WO1999060253A1 - Gekühlte turbinenschaufelplattform - Google Patents
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- WO1999060253A1 WO1999060253A1 PCT/DE1999/001263 DE9901263W WO9960253A1 WO 1999060253 A1 WO1999060253 A1 WO 1999060253A1 DE 9901263 W DE9901263 W DE 9901263W WO 9960253 A1 WO9960253 A1 WO 9960253A1
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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
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- 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
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- F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Definitions
- the invention relates to a turbine blade, in particular a gas turbine blade.
- the action fluid is heated to a high temperature.
- the guide vanes and runners located downstream of the combustion chamber can be cooled by cooling medium in order to withstand the high temperatures prevailing at the location. These temperatures can e.g. in a gas turbine lie above the melting point of the material used for the production of a basic body of the gas turbine blade.
- US Pat. No. 5,413,458 relates to a gas turbine guide vane with a cover plate that has an overhang that passes through a cooling fluid can be cooled. Due to the manufacturing process of the entire turbine blade by casting, at the same time leaving a cavity in the overhang, appropriate ceramic fastenings are required to hold the mold. These brackets require an opening in the side of the cover plate facing away from the airfoil area. During the intended operation of the gas turbine blade in a gas turbine, this opening is closed by a cover plate.
- DE 41 02 033 AI relates to a nozzle arrangement for a high-pressure turbine from a gas turbine engine.
- the nozzle assembly includes a plurality of circumferentially spaced vanes and a nozzle band.
- the nozzle band has an overhang section which has cooling channels and the ends of the nozzle band which are axially the most distant from the blades have an outlet opening for cooling air.
- the object of the invention is to provide a coolable turbine blade.
- the object is achieved according to the invention by a turbine blade which is surrounded by an action fluid in a flow direction, with an airfoil which extends along a blade axis and is held on a fastening area on which an overhang is provided in the flow direction, the overhang having a cavity has a feed and an outlet for a cooling medium and a cover element, the cover element being arranged at least in regions (partially) on the side of the overhang facing the airfoil.
- a flow path of the action fluid runs essentially parallel to a rotor axis of the turbine.
- guide vanes and guide vanes are provided, around which the action fluid flows.
- the guide vanes and rotor blades are shaped in the fastening area in such a way that that the fastening areas of the guide vanes and rotor blades limit the flow path of the action fluid even in the event of a displacement of the rotor blades relative to the guide vanes that occurs axially to the rotor axis and prevent a leakage flow of action fluid into an outside space located outside the flow path.
- Such a shift along the rotor axis is caused by the heat-affected axia.e expansion of the rotor and the rotor blades attached to it compared to the guide blades.
- the fastening areas ⁇ er guide vanes and rotor blades delimiting the flow path have an overhang shaped in the flow direction.
- the overhangs of the guide vanes and rotor vanes axially adjacent to the rotor axis can be designed to overlap one another so that they form a gap seal and reduce the escape of action fluid from the flow area to the outside.
- the overlap of the overhanging adjacent blades is selected so that it can compensate for a maximum displacement of the rotor blades that occurs axially to the rotor axis relative to the guide blades.
- the maximum displacement that occurs is essentially dependent on the temperature transferred by the action fluid to the rotor and to the barrel.
- the invention is based on the knowledge that the overhangs m protrude relatively far from the fastening areas of the guide and rotor blades for sealing the flow path and thus far from fastening the turbine blade to a turbine housing. There is a risk that the heat transferred from the action fluid to the overhang cannot be sufficiently dissipated to the housing, which is cooler in comparison to the action fluid, and the overhang can thus be insufficiently cooled. Under certain circumstances, insufficient cooling of the overhangs can lead to premature wear of the turbine blade and shorten the lifespan of the turbine blade.
- the invention is based on the idea of effectively cooling the overhang with a cooling medium.
- the overhang has a cavity with a supply and an outlet for a cooling medium, so that the temperature of the overhang on the side facing the hot action fluid does not exceed a maximum permissible temperature due to a removal of goods via the cooling medium.
- the overhang can withstand the high temperatures of the action fluid longer than an uncooled overhang, resulting in a longer service life of the turbine blade.
- the overhang preferably has a recess which is closed with a cover element, so that the cover element together with the overhang surrounds the cavity.
- the recess in the overhang, which is closed with the cover element, is advantageously made on the side facing the action fluid.
- the wall thickness of the overhang on the action fluid side which corresponds to the wall thickness of the cover element, can be precisely controlled and can be kept low.
- the cooling medium consumption can be adjusted precisely to this wall thickness, which leads to a reduction in the cooling medium requirement.
- a plurality of spacer elements for high stability are preferably provided in the cavity of the overhang. These spacer elements limit the minimum height of the cavity and ensure a minimum flow cross-section for cooling medium.
- the configuration of the spacer elements as column-like pins is particularly advantageous.
- the cross section of the pins can be selected in accordance with the current requirements which are necessary for uniform flow of cooling medium through the cavity and thus for uniform cooling.
- one or more pins with a cross-section m of the type of a Flugel profile can direct cooling medium m areas of the cavity at which the overhang heats up considerably. If the cavity is formed by a recess in the overhang that is closed with a cover element, the column-like pins support the cover element in the region of the recess and limit the minimum distance of the cover element to the recess hm.
- the base surface of the cavity which is perpendicular to the blade axis, is advantageously rectangular, as a result of which the overhang on the side facing the action fluid can be cooled almost completely by the cooling medium flowing in the cavity. Another advantage arises when the overhang circumferential direction to the flow direction of the
- Action fluid has vertical edge and at least one outlet opening is provided for the cooling medium in the region of this edge.
- the cooling medium then emerges on one side of the cavity with a rectangular cross-section after it has flowed through the entire cavity.
- the same effect is achieved if the cavity is formed by the recess closed with the cover element and the cover element has an edge which extends in the circumferential direction perpendicular to the direction of flow of the action fluid and outlet openings are provided in the region of this edge.
- the cover element is preferably connected to the overhang in the circumferential direction along an edge running perpendicular to the flow direction.
- the cover element In the case of a longitudinal expansion due to thermal expansion, the cover element cannot then expand in the direction of a fastening region of a guide or rotor blade adjacent in the circumferential direction, but in the axial direction parallel to the rotor axis.
- the displacement of one end of the cover element is reduced by elongation in the axial direction by connecting the cover element along a further parallel edge to the overhang however, the recess of the overhang occupied with the spacer elements.
- the cooling effect is not adversely affected by such a bulge and thus enlargement of the cavity.
- the cover element is advantageously attached at certain points to the spacer elements, for example by diffusion welding.
- the turbine blade advantageously has a cooling channel in the airfoil.
- the cooling channel is connected to the cavity of the overhang by means of flow technology via at least one passage opening.
- Cooling medium which is directed to the cooling duct for cooling the entire turbine blade, m can flow in through the opening through the cavity of the overhang.
- the passage openings serve as a supply for cooling medium which flows through the cavity and flows out at the outlet openings of the overhang or of the cover element.
- An opening from the outer space in the cavity is preferably provided on the outside of the overhang facing away from the airfoil. This opening serves as an access opening for cooling medium which is supplied to the cavity from the outside of the overhang facing away from the rotor.
- FIG. 1 shows a perspective section of a gas turbine, a rotor with moving blades and a guide vane
- FIG. 2 shows a section along the blade axis through a guide blade from FIG. 1;
- FIG. 3 shows a section perpendicular to the rotor axis through an overhang of the guide vane from FIG.
- FIG. 1 shows part of a rotor 1 of a gas turbine, not shown in detail.
- the end 5 of each rotor blade 3 facing away from the rotor 1 is assigned a cover band segment 7 as a fastening area, which is firmly connected to the end 5 and, together with the cover band segments 7 of the rotor blades 3 adjacent in the circumferential direction, a cover band running concentrically to the rotor axis 9 11 forms.
- the shroud 11 forms part of a boundary surface which runs around the rotor axis 9 and which radially delimits a flow region of an action fluid (A).
- guide vanes 15 are arranged in a guide vane ring, not shown, of which only one guide vane 15 is shown for better illustration.
- a blade 12 of the guide vane 15 extends from a fastening area 17 with which the guide vane 15 is attached to a housing (not shown) in the area of the cover band 11 is fastened, along a blade axis 19 in the direction of the rotor axis 9.
- An overhang 21 is provided on the fastening area 17 of the guide blades 15 in the direction of flow 13 of the action fluid A, which extends in the axial direction parallel to the rotor axis 9 and in the circumferential direction.
- the overhangs 21 together with the shroud 11 form a gap seal which
- FIG. 2 shows a section along the blade axis 19 through the guide blade 15 and a rotor blade 3.
- Guide vane 15 has a cooling channel 23 which is formed by a wall 25 which encloses an interior 26 for guiding cooling medium K.
- an overhang 21 is formed in the flow direction 13, perpendicular to the blade axis 19, which extends to the shroud segment 7 of the rotor blade 3 axially adjacent to the rotor axis 9 and partially overlaps it.
- the overlap of overhang 21 and shroud 11 is chosen so that overhang 21 covers end 25 of shroud segment 7 even when the guide vane-side end 25 of shroud 11 is displaced due to warmth and thus cover band 11 and overhang 21 further as a gap seal for the action fluid A can act.
- the overhang 21 has a recess 27 which is located on the side of the overhang 21 facing the rotor 1 and, together with a cover element 35, forms a cavity 28 for guiding cooling medium K.
- the recess 27 extends over the entire length of the overhang 21 in the flow direction 13 of the action fluid A and is closed with the cover element 35.
- the cover element 35 is angled along a circumferential, tangential edge 37 at the end of the overhang 21 facing away from the guide vane 15.
- the angled part 39 of the cover element 35 forms a rectangular surface perpendicular to the outer surface 23 and extends to the overhang 21.
- the cover element 35 is along its two outer edges 41 and 43, which run parallel to the edge 37 with the overhang 21, or welded to the fastening area 17 of the guide vane 15.
- a plurality of outlet openings 45 are provided in the angled part 39 of the cover element 35, through which cooling medium K can emerge from the cavity 28 formed by the overhang 21 and the cover element 35.
- FIG. 3 shows a section through the overhang 21 in a plane perpendicular to the rotor axis 9.
- the recess 27 extends between two edge webs 29 and 31, which delimit the recess 27 from the overhangs 21 adjacent on the circumference.
- a number of cylindrical pins 33 are arranged, which extend from the overhang 21 perpendicular to the outer surface 23 in the direction of the rotor 1.
- the pins 33 have a round cross section and thus produce a flow resistance which is the same in all directions parallel to the inside of the cover element 35 and which favors the uniform flow of cooling medium K through the cavity 28 and contributes to a uniform cooling of the overhang 21.
- the recess 27 has a rectangular base surface in a plane perpendicular to the blade axis 19 and is closed on the rotor side with the rectangular, plate-shaped cover element 35, which runs parallel to the outer surface 23 of the overhang 21 and completely covers the recess 27 between the two edge webs 29 and 31.
- the cover element 35 is coated with a ceramic heat protection layer 36 in order to withstand the high temperatures of the action fluid A.
Landscapes
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (15) für eine Umströmung mit einem Aktionsfluid (A) in einer Strömungsrichtung (13) mit einem Schaufelblatt (12), das sich entlang einer Schaufelachse (19) erstreckt und an einem Befestigungsbereich (17) gehaltert ist. An dem Schaufelblatt befindet sich in Strömungsrichtung (13) ein Überhang (21), der einen Hohlraum (28) mit einer Zuführung (47) und einem Auslaß (45) für ein Kühlmedium aufweist.
Description
Beschreibung
GEKÜHLTE TURBINENSCHAUFELPLATTFORM
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Gasturbmenschaufel .
Um einen hohen Wirkungsgrad beim Betrieb einer mit einem Ak- tionsfluid, insbesondere einem heißen Gas, betriebenen Tur- bine, insbesondere einer Gasturbine, zu erzielen, wird das Aktionsfluid auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Bei einer Gasturbine mit einer Brennkammer zur Erzeugung des heißen Ak- tionsfluids können die der Brennkammer nachsrgelegenen Leit- und Laufschaufein durch Kuhlmedium kuhlbar sein, um den αort herrschenden, hohen Temperaturen zu widerstehen. Diese Temperaturen können z.B. bei einer Gasturbine oberhalb des Schmelzpunktes des für die Herstellung eines Grundkorpers der Gasturbmenschaufel verwendeten Werkstoffes liegen.
In dem Buch von F. Dietel, "Turbinen, Pumpen und Verdichter", Vogel Verlag, 1. Aufl., 1980 auf Seite 147 f . ist eine Gasturbine beschrieben, bei der ein Schaufelblattbereich einer Leit- oder Laufschaufel der ersten Turbmensiufe mit einem Kuhlluftstrom gekühlt wird. Durch die Kühlung wird die Tem- peratur im Schaufelblattbereich unterhalb eines für die mechanische Stabilität der Schaufeln kritischen Wertes gehalten, so daß die mechanische Stabilität und damit die Funkti- onstuchtigkeit der Gasturbmenschaufel bei diesen Bedingungen gewährleistet ist. Der Schaufelblattbereich ist an mindestens einem Befestigungsbereich der Turbmenschaufel gehaltert. Die dem Schaufelblatt zugewandte Seite des Befestigungsbereiches dient zusätzlich der Begrenzung des Stromungsweges des Aktionsfluids und ist daher ebenfalls hohen Temperaturen ausgesetzt .
Die US-PS 5,413,458 betrifft eine Gasturbmenleitschaufel mit einer Deckplatte, welche einen Überhang aufweist, der durch
ein Kühlfluid kühlbar ist. Aufgrund des Herstellungsverfahrens der gesamten Turbinenschaufel durch Gießen, wobei gleichzeitig ein Hohlraum in dem Überhang freigelassen wird, sind entsprechende keramische Befestigungen zur Halterung der Gießform erforderlich. Diese Halterungen bedingen eine Öffnung in der dem Schaufelblattbereich abgewandten Seite der Deckplatte. Diese Öffnung ist bei dem bestimungsgemäßen Betrieb der Gasturbmenschaufel in einer Gasturbine durch eine Abdeckplatte verschlossen.
Die DE 41 02 033 AI betrifft eine Düsenanordnung für eine Hochdruckturbine von einem Gasturbinentriebwerk. Die Düsenanordnung enthält mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Schaufeln und ein Düsenband. Das Düsenband weist einen Über- hangsabsschnitt auf, welcher Kühlkanäle besitzt die am axial von den Schaufeln weitesten beabstandeten Enden des Düsenbandes eine Auslaßöffnung für Kühlluft aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es eine kühlbare Turbinenschaufel anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbinenschaufel die von einem Aktionsfluid in einer Strömungsrichtung umströmt ist, mit einem Schaufelblatt, das sich entlang einer Schaufelachse erstreckt und an einem Befestigungsbereich gehaltert ist, an dem in Strömungsrichtung ein Überhang vorgesehen ist, wobei der Überhang einen Hohlraum mit einer Zuführung und einem Auslaß für ein Kühlmedium sowie ein Deckelelement aufweist, wobei das Deckelelement zumindest bereichsweise (teilweise) auf der dem Schaufelblatt zugewandten Seite des Überhangs angeordnet ist.
In einer Turbine verläuft ein Strömungsweg des Aktionsfluids im wesentlichen parallel zu einer Rotorachse der Turbine. Im Strömungsweg des Aktionsfluids sind Leit- und Laufschaufein angebracht, die vom Aktionsfluid umströmt werden. Bei Turbi- nen, insbesondere bei Gasturbinen, die mit einer hohen Eintrittstemperatur für das Aktionsfluid arbeiten, sind die Leit- und Laufschaufein im Befestigungsbereich so ausgeformt,
daß die Befestigungsbereiche der Leit- und Laufschaufeln den Stromungsweg des Aktionsfluids auch bei einer axial zu der Rotorachse auftretenden Verschiebung der Laufschaufeln gegenüber den Leitschaufeln begrenzen und einen Leckstrom von Ak- tionsfluid in einen außerhalb des Stromungsweges gelegenen Außenraum verhindern. Eine solche Verschiebung entlang der Rotorachse wird durch die warmebedmgte axia.e Ausdehnung des Rotors und der daran befestigten Laufschaufeln gegenüber den Leitschaufeln hervorgerufen. Um den Austritt von Aktionsfluid aus dem Stromungsbereich zu vermeiden, weisen die den Stromungsweg begrenzenden Befestigungsbereiche αer Leit- und Laufschaufeln einen Stromungsrichtung ausgeformten Überhang auf. Die überhange der axial zur Rotoracnse benachbarten Leit- und Laufschaufein können dabei einander überlappend ausgeführt sein, so daß sie eine Spaltdichtαng bilden und den Austritt von Aktionsfluid aus dem Stromungsbereich den Außenraum vermindern. Die Überlappung der überhange benachbarter Schaufeln ist so gewählt, daß sie eine maximale, axial zur Rotorachse auftretende Verschiebung der Laufschaufeln re- lativ zu den Leitschaufeln ausgleichen kann. Die maximal auftretende Verschiebung ist dabei wesentlich von der durch das Aktionsfluid auf den Rotor und auf die Laufscnaufein übertragenen Temperatur abhangig.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, αaß die überhange m den Befestigungsbereichen der Leit- und Laufschaufeln zur Abdichtung des Stromungsweges relativ weit überstehen und damit weitab von einer Befestigung der Turbmenschaufel mit eine Turbmengehause . Es besteht die Gefahr, daß die vom Ak- tionsfluid auf die überhange übertragene Warme nur ungenügend an das im Vergleich zum Aktionsfluid kuhlere Gehäuse abgeführt werden kann und die überhange somit ungenügend gekühlt werden. Unter Umstanden kann die ungenügende Kühlung der Überhange zu einer vorzeitigen Abnutzung der Turbmen- schaufei fuhren und die Lebensdauer der Turbmenschaufel verkurzen.
Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, den Überhang wirkungsvoll mit einem Kuhlmedium zu kühlen. Der Überhang weist dazu einen Hohlraum mit einer Zufuhrung und einem Auslaß für ein Kuhlmedium auf, so daß durch eine War eabfuhr über das Kuhlmediums die Temperatur des Überhangs auf der dem heißen Aktionsfluid zugewandten Seite eine maximal zulassige Temperatur nicht überschreitet. Der Überhang kann den hohen Temperaturen des Aktionsfluid langer als ein ungekuhlter Überhang widerstehen, was m einer längeren Nutzungsdauer der Turbmenschaufel resultiert.
Bevorzugterweise weist der Überhang eine Ausnehmung auf, die mit einem Deckelelement verschlossen ist, so daß das Deckelelement zusammen mit dem Überhang den Hohlraum umschließt. Es ergibt sich so der Vorteil, daß sich der Hohlraum über den gesamten, mit heißem Aktionsfluid beaufschlagten Bereich des Überhangs erstrecken kann und so eine effektive und gleichmäßige Kühlung gewährleistet wird. Insbesondere ist der Kuhlmediumbedarf und die Belastung des Überhangs durch Temperatur- differenzen geringer als beispielsweise bei einer Kühlung mittels Bohrungen längs einer Hauptausdehnungsachse des Überhangs, die zu einer ungleichmäßigen Kühlung fuhren können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Deckelelement mit einer Schutzschicht zur Erhöhung der Hitzebestandigkeit, bei- spielsweise mit einer keramischen Hitzeschutzschicht, und/oder mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtet und falls erforderlich ausgetauscht werden kann.
Vorteilhafterwelse ist die Ausnehmung im Überhang, die mit dem Deckelelement verschlossen ist, auf der dem Aktionsfluid zugewandten Seite angebracht. Dadurch ist die aktions- fluidseitige Wanddicke des Überhangs, die der Wanddicke des Deckelelementes entspricht, genau kontrollierbar und kann gering gehalten sein. Der Kuhlmediumverbrauch kann so genau auf diese Wandstarke eingestellt werden, was zu einer Verminderung des Kuhlmediumbedarfs fuhrt.
Bevorzugterweise sind m dem Hohlraum des Überhangs mehrere Abstandselemente zur Hohenstabilitat vorgesehen. Diese Abstandselemente begrenzen die minimale Hohe des Hohlraumes und gewährleisten einen minimalen Durchflußquerschnitt für Kuhl- medium. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Abstandselemente als saulenartige Pins. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der Querschnitt der Pins entsprechend den Stromungsanforderungen, die für eine gleichmaßige Durchstromung des Hohlraumes mit Kuhlmedium und damit für eine gleichmaßi- gen Kühlung notwendig sind, gewählt werden kann. So kann beispielsweise durch einen oder mehrere Pins mit einem Querschnitt m der Art eines Flugelproflls Kuhlmedium m Bereiche des Hohlraumes gelenkt werden, an denen sich der Überhang stark erwärmt. Ist der Hohlraum durch eine mit einem Deckel- ele ent verschlossene Ausnehmung im Überhang gebildet, so stutzen die saulenartigen Pins das Deckelelement im Bereich der Ausnehmung und begrenzen den minimalen Abstand des Deckelelementes zur Ausnehmung hm.
Vorteilhafterweise ist die senkrecht zur Schaufelachse stehende Grundflache des Hohlraumes rechteckig ausgeführt, wodurch der Überhang auf der dem Aktionsfluid zugewandten Seite fast vollständig von dem im Hohlraum stromenden Kuhlmedium gekühlt werden kann. Ein weiterer Vorteil entsteht, wenn der Überhang Umfangsrichtung eine zur Stromungsrichtung des
Aktionsfluids senkrechte Kante aufweist und im Bereich dieser Kante mindestens eine Auslaßoffnung für das Kuhlmedium vorgesehen ist. Das Kuhlmedium tritt dann an einer Seite des Hohlraumes mit rechteckigem Querschnitt aus, nachdem es den ge- samten Hohlraum durchströmt hat. Die gleiche Wirkung wird erzielt, wenn der Hohlraum durch die mit dem Deckelelement verschlossene Ausnehrαung gebildet wird und das Deckelelement eine Kante aufweist, die in Umfangsrichtung senkrecht zur Stromungsrichtung des Aktionsfluids verlauft und Auslaßoff- nungen im Bereich dieser Kante vorgesehen sind.
Bevorzugterweise wird das Deckelelement in ümfangsrichtung entlang einer senkrecht zur Stromungsrichtung verlaufenden Kante mit dem Überhang verbunden. Bei einer Langenausdehnung durch Wärmedehnung kann sich das Deckelelement dann nicht Richtung eines Befestigungsbereiches einer in Ümfangsrichtung benachbarten Leit- oder Laufschaufel ausdehnen, sondern in axialer Richtung parallel zur Rotorachse. Vorteilhafterweise wird die Verschiebung eines Endes des Deckelelementes durch Langendehnung axialer Richtung verringert, indem das Dek- kelelement entlang einer weiteren parallelen Kante mit dem Überhang verbunden wird, diesem Fall resultiert die Langendehnung des Deckelelementes einer Wölbung, die m den Stromungsbereich des heißen Aktionsfluids hineinreicht, nicht jedoch die mit den Abstandselementen besetzte Ausnehmung des Überhangs. Die Kuhlwirkung wird durch eine solche Aufwölbung, und damit Vergrößerung des Hohlraumes jedoch nicht beeinträchtigt. Um die Aufwölbung des Deckelelementes m den Stromungsbereich des Aktionsfluids zu vermeiden wird das Dek- kelelement vorteilhafterweise punktuell an den Abstandsele- menten beispielsweise durch Diffusionsschweißen befestigt.
Vorteilhafterweise weist die Turbmenschaufel dem Schaufelblatt einen Kuhlkanal auf. Der Kuhlkanal ist über mindestens eine Durchtrittsoffnung mit dem Hohlraum des Überhangs stromungstechnisch verbunden. Durch die Durchtrittsoffnung kann Kuhlmedium, welches zur Kühlung der gesamten Turbinen- schaufel m den Kuhlkanal geleitet wird, m den Hohlraum des Überhangs einströmen. Die Durchrittsoffnungen dienen als Zufuhrung für Kuhlmedium, das den Hohlraum durchströmt und an den Auslaßoffnungen des Überhangs bzw. des Deckelelementes ausströmt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Turbinenschaufel zur Kühlung nur eine zentrale Ku lmediumzufuhrung aufweist.
Bevorzugterweise ist auf der dem Schaufelblatt abgewandten Außenseite des Überhangs eine Öffnung vom Außenraum m den Hohlraum vorgesehen. Diese Öffnung dient als Zutrittsoffnung
für Kühlmedium, welches dem Hohlraum von der dem Rotor abgewandten Außenseite des Überhangs zugeführt wird.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiele wird die kühlbare Turbinenschaufel näher erläutert. Es zeigen die Figuren in schematischer Darstellung:
FIG 1 Einen perspektivischen Abschnitt einer Gasturbine, einem Rotor mit Laufschaufein und einer Leitschau- fei;
FIG 2 Einen Schnitt entlang der Schaufelachse durch eine Leitschaufel aus FIG. 1;
FIG 3 Einen Schnitt senkrecht zur Rotorachse durch einen Überhang der Leitschaufel aus FIG..
In FIG. 1 ist ein Teil eines Rotors 1 einer nicht näher dargestellten Gasturbine gezeigt. Auf dem Rotor 1 befinden sich umfangseitig Laufschaufeln 3, welche radial vom Rotor 1 nach außen gerichtet und mit diesem fest verbunden sind. Dem vom Rotor 1 abgewandten Ende 5 jeder Laufschaufei 3 ist als Be- festigungsbereich je ein Deckbandsegment 7 zugeordnet, das mit dem Ende 5 fest verbunden ist und zusammen mit den in Um- fangsrichtung benachbarten Deckbandsegmenten 7 der Laufschaufeln 3 ein konzentrisch zur Rotorachse 9 verlaufendes Deckband 11 bildet. Das Deckband 11 bildet einen Teil einer um die Rotorachse 9 umlaufenden Begrenzungsfläche, die einen Strömungsbereich eines Aktionsfluids (A) radial begrenzt. In Strömungsrichtung 13 des Aktionsfluids (A) vor den Laufschaufeln 3 sind Leitschaufeln 15 in einem nicht näher dargestellten Leitschaufelkranz angeordnet, von denen zur besseren Darstellung nur eine Leitschaufel 15 gezeigt ist.
Ein Schaufelblatt 12 der Leitschaufel 15 erstreckt sich von einem Befestigungsbereich 17, mit dem die Leitschaufel 15 an einem nicht dargestellten Gehäuse im Bereich des Deckbandes
11 befestigt ist, entlang einer Schaufelachse 19 Richtung der Rotorachse 9. Am Befestigungsbereich 17 der Leitschaufeln 15 ist in Stromungsrichtung 13 des Aktionsfluids A ein Überhang 21 vorgesehen, der sich m axialer Richtung parallel zur Rotorachse 9 und m Ümfangsrichtung ausdehnt.
Die dem Schaufelblatt 12 zugewandten Seiten der überhange 21 und der Befestigungsbereiche 17 der Leitschaufeln 15 bilden zusammen einen weiteren Teil der radialen Begrenzungsflache f r den Stromungsbereich des Aktionsfluids. Die dem Schaufelblatt 12 abgewandte Außenoberflache 23 des Überhangs 21 bildet ein Segment einer konzentrisch zur Rotorachse 9 angeordneten, zylindrischen Oberflache, welche ümfangsrichtung von dem Deckband 11 umgeben ist. Die überhange 21 bilden zu- sammen mit dem Deckband 11 eine Spaltdichtung, welche das
Ausstromen von Aktionsfluid aus dem Stromungsbereich vermindert.
In FIG. 2 ist ein Schnitt entlang der Schaufelachse 19 durch die Leitschaufel 15 und eine Laufschaufei 3 gezeigt. Die
Leitschaufel 15 weist einen Kuhlkanal 23 auf, der von einer Wandung 25 gebildet wird, die einen Innenraum 26 zur Fuhrung von Kuhlmedium K umschließt. Im Befestigungsbereich 17 ist m Stromungsrichtung 13, senkrecht zur Schaufelachse 19, ein Überhang 21 ausgeformt, der sich bis zum Deckbandsegment 7 der axial zur Rotorachse 9 benachbarten Laufschaufel 3 erstreckt und dieses teilweise überlappt. Die Überlappung von Überhang 21 und Deckband 11 ist so gewählt, daß der Überhang 21 das Ende 25 des Deckbandsegmentes 7 auch bei einer warme- bedingte Verschiebung des leitschaufelseitigen Endes 25 des Deckbandes 11 überdeckt und damit das Deckband 11 und der Überhang 21 weiter als Spaltdichtung für das Aktionsfluid A wirken können. Der Überhang 21 weist eine Ausnehmung 27 auf, die sich auf der dem Rotor 1 zugewandten Seite des Überhangs 21 befindet und bildet zusammen mit einem Deckelelement 35 einen Hohlraum 28 zur Fuhrung von Kuhlmedium K. Die Ausnehmung 27 erstreckt sich über die gesamte Lange des Überhangs
21 in Strömungsrichtung 13 des Aktionsfluids A und ist mit dem Deckelelement 35 verschlossen.
Das Deckelelement 35 ist entlang einer umfangseitig, tangen- tial verlaufenden Kante 37 an dem der Leitschaufel 15 abgewandten Ende des Überhangs 21 abgewinkelt. Der abgewinkelte Teil 39 des Deckelelementes 35 bildet eine senkrecht zur Außenoberfläche 23 stehende rechteckige Fläche und reicht bis zum Überhang 21. Das Deckelelement 35 ist entlang seiner bei- den Außenkanten 41 und 43, welche parallel zur Kante 37 verlaufen mit dem Überhang 21, bzw. mit dem Befestigungsbereich 17 der Leitschaufel 15 verschweißt. Im abgewinkelten Teil 39 des Deckelelementes 35 ist eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen 45 vorgesehen, durch die Kühlmedium K aus dem vom Über- hang 21 und dem Deckelelement 35 gebildeten Hohlraum 28 austreten kann. Auf der dem abgewinkelten Teil 39 des Deckelelementes 35 gegenüberliegenden Seite des Überhangs 21 sind Zuführungsöffnungen 41 angebracht, die vom Kühlkanal 23 durch die Wandung 25 hindurch in den Hohlraum des Überhangs 21 füh- ren und den Überhang mit Kühlmedium versorgen.
In FIG. 3 ist ein Schnitt durch den Überhang 21 in einer Ebene senkrecht zur Rotorachse 9 gezeigt. Die Ausnehmung 27 erstreckt sich zwischen zwei Randstegen 29 und 31, welche die Ausnehmung 27 zu den umfangseitig benachbarten Überhängen 21 abgrenzen. Im Bereich der Ausnehmung 27 ist eine Anzahl von zylindrischen Pins 33 angeordnet, die sich vom Überhang 21 senkrecht zur Außenoberfläche 23 hin in Richtung Rotor 1 erstrecken. Die Pins 33 haben einen runden Querschnitt und er- zeugen so einen in alle Richtungen parallel zur Innenseite des Deckelelementes 35 gleichen Strömungswiderstand, der die gleichmäßige Durchströmung des Hohlraumes 28 mit Kühlmedium K begünstigt und zu einer gleichmäßigen Kühlung des Überhangs 21 beiträgt.
Die Ausnehmung 27 weist in einer senkrecht zur Schaufelachse 19 stehenden Ebene eine rechteckige Grundfläche auf und ist
rotorseitig mit dem rechteckigen, plattenförmigen Deckelelement 35 verschlossen, das parallel zur Außenoberfläche 23 des Überhangs 21 verläuft und die Ausnehmung 27 zwischen den beiden Randstegen 29 und 31 vollständig überdeckt. Auf der dem Rotor 1 zugewandten Seite ist das Deckelelement 35 mit einer keramischen Hitzeschutzschicht 36 beschichtet um den hohen Temperaturen des Aktionsfluids A zu widerstehen.
Claims
1. Turbinenschaufel (15) für eine Umströmung mit einem Aktionsfluid (A) in einer Strömungsrichtung (13) mit einem Schau- felblatt (12), das sich entlang einer Schaufelachse (19) erstreckt und an einem Befestigungsbereich (17) gehaltert ist, an dem in Strömungsrichtung (13) ein Überhang (21) vorgesehen ist, welcher Überhang (21) einen Hohlraum (28) mit einer Zuführung (47) und einem Auslaß (45) für ein Kühlmedium auf- weist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlraum (28) mit einem Deckelelement (35) versehen ist, das zumindest teilweise auf der dem Schaufelblatt (12) zugewandten Seite des Überhangs (21) angeordnet ist.
2. Turbinenschaufel (15) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlraum (28) in dem Überhang (21) durch eine Ausnehmung (27) gebildet ist, die mit dem Deckelelement (35) verschlossen ist.
3. Turbinenschaufel (15) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Deckelelement (35) entlang einer umfangseitig, tangential verlaufenden, ersten Befestigungskante (43) mit dem Überhang (21) verbunden ist.
4. Turbinenschaufel (15) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Deckelelement (35) zusätzlich entlang einer im wesentlichen zur ersten Befestigungskante (43) parallelen zweiten Befesti- gungskante (41) mit dem Überhang verbunden ist.
5. Turbinenschaufel (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Deckelelement (35) punktuell an den Abstandselementen (33) befestigt ist.
6. Turbinenschaufel (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Deckelelement (35) mit einer Schutzschicht (36) beschichtet ist.
7. Turbinenschaufel (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Turbinenschaufel (15) in dem Schaufelblatt (12) einen Kühlkanal (23) aufweist und eine Durchtrittsöffnung (47) den Kühlkanal (23) mit dem Hohlraum (28) im Überhang (21) strömungstechnisch verbindet.
8. Turbinenschaufel (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Über- hang (21) eine zur Strömungsrichtung (13) des Aktionsfluids (A) und zur Schaufelachse (19) im wesentlichen senkrechte Kante (37) aufweist und daß im Bereich dieser Kante mindestens eine Austrittsöffnung (45) für Kühlmedium (K) vorgesehen ist.
9. Turbinenschaufel (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Mehrzahl von Abstandselementen (33) zur Höhenstabilität des Hohlraums (28) vorgesehen sind.
10. Turbinenschaufel (15) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abstandselemente (33) als säulenartige Pins ausgebildet sind.
11. Turbinenschaufel (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlraum (28) eine im wesentlichen rechteckige Grundfläche aufweist.
12. Turbinenschaufel (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Zutrittsöffnung auf der dem Schaufelblatt (13) abgewandten
Seite des Überhangs (21) in den Hohlraum (28) zur Zuführung von Kühlmedium (K) vorgesehen ist.
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