EP3762586B1 - Bauteilwand eines heissgasbauteils - Google Patents

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EP3762586B1
EP3762586B1 EP19720433.2A EP19720433A EP3762586B1 EP 3762586 B1 EP3762586 B1 EP 3762586B1 EP 19720433 A EP19720433 A EP 19720433A EP 3762586 B1 EP3762586 B1 EP 3762586B1
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EP
European Patent Office
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wall
inlet
outlet
cavity
component
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EP19720433.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3762586A1 (de
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Ole Geisen
Michael Hajduk
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the invention relates to a component wall of a hot-gas component for a gas turbine, which is double-walled and comprises an outer wall that is hotter during operation and an inner wall that is colder during operation and the interior space of which is arranged between them and is fundamentally divided by partition walls extending between the inner wall and the outer wall, with the inner wall being divided by the inner wall arranged inlet openings, a coolant can flow into the interior and can flow out of the interior through outlet openings arranged in the outer wall.
  • Such a component wall comes, for example, according to EP 0 954 680 B1 used in a turbine blade.
  • the component wall is that of a blade, which is provided in an aerodynamically curved manner for deflecting a hot gas flowing in a gas turbine.
  • heat transfer elements are provided, with which the outer wall, which is heated during operation, can be cooled due to the cooling air flowing through the hollow component wall.
  • a cascaded impingement cooling in a heat shield also reveals the U.S. 4,573,865 .
  • the object of the invention is to specify a component wall of a hot-gas component for a gas turbine that has a longer service life.
  • the object is achieved by such a component wall that has at least one first cavity in the interior, which as an inlet cavity is only directly connected to at least one of the inlet openings without being directly connected to outlet openings and that is directly next to the at least one inlet cavity at least one second cavity is provided, which as an outlet cavity is only directly connected to at least one of the outlet openings without being directly connected to inlet openings, so that the dividing wall dividing the relevant inlet cavity from the outlet cavity adjacent thereto at least has a passage opening for conducting the coolant from the relevant inlet cavity into the outlet cavity, and that at least one means is provided which, when the component wall is used as intended, causes a targeted increase in the material temperature of the inner wall rt.
  • the interior is therefore divided into at least one inlet cavity, preferably several inlet cavities, and at least one outlet cavity, preferably several outlet cavities, to which specific openings are assigned: only inlet openings adjoin the inlet cavity, but no outlet openings on and at the outlet cavity only outlet openings but no inlet openings border.
  • the inlet opening is preferably designed for impact cooling of the outer wall, which is hotter during operation, resulting in a particularly effective reduction in the temperature of the outer wall.
  • the partition wall having at least one through-opening is designed for impact irradiation of the inner wall, which is cooler during operation, in the area of the outlet cavity with coolant heated during operation.
  • the through openings arranged in the partition wall are not oriented towards the outer wall but towards the inner wall, so that as impingement openings they direct the heated coolant to the inner wall in the form of jets and can thus increase its temperature, in particular compared to a component wall without such measures.
  • the invention therefore pursues the approach of not only reducing the temperature of the outer wall as far as possible in order to reduce the temperature gradient between the inner wall and the outer wall.
  • the invention also pursues the approach of increasing the temperature of the inner wall in order to reduce the temperature gradient of the entire component wall from the lower material temperature and thus approximate the temperatures of the inner wall and outer wall to such an extent that life-shortening stresses from thermal expansion are reduced. Consequently, the invention turns away from the idea of avoiding the heating of the inner wall. Consequently, the invention proposes increasing the temperature of the inner wall in a targeted manner using at least one means provided for this purpose.
  • the component wall is monolithic, ie the inner wall, outer wall and partition walls are in one piece.
  • a component wall can be manufactured by additive manufacturing methods, and in particular by selective laser melting.
  • the outer wall, partition walls and impingement cooling wall are thus produced simultaneously.
  • the temperature-related material stresses can occur to an undesirably high degree, so that the service life, in particular of monolithic components, can be significantly increased with the invention.
  • thermomechanical stresses in the component wall can be further reduced if elements for stimulating the heat transfer are provided as means on an inner surface of the inner wall delimiting the outlet cavity. These can then also be used for targeted heating of the comparatively colder inner wall, which leads to the result mentioned.
  • the means for increasing the material temperature of the inner wall i.e. the impingement of the inner wall with heated coolant or the elements for adapting the heat transfer can be used alternatively or in addition to one another.
  • the component wall does not just include a single inlet cavity and a single outlet cavity, but rather a plurality of inlet cavities and a plurality of outlet cavities as well as a plurality of partitions dividing the interior space accordingly and also a plurality of inlet openings and a plurality of outlet openings such that along a transverse extension of the component wall, inlet cavities and outlet cavities are always arranged alternately, with at least every second partition wall dividing the interior space accordingly having at least one through-opening, preferably several through-openings for passing on coolant from the relevant inlet cavity into the immediately adjacent outlet cavity .
  • This configuration serves to equalize the temperatures over a large area of the inner wall and outer wall while at the same time achieving a sufficiently cooled outer wall.
  • the outlet cavity is delimited by two dividing walls of two inlet cavities adjacent on both sides and through-openings are arranged in only one of the two relevant dividing walls. In this way, a merging of coolant flows from two inlet cavities flanking a relevant outlet cavity can be avoided, if expedient. A dedicated flow path for coolant thus results for each pairing of an outlet cavity with an inlet cavity.
  • each of the inlet cavities has a plurality of inlet openings and each of the outlet cavities has a plurality of them Outlet openings connected directly and arranged in between each several passage openings in the relevant partitions.
  • the inlet openings or the outlet openings are preferably arranged offset to the through-openings lying in the flow path along this longitudinal extent of the component wall.
  • the configuration in which the alternately arranged inlet cavities and outlet cavities are each designed in a triangular manner to form a plurality of flow paths and are at the same time arranged to overlap one another is particularly preferred.
  • the or the outlet cavities are oriented the other way round: one corner of the triangular outlet cavities rests against the outer wall, whereas an edge of the triangular outlet cavity that is opposite this corner then represents part of the inner wall.
  • the inner wall largely delimits the outlet cavities and the outer wall largely delimits the inlet cavities, so that the inlet cavities tend to adjoin the inner wall at points and the outlet cavities adjoin the outer wall at points.
  • This arrangement in particular if it is provided repeatedly, has the advantage that the outer wall can be impingement-cooled over a large area through the inlet cavities.
  • the inner wall can be tempered by the preferably impingement irradiation of the inner wall due to the passage openings arranged in the partition wall with a coolant already heated due to the impingement cooling of the outer wall in such a way that the temperature of the inner wall approaches the temperature of the outer wall. This extends the service 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 particularly preferably has a corresponding component wall.
  • the hot-gas component can be, for example, a turbine blade designed as a guide blade or as a moving blade.
  • the component wall can be part of the airfoil and/or also 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.
  • FIG 1 shows a perspective view of a section through a component wall 10 according to the invention.
  • the component wall 10 is part of a hot gas component, not shown in any more detail, which can be used in a gas turbine in its hot gas path or to limit it.
  • the component wall 10 is double-walled and has an outer wall 12 that is hotter during operation and an inner wall 14 that is colder during operation.
  • the terms "hot” and “colder” each refer to the other wall: the outer wall has a higher temperature than the inner wall during operation and is therefore hotter, whereas during operation, the inner wall has a lower temperature than the outer wall. Consequently, the inner wall is the colder.
  • An interior space is arranged between the outer wall 12 and the inner wall 14 and is basically subdivided by partition walls 16 extending between the inner wall 14 and the outer wall 12 .
  • partition walls 16 extending between the inner wall 14 and the outer wall 12 .
  • a multiplicity of inlet openings 18 are provided in the inner wall 14 and a multiplicity of outlet openings 20 are provided in the outer wall 12 .
  • the component wall 10 is designed in a sandwich construction.
  • the partition walls 16 arranged in the interior are arranged at an angle, so that a zigzag-like progression is established.
  • the cavities 22 directly connected to the inlet openings 18 are referred to as inlet cavities, whereas the cavities 24 directly connected 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 through ports 26 .
  • the outlet cavities 24 communicate directly only with the outlet openings 20 and the through-openings 26 .
  • the term "directly" means immediately adjacent to one another.
  • the shape of the inlet cavities 22 and outlet cavities 24 correspond to the shape of an isosceles triangle, so that they can be arranged in a complementary manner.
  • a hot working medium AM flows along the outward-facing surface 13 of the outer wall 12 .
  • a coolant KM is present on a surface 15 of the inner wall 14 facing away from the interior of the component wall 10 .
  • the coolant KM present on the surface 15 flows through the inlet openings 18 with the formation of individual coolant jets in the inlet cavity 22.
  • the outer wall 12 is then impact-cooled, which lowers the temperature level of the outer wall 12 over a large area and heats up the coolant KM.
  • the coolant KM then flows to the passage openings 26 which are arranged offset and flows through them into one of the immediately adjacent outlet cavities 24 .
  • figure 2 shows the section through the hot gas component according to the first embodiment along the section line II-II.
  • elements 28 for facilitating the heat transfer are provided on the inner surfaces 17 of the inner wall 14 delimiting the outlet cavities 24 .
  • These elements 28 can be present, for example, in the form of turbulators, rib-shaped elevations or also bases. The application of these elements further contributes to reducing the temperature gradient between inside and outside. Whether the amplification of the heat transfer occurs due to the enlarged surface and/or due to the more turbulent flow is basically irrelevant. Both variants have their own advantages.
  • figure 3 shows one to figure 1 analog representation of a component wall 10 according to a second embodiment.
  • each of the partitions 16 dividing the inlet cavities 22 from the outlet cavities 24 extends in an oblique direction from the inner wall 14 to the outer wall 12.
  • every second partition 16 is perpendicular to the inner walls 14 and outer walls 12 down, while the rest are arranged obliquely.
  • the inlet cavities 22 and outlet cavities 24 which can be combined in pairs each have a substantially right-angled triangular shape which, when combined in pairs, form a rectangular shape.
  • Both exemplary 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 impact-blasted surfaces of the inlet cavities 22 are then parts of the outer wall 12 and the impact-blasted surfaces of the outlet cavities 22 are then parts of the inner wall 14 are.
  • the largest possible area can be brought about for impact irradiation of the outer wall 12 or inner wall 14 and thus temperature gradients along the inner wall 14 or along the outer wall 12 can be largely avoided.
  • figure 4 shows the arrangement of rib-shaped turbulators 28 on the inner surface 17 of the inner wall 14 delimiting the outlet cavity 24.
  • the figures 5 and 6 12 show a part of an aerodynamically curved airfoil 30 of a turbine blade 32 in a perspective view with a section through the blade profile.
  • the pressure side wall 34 of the airfoil 30 and its leading edge 36 are shown.
  • the airfoil 30 also 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 center line (not shown).
  • the pressure side wall 34 and the suction side wall enclose a supply cavity 38 which is arranged in the interior of the blade leaf 30 and to which the coolant KM is supplied via a blade root (not shown).
  • this can be done via inlet openings 18 flow into the interior of the component wall 10 or the pressure side wall 34 with impact cooling.
  • the coolant KM then flows to the through openings 26 and then passes into the outlet cavity 24 from where it flows to the outlet openings 20 . Through this, the coolant KM leaves the component wall 10 or the turbine blade and then mixes with the working medium AM flowing around the blade leaf 30 .
  • a comparatively thin component wall 10 can be provided with the aid of the additive method of selective laser melting.
  • Wall thicknesses in the order of 0.5 mm are conceivable.
  • the walls can be designed so that they are hollow, allowing surface impingement cooling of the outer wall 12 without the occurrence of thermo-mechanical stresses that shorten the service life at the same time due to an impermissibly high temperature gradient. Wall thicknesses in the order of about 2.5 mm can thus be realized for the component wall 10 according to the invention.
  • the component wall 10 which is designed in a monolithic sandwich construction, leads to a more homogeneous temperature distribution over the entire structure in addition to a lower overall metal average temperature and thus to lower thermal stresses.
  • the sandwich geometry effectively stiffens the component and reduces its weight.
  • the invention relates to a component wall 10 of a hot gas component for a gas turbine, which is double-walled and comprises an outer wall 12 that is hotter during operation and an inner wall 14 that is colder during operation and the latter in between arranged interior is fundamentally subdivided by partition walls 16 extending between the inner wall and the outer wall, wherein a coolant KM can flow into the interior through inlet openings 18 arranged in the inner wall 14 and out of the interior through outlet openings 20 arranged in the outer wall 12.
  • the inlet cavity 22 is only directly connected to at least one of the inlet openings 18 without being directly connected to outlet openings 20, and that directly next to the at least one inlet cavity 22 at least one second cavity is provided, which as outlet cavity 24 is only directly connected to at least one of the outlet openings 20 without being directly connected to inlet openings 18, and that the partition wall dividing the relevant inlet cavity and the outlet cavity 24 adjacent thereto 16 has at least one through-opening 26 for conducting the coolant KM out of the relevant inlet cavity 22 into the outlet cavity 24.

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

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. Eine kaskadierte Prallkühlung in einem Hitzeschild offenbart zudem die US 4,573,865 .
  • 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.
  • Zudem offenbaren EP 1 990 507 A1 , US 9,683,444 , US 2005/0150632 A1 jeweils Hitzeschilder mit daran angebauten Prallkühlblechen. Weiterhin offenbart US4573865 eine gekühlte Struktur mit mehreren Prallkühlkanälen, monolithisch ausgebildet.
  • 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, dass unter Ausbildung eines Strömungspfads 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, und dass zumindest ein Mittel vorgesehen ist, welches beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Bauteilwand eine Erhöhung der Materialtemperatur der Innenwand gezielt herbeiführt.
  • 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 als ein Mittel zur Temperaturerhöhung der Innenwand die zumindest eine Durchgangsöffnung aufweisende Trennwand zur Prallbestrahlung der im Betrieb kühleren Innenwand im Bereich des Auslass-Hohlraums mit im Betrieb aufgeheiztem Kühlmittel ausgestaltet. In diesem Fall sind die in der Trennwand angeordneten Durchgangsöffnungen nicht zur Außenwand hin, sondern zur Innenwand hin orientiert, sodass sie als Prallöffnungen das aufgeheizte Kühlmittel strahlenartig zur Innenwand führen und damit dessen Temperatur erhöhen können, insbesondere verglichen mit einer Bauteilwand ohne derartige Maßnahmen.
  • 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. Folglich schlägt die Erfindung vor, die Temperatur der Innenwand mit zumindest einem dafür vorgesehenen Mittel gezielt zu erhöhen.
  • Die Bauteilwand ist monolithisch, d.h. Innenwand, Außenwand und Trennwände sind einstückig. Eine derartige Bauteilwand kann durch additive Fertigungsverfahren, und insbesondere durch selektives Laserschmelzen gefertigt werden. Im Gegensatz zu bisherigen prallgekühlten Bauteilwänden werden bei der erfindungsgemäßen Bauteilwand Außenwand, Trennwände und Prallkühlwand somit simultan hergestellt. Insbesondere bei derartigen Bauteilen können die temperaturbedingten Materialspannungen in einem ungewünscht hohen Maße auftreten, sodass mit der Erfindung die Lebensdauer insbesondere monolithischer Bauteile signifikant erhöht werden kann.
  • 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 und mithin die daraus resultierenden thermomechanischen Spannungen in der Bauteilwand können weiter reduziert werden, wenn als Mittel an einer den Auslass-Hohlraum begrenzenden Innenfläche der Innenwand Elemente zur Anfachung des Wärmeübergangs vorgesehen sind. Auch diese können sodann zur gezielten Aufheizung der im Vergleich kälteren Innenwand dienen, was zu dem besagten Ergebnis führt. Die Mittel zur Erhöhung der Materialtemperatur der Innenwand, d.h. die Prallbestrahlung der Innenwand mit aufgeheiztem Kühlmittel bzw. die Elemente zur Anpassung des Wärmeübergangs können alternativ oder einander ergänzend verwendet werden.
  • 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.
  • 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. Ob die Anfachung des Wärmeübergang aufgrund der vergrößerten Fläche und/oder aufgrund der turbulenteren Strömung erfolgt, ist grundsätzlich unerheblich. Beide Varianten besitzen ihrerseits Vorteile.
  • 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,
    wobei 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
    wobei 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
    wobei 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, dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest ein Mittel zur Erhöhung der Materialtemperatur der Innenwand vorgesehen ist und dass die doppelwandige Bauteilwand monolithisch ausgestaltet ist.
  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 als Mittel 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 als Mittel 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 Trennwänden (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 durch ein additives Verfahren hergestellt ist.
  10. Heißgasbauteil mit einer Bauteilwand (10),
    die nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgestaltet ist.
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