WO2008052846A1

WO2008052846A1 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: WO2008052846A1
Application number: PCT/EP2007/059989
Authority: WO
Inventors: Fathi Ahmad
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2008-05-08
Also published as: US20100068069A1; RU2405940C1; EP1930544A1; PL2084368T3; JP2010508461A; EP2084368A1; ES2341384T3; EP2084368B1; CN101535601A; ATE459784T1; DE502007003043D1

Abstract

Eine Turbinenschaufel (12, 14) mit einer Mehrzahl von einem innerhalb eines Schaufelgrundkörpers (30) ausgebildeten Hauptkühlkanal (26) abzweigenden Nebenkühlkanälen (24), die im Vorderkantenbereich des Schaufelgrundkörpers (30) in Austrittsöffnungen münden, soll bei einem hohen Wirkungsgrad für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb besonders temperaturbeständig gegenüber dem Arbeitsmedium (M) der Turbine ausgelegt sein. Dazu ist erfindungsgemäß ein Hitzeschutzelement (22) in einem vorbestimmten Abstand am Schaufelgrundkörper (30) im Vorderkantenbereich angebracht, wobei das Hitzeschutzelement (22) eine Anzahl von hintereinander in Längsrichtung angeordnete, vom Hauptkühlkanal (26) zur Außenwandfläche (36) des Hitzeschutzelements (22) verlaufende Austrittskanäle (28) aufweist.

Description

Beschreibung

Turbinenschaufel

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen, werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsma- schinen eingesetzt. Eine Gasturbine weist üblicherweise einen von einem feststehenden Gehäuse umgebenen drehbar gelagerten Rotor auf. Die feststehenden Baugruppen einer Gasturbine werden zusammenfassend auch als Stator bezeichnet. Der Energiegehalt eines Brennstoffs wird dabei zur Erzeugung einer Rota- tionsbewegung der Rotorkomponente benutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Ar- beitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt .

Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Rotorkomponente sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, welche durch Impulsübertragung des Strömungsmediums die Rotorkomponenten antreiben. Zur Führung des Strömungsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet. Die Turbinenschaufeln, insbesondere die Leitschaufeln, weisen dabei üblicherweise zur geeigneten Führung des Arbeitsmediums ein entlang einer Schaufelachse erstrecktes Schaufelblatt auf, an das endseitig zur Befestigung der Turbinenschaufel am jeweiligen Trägerkörper eine sich quer zur Schaufelachse erstreckende Plattform angeformt sein kann. Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätz- lieh durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Die Temperaturen, die während des Betriebs einer derartigen Gasturbine erreicht werden, liegen bei bis zu 1300⁰C.

Die diesen hohen Temperaturen des Arbeitsmediums ausgesetzten Komponenten und Bauteile der Gasturbine unterliegen somit einer hohen thermischen Belastung. Um dennoch bei hoher Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der be- troffenen Komponenten zu gewährleisten, werden die betroffenen Komponenten, insbesondere die Lauf- und/oder Leitschaufeln der Turbineneinheit, gekühlt. Die Turbinenschaufeln sind dabei üblicherweise mit Kühlkanälen versehen, wobei insbesondere eine wirksame und zuverlässige Kühlung der im besonderen Maße thermisch belasteten Vorderkante der jeweiligen Turbinenschaufel sichergestellt sein soll.

Als Kühlmittel kommt dabei üblicherweise Kühlluft zum Einsatz. Diese kann der jeweiligen Turbinenschaufel über eine Anzahl von in das Schaufelblatt oder das Schaufelprofil integrierten Kühlmittelkanälen zugeführt werden. Von diesen ausgehend durchströmt die Kühlluft in davon abzweigenden Austrittskanälen die jeweils vorgesehenen Bereiche der Turbinenschaufeln, wodurch eine konvektive Kühlung des Schaufelinne- ren und der Schaufelwand erreicht wird. Austrittsseitig sind diese Kanäle offen gelassen, so dass die Kühlluft nach dem Durchströmen der Turbinenschaufel aus den auch als Filmkühllöcher bezeichneten Austrittsöffnungen ausströmt und einen Kühlfilm auf der Oberfläche des Schaufelblattes ausbildet. Durch diesen Kühlluftfilm ist der Schaufelgrundkörper an der Oberfläche vor einem direkten und intensiven Kontakt mit dem mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmenden heißen Arbeitsmedium weitgehend geschützt. Um im Vorderkantenbereich des Schaufelblattes eine besonders gleichmäßige und effektive Filmkühlung zu ermöglichen, sind die Austrittsöffnungen in diesem Bereich üblicherweise gleichmäßig entlang von mindestens zwei parallel zur Vorderkante ausgerichteten Reihen angeordnet. Die Austrittskanäle sind zudem in der Regel schräg zur Längsrichtung der Turbinenschaufel ausgerichtet, was die Ausbildung des schützenden, an der Oberfläche entlangströmenden Kühlluftfilms unter- stützt.

Da vor allem der Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel einer starken thermischen Belastung ausgesetzt ist, kann die Vorderkante der Schaufel zudem mit einer Hitzeschutzschicht versehen werden. Diese Hitzeschutzschicht besteht zweckmäßigerweise aus einem temperaturfesteren Material als das des Schaufelgrundkörpers. Zudem ist die Hitzeschutzschicht durch einen niedrigen Wärmeleitkoeffizienten gekennzeichnet, wodurch die Temperaturbelastung des Grundmaterials des Schau- felkörpers reduziert wird. Somit wird die Lebensdauer der

Turbinenschaufel durch eine derartige Hitzeschutzschicht in Verbindung mit einer Kühlung des Vorderkantenbereiches der Schaufel erhöht.

Dieser Hitzeschutz hat jedoch den Nachteil, dass nach einer gewissen Zeit Risse in der Hitzeschutzschicht auftreten. Diese Risse verringern den Schutz des Schaufelgrundkörpers gegenüber dem heißen Abgas der Gasturbine, so dass es infolge der erhöhten thermischen Belastung im Grundkörper der Turbi- nenschaufel ebenfalls zu einer Rissbildung kommen kann. Derartige Risse im Schaufelgrundkörper gefährden die Betriebssicherheit und können zum Ausfall der Gasturbine führen.

Zudem ist aus der GB 841 117 eine modulare Turbinenschaufel der Eingangs genannten Art bekannt. Die Turbinenschaufel umfasst einen gegossenen Grundkörper mit einem Schaufelblattprofil, an dem anströmkantenseitig mehrere Kühlluftausblas- schlitze vorgesehen sind, die von einem am Schaufelblattpro- fil seitlich befestigten Schutzblech unter Abstand überdeckt sind. Die aus den Schlitzen austretende Kühlluft kühlt die blecherne Anströmkante nach Art und Weise einer Prallkühlung und wird im Anschluss an die Prallkühlung vom Blech derartig umgelenkt, dass es im Bereich der Druckseitenfläche und Saugseitenfläche die modulare Turbinenschaufel verlassen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der oben genannten Art anzugeben, welche mit ein- fachen Mitteln auch beim Einsatz in hohen Strömungstemperaturen eine besonders hohe Betriebssicherheit der Gasturbine gewährleistet .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass gerade im Hinblick auf die Betriebssicherheit und die Wirtschaftlichkeit einer Gasturbine die Turbinenschaufeln durch einen geeignet gewählten Hitzeschutz eine möglichst hohe Lebensdauer aufweisen sollten. Dabei sollte insbesondere dem Umstand Rechnung getragen werden, dass gerade die Vorderkante der Turbinenschaufel thermisch stark belastet ist. Diese sollte daher besonders geschützt sein

Dies wird dadurch erreicht, indem das Hitzeschutzelement in einem Abstand am Schaufelgrundkörper im Vorderkantenbereich angebracht ist, wodurch ein direkter Kontakt des Hitzeschutzelements mit dem Schaufelgrundkörper vermieden wird. Zur Küh- lung des Schaufelgrundkörpers ist dabei dessen Außenfläche im Vorderkantenbereich mit einer Anzahl von Nebenkühlkanälen versehen, wobei diese vom Hauptkühlkanal zur Schaufelgrundkörper-Außenfläche verlaufen. Diese Nebenkühlkanäle sind für eine effektive Kühlung im Vorderkantenbereich des Schaufel- grundkörpers hinter dem Hitzeschutzelement homogen verteilt angeordnet. Somit können Spannungen und daraus resultierende Risse vermieden werden. Zur Kühlung des Hitzeschutzelements weist dieses eine Anzahl von dessen Außenfläche in Richtung des Schaufelgrundkörpers verlaufenden Austrittskanälen auf. Dieser zur Führung eines Kühlstroms ausgebildete Kanal dient zusätzlich auch als Verbindungselement zwischen dem Hitzeschutzelement und dem Schaufelgrundkörper. Der Austrittskanal ragt dabei mit einem Ende in einen im Schaufelinneren ausgebildeten Hauptkühlkanal hinein, wobei das im Hauptkühlkanal strömende Medium zur Kühlung des Hitzeschutzelements auf dessen Außenfläche strömen kann.

Durch ein derartig gebildetes Hitzeschutzsystem wird der besonders kritische Bereich, nämlich der Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel, vor den hohen Temperaturen des Arbeits- mediums der Turbine besonders effektiv geschützt. Durch die Kühlung des Hitzeschutzelements und des Schaufelgrundkörpers ist es möglich, die Temperatur des Arbeitsmediums der Turbine, welche die Turbinenschaufel umströmt, über die für das Material der Turbinenschaufel möglichen Temperatur zu erhö- hen. Die Kühlung erfolgt derart, indem ein Kühlstrom aus dem Hauptkühlkanal zum Teil durch die Austrittskanäle des Hitzeschutzelements auf dessen Außenfläche geleitet wird und zum Teil aus dem Hauptkühlkanal, über die Nebenkühlkanäle des Schaufelgrundkörpers, durch den vom Hitzeschutzelement und dem Schaufelgrundkörper gebildeten Zwischenraum strömt. Durch ein derartig geführtes Kühlmedium bildet sich ein Schutzfilm auf der Außenfläche des Hitzeschutzelements. Dieser Kühlfilm verhindert einen direkten Kontakt des heißen Arbeitsmediums der Turbine mit dem Hitzeschutzelement, wodurch die Temperaturbelastung der angeströmten Außenfläche reduziert wird. Die dennoch auftretende Erhöhung der Temperatur des Hitzeschutzelements wirkt sich jedoch nicht direkt auf die Temperatur des Schaufelgrundkörpers im Vorderkantenbereich aus, da das Hitzeschutzelement in einem Abstand zum Schaufelgrundkörper angeordnet ist. Die Wärmeübertragung zwischen dem Hitzeschutzelement und dem Schaufelgrundkörper wird zudem durch das zwischen der Innenfläche des Hitzeschutzelements und der Schaufelgrundkörper-Außenfläche strömende kühlende Medium wesentlich verringert, indem die Wärme im Vorderkantenbereich durch den inneren Kühlstrom abtransportiert wird.

Besonders bevorzugt weist das Hitzeschutzelement eine an das Profil des Schaufelgrundkörpers im Vorderkantenbereich ange- passte Form auf. Dadurch wird erreicht, dass die Turbinenschaufel auch nach dem Anbringen des Hitzeschutzelements eine im Vorderkantenbereich strömungsoptimierte Form aufweist. Zu- dem führt die zum Schaufelgrundkörper korrespondierende Form des Hitzeschutzelements zu einer gleichmäßigen Ausdehnung des Zwischenraums im Vorderkantenbereich. Dadurch strömt das kühlende Medium mit überwiegend konstanter Geschwindigkeit entlang der Schaufelgrundkörper-Außenfläche und der Innenfläche des Hitzeschutzelements, wodurch die Kühlung im Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel besonders gleichmäßig erfolgt. Somit treten vor allem im Schaufelgrundkörper keine zu hohen Spannungen auf, welche zu Rissbildungen führen könnten.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung ist das Hitzeschutzelement aus einem im Vergleich zum Schaufelgrundkörper temperaturfesteren Material gefertigt. Da das Hitzeschutzelement beim Betrieb der Turbine direkt vom heißen Arbeitsmedium angeströmt wird, ist gerade diese Komponente einer hohen Tempe- raturbelastung ausgesetzt ist. Deshalb sollte das Hitzeschutzelement aus einem besonders temperaturbeständigen Material gefertigt sein, um vor allem die Betriebssicherheit zu gewährleisten und die Ausfallzeiten der Turbine zu minimieren .

Neben dem Einsatz von temperaturbeständigen Materialien sollte zur Erhöhung der Beständigkeit des Hitzeschutzelementes dieses gekühlt werden. Dabei ist für eine besonders effektive Kühlung das Hitzeschutzelement für eine Prallkühlung ausgelegt, dieses wird erreicht, indem der Abstand des Hitzeschutzelements zum Schaufelgrundkörper ausreichend gering gehalten wird. Dazu ist das Hitzeschutzelement bevorzugt in einem Abstand von lmm bis 3mm zum Schaufelgrundkörper ange- ordnet. Gerade ein bis zu diesem Abstand im Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel angebrachtes Hitzeschutzelement gewährleistet eine ausreichend hohe Aufprallgeschwindigkeit des kühlenden Mediums auf die Innenfläche des Hitzeschutzele- ments, wodurch ein besonders effektive Kühlung durch Prallkühlung erreicht wird. Da der statische Druck im Hauptkühlkanal des Schaufelgrundkörpers vorgegeben ist, wird die Aufprallgeschwindigkeit des Kühlstroms neben beispielsweise dem Durchmesser der Nebenkühlkanäle vor allem durch den Abstand des Hitzeschutzelements zum Schaufelgrundkörper bestimmt.

Eine ausreichend hohe Geschwindigkeit des Kühlmediums unmittelbar vor dem Auftreffen auf der Innenfläche des Hitzeschutzelements ist notwendig, da so ein inniger Kontakt zwischen dem kühlenden Medium und der Innenfläche des Hitze- schutzelements zustande kommt. Durch eine derartige Prallkühlung ist ein bedeutend effektiverer Wärmeabtransport möglich als das beispielsweise bei einer Filmkühlung möglich ist.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind die Nebenkühl- kanäle im Wesentlichen senkrecht zur Innenfläche des Hitzeschutzelements ausgerichtet angeordnet. Somit trifft der Kühlstrom aus dem Hauptkühlkanal senkrecht auf die Innenfläche des Hitzeschutzelements, wodurch ein Großteil der kinetischen Energie des Kühlmediums für einen besonders innigen Kontakt zwischen den Teilchen im Kühlstrom und der Innenfläche des Hitzeschutzelements verwendet wird. Dadurch wird die Wärme des Hitzeschutzelements besonders effektiv auf den inneren Kühlstrom übertragen und abtransportiert.

In einer weiteren Variante ist das Hitzeschutzelement in den Randbereichen der Turbinenschaufel mit dem Schaufelgrundkörper verbunden. Zur Ausbildung der besonders effektiven Prallkühlung ist der Schaufelgrundkörper, vorzugsweise in dessen Vorderkantenbereich, mit einer Ausnehmung versehen. Der Vor- teil dieser alternativen Ausführungsform liegt unter anderem darin, dass die ursprüngliche strömungsoptimierte Form der Turbinenschaufel erhalten bleibt. Das beschriebene Hitzeschutzelement kann auf vorteilhafte Weise an den Stellen der Strömungsmaschine zum Einsatz kommen, wo Bauteile und Baugruppen der thermischen Strömungsmaschine mit dem heißen Arbeitsmedium beaufschlagt werden. Be- sonders bevorzugt ist jedoch der Einsatz des Hitzeschutzelements zum Schutz des Vorderkantenbereichs der Turbinenschaufel, da die Temperaturbelastung des Schaufelgrundkörpers in diesem Bereich besonders hoch ist. Unter anderem werden durch ein derartiges Hitzeschutzsystem die Ausfallzeiten der Gas- turbine minimiert, da die Lebensdauer durch das Hitzeschutzelement gesteigert wird.

Durch die extrem hohe thermische Belastung des Hitzeschutzelementes können auch bei Verwendung eines besonders tempera- turfesten Materials, insbesondere nach einer bestimmten Betriebsdauer der Turbine, Risse im Hitzeschutzelement auftreten. In diesem Fall können beispielsweise im Rahmen der Wartungsarbeiten der Gasturbine die Hitzeschutzelemente auf relativ einfache Art und Weise entfernt und durch neue er- setzt werden. Somit müssen nicht wie bisher im Falle von

Rissbildung im Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel die betroffenen Turbinenschaufeln komplett ausgetauscht werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson- dere darin, dass durch das dem Schaufelgrundkörper der Turbinenschaufel vorgeschaltete Hitzeschutzelement ein wirkungsvoller Schutz des Vorderkantenbereichs der Turbinenschaufel vor den hohen Temperaturen des Arbeitsmediums der Turbinen bereitgestellt wird. Insbesondere ermöglicht ein derartiges Hitzeschutzsystem den Einsatz einer Prallkühlung, wodurch das Hitzeschutzelement besonders effektiv gekühlt werden kann. Des Weiteren wird durch das Hitzeschutzelement verhindert, dass eventuell auftretende, von der Außenfläche des Hitzeschutzelements ausgehende Risse sich in den Schaufelgrundkör- per hinein ausbreiten. Zudem können auf einfache Art und

Weise und mit relativ geringem Aufwand die erfindungsgemäßen Hitzeschutzelemente nachträglich an den Turbinenschaufeln angebracht werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,

FIG 2 eine mit einem Hitzeschutzschild versehene Turbinenschaufel im Längsschnitt,

FIG 3 ein in Längsrichtung geschnittenes Hitzeschutzelement,

FIG 4 ein Hitzeschutzelement im Querschnitt,

FIG 5 einen Querschnitt durch eine mit einem Hitzeschutzelement versehene Turbinenschaufel,

FIG 6 in alternativer Ausführung eine Turbinenschaufel mit einem in den Vorderkantenbereich des Schaufel- grundkörpers integrierten Hitzeschutzelement.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbineneinheit 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausge- führte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt . Die Turbineneinheit 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen . Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbineneinheit 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impuls- Übertrag vom die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen . Ein auf- einander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.

Jede Leitschaufel 14 weist eine Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel am Innengehäuse 16 der Turbineneinheit 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist - wie auch die Turbinenschaufel 12, 14 - dabei ein vergleichsweise thermisch stark belastetes Bauteil. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als

Schaufelfuß bezeichnete Plattform 19 an der Turbinenwelle 8 befestigt .

Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattfor- men 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbineneinheit 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüberliegenden Laufschaufeln 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M schützen.

Die Brennkammer 4 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennraum mündet. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struk- tur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 4 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000⁰C bis 1600⁰C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, weisen die Laufschaufeln 12 - wie in FIG 2 dargestellt - ein im Vorderkantenbereich angebrachtes Hitzeschutzelement 22 auf. Jedes der an die Laufschaufeln 12 angebrachten Hitzeschutzelemente 22 ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht wie beispielsweise Keramik ausgestattet oder aus einem hochtemperaturbeständigen Material gefertigt.

Wie in FIG 2 dargestellt ist die Turbinenschaufel 12, 14 im Vorderkantenbereich mit einer Anzahl von Nebenkühlkanälen 24 versehen. Die ebenfalls in dem Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel 12, 14 angebrachten und in einen Hauptkühlkanal 26 hineinragenden Austrittskanäle 28 dienen neben der Führung des Kühlmediums K als Befestigungselemente für das Hitzeschutzelement 22. Die vorzugsweise als Kühlmedium K verwendete Kühlluft K strömt, aufgrund des im Hauptkühlkanal 26 des Schaufelgrundkörpers 30 vorherrschenden höheren Druckes gegenüber dem Umgebungsdruck in der Turbineneinheit 6, über die Nebenkühlkanäle 24 in den zwischen der Außenfläche 32 des Schaufelgrundkörpers 30 und der Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 gebildeten Zwischenraum sowie durch die Austrittskanäle 28 des Hitzeschutzelements 22, wobei die aus den Austrittskanälen 28 ausströmende Kühlluft K einen Schutzfilm zwischen dem Arbeitsmedium M und der Außenfläche 36 des Hitzeschutzelements 22 bildet. Hingegen strömt die aus den Nebenkühlkanälen 24 des Schaufelgrundkörpers 30 entweichende Kühlluft K gegen die Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 und kühlt diese durch den dadurch entstehenden Prallkühleffekt.

Die FIG 3 und 4 zeigen das Hitzeschutzelement 22 jeweils in zwei verschiedenen Schnittansichten, wobei aus dem in FIG 3 dargestellten Längsschnitt des Hitzeschutzelements 22 ersichtlich wird, dass die Austrittskanäle 28 in Längsrichtung des Hitzeschutzelements 22 gesehen hintereinander angeordnet sind und wobei jeder Austrittskanal 28 von der Außenfläche 36 des Hitzeschutzelements 22 zu dessen Innenfläche 34 hin verläuft. Die Ausrittskanäle 28 können dabei - wie in FIG 4 gezeigt - senkrecht zur Längsrichtung des Hitzeschutzelements 22 mittig angeordnet sein.

Wie besonders der Darstellung in FIG 5 entnehmbar ist, weist das Hitzeschutzelement 22 eine dem Profil des Schaufelgrundkörpers 30 im Vorderkantenbereich angepasste Form auf. Dadurch wird unter anderem erreicht, dass die Turbinenschau- fei 12, 14 auch nach dem Anbringen des Hitzeschutzelements 22 am Schaufelgrundkörper 30 eine strömungsoptimierte Form aufweist. Zudem bewirkt ein derartig gebogenes Hitzeschutzelement 22 einen gleichbleibenden Abstand zwischen der Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 und der Außenfläche 32 des Schaufelgrundkörpers 30, wodurch eine besonders effektive Kühlung in diesem Bereich ermöglicht wird. Die zur Kühlung benötigte Kühlluft K strömt dabei aus dem Hauptkühlkanal 26 der Turbinenschaufel 12, 14 durch die Nebenkühlkanäle 24 und die Austrittskanäle 28, wodurch sich aufgrund der aus dem Austrittskanal 28 strömenden Kühlluft K und des in der Turbineneinheit 6 strömende Arbeitsmedium M ein Kühlfilm auf der Außenfläche 36 des Hitzeschutzelements 22 ausbildet. Die Kühlung der Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 und der Außenfläche 32 des Schaufelgrundkörpers 30 im Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel 12, 14 erfolgt durch das Ausströmen der Kühlluft K aus den Nebenkühlkanälen 24, wobei die Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 durch den dabei auftretenden Prallkühleffekt besonders effektiv gekühlt wird.

Um möglichst in jedem der von der Kühlluft K angeströmten Bereiche auf der Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 eine Prallkühlung zu erreichen, sind die Nebenkühlkanäle 24 vor- zugsweise derart angeordnet, dass die aus den Nebenkühlkanälen 24 ausströmende Kühlluft K senkrecht zur Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 auftrifft. Der Abstand des Hitzeschutzelements 22 zum Schaufelgrundkörper 30 ist dabei vorzugsweise so zu wählen, dass durch eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums K beim Auftreffen auf die Innenfläche 34 des Hitzeschutzelements 22 ein inniger Kontakt zwischen der Kühlluft K und der Prallfläche bewirkt wird und sich somit der Prallkühleffekt einstellt.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Turbinenschaufel 12, 14 mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschutzelement 22 ist in FIG 6 dargestellt. Dabei wurde das Hitzeschutzelement 22 in den Vorderkantenbereich des Schaufelgrundkörpers 30 hinein integriert, wodurch in vorteilhafter Weise die ursprüngliche äußere Form der Turbinenschaufel 12, 14 erhalten bleibt. Die aerodynamische Auslegung der Strömungsmaschine wird somit nicht verändert, wodurch eine Verminderung des Wirkungsgrades der Gasturbine beispielsweise aufgrund von Wirbelbildungen an den Außenkanten bei einem extern am Schaufelgrundkörper 30 angebrachten Hitzeschutzelement 22 verhindert wird.

Der zur Erzeugung von Prallkühlung benötigte Spalt zwischen dem Hitzeschutzelement 22 und dem Schaufelgrundkörper 30 wird bei dieser speziellen Ausführungsform der Turbinenschaufel 12, 14 dadurch erreicht, indem das Hitzeschutzelement 22 auf eine im Schaufelgrundkörper 30 vorhandene Ausnehmung 38 aufgesetzt ist. Damit wird die in den Strömungskanal der Gasturbine hineinreichende Außenfläche der Turbinenschaufel 12, 14 teilweise durch die Außenfläche des Hitzeschutzelements 22 gebildet .

Die freien Enden des Hitzeschutzelementes 22 gemäß FIG 5sind bei der Ausgestaltung gemäß FIG 6 an die vom Grundkörper 30 gebildeten Schaufelwände bündig angeformt, um eine versatzfreie Oberfläche der Turbinenschaufel 12, 14 zu erreichen. Hierzu ist der Teil des Grundkörpers 30, welcher dem Hitzeschutzelement 22 gegenüberliegt, zum Schaufelinneren zurück- versetzt, so dass die Randbereiche des Hitzeschutzelementes 22 mit dem Schaufelkörper verbunden ist.

Claims

Patentansprüche

1. Turbinenschaufel (12, 14), insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine (2), mit einem Schaufelgrundkörper (30), dessen Außenoberfläche (32) im Vorderkantenbereich mit einem von dieser beabstandet angeordneten Hitzeschutzelement (22) versehen ist, und eine Mehrzahl von von einem innerhalb des Schaufel- grundkörpers (30) ausgebildeten Hauptkühlkanal (26) abzweigenden Nebenkühlkanälen (24) aufweist, welche im Vorderkantenbereich des Schaufelgrundkörpers (30) in Austrittsöffnungen münden, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschutzelement eine Anzahl von vom Hauptkühlkanal (26) bis auf die Außenfläche (36) des Hitzeschutzelements (22) verlaufenden Austrittskanälen (28) aufweist.

2. Turbinenschaufel (12, 14) nach Anspruch 1, deren Hitzeschutzelement (22) im Vorderkantenbereich des Schaufelgrundkörpers (30) eine an das Profil der Schaufel angepasste Form aufweist.

3. Turbinenschaufel (12, 14) nach Anspruch 1 oder 2, deren Hitzeschutzelement (22) aus einem im Vergleich zum

Schaufelgrundkörper (30) temperaturfesteren Material gefertigt ist.

4. Turbinenschaufel (12, 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Hitzeschutzelement (22) in einem Abstand von maximal 3mm zum Schaufelgrundkörper (30) angeordnet ist.

5. Turbinenschaufel (12, 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Nebenkühlkanäle (24) im wesentlichen senkrecht zur Innenwandfläche (34) des Hitzeschutzelements (22) ausgerichtet angeordnet sind.

6. Turbinenschaufel (12, 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Hitzeschutzelement (22) in seinen Randbereichen mit dem Schaufelgrundkörper (30) verbunden ist.

7. Thermische Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine (2), mit einer Anzahl von Turbinenschaufeln (12, 14)) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.