating elements are provided in the impingement cooling space, which segment the impingement cooling space.
  • solid walls may also be arranged in the impingement cooling space between the wall section of the blade platform and the impingement cooling plate in order to prevent undesired secondary flow progressions.
  • the separating elements are held on the baffle cooling plates.
  • the separating elements can be provided on the baffle cooling plates by embossing. Separating elements held on the baffle plates offer the advantage that they are automatically positioned correctly when the baffle plates are inserted.
  • FIGS. 1 to 4 show a guide vane 1 of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
  • the guide vane 1 can be used in other turbomachinery without further ado.
  • several guide vanes 1 are arranged in the form of a blade ring, which is held on a fixedly connected to a housing of the gas turbine blade carrier.
  • a cavity is formed for cooling in each case, to which a cooling fluid such as compressed air can be supplied.
  • the vane 1 comprises a blade platform 2 and an airfoil 3 and a blade root 4, which protrude from the blade platform 2 on opposite sides.
  • the blade platform 2 has a wall section 5, whose Outside surface 6 is covered by a hot gas, and an inner surface 7, which is covered by a cooling fluid on.
  • the wall portion 5 is penetrated by film cooling channels 8, through which the cooling fluid from the inner surface 7 of the wall portion 5 can flow to the outer surface 6 to cool the outer surface 6 and to protect against the overflowing hot gas.
  • the wall section 5 of the blade platform 2 is associated with an impingement cooling plate 9, which is arranged within the blade platform 2 spaced from the wall section 5 to form an impingement cooling chamber 10.
  • the impingement cooling plate 9 is penetrated by a plurality of impingement cooling bores 11 and elongate impingement cooling slots 12, through which the cooling fluid can be fed to the impingement cooling chamber 10.
  • the impingement cooling holes 11 have a diameter of 0.5 mm.
  • the diameter of the impingement cooling bores 11 can also be between 0.2 mm and 0.8 mm.
  • the impingement cooling slots 12 have a width of 0.2 mm and a length of 20 mm.
  • the width of the baffle cooling slots 12 may be between 0.1 mm and 0.3 mm, the length between 15 mm and 25 mm.
  • the impingement cooling bores 11 and impingement cooling slots 12 are introduced into the impingement cooling plate 9 by means of a laser in the embodiment described here. But you can also in an alternative manner, for example, by drilling or cutting or milling in the impingement cooling plate 9 bring.
  • the impingement cooling bores 11 and impingement cooling slots 12 are arranged one behind the other in such a way that they lie on two lines 13.
  • the two lines 13 extend parallel to each other and have a bent shape.
  • the impingement cooling bores 11 and impingement cooling slots 12 are arranged alternately.
  • the number and shapes of the lines 13 may vary depending on the blade platform 2 and the particular cooling demand. For example, straight and / or curved lines 13 are possible.
  • an arbitrary sequence of Impeller cooling bores 11 and impingement cooling slots 12 may be arranged, in particular, only impingement cooling bores 11 or impingement cooling slots 12 may be provided.
  • separating elements 14 are provided, which are held on the impingement cooling plate 9 and segment the impingement cooling chamber 10.
  • the cooling fluid first flows through the impingement cooling bores 11 and the impingement cooling slots 12 of the impingement cooling plate 9 into the impingement cooling chamber 10 and collides against the inner surface 7 of the wall section 5, absorbing heat of the wall section 5. From the impingement cooling chamber 10, the heated cooling fluid flows through the film cooling channels 8 provided in the wall section 5 onto the outer surface 6 of the blade platform 2. On the outer surface 6, the cooling fluid forms a cooling film that cools the outer surface 6 of the wall section 5 and the outer surface 6 of the wall section 5 protects the overflowing hot gas.
  • FIG. 3 can be achieved by the illustrated kinked shape of the lines 13 indicated by arrows kinking secondary flow of the cooling fluid in the impingement cooling chamber 10. But other directions of flow can be achieved by appropriate arrangement and shaping of the lines 13.
  • An advantage of the guide blade 1 according to the invention lies in an improved cooling of the wall section 5 of the blade platform 2.
  • a strong flow of cooling fluid which can be directed specifically to particularly hot regions of the wall section 5, onto the inner surface 7 of the wall section 5 can be provided by the cooling slots 12 be directed.
  • the cooling fluid in the impingement cooling chamber 10 can be influenced by the relative arrangement of the impingement cooling bores 11 and the impingement cooling slots 12 in such a way that no secondary flow reducing the cooling capacity in the impingement cooling chamber 10 the cooling fluid is formed.
  • the impingement cooling slots 12 generate wall-like cooling fluid streams which segment the impingement cooling chamber 10 like dividing elements 14.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Schaufelplattform (2) sowie mit einem Schaufelblatt (3) und einem Schaufelfuß (4), die von der Schaufelplattform auf gegenüberliegenden Seiten abragen, wobei einem Wandabschnitt (5) der Schaufelplattform ein Prallkühlblech (9) zugeordnet ist, das innerhalb der Schaufelplattform unter Bildung eines Prallkühlraums (10) wenigstens bereichsweise beabstandet von dem Wandabschnitt angeordnet ist und von Prallkühlöffnungen (11, 12) durchsetzt ist, durch welche dem Prallkühlraum ein Kühlfluid zuführbar ist, wobei die Prallkühlöffnungen wenigstens einen länglichen Prallkühlschlitz (12) und bevorzugt zusätzlich Prallkühlbohrungen (11) umfassen.

Description

  • Leitschaufel für eine Strömungsmaschine, mit einer Schaufelplattform sowie mit einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, die von der Schaufelplattform auf gegenüberliegenden Seiten abragen, wobei einem Wandabschnitt der Schaufelplattform ein Prallkühlblech zugeordnet ist, das innerhalb der Schaufelplattform unter Bildung eines Prallkühlraums wenigstens bereichsweise beabstandet von dem Wandabschnitt angeordnet ist und von Prallkühlöffnungen durchsetzt ist, durch welche dem Prallkühlraum ein Kühlfluid zuführbar ist.
  • Derartige Leitschaufeln sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und dienen in Strömungsmaschinen dazu, die in einem Heißgas enthaltene Enthalpie nutzbar zu machen. Dazu sind die Leitschaufeln zumeist in Form eines Schaufelkranzes angeordnet und an einem Schaufelträger gehalten, der in einem Gehäuse der Strömungsmaschine vorgesehen und fest mit diesem verbunden ist. Ferner ist innerhalb des Gehäuses benachbart zu den Leitschaufeln eine Turbine vorgesehen. Die Turbine umfasst Laufschaufeln, die üblicherweise ebenfalls einen Schaufelkranz bilden und an einem weiteren Schaufelträger gehalten sind. Der weitere Schaufelträger ist drehfest mit einer das Gehäuse durchsetzenden und drehbar gelagerten Turbinenwelle verbunden, die an eine Antriebswelle einer Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Generators gekoppelt ist.
  • Während des Betriebs der Strömungsmaschine wird die in dem Heißgas enthaltene Enthalpie durch die Leitschaufeln ganz oder teilweise in Strömungsenergie umgesetzt. Das strömende Heißgas wird dann an den Laufschaufeln abgelenkt, wodurch es auf diese eine Umfangskraft ausübt. Die Turbinenwelle wird durch die auf die Laufschaufeln wirkende Umfangskraft in Rotation versetzt und treibt schließlich die Arbeitsmaschine an.
  • Eine derartige Leitschaufel umfasst eine Schaufelplattform sowie ein Schaufelblatt und einen Schaufelfuß, die von der Schaufelplattform auf gegenüberliegenden Seiten abragen. Der Schaufelfuß dient dem Befestigen der Leitschaufel an dem Schaufelträger, während das Schaufelblatt derart ausgebildet ist, dass sich in dem expandierenden Heißgas eine gerichtete Strömung ausbilden kann.
  • Während des Betriebs der Strömungsmaschine sind die Leitschaufeln aufgrund der hohen Temperatur des Heißgases einer starken thermischen Belastung ausgesetzt. Der damit einhergehende temperaturbedingte Verschleiß der Leitschaufeln lässt sich beispielsweise durch eine hitzefeste Beschichtung der Außenfläche verringern.
  • Eine weitere Möglichkeit, die thermische Belastbarkeit einer Leitschaufel zu erhöhen, besteht in deren Kühlung. Zum Kühlen kann innerhalb einer Leitschaufel ein Hohlraum ausgebildet sein, der von einem Kühlfluid, beispielsweise verdichteter Luft, durchströmt werden kann.
  • Neben den Schaufelblättern werden gewöhnlich auch Wandabschnitte der Schaufelplattformen der Leitschaufeln von dem Heißgas überströmt, was geeignete Maßnahmen zur Kühlung der Schaufelplattformen nahelegt. Die EP 0 789 806 B1 schlägt eine diesbezüglich verbesserte Leitschaufel vor, deren Schaufelplattform durch Prallkühlung gekühlt wird. Dabei ist einem Wandabschnitt ein Prallkühlblech zugeordnet, das innerhalb der Schaufelplattform beabstandet von dem Wandabschnitt unter Bildung eines Prallkühlraums angeordnet ist. Das Prallkühlblech ist von Prallkühlbohrungen durchsetzt, durch welche das Kühlfluid dem Prallkühlraum zuführbar ist. Aufgrund eines Druckunterschieds beiderseits des Prallkühlblechs strömt das Kühlfluid durch die Prallkühlbohrungen in den Prallkühlraum, prallt im Wesentlichen senkrecht von innen auf den Wandabschnitt der Schaufelplattform, wobei es Wärme des Wandabschnitts aufnimmt. Schließlich verlässt das erwärmte Kühlfluid den Prallkühlraum, wodurch die aufgenommene Wärme aus der Leitschaufel abgeführt wird.
  • Allerdings kann die Kühlleistung des durch die Prallkühlbohrungen in den Prallkühlraum strömenden Kühlfluids unzureichend sein. Zudem können sich in dem Prallkühlraum zwischen dem Prallkühlblech und dem Wandabschnitt der Schaufelplattform quer verlaufende Sekundärströmungen des Kühlfluids ausbilden, welche die erreichbare Kühlleistung verringern, indem sie beispielsweise eine Ablenkung des durch die Prallkühlbohrungen strömenden Kühlfluids bewirken, bevor es von innen auf den Wandabschnitt prallt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leitschaufel mit einer verbesserten Kühlung der Schaufelplattform zu schaffen.
  • Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Leitschaufel der eingangs genannten Art, bei der die Prallkühlöffnungen wenigstens einen länglichen Prallkühlschlitz und bevorzugt zusätzlich Prallkühlbohrungen umfassen. Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Prallkühlöffnungen jedenfalls zum Teil schlitzförmig auszubilden. Da der Kühlfluidstrom durch einen Prallkühlschlitz ausgedehnter ist als derjenige durch eine Prallkühlbohrung, wird eine entsprechende Verbesserung der flächenbezogenen Prallkühlleistung erreicht. Darüber hinaus können Prallkühlschlitze das hindurch strömende Kühlfluid präziser lenken als Prallkühlbohrungen, so dass besonders heiße Bereiche des Wandabschnitts gezielt gekühlt werden können. Zudem können die durch die Prallkühlschlitze in dem Prallkühlraum erzeugten Kühlfluidwände die Sekundärströmung des Kühlfluids in dem Prallkühlraum günstig beeinflussen. Mit anderen Worten können Prallkühlschlitze das Kühlfluid in dem Prallkühlraum derart lenken, dass eine Verringerung der erreichbaren Kühlleistung durch ungünstige Sekundärströmung weitgehend vermieden wird. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Wandabschnitt von Filmkühlkanälen durchsetzt, durch welche das Kühlfluid von einer Innenfläche auf eine Außenfläche des Wandabschnitts strömt. Die Filmkühlung bewirkt eine unmittelbare Kühlung der Außenfläche des Wandabschnitts und schützt den Wandabschnitt vor dem überströmenden Heißgas, was die thermische Belastbarkeit der Schaufelplattform weiter erhöht. Ein geschlossener Kühlfilm entlang der Außenfläche des Wandabschnitts setzt allerdings eine günstige Verteilung des Kühlfluids auf die Filmkühlkanäle voraus. Insbesondere in Kombination mit einer Prallkühlung können geeignet angeordnete Prallkühlschlitze das Kühlfluid in dem Prallkühlraum derart lenken, dass einer ungünstigen Verteilung des Kühlfluids auf die Filmkühlkanäle entgegengewirkt wird.
  • Vorteilhaft ist eine Mehrzahl von Prallkühlschlitzen vorgesehen. Bei geeigneter Anordnung mehrerer Prallkühlschlitze lassen sich bei Bedarf auch ausgedehntere Bereiche des Wandabschnitts effizient kühlen und/oder komplexe Sekundärströmungen des Kühlfluids in dem Prallkühlraum modellieren.
  • Bevorzugt sind mehrere Prallkühlschlitze derart hintereinander in dem Prallkühlblech angeordnet, dass sie auf einer Linie liegen. Auf diese Weise lässt sich aus mehreren Prallkühlschlitzen ein wandförmiger Kühlfluidstrom mit noch größerer effektiver Längenausdehnung und/oder Lenkungswirkung herstellen.
  • Bevorzugt sind mehrere Prallkühlöffnungen und insbesondere mehrere Prallkühlschlitze derart hintereinander in dem Prallkühlblech angeordnet, dass sie auf einer Mehrzahl von Linien liegen. Mehrere Linien in dem Prallkühlblech erlauben ein differenziertes Modellieren der Sekundärströmung des Kühlfluids in dem Prallkühlraum, wenn eine einzige Linie nicht die beabsichtigte oder keine ausreichende Wirkung entfaltet. In einer vorteilhaften Variante werden mehrere Prallkühlöffnungen/Prallkühlschlitze derart hintereinander in dem Prallkühlblech angeordnet, dass sie auf wenigstens zwei sich im Wesentlichen parallel erstreckenden Linien liegen. Auf parallelen Linien angeordnete Prallkühlschlitze können in dem Prallkühlraum kanalartige Strukturen zur präzisen Lenkung der Sekundärströmung erzeugen.
  • In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leitschaufel sind auf wenigstens einer Linie Prallkühlbohrungen und Prallkühlschlitze abwechselnd angeordnet. Durch die abwechselnde Anordnung von Prallkühlbohrungen und Prallkühlschlitzen lassen sich die jeweiligen Vorteile beider Öffnungsformen in dem Prallkühlblech miteinander kombinieren.
  • In einer Variante besitzt wenigstens eine Linie eine gerade Form. Eine Linie mit gerader Form kann zu einer geraden Sekundärströmung des Kühlfluids in dem Prallkühlraum führen.
  • Alternativ oder zusätzlich besitzt wenigstens eine Linie eine gekrümmte Form. Eine gekrümmte Linie kann eine entsprechend gekrümmte Sekundärströmung des Kühlfluids in dem Prallkühlraum bewirken.
  • Gemäß einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Variante besitzt wenigstens eine Linie eine geknickte Form. Mit einer geknickten Linie lassen sich abrupte Richtungsänderungen in der Sekundärströmung des Kühlfluids herstellen.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besitzt dazu wenigstens ein Prallkühlschlitz und insbesondere jeder Prallkühlschlitz eine Breite zwischen 0,1 mm und 0,3 mm, bevorzugt eine Breite von 0,2 mm. Prallkühlschlitze dieser geringen Breite stellen sicher, dass beiderseits des Prallkühlblechs eine ausreichende Druckdifferenz aufrecht erhalten wird, die das Kühlfluid veranlasst, durch das Prallkühlblech in den Prallkühlraum zu strömen.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Leitschaufel kann wenigstens ein Prallkühlschlitz und insbesondere jeder Prallkühlschlitz eine Länge zwischen 15 mm und 25 mm, bevorzugt eine Länge von 20 mm besitzen. Prallkühlschlitze dieser Länge erzeugen ausreichend ausgedehnte wandartige Strömungsverläufe, um die Richtung von Sekundärströmungen in dem Prallkühlraum zu beeinflussen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leitschaufel besitzen die Prallkühlbohrungen einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 0,8 mm, bevorzugt einen Durchmesser von 0,5 mm. Prallkühlbohrungen dieses Durchmessers können einerseits die erforderliche Druckdifferenz beiderseits des Prallkühlblechs aufrechterhalten, erlauben aber andererseits einen ausreichenden Kühlfluidstrom, um eine bestimmte Stelle des Wandabschnitts der Schaufelplattform zu kühlen.
  • In einer Variante der vorliegenden Erfindung sind die Prallkühlbohrungen und/oder der wenigstens eine Prallkühlschlitz mittels eines Lasers in den Wandabschnitt eingebracht. Dieses Herstellungsverfahren lässt sich einfach anwenden und bietet die erforderliche Präzision, um Prallkühlbohrungen und/oder Prallkühlschlitze geringer Durchmesser bzw. Breiten herzustellen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind in dem Prallkühlraum Trennelemente vorgesehen, die den Prallkühlraum segmentieren. Beispielsweise können auch feste Wände in den Prallkühlraum zwischen dem Wandabschnitt der Schaufelplattform und dem Prallkühlblech angeordnet sein, um unerwünschte Sekundärströmungsverläufe zu verhindern.
  • Bevorzugt sind die Trennelemente an den Prallkühlblechen gehalten. Dazu können die Trennelemente an den Prallkühlblechen durch Prägen vorgesehen werden. An den Prallkühlblechen gehaltene Trennelemente bieten den Vorteil, dass sie bei dem Einsetzen der Prallkühlbleche automatisch korrekt positioniert werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitschaufel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin sind
    • Figur 1
    eine schematische Querschnittsansicht einer Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    Figur 2
    eine vergrößerte Ansicht des mit dem Bezugszeichen II gezeichneten Details der in Figur 1 dargestellten Leitschaufel;
    Figur 3
    eine perspektivische Ansicht des innerhalb der Schaufelplattform der in Figur 1 dargestellten Leitschaufel angeordneten Prallkühlblechs; und
    Figur 4
    eine schematische Ansicht von Prallkühlschlitzen und Prallkühlbohrungen, die jeweils abwechselnd entlang zweier paralleler geknickter Linien angeordnet sind.
  • Die Figuren 1 bis 4 zeigen eine Leitschaufel 1 einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Leitschaufel 1 lässt sich aber ohne weiteres auch in anderen Strömungsmaschinen verwenden. In einer Gasturbine sind mehrere Leitschaufeln 1 in Form eines Schaufelkranzes angeordnet, der an einem mit einem Gehäuse der Gasturbine fest verbundenen Schaufelträger gehalten ist. In jeder Leitschaufel 1 ist zur Kühlung jeweils ein Hohlraum ausgebildet, dem ein Kühlfluid wie beispielsweise verdichtete Luft zugeführt werden kann.
  • Die Leitschaufel 1 umfasst eine Schaufelplattform 2 sowie ein Schaufelblatt 3 und einen Schaufelfuß 4, die von der Schaufelplattform 2 auf gegenüberliegenden Seiten abragen. Die Schaufelplattform 2 weist einen Wandabschnitt 5, dessen Außenfläche 6 von einem Heißgas überströmt wird, und eine Innenfläche 7, die von einem Kühlfluid überströmt wird, auf. Der Wandabschnitt 5 ist von Filmkühlkanälen 8 durchsetzt, durch welche das Kühlfluid von der Innenfläche 7 des Wandabschnitts 5 auf die Außenfläche 6 strömen kann, um die Außenfläche 6 zu kühlen und vor dem überströmenden Heißgas zu schützen.
  • Dem Wandabschnitt 5 der Schaufelplattform 2 ist ein Prallkühlblech 9 zugeordnet, das innerhalb der Schaufelplattform 2 unter Bildung eines Prallkühlraums 10 beabstandet von dem Wandabschnitt 5 angeordnet ist. Das Prallkühlblech 9 ist von mehreren Prallkühlbohrungen 11 und länglichen Prallkühlschlitzen 12 durchsetzt, durch welche dem Prallkühlraum 10 das Kühlfluid zuführbar ist.
  • Die Prallkühlbohrungen 11 besitzen einen Durchmesser von 0,5 mm. Der Durchmesser der Prallkühlbohrungen 11 kann auch zwischen 0,2 mm und 0,8 mm liegen. Die Prallkühlschlitze 12 besitzen eine Breite von 0,2 mm und eine Länge von 20 mm. Die Breite der Prallkühlschlitze 12 kann zwischen 0,1 mm und 0,3 mm liegen, die Länge zwischen 15 mm und 25 mm. Die Prallkühlbohrungen 11 und Prallkühlschlitze 12 sind in der hier beschriebenen Ausführungsform mittels eines Lasers in das Prallkühlblech 9 eingebracht. Sie lassen sich aber auch auf alternative Weise, beispielsweise durch Bohren bzw. Schneiden oder Fräsen in das Prallkühlblech 9 einbringen.
  • Die Prallkühlbohrungen 11 und Prallkühlschlitze 12 sind derart hintereinander angeordnet, dass sie auf zwei Linien 13 liegen. Die beiden Linien 13 erstrecken sich parallel zueinander und besitzen eine geknickte Form. Auf jeder der beiden Linien 13 sind die Prallkühlbohrungen 11 und Prallkühlschlitze 12 abwechselnd angeordnet. Die Anzahl und die Formen der Linien 13 können aber abhängig von der Schaufelplattform 2 und dem jeweiligen Kühlungsbedarf auch variieren. Beispielsweise sind gerade und/oder gekrümmte Linien 13 möglich. Ebenso kann auf einer Linie 13 eine beliebige Abfolge von Prallkühlbohrungen 11 und Prallkühlschlitzen 12 angeordnet sein, insbesondere können ausschließlich Prallkühlbohrungen 11 oder Prallkühlschlitze 12 vorgesehen sein.
  • In dem Prallkühlraum 10 sind Trennelemente 14 vorgesehen, die an dem Prallkühlblech 9 gehalten sind und den Prallkühlraum 10 segmentieren.
  • Während des Betriebs der Strömungsmaschine strömt das Kühlfluid aufgrund eines Druckunterschieds zunächst durch die Prallkühlbohrungen 11 und die Prallkühlschlitze 12 des Prallkühlblechs 9 in den Prallkühlraum 10 und prallt dort auf die Innenfläche 7 des Wandabschnitts 5, wobei es Wärme des Wandabschnitts 5 aufnimmt. Von dem Prallkühlraum 10 strömt das erwärmte Kühlfluid durch die in dem Wandabschnitt 5 vorgesehenen Filmkühlkanäle 8 auf die Außenfläche 6 der Schaufelplattform 2. Auf der Außenfläche 6 bildet das Kühlfluid einen Kühlfilm, der die Außenfläche 6 des Wandabschnitts 5 kühlt und Außenfläche 6 des Wandabschnitts 5 vor dem überströmenden Heißgas schützt.
  • Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, lässt sich durch die dargestellte geknickte Form der Linien 13 die durch Pfeile angedeutete abknickende Sekundärströmung des Kühlfluids in dem Prallkühlraum 10 erreichen. Aber auch andere Strömungsrichtungen lassen sich durch entsprechende Anordnung und Formgebung der Linien 13 erreichen.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Leitschaufel 1 liegt in einer verbesserten Kühlung des Wandabschnitts 5 der Schaufelplattform 2. Zum einen kann durch die Kühlschlitze 12 ein starker Kühlfluidstrom, der sich überdies gezielt zu besonders heißen Bereichen des Wandabschnitts 5 lenken lässt, auf die Innenfläche 7 des Wandabschnitts 5 gerichtet werden. Zum anderen kann das Kühlfluid in dem Prallkühlraum 10 durch die relative Anordnung der Prallkühlbohrungen 11 und der Prallkühlschlitze 12 derart beeinflusst werden, dass in dem Prallkühlraum 10 keine die Kühlleistung verringernde Sekundärströmung des Kühlfluids entsteht. Im Unterschied zu Prallkühlbohrungen 11 erzeugen die Prallkühlschlitze 12 wandartige Kühlfluidströme, die den Prallkühlraum 10 wie Trennelemente 14 segmentieren. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass Sekundärströmungen in dem Prallkühlraum 10 den Wirkungsgrad der Prallkühlung beispielsweise dadurch verringern, dass sie das durch die Prallkühlbohrungen 11 strömende Kühlfluid ablenken oder das Kühlfluid ungünstig auf die Filmkühlkanäle 8 verteilt wird.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (16)

  1. Leitschaufel (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Schaufelplattform (2) sowie mit einem Schaufelblatt (3) und einem Schaufelfuß (4), die von der Schaufelplattform (2) auf gegenüberliegenden Seiten abragen,
    wobei einem Wandabschnitt (5) der Schaufelplattform (2) ein Prallkühlblech (9) zugeordnet ist, das innerhalb der Schaufelplattform unter Bildung eines Prallkühlraums (10) wenigstens bereichsweise beabstandet von dem Wandabschnitt (5) angeordnet ist und von Prallkühlöffnungen (11, 12) durchsetzt ist, durch welche dem Prallkühlraum (10) ein Kühlfluid zuführbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Prallkühlöffnungen (11, 12) wenigstens einen länglichen Prallkühlschlitz (12) und bevorzugt zusätzlich Prallkühlbohrungen (11) umfassen.
  2. Leitschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wandabschnitt (5) von Filmkühlkanälen (8) durchsetzt ist, durch welche das Kühlfluid von einer Innenfläche (7) auf eine Außenfläche (6) des Wandabschnitts (5) strömt.
  3. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Prallkühlblech (9) mehrere Prallkühlschlitze (12) ausgebildet sind.
  4. Leitschaufel nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere Prallkühlschlitze (12) derart hintereinander in dem Prallkühlblech (9) angeordnet sind, dass sie auf einer Linie (13) liegen.
  5. Leitschaufel nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere Prallkühlschlitze (12) derart hintereinander in dem Prallkühlblech (9) angeordnet sind, dass sie auf einer Mehrzahl von Linien (13) liegen.
  6. Leitschaufel nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere Prallkühlschlitze (12) derart hintereinander in dem Prallkühlblech (9) angeordnet sind, dass sie auf wenigstens zwei sich im Wesentlichen parallel erstreckenden Linien (13) liegen.
  7. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf wenigstens einer Linie (13) Prallkühlbohrungen (11) und Prallkühlschlitze (12) abwechselnd angeordnet sind.
  8. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Linie (13) eine gerade Form besitzt.
  9. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Linie (13) eine gekrümmte Form besitzt.
  10. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Linie (13) eine geknickte Form besitzt.
  11. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens ein Prallkühlschlitz (12) und insbesondere jeder Prallkühlschlitz (12) eine Breite zwischen 0,1 mm und 0,3 mm, bevorzugt eine Breite von 0,2 mm besitzt.
  12. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens ein Prallkühlschlitz (12) und insbesondere jeder Prallkühlschlitz (12) eine Länge zwischen 15 mm und 25 mm, bevorzugt eine Länge von 20 mm besitzt.
  13. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Prallkühlbohrung (11) und insbesondere jede Prallkühlbohrung (11) einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 0,8 mm, bevorzugt einen Durchmesser von 0,5 mm besitzen.
  14. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Prallkühlbohrungen (11) und/oder der wenigstens eine Prallkühlschlitz (12) mittels eines Lasers in den Wandabschnitt eingebracht sind.
  15. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Prallkühlraum (10) Trennelemente (14) vorgesehen sind, die den Prallkühlraum (10) segmentieren.
  16. Leitschaufel nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Trennelemente (14) an den Prallkühlblechen (9) gehalten sind.
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