Beschreibung
Turbinenleitschaufei
Die Erfindung betrifft eine entlang einer Achse gerichtete Turbinenleitschaufel mit einem Schaufelprofil, einer Plattform und einem Befestigungsbereich.
Aus der DE 26 28 807 AI geht ein Prallkuhlsystem für eine Gasturbinenschaufel hervor. Die Gasturbinenschaufel ist entlang einer Schaufelachse gerichtet und weist entlang der Schaufelachse ein Schaufelblatt und einen Plattformbereich auf. Im Plattformbereich erstreckt sich quer zur Schaufelachse eine Plattform vom Schaufelblatt weg radial nach au- ßen. Eine solche Plattform bildet einen Teil eines Stromungs- kanales für ein Arbeitsfluid, welches eine Gasturbine durchströmt, in die die Turbinenschaufel eingebaut ist. Bei einer Gasturbine treten in diesem Stromungskanal sehr hohe Temperaturen auf. Dadurch wird die dem Heißgas ausgesetzte Oberfla- ehe der Plattform stark thermisch belastet. Zur Kühlung der Plattform ist vor der dem Heißgas abgewandten Seite der Plattform ein gelochtes Wandelement angeordnet. Über die Locher in dem Wandelement tritt Kuhlluft ein und trifft auf die dem Heißgas abgewandte Seite der Plattform. Damit wird eine effiziente Prallkuhlung erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Turbinenleitschau- fel, welche in einfacher und effizienter Weise kuhlbar ist.
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe gelost durch eine entlang einer Achse gerichtete Turbinenleitschaufel mit axial aufeinander folgend:
- einem Schaufelprofil mit einer Profilkontur - einer Plattform mit einer Heißgasseite zur Begrenzung eines Heißgaskanales einer Turbine und einer der Heißgasseite gegenüberliegende Kaltseite, und
- einem Befestigungsbereich zur Aufnahme des größten Teils mechanischer Belastungen durch ein das Schaufelprofil umströmendes Arbeitsmedium, wobei die Plattform allenfalls einen geringen Teil dieser me- chanischen Belastungen aufzunehmen hat und wobei der Befestigungsbereich bei einer Projektionsansicht entlang der Achse in eine Richtung vom Befestigungsbereich zum Schaufelprofil die Kaltseite nur teilweise verdeckt.
Eine solche Turbinenleitschaufel weist eine Funktionstrennung für einerseits thermische und andererseits mechanische Belastungen auf: Die thermischen Belastungen werden vor dem Befestigungsbereich weitgehend durch die Plattform aufgenommen. Die Plattform schirmt ein das Schaufelprofil umströmendes Ar- beitsmedium gegen den Befestigungsbereich ab und bildet einen Teil eines Stromungskanales einer Turbine, in die die Turbinenleitschaufel eingebaut ist. Die Plattform ist vergleichsweise dünn ausgeführt, damit sie effizient kuhlbar ist. Eine solche dünne Ausfuhrung wird dadurch ermöglicht, daß der größte Teil der mechanischen Belastungen welche durch das Ar- beitsfluid auf die Turbinenschaufel wirken, von dem Befestigungsteil aufgenommen wird. Die Turbinenleitschaufel ist über das Befestigungsteil in einem Turbinengehause befestigbar. Die am Schaufelprofil angreifende, durch das Arbeitsfluid ausgeübte Kraft wird über das Befestigungsteil an das Turbinengehause übertragen. Die Plattform muß somit allenfalls ei¬ nen geringen Teil dieser Kräfte aufnehmen und kann somit vergleichsweise dünn ausgeführt werden. Durch das Befestigungsteil kann die Zuganglichkeit der Kaltseite der Plattform z.B. bei einer plattformartigen Ausbildung des Befestigungsteiles eingeschränkt sein. Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil durch eine schlanke Ausfuhrung des Befestigungsteiles. Damit verdeckt das Befestigungsteil die Kaltseite nur teilweise. Die Kaltseite bleibt somit z.B. für den Einbau eines Prall- kuhlbleches gut zuganglich.
Vorzugsweise verdeckt der Befestigungsbereich bei der Projektionsansicht die Kaltseite zu weniger als drei Vierteln. Bevorzugt weist der Befestigungsbereich auf:
- einen Kern mit einer zur Profilkontur gleichlaufenden Kern- kontur, welcher Kern mit der Kaltseite verbunden ist;
- einen flachigen Steg, welcher sich entlang der Achse erstreckt und welcher einer Befestigung in einem Turbinengehause dient.
Vorzugsweise ist dabei der Kern mit dem Steg über einen versteifenden Verbindungsbereich verbunden. Bevorzugtermaßen verbindet eine vertikale Rippe den Kern und den Steg entlang der Achse versteifend. Vorzugsweise verbindet eine Horizontalrippe den Kern und den Steg senkrecht zur Achse verstei- fend. Weiter bevorzugt sind vier Vertikalrippen und/oder vier Horizontalrippen vorgesehen.
An dem Steg sind z.B. Vorsprunge oder Verhakungen angeordnet, mit denen die Turbinenleitschaufel im Turbinengehause verhakt wird. Durch die Ausbildung des Befestigungsbereiches mit einem Kern und einer versteifenden Verbindung zwischen dem Kern und dem Steg wird eine stabile und doch schlanke Ausfuhrung des Befestigungsbereiches erreicht. Insbesondere durch eine Verrippung mittels der Vertikal- und/oder Horizontalrippen erlangt der Befestigungsbereich eine für den Einsatz der Turbinenleitschaufel ausreichende Steifigkeit.
Vorzugsweise sind bzw. ist die Vertikalrippe bzw. die Vertikalrippen und/oder die Horizontalrippe bzw. die Horizontal- rippen einstuckig mit dem Kern und mit dem Steg ausgebildet. Bevorzugt ist die Turbinenleitschaufel gegossen und zwar vorzugsweise gerichtet erstarrt oder einkristallin.
Bevorzugt weist die Turbinenleitschaufel eine vor der Kalt- seite angeordnete Prallkuhlplatte auf, die ihrerseits eine Vielzahl von auf die Kaltseite gerichteten Offnungen aufweist. Mit einer solchen Prallkuhlplatte wird Kuhlfluid über
die Offnungen senkrecht auf die Kaltseite geleitet. Durch eine solche Prallkuhlung wird die Plattform besonders effizient gekühlt. Durch die gute Zuganglichkeit der Kaltseite kann die Prallkuhlplatte sehr einfach eingebaut werden. Die gute Zuganglichkeit der Kaltseite ermöglicht darüber hinaus auch den Einbau eines komplexeren Prallkuhlsystems.
Vorzugsweise ist die Turbinenleitschaufel als Gasturbinen- leitschaufel ausgelegt. Insbesondere bei einer stationären Gasturbine werden sehr hohe Temperaturen für das die Gasturbine durchströmende Gas erreicht. Dadurch besteht die Notwendigkeit einer sehr effizienten Kühlung der Plattform einer Gasturbinenleitschaufel . Mit dem Konzept einer von der Kaltseite her gut zuganglichen, vergleichsweise dünnen Plattform wird eine sehr wirksame Kühlung erreicht, da sich die Fertigung der Gasturbinenleitschaufel gleichzeitig sehr einfach gestaltet .
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung in einem Ausfuhrungs- beispiel teilweise schematisch naher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinenleit- schaufel aus einer ersten Blickrichtung,
FIG 2 eine perspektivische Ansicht der Gasturbinenschaufel aus Figur 1 aus einer zweiten Blickrichtung und
FIG 3 eine Aufsicht auf den Befestigungsbereich einer Gasturbinenleitschaufel .
Gleiche Bezugszeichen haben in verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
Figur 1 zeigt eine Gasturbinenleitschaufel . Entlang einer Achse 3 erstrecken sich ein Kopfbereich 5, ein Schaufelprofil 7 mit einer Profilkontur 8, eine Plattform 9 und ein Befestigungsbereich 11. Der Kopfbereich 5 dient zur wellenseitigen
Abgrenzung und Abdichtung eines nicht dargestellten Heißgas- kanales einer Gasturbine, in die die Gasturbinenleitschaufel 1 einbaubar ist. Im eingebauten Zustand ist das Schaufelprofil 7 m diesem Heißgaskanal angeordnet. Die Plattform 9 dient zur gehauseseitigen Abgrenzung und Abdichtung des Heiß- gaskanales. Die Plattform 9 weist eine zum Schaufelprofil 7 gerichtete Heißgasseite 9b und eine der Heißgasseite 9b gegenüberliegende Kaltseite 9a auf. Die Plattform 9 ist mit einer umlaufenden Verstrebung 10 versteift. Der Befestigungsbe- reich 11 dient einer Befestigung der Gasturbinenleitschaufel 1 in einem Turbinengehause. Der Befestigungsbereich 11 umfaßt einen Kern 13 mit einer Kernkontur 14. Der Kern 13 ist an der Kaltseite 9a angeordnet und stellt mit seiner Kernkontur 14 geometrisch eine Verlängerung des Schaufelprofiles 7 dar. Der Kern 13 wird von einem Hohlraum 15 durchzogen, welcher auch das Schaufelprofil 7 durchsetzt. In diesen Hohlraum 15 ist Kuhlluft zur Kühlung der Gasturbinenleitschaufel 1 einleitbar. An der Kaltseite 9a sind zwei entlang der Achse 3 gerichtete flachige Stege 17 angeordnet. Ein anstromseitiger Steg 17a ist auf der Seite einer Anstromkante 7a des Schaufelprofils 7 angeordnet. Ein abstromseitiger Steg 17b ist auf der Seite einer Abstromkante 7b des Schaufelprofils 7 angeordnet. Zwischen den Stegen 17a, 17b liegt der Kern 13. Der anstromseitige Kern 17a weist einen L-formigen Vorsprung 19a an seinem Ende auf. Der abstromseitige Steg 17b weist einen quaderförmigen Vorsprung 19b an seinem Ende auf. Mittels der Vorsprunge 19a, 19b wird die Gasturbinenleitschaufel 1 in einem Turbinengehause verhakt. Der Kern 13 ist mit den Stegen 17a und 17b in einem Verbindungsbereich 18 versteifend und abgerundet verbunden. Zusatzlich sind vier Horizontalrippen 21 vorgesehen, welche den Befestigungsbereich 11 senkrecht zur Achse 3 versteifen. Je zwei Horizontalrippen 21 sind zwischen einem Steg 17a und 17b und dem Kern 13 angeordnet. Zwischen der Plattform 9 und den Horizontalrippen 21 sind außer- dem vier Vertikalrippen 23 vorgesehen und zwar je Horizontalrippe 21 je eine Vertikalrippe 23. Diese Vertikalrippen 23 verbinden den Kern 13 versteifend mit den Stegen 17a, 17b. Es
wird eine Versteifung entlang der Achse 3 erreicht. Durch diese Ausfuhrung des Befestigungsbereiches 11 mit dem Kern 13, den Stegen 17a, 17b und den Horizontal- und Vertikalrippen 21, 23 ergibt sich eine sehr stabile Gestaltung des Befe- stigungsbereiches 11. Gleichzeitig verdeckt aber der Befestigungsbereich 11 die Kaltseite 9a nur teilweise (siehe Figur 3) . Die Kaltseite 9a bleibt dadurch gut zuganglich. Hierdurch können fertigungstechnisch in einfacher Weise konstruktive Maßnahmen zur Kühlung der Plattform 9 ergriffen werden. Ins- besondere kann m einfacher Weise ein Prallkuhlblech (siehe Figur 3) vor der Kaltseite 9a angebracht werden. Weiterhin ergibt sich eine erhebliche Gewichtsersparnis für die Turbinenleitschaufel, was insbesondere für ein Flugtriebwerk interessant ist.
Figur 2 zeigt die Gasturbinenleitschaufel 1 aus Figur 1 in Blickrichtung auf die Abstromkante 7b. In dieser Blickrichtung erkennt man die der anstromseitigen Vertikalverrippung durch die Vertikalrippen 23 entsprechende Vertikalverrippung auf der Anstromseite des Befestigungsbereiches 11.
Figur 3 zeigt eine Projektionsansicht der Gasturbinenleit- schaufel 1 aus Figur 1 entlang der Achse 3 in Richtung von dem Befestigungsteil 11 zum Schaufelprofil 7. In dieser An- sieht wird deutlich, daß der Befestigungsbereich 11 die Kaltseite 9a nur teilweise verdeckt. Vorzugsweise bleibt mehr als ein Viertel der Kaltseite 9a sichtbar, d.h. gut zuganglich. Von dem Bereich der Kaltseite 9A ohne den Anteil des Kerns 13 bleibt vorzugsweise mehr als 60% sichtbar. Vor der Kaltseite 9a ist ein Prallkuhlblech 31 angeordnet. In dieses Prallkuhlblech 31 sind eine Anzahl von Offnungen 33 eingebracht. Durch diese Offnungen 33 gelangt Kuhlluft senkrecht auf die Kaltseite 9a. Dadurch wird die Kaltseite 9a durch eine Prallkuh- lung effizient gekühlt. Die Montage des Prallkühlbleches 31 oder auch einer anderen, eventuell komplexeren Kuhlanordnung gestaltet sich durch die gute Zuganglichkeit der Kaltseite 9a sehr einfach.