EP3564484A1 - Bauteilwand eines heissgasbauteils - Google Patents

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EP3564484A1
EP3564484A1 EP18170851.2A EP18170851A EP3564484A1 EP 3564484 A1 EP3564484 A1 EP 3564484A1 EP 18170851 A EP18170851 A EP 18170851A EP 3564484 A1 EP3564484 A1 EP 3564484A1
Authority
EP
European Patent Office
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wall
inlet
cavity
outlet
openings
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18170851.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ole Geisen
Michael Hajduk
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to EP19720433.2A priority patent/EP3762586B1/de
Priority to PCT/EP2019/059392 priority patent/WO2019211082A1/de
Priority to US17/048,584 priority patent/US11220915B2/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a component wall of a hot gas component for a gas turbine, which is configured as a double-walled hotter outer wall and a colder during operation inner wall and its interposed interior is divided by itself between the inner wall and the outer wall extending partitions, wherein by in the inner wall arranged inlet openings a coolant can be flowed into the interior and can be flowed out of the interior through outlet openings arranged in the outer wall.
  • Such a component wall comes, for example, according to the EP 0 954 680 B1 used in a turbine blade.
  • the component wall is that of an airfoil, which is provided aerodynamically curved for deflecting a hot gas flowing in a gas turbine.
  • heat transfer elements are provided inside the hollow component wall with which the heated during operation outer wall can be cooled due to the flow through the hollow component wall with cooling air.
  • the object of the invention is to provide a component wall of a hot gas component for a gas turbine, which has a longer service life.
  • the object is achieved by such a component wall having at least a first cavity in the interior, which is connected directly to at least one of the inlet openings as an inlet cavity without being directly connected to outlet openings and immediately adjacent to the at least one inlet cavity at least one second cavity is provided, which is directly connected as an outlet cavity only with at least one of the outlet openings without being directly connected to inlet openings and that, forming a flow path which the relevant inlet cavity from the adjacent outlet cavity dividing partition at least a passage opening for the passage of the coolant from the respective inlet cavity into the outlet cavity.
  • the interior is subdivided into at least one inlet cavity, preferably a plurality of inlet cavities, and into at least one outlet cavity, preferably a plurality of outlet cavities, to each of which specific openings are assigned: inlet openings only adjoin the inlet cavity, however no outlet openings on and at the outlet cavity are adjacent only outlet openings but no inlet openings.
  • the inlet opening is preferably designed for impingement cooling of the hotter outer wall in operation, whereby a particularly effective reduction of the temperature of the outer wall is caused.
  • the partition wall having at least one passage opening for impingement irradiation of the inner wall which is cooler during operation is preferably designed in the region of the outlet cavity with coolant heated during operation.
  • the invention pursues the approach of not only reducing the temperature of the outer wall as much as possible in order to reduce the temperature gradient between the inner wall and the outer wall.
  • the invention further pursues the approach of increasing the temperature of the inner wall in order to reduce the temperature gradient of the entire component wall even from the lower material temperature and thus to approach the temperatures of the inner wall and outer wall to such an extent that life-shortening stresses from thermal expansion are reduced.
  • the invention turns away from the idea of avoiding the heating of the inner wall.
  • the temperature gradient between the inner wall and the outer wall can be further reduced if elements for intensifying the heat transfer are provided on an inner surface of the inner wall delimiting the outlet cavity.
  • the component wall comprises not only a single inlet cavity and a single outlet cavity, but a plurality of inlet cavities and a plurality of outlet cavities and a plurality of dividing the interior accordingly dividing partitions and also a plurality of inlet openings and a plurality of outlet openings, such that along a transverse extent the inlet wall cavities and outlet cavities are always arranged alternately, wherein at least every second partition dividing the interior accordingly each having at least one through hole, preferably a plurality of through holes for conveying coolant from the respective inlet cavity into the immediately adjacent outlet cavity ,
  • This embodiment serves for a large-scale approximation of the temperatures of the inner wall and outer wall while simultaneously achieving a sufficiently cooled outer wall.
  • the outlet cavity is by two partitions of two on both sides limited adjacent inlet cavities and arranged in only one of the two respective partitions through holes. In this way, a combination of coolant flows from two inlet cavities flanking a respective outlet cavity can be avoided, if appropriate. Thus, for each pairing of an outlet cavity with an inlet cavity, there is a dedicated coolant flow path.
  • each of the inlet cavities each having a plurality of inlet openings and each of the outlet cavities, each having a plurality Outlet openings directly connected and arranged in the respective partitions in between a plurality of through holes.
  • the inlet openings and the outlet openings are preferably arranged along this longitudinal extent of the component wall offset from the passage openings located in the flow path.
  • the alternately arranged inlet cavities and outlet cavities are each designed triangular to form a plurality of flow paths and at the same time are arranged overlapping each other.
  • the inlet cavities abut with a corner of their triangular contour on the inner wall, whereas their corner opposite this edge is part of the outer wall.
  • the outlet cavity or cavities are inversely oriented: one corner of the triangular outlet cavities abuts the outside wall, whereas an edge of the triangular one opposite this corner designed outlet cavity then form part of the inner wall.
  • the inner wall largely limits the outlet cavities
  • the outer wall largely limits the inlet cavities so that the inlet cavities are more likely to be punctiformly adjacent the inner wall and the outlet cavities are closer to the outer wall.
  • This arrangement in particular if it is provided repetitively, has the advantage that the outer wall can be largely impact-cooled by the inlet cavities.
  • the inner wall can be tempered by the preferably impact radiation of the inner wall due to the arranged in the partition through holes with an already heated due to the impingement cooling of the outer wall coolant such that the temperature of the inner wall approaches the temperature of the outer wall. This extends the life of the component wall of a hot gas component for a gas turbine.
  • this geometry increases the rigidity of the component wall.
  • a hot gas component has a corresponding component wall.
  • the hot gas component may, for example, be a turbine blade, designed as a guide blade or as a moving blade.
  • the component wall may be part of the blade and / or part of the platform.
  • the hot gas component can also be designed as a ring segment or as a heat shield of a combustion chamber. Other applications are also conceivable.
  • the component wall is monolithic.
  • Such a component wall can be manufactured by additive manufacturing methods, and in particular by selective laser melting. In contrast to previous impact-cooled component walls, outer wall and impingement cooling wall are produced simultaneously.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a section through a component wall 10 of the invention.
  • the component wall 10 is part of a hot gas component, not shown, which can be used in a gas turbine in the hot gas path or to the limitation.
  • the component wall 10 is designed double-walled and has a hotter during operation outer wall 12 and a colder inner wall 14 during operation.
  • the terms "hotter” and “colder” refer to the other wall: the outer wall is higher in operation Temperature than the inner wall and is thus hotter, whereas in operation, the inner wall has a lower temperature than the outer wall. Consequently, the inner wall is the colder.
  • an interior space is arranged, which is basically divided by itself between the inner wall 14 and the outer wall 12 extending partitions 16.
  • the component wall 10 is designed in sandwich construction.
  • the partition walls 16 disposed in the interior are arranged obliquely, so that sets a zigzag-like course. This results in cross-sectionally triangular cavities 22, 24.
  • the cavities 22 directly connected to the inlet openings 18 are referred to as inlet cavities, whereas the cavities 24 connected directly to the outlet openings 20 are referred to as outlet cavities.
  • the inlet cavities 22 are in direct fluid communication only with the inlet ports 18 and the passageways 26.
  • the outlet cavities 24 communicate directly only with the outlet openings 20 and the passage openings 26.
  • the term "direct" means immediately adjacent to each other.
  • the shape of the inlet cavities 22 and outlet cavities 24 are in the shape of an isosceles triangle so that they can be arranged complementarily.
  • a hot working medium AM flows along the outwardly facing surface 13 of the outer wall 12.
  • a coolant KM stands on a surface 15 of the inner wall 14 facing away from the interior of the component wall 10.
  • this flows the surface 15 pending coolant KM via the inlet openings 18 with formation of individual coolant jets in the inlet cavity 22.
  • the outer wall 12 is then crimped, which lowers the temperature level of the outer wall 12 over a large area and heats the coolant KM.
  • the coolant KM flows to the staggered passage openings 26 and flows through them into one of the immediately adjacent outlet cavities 24.
  • FIG. 2 shows the section through the hot gas component according to the first embodiment along the section line II-II.
  • elements 28 for intensifying the heat transfer are provided on the inner surfaces 17, delimiting the outlet cavities 24, of the inner wall 14. These elements 28 may, for example, be in the form of turbulators, rib-shaped elevations or also of pedestals. The application of these elements further contributes to the reduction of the temperature gradient between inside and outside.
  • FIG. 3 shows one too FIG. 1 Analog representation of a component wall 10 according to a second embodiment. Not each of the inlet cavities 22 dividing the inlet cavities 22 from the outlet cavities 24 extends obliquely from the inner wall 14 to the outer wall 12. According to the embodiment shown here, each second partition wall 16 is perpendicular to the inner walls 14 and outer walls 12, while the rest are arranged at an angle. In contrast to the first embodiment with isosceles Triangular shapes according to the second embodiment in FIG. 3 the pairs summarized inlet cavities 22 and outlet cavities 24 each have a substantially rectangular triangular shape, the paired form a rectangular shape.
  • Both embodiments have in common that the inlet openings 18 and the outlet openings 20 are arranged in a corner region of the triangles, whereas the bulging surfaces of the inlet cavities 22 then parts of the outer wall 12 and the bulging surfaces of the outlet cavities 22 then parts of the inner wall 14 are. In this way, in each case the greatest possible area for impact radiation from outer wall 12 or inner wall 14 can be brought about and as far as possible avoid temperature gradients along inner wall 14 or along outer wall 12.
  • FIG. 4 shows the arrangement of rib-shaped turbulators 28 on the outlet cavity 24 defining inner surfaces 17 of the inner wall 14th
  • FIGS. 5 and 6 show a portion of an aerodynamically curved airfoil 30 of a turbine blade 32 in a perspective view with a section through the blade profile. Shown is on the one hand, the pressure side wall 34 of the blade 30 and the front edge 36.
  • the blade 30 further includes a suction side wall and a trailing edge (both not shown).
  • the inlet cavities 22 and the outlet cavities 24 extend along a profile centerline (not shown).
  • the pressure side wall 34 and the suction side wall enclose a supply cavity 38 arranged in the interior of the blade 30, to which the coolant KM is supplied via a blade root, not shown.
  • This can, as already described above, via inlet openings 18 bounce in the interior of the component wall 10 and the pressure side wall 34.
  • the coolant KM leaves the component wall 10 or the turbine blade and then mixes with the working medium AM flowing around the blade 30.
  • a comparatively thin component wall 10 can be provided by means of the additive method of selective laser melting.
  • Wall thicknesses in the order of 0.5 mm are conceivable.
  • the walls configured in such a hollow manner allow a surface impingement cooling of the outer wall 12, without at the same time the life shortening thermo-mechanical stresses due to an inadmissibly high temperature gradient occur. It can thus be realized wall thicknesses of the order of about 2.5 mm for the component wall 10 according to the invention.
  • the invention relates to a component wall 10 of a hot gas component for a gas turbine, which configured double-walled in operation a hotter outer wall 12 and a colder during operation inner wall 14 and its interposed interior divided by itself between the inner wall and the outer wall extending partitions 16 is, can be flowed through by arranged in the inner wall 14 inlet openings 18, a coolant KM in the interior and can flow out of the interior through arranged in the outer wall 12 outlet openings 20.
  • inlet cavity 22 is directly connected to at least one of the inlet openings 18 without being directly connected to outlet openings 20 and immediately adjacent to the at least one inlet cavity 22 at least one second cavity is provided, which is directly connected as an outlet cavity 24 only with at least one of the outlet openings 20 without being directly connected to inlet openings 18, and that the respective inlet cavity and the adjacent outlet cavity 24 dividing partition wall 16 has at least one passage opening 26 for the passage of the coolant KM from the respective inlet cavity 22 into the outlet cavity 24.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteilwand (10) eines Heißgasbauteils für eine Gasturbine, welche doppelwandig ausgestaltet eine im Betrieb heißere Außenwand (12) und eine im Betrieb kältere Innenwand (14) umfasst und dessen dazwischen angeordneter Innenraum durch sich zwischen der Innenwand und der Außenwand erstreckende Trennwände (16) grundsätzlich unterteilt ist, wobei durch in der Innenwand (14) angeordnete Einlassöffnungen (18) ein Kühlmittel (KM) in den Innenraum einströmbar und durch in der Außenwand (12) angeordnete Auslassöffnungen (20) aus dem Innenraum ausströmbar ist. Um eine Bauteilwand mit einer verlängerten Lebensdauer und geringeren Temperaturgradienten anzugeben, wird vorgeschlagen, welcher als Einlass-Hohlraum (22) lediglich mit zumindest einer der Einlassöffnungen (18) direkt verbunden ist ohne direkt mit Auslassöffnungen (20) verbunden zu sein und dass unmittelbar neben dem zumindest einem Einlass-Hohlraum (22) zumindest ein zweiter Hohlraum vorgesehen ist, welcher als Auslass-Hohlraum (24) lediglich mit zumindest einer der Auslassöffnungen (20) direkt verbunden ist ohne direkt mit Einlassöffnungen (18) verbunden zu sein, und dass die den betreffenden Einlass-Hohlraum und dem dazu benachbarten Auslass-Hohlraum (24) unterteilende Trennwand (16) zumindest eine Durchgangsöffnung (26) zur Durchleitung des Kühlmittels (KM) aus dem betreffenden Einlass-Hohlraum (22) in den Auslass-Hohlraum (24) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bauteilwand eines Heißgasbauteils für eine Gasturbine, welche doppelwandig ausgestaltet eine im Betrieb heißere Außenwand und eine im Betrieb kältere Innenwand umfasst und dessen dazwischen angeordneter Innenraum durch sich zwischen der Innenwand und der Außenwand erstreckende Trennwände grundsätzlich unterteilt ist, wobei durch in der Innenwand angeordnete Einlassöffnungen ein Kühlmittel in den Innenraum einströmbar und durch in der Außenwand angeordnete Auslassöffnungen aus dem Innenraum ausströmbar ist.
  • Eine derartige Bauteilwand kommt beispielsweise gemäß der EP 0 954 680 B1 in einer Turbinenschaufel zum Einsatz. Insbesondere handelt es sich bei der Bauteilwand um die eines Schaufelblatts, welches aerodynamisch gekrümmt zur Umlenkung eines in einer Gasturbine strömenden Heißgases vorgesehen ist. Im Inneren der hohlen Bauteilwand sind sogenannte Wärmeübertragungselemente vorgesehen, mit denen die im Betrieb aufgeheizte Außenwand aufgrund der Durchströmung der hohlen Bauteilwand mit Kühlluft gekühlt werden kann.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine derartige Turbinenschaufel, deren äußere Wand einer signifikant höheren Temperatur ausgesetzt ist als die innere und somit kühlere Wand, sehr hohe Temperaturgradienten zwischen außen und innen aufweisen kann. Diese Temperaturgradienten im Material der Bauteilwand führen zu thermisch bedingten Spannungen, die die Lebensdauer der Turbinenschaufel signifikant reduzieren oder deren maximal zulässige Startzahlen signifikant begrenzen können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bauteilwand eines Heißgasbauteils für eine Gasturbine anzugeben, die eine höhere Standzeit aufweist.
  • Erfindungsgemäß ist die Aufgabe durch eine solche Bauteilwand gelöst, die im Innenraum zumindest einen ersten Hohlraum aufweist, welcher als Einlass-Hohlraum lediglich mit zumindest einer der Einlassöffnungen direkt verbunden ist ohne direkt mit Auslassöffnungen verbunden zu sein und das unmittelbar neben dem zumindest einen Einlass-Hohlraum zumindest ein zweiter Hohlraum vorgesehen ist, welcher als Auslass-Hohlraum lediglich mit zumindest einer der Auslassöffnungen direkt verbunden ist ohne direkt mit Einlassöffnungen verbunden zu sein und dass unter Ausbildung eines Strömungspfad die den betreffenden Einlass-Hohlraum von dem dazu benachbarten Auslass-Hohlraum unterteilende Trennwand zumindest eine Durchgangsöffnung zur Durchleitung des Kühlmittels aus dem betreffenden Einlass-Hohlraum in den Auslass-Hohlraum aufweist.
  • Mithin wird der Innenraum in zumindest einen Einlass-Hohlraum, vorzugsweise mehrere Einlass-Hohlräume, und in zumindest einen Auslass-Hohlraum, vorzugsweise mehrere Auslass-Hohlräume, unterteilt, denen jeweils bestimmte Öffnungen zugeordnet sind: an den Einlass-Hohlraum grenzen lediglich Einlassöffnungen, aber keine Auslassöffnungen an und an dem Auslass-Hohlraum grenzen lediglich Auslassöffnungen, aber keine Einlassöffnungen an. Mit Hilfe der Trennwände kann eine verbesserte Wärmeleitung von der Außenwand zur Innenwand erfolgen, so dass hierdurch der Temperaturgradient gesenkt werden kann.
  • Die Einlassöffnung ist bevorzugt zur Prallkühlung der im Betrieb heißeren Außenwand ausgestaltet, wodurch eine besonders wirksame Reduzierung der Temperatur der Außenwand hervorgerufen wird. Weiter ist vorzugsweise die zumindest eine Durchgangsöffnung aufweisende Trennwand zur Prallbestrahlung der im Betrieb kühleren Innenwand im Bereich des Auslass-Hohlraums mit im Betrieb aufgeheiztem Kühlmittel ausgestaltet.
  • Mithin verfolgt die Erfindung den Ansatz, nicht nur die Temperatur der Außenwand weitestmöglich zu reduzieren, um den Temperaturgradienten zwischen Innenwand und Außenwand zu reduzieren. Die Erfindung verfolgt darüber hinaus den Ansatz, die Temperatur der Innenwand zu erhöhen, um auch von der geringeren Materialtemperatur her den Temperaturgradienten der gesamten Bauteilwand zu reduzieren und somit insgesamt die Temperaturen von Innenwand und Außenwand soweit anzunähern, dass lebensdauerverkürzende Spannungen aus thermischen Dehnungen reduziert werden. Mithin wendet sich die Erfindung von dem Gedanken ab, die Aufheizung der Innenwand zu vermeiden.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Der Temperaturgradient zwischen Innenwand und Außenwand kann weiter reduziert werden, wenn an einer den Auslass-Hohlraum begrenzenden Innenfläche der Innenwand Elemente zur Anfachung des Wärmeübergangs vorgesehen sind.
  • Selbstverständlich umfasst die Bauteilwand nicht lediglich einen einzigen Einlass-Hohlraum und einen einzigen Auslass-Hohlraum, sondern mehreren Einlass-Hohlräume und mehrere Auslass-Hohlräume sowie mehrere, den Innenraum demgemäß unterteilende Trennwände und auch mehrere Einlassöffnungen und mehrere Auslassöffnungen, derart, dass entlang einer Quererstreckung der Bauteilwand Einlass-Hohlräume und Auslass-Hohlräume stets einander abwechselnd angeordnet sind, wobei zumindest jede zweite den Innenraum demgemäß unterteilende Trennwand jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung, vorzugsweise mehrere Durchgangsöffnungen zur Weiterleitung von Kühlmittel aus dem betreffenden Einlass-Hohlraum in den unmittelbar benachbarten Auslass-Hohlraum aufweist. Diese Ausgestaltung dient einer großflächigen Angleichung der Temperaturen von Innenwand und Außenwand unter gleichzeitiger Erreichung einer hinreichend gekühlten Außenwand. Weiter bevorzugt ist der Auslass-Hohlraum durch zwei Trennwände von zwei beidseitig benachbarten Einlass-Hohlräumen begrenzt und in lediglich einem der beiden betreffenden Trennwände Durchgangsöffnungen angeordnet. Hierdurch kann eine Zusammenführung von Kühlmittelströmungen aus zwei einen betreffenden Auslass-Hohlraum flankierenden Einlass-Hohlräumen vermieden werden, sofern zweckdienlich. Somit ergibt sich für jede Paarung von einem Auslass-Hohlraum mit einem Einlass-Hohlraum ein dezidierter Strömungspfad für Kühlmittel.
  • Um in einer zweiten Dimension, beispielsweise in einer Längserstreckung der Bauteilwand, eine flächige Kühlung der Außenwand und eine flächige Reduzierung des Temperaturgradienten zwischen Außenwand und Innenwand zu erreichen, ist jeder der Einlass-Hohlräume mit jeweils mehreren Einlassöffnungen und jeder der Auslass-Hohlräume mit jeweils mehreren Auslassöffnungen direkt verbunden und in den betreffenden Trennwänden dazwischen jeweils mehrere Durchgangsöffnungen angeordnet. Vorzugsweise sind entlang dieser Längserstreckung der Bauteilwand die Einlassöffnungen bzw. die Auslassöffnungen versetzt zu den im Strömungspfad liegenden Durchgangsöffnungen angeordnet. Dies ermöglicht einerseits eine Prallbestrahlung der Außenwand mithilfe der Eingangsöffnungen und andererseits eine Prallbestrahlung der Innenwand mithilfe der Durchgangsöffnung sowie eine abschnittsweise konvektive Kühlung der betreffenden Flächen entlang der Längserstreckung der Hohlräume.
  • Besonders bevorzugt ist diejenige Ausgestaltung, bei der die alternierend angeordneten Einlass-Hohlräume und Auslass-Hohlräume unter Ausbildung mehrerer Strömungspfade jeweils dreieckig ausgestaltet und zugleich einander überlappend angeordnet sind. Darunter wird verstanden, dass die Einlass-Hohlräume mit einer Ecke ihrer dreieckförmigen Kontur an der Innenwand anliegen, wohingegen ihre dieser Ecke gegenüberliegende Kante Teil der Außenwand ist. Gleichzeitig ist der oder sind die Auslass-Hohlräume umgekehrt orientiert: eine Ecke der dreieckigen Auslass-Hohlräume liegt an der Außenwand an, wohingegen eine dieser Ecke gegenüberliegende Kante des dreieckig ausgestalteten Auslass-Hohlraums dann Teil der Innenwand darstellen. Mit anderen Worten: die Innenwand begrenzt größtenteils die Auslass-Hohlräume und die Außenwand begrenzt größtenteils die Einlass-Hohlräume, so dass die Einlass-Hohlräume eher punktuell an die Innenwand und die Auslass-Hohlräume eher punktuell an die Außenwand angrenzen. Diese Anordnung, insbesondere wenn sie wiederholend vorgesehen ist, besitzt den Vorteil, dass die Außenwand durch die Einlass-Hohlräume großflächig prallgekühlt werden kann. Gleichzeitig kann die Innenwand durch die vorzugsweise Prallbestrahlung der Innenwand aufgrund der in der Trennwand angeordneten Durchgangsöffnungen mit einem bereits aufgrund der Prallkühlung der Außenwand aufgeheiztem Kühlmittel derart temperiert werden, dass sich die Temperatur der Innenwand an die Temperatur der Außenwand annähert. Damit wird die Lebensdauer der Bauteilwand eines Heißgasbauteiles für eine Gasturbine verlängert. Darüber hinaus erhöht diese Geometrie die Steifigkeit der Bauteilwand.
  • Besonders bevorzugt weist ein Heißgasbauteil eine dementsprechende Bauteilwand auf. Bei dem Heißgasbauteil kann es sich beispielsweise um eine Turbinenschaufel, ausgestaltet als Leitschaufel oder als Laufschaufel, handeln. Die Bauteilwand kann dabei Teil des Schaufelblatts und oder auch Teil der Plattform sein. Selbstverständlich kann das Heißgasbauteil auch als Ringsegment oder als ein Hitzeschild einer Brennkammer ausgestaltet sein. Weitere Anwendungsfälle sind darüber hinaus denkbar.
  • Vorzugsweise ist die Bauteilwand monolithisch. Eine derartige Bauteilwand kann durch additive Fertigungsverfahren, und insbesondere durch selektives Laserschmelzen gefertigt werden. Im Gegensatz zu bisherigen prallgekühlten Bauteilwänden werden Außenwand und Prallkühlwand simultan hergestellt.
  • Nachfolgend werden weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    in perspektivischer Darstellung einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bauteilwand eines Heißgasbauteils für eine Gasturbine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 2
    einen Querschnitt durch die Bauteilwand gemäß Figur 1,
    Fig. 3
    in perspektivischer Darstellung den Schnitt durch eine Bauteilwand gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 4
    in perspektivischer Darstellung einen Querschnitt durch eine Bauteilwand gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 5
    einen Querschnitt durch das Schaufelblatt einer Turbinenschaufel als drittes Ausführungsbeispiel einer Bauteilwand, wobei der Schnitt längs durch den Einlass-Hohlraum erfolgt und
    Fig. 6
    die Turbinenschaufel gemäß Figur 5 als drittes Ausführungsbeispiel einer Bauteilwand, mit einem durch den Auslass-Hohlraum angeordneten Schnitt.
  • In allen Figuren sind identisch wirkende Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Bauteilwand 10. Die Bauteilwand 10 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Heißgasbauteils, welches in einer Gasturbine in deren Heißgaspfad oder zu dessen Begrenzung eingesetzt werden kann. Die Bauteilwand 10 ist doppelwandig ausgestaltet und weist eine im Betrieb heißere Außenwand 12 und eine im Betrieb kältere Innenwand 14 auf. Die Begriffe "heißer" und "kälter" beziehen sich jeweils auf die andere Wand: die Außenwand weist im Betrieb eine höhere Temperatur auf als die Innenwand und ist somit heißer, wohingegen im Betrieb die Innenwand eine niedrigere Temperatur aufweist als die Außenwand. Folglich ist die Innenwand die kältere. Zwischen der Außenwand 12 und der Innenwand 14 ist ein Innenraum angeordnet, welcher durch sich zwischen der Innenwand 14 und der Außenwand 12 erstreckende Trennwände 16 grundsätzlich unterteilt ist. Mit grundsätzlich ist gemeint, dass in einigen oder allen Trennwänden jeweils zumindest eine Durchgangsöffnung 26, vorzugweise mehrere Durchgangsöffnungen 26 vorgesehen sind. Darüber hinaus sind in der Innenwand 14 eine Vielzahl von Einlassöffnungen 18 und in der Außenwand 12 eine Vielzahl von Auslassöffnungen 20 vorgesehen. Insgesamt ist die Bauteilwand 10 in Sandwich-Bauweise ausgeführt.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind die im Innenraum angeordneten Trennwände 16 schräg angeordnet, so dass sich ein zickzackartiger Verlauf einstellt. Dies führt zu im Querschnitt dreieckförmigen Hohlräumen 22, 24. Die mit den Einlassöffnungen 18 direkt verbundenen Hohlräume 22 werden als Einlass-Hohlräume bezeichnet, wohingegen die direkt mit den Auslassöffnungen 20 verbundenen Hohlräume 24 als Auslass-Hohlräume bezeichnet werden. Die Einlass-Hohlräume 22 stehen direkt nur mit den Einlassöffnungen 18 und den Durchgangsöffnungen 26 in Strömungsverbindung. Ebenso stehen die Auslass-Hohlräume 24 direkt nur mit den Auslassöffnungen 20 und den Durchgangsöffnungen 26 in Verbindung. Der Begriff "direkt" bedeutet unmittelbar aneinander angrenzend.
  • Die Form der Einlass-Hohlräume 22 und Auslass-Hohlräume 24 entsprechen der Form eines gleichschenkligen Dreiecks, so dass diese komplementär angeordnet sein können.
  • Während des bestimmungsgemäßen Einsatzes des Heißgasbauteils mit der gezeigten Bauteilwand 10 strömt an der nach außen weisenden Fläche 13 der Außenwand 12 ein heißes Arbeitsmedium AM entlang. Gleichzeitig steht währenddessen ein Kühlmittel KM an einer dem Innenraum der Bauteilwand 10 abgewandten Oberfläche 15 der Innenwand 14 an. Im Betrieb strömt das an der Oberfläche 15 anstehende Kühlmittel KM über die Einlassöffnungen 18 unter Ausbildung einzelner Kühlmittelstrahlen in den Einlass-Hohlraum 22. Die Außenwand 12 wird sodann prallgekühlt, was das Temperaturniveau der Außenwand 12 großflächig absenkt und das Kühlmittel KM aufheizt. Anschließend strömt das Kühlmittel KM zu den versetzt angeordneten Durchgangsöffnungen 26 und strömt durch diese in einen der unmittelbar benachbarten Auslass-Hohlräume 24 ein. Unter Ausbildung weiterer Kühlmittelstrahlen trifft es danach auf eine den Auslass-Hohlraum 24 begrenzende Innenfläche 17 der Innenwand 14. Das aufgeheizte Kühlmittel KM wärmt sodann die Innenwand 14, so dass dessen Temperatur ansteigt. Die Temperaturdifferenz zwischen Innenwand 14 und Außenwand 12 wird damit reduziert, so dass thermobedingte Spannungen im Bauteil bzw. in der Bauteilwand 10 reduziert werden. Anschließend strömt das Kühlmittel KM hin zu den Auslasssöffnungen 20 und verlässt die doppelwandige Bauteilwand 10 durch diese.
  • Figur 2 zeigt den Schnitt durch das Heißgasbauteil gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entlang der Schnittlinie II-II. Ergänzend zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind an der die Auslass-Hohlräume 24 begrenzenden Innenflächen 17 der Innenwand 14 Elemente 28 zur Anfachung des Wärmeübergangs vorgesehene. Diese Elemente 28 können beispielsweise in Form von Turbulatoren, rippenförmigen Erhebungen oder auch von Sockeln vorliegen. Die Anwendung dieser Elemente trägt weiter zur Reduzierung des Temperaturgradienten zwischen innen und außen bei.
  • Figur 3 zeigt eine zu Figur 1 analoge Darstellung einer Bauteilwand 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Nicht jede der die Einlass-Hohlräume 22 von den Auslass-Hohlräumen 24 unterteilende Trennwände 16 erstreckt sich in schräger Richtung von der Innenwand 14 zur Außenwand 12. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel steht jede zweite Trennwand 16 senkrecht von den Innenwänden 14 und Außenwänden 12 ab, während die restlichen schräg angeordnet sind. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel mit gleichschenkligen Dreiecksformen weisen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in Figur 3 die paarweise zusammenfassbaren Einlass-Hohlräume 22 und Auslass-Hohlräume 24 jeweils eine im wesentlichen rechtwinklige Dreiecksgestalt auf, die paarweise zusammengefasst eine Rechteckform ausbilden. Beiden Ausführungsbeispielen ist gemein, dass die Einlassöffnungen 18 bzw. die Auslassöffnungen 20 in einem Eckbereich der Dreiecke angeordnet sind, wohingegen die prallbestrahlten Flächen der Einlass-Hohlräume 22 dann Teile der Außenwand 12 und die die prallbestrahlten Flächen der Auslass-Hohlräume 22 dann Teile der Innenwand 14 sind. Damit lässt sich jeweils eine größtmögliche Fläche zur Prallbestrahlung von Außenwand 12 bzw. Innenwand 14 herbeiführen und so Temperaturgradienten längs der Innenwand 14 bzw. längs der Außenwand 12 weitestgehend vermeiden.
  • Figur 4 zeigt die Anordnung von rippenförmigen Turbulatoren 28 an der den Auslass-Hohlraum 24 begrenzenden Innenflächen 17 der Innenwand 14.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen einen Teil eines aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatts 30 einer Turbinenschaufel 32 in einer perspektivischen Darstellung mit einem Schnitt durch das Schaufelprofil. Dargestellt ist einerseits die Druckseitenwand 34 des Schaufelblatts 30 sowie dessen Vorderkante 36. Das Schaufelblatt 30 umfasst des Weiteren eine Saugseitenwand sowie eine Hinterkante (beides nicht dargestellt).
  • Gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel einer doppelwandigen Bauteilwand 10 erstrecken sich die Einlass-Hohlräume 22 und die Auslass-Hohlräume 24 entlang einer nicht dargestellten Profilmittenlinie. Die Druckseitenwand 34 und die Saugseitenwand umschließen einen im Inneren des Schaufelblatts 30 angeordneten Versorgungshohlraum 38, dem über einen nicht dargestellten Schaufelfuß das Kühlmittel KM zugeführt wird. Dieses kann, wie bereits oben stehend beschrieben, über Einlassöffnungen 18 prallkühlend in den Innenraum der Bauteilwand 10 bzw. der Druckseitenwand 34 einströmen. Anschließend strömt das Kühlmittel KM zu den Durchgangsöffnungen 26 und tritt sodann in den Auslass-Hohlraum 24 über, von wo aus es zu den Auslassöffnungen 20 strömt. Durch diese verlässt das Kühlmittel KM die Bauteilwand 10 bzw. die Turbinenschaufel und vermischt sich anschließend mit dem das Schaufelblatt 30 umströmenden Arbeitsmedium AM.
  • Von besonderem Vorteil ist, dass mithilfe des additiven Verfahrens des selektiven Laserschmelzens eine vergleichsweise dünne Bauteilwand 10 bereitgestellt werden kann. Wandstärken in einer Größenordnung von 0,5 mm sind denkbar. Zudem können die Wände derart hohl ausgestaltet eine flächige Prallkühlung der Außenwand 12 ermöglichen, ohne dass gleichzeitig die Lebensdauer verkürzende thermo-mechanische Spannungen aufgrund von einem unzulässig hohen Temperaturgradienten auftreten. Es lassen sich somit Wandstärken in einer Größenordnung von etwa 2,5 mm für die erfindungsgemäße Bauteilwand 10 realisieren. Im Unterschied zu konventionell gefertigten prallgekühlten Turbinen-Bauteilen, bei denen eine zumeist durch Gießen hergestellte Außenwand und ein separat gefertigtes Prallkühlblech miteinander gepaart werden, führt die in monolithischer Sandwich-Bauweise ausgeführte Bauteilwand 10 neben einer insgesamt geringeren Metalldurchschnittstemperatur zu einer homogeneren Temperaturverteilung über die komplette Struktur und somit zu geringeren thermischen Spannungen. Darüber hinaus versteift die Sandwich-Geometrie das Bauteil effektiv und reduziert dessen Gewicht.
  • Abschließend sei erwähnt, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele hinsichtlich ihrer Größe und Dichte an Öffnungen und Hohlräumen lediglich beispielhafter Natur sind.
  • Insgesamt betrifft die Erfindung eine Bauteilwand 10 eines Heißgasbauteils für eine Gasturbine, welche doppelwandig ausgestaltet eine im Betrieb heißere Außenwand 12 und eine im Betrieb kältere Innenwand 14 umfasst und dessen dazwischen angeordneter Innenraum durch sich zwischen der Innenwand und der Außenwand erstreckende Trennwände 16 grundsätzlich unterteilt ist, wobei durch in der Innenwand 14 angeordnete Einlassöffnungen 18 ein Kühlmittel KM in den Innenraum einströmbar und durch in der Außenwand 12 angeordnete Auslassöffnungen 20 aus dem Innenraum ausströmbar ist. Um eine Bauteilwand mit einer verlängerten Lebensdauer und geringeren Temperaturgradienten anzugeben, wird vorgeschlagen, welcher als Einlass-Hohlraum 22 lediglich mit zumindest einer der Einlassöffnungen 18 direkt verbunden ist ohne direkt mit Auslassöffnungen 20 verbunden zu sein und dass unmittelbar neben dem zumindest einem Einlass-Hohlraum 22 zumindest ein zweiter Hohlraum vorgesehen ist, welcher als Auslass-Hohlraum 24 lediglich mit zumindest einer der Auslassöffnungen 20 direkt verbunden ist ohne direkt mit Einlassöffnungen 18 verbunden zu sein, und dass die den betreffenden Einlass-Hohlraum und dem dazu benachbarten Auslass-Hohlraum 24 unterteilende Trennwand 16 zumindest eine Durchgangsöffnung 26 zur Durchleitung des Kühlmittels KM aus dem betreffenden Einlass-Hohlraum 22 in den Auslass-Hohlraum 24 aufweist.

Claims (10)

  1. Bauteilwand (10) eines Heißgasbauteils für eine Gasturbine,
    welche doppelwandig ausgestaltet eine im Betrieb heißere Außenwand (12) und eine im Betrieb kältere Innenwand (14) umfasst und dessen dazwischen angeordneter Innenraum durch sich zwischen der Innenwand und der Außenwand erstreckende Trennwände (16) grundsätzlich unterteilt ist,
    wobei durch in der Innenwand (14) angeordnete Einlassöffnungen (18) ein Kühlmittel (KM) in den Innenraum einströmbar und durch in der Außenwand (12) angeordnete Auslassöffnungen (20) aus dem Innenraum ausströmbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im Innenraum zumindest ein erster Hohlraum vorgesehen ist, welcher als Einlass-Hohlraum (22) lediglich mit zumindest einer der Einlassöffnungen (18) direkt verbunden ist ohne direkt mit Auslassöffnungen (20) verbunden zu sein und
    dass unmittelbar neben dem zumindest einem Einlass-Hohlraum (22) zumindest ein zweiter Hohlraum vorgesehen ist, welcher als Auslass-Hohlraum (24) lediglich mit zumindest einer der Auslassöffnungen (20) direkt verbunden ist ohne direkt mit Einlassöffnungen (18) verbunden zu sein, und
    dass die den betreffenden Einlass-Hohlraum von dem dazu benachbarten Auslass-Hohlraum (24) unterteilende Trennwand (16) zumindest eine Durchgangsöffnung (26) zur Durchleitung des Kühlmittels (KM) aus dem betreffenden Einlass-Hohlraum (22) in den Auslass-Hohlraum (24) aufweist.
  2. Bauteilwand (10) nach Anspruch 1,
    welche mehrere Einlass-Hohlräume (22) und mehrere Auslass-Hohlräume (24) sowie mehrere, den Innenraum demgemäß unterteilende Trennwände (16) als auch mehrere Einlassöffnungen (18) und mehrere Auslassöffnungen (20) umfasst, derart, dass
    entlang einer Quererstreckung der Bauteilwand Einlass-Hohlräume (22) und Auslass-Hohlräume (24) einander abwechselnd angeordnet sind und zumindest jede zweite den Innenraum demgemäß unterteilende Trennwand (16) jeweils zumindest eine Durchgangsöffnung (26) zur Weiterleitung von Kühlmittel (KM) aus dem betreffenden Einlass-Hohlraum (22) in den unmittelbar benachbarten Auslass-Hohlraum (24) aufweist.
  3. Bauteilwand (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der der betreffende Einlass-Hohlraum (22) und die ihm zugeordnete zumindest eine Einlassöffnung (18) zur Prallkühlung der im Betrieb heißeren Außenwand (12) ausgestaltet sind.
  4. Bauteilwand (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    bei der die zumindest eine Durchgangsöffnung (26) aufweisende Trennwand (16) zur Prallbestrahlung der im Betrieb kühleren Innenwand (14) im Bereich des Auslass-Hohlraums (24) mit im Betrieb aufgeheiztem Kühlmittel (KM) ausgestaltet ist.
  5. Bauteilwand (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der an einer den Auslass-Hohlraum (24) begrenzenden Innenfläche der Innenwand (14) Elemente (28) zur Anfachung des Wärmeübergangs vorgesehen sind.
  6. Bauteilwand (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der der Auslass-Hohlraum (24) durch zwei Trennwände (16) von zwei beidseitig benachbarten Einlass-Hohlräumen getrennt ist und dass in lediglich einem der beiden betreffenden Trennwände (16) Durchgangsöffnungen (26) angeordnet sind.
  7. Bauteilwand (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der jeder der Einlass-Hohlräume (22) mit jeweils mehreren Einlassöffnungen (18) und jeder der Auslass-Hohlräume (22) mit jeweils mehreren Auslassöffnungen (20) direkt verbunden ist und bei dem in den betreffenden Trennwände (16) jeweils mehrere Durchgangsöffnungen (26) angeordnet sind.
  8. Bauteilwand (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der die alternierend angeordneten Einlass-Hohlräume (22) und Auslass-Hohlräume (24) unter Ausbildung mehrere Strömungspfade jeweils im Wandschnitt dreieckig ausgestaltet und einander zumindest teilweise überlappend angeordnet sind.
  9. Bauteilwand (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    die monolithisch ausgestaltet und vorzugsweise durch ein additives Verfahren hergestellt ist.
  10. Heißgasbauteil mit einer Bauteilwand (10),
    die nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgestaltet ist.
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