Beschreibung
Turbinenschaufel
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Turbinenschaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln für Gas- turbinen werden während des Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzt, welche schnell die Grenze der Materialbeanspruchung überschreiten. Dies gilt insbesondere für die Bereiche in Umgebung der Strömungseintrittskante, an der die heiße Prozessgasströmung zu allererst auf das Schaufelprofil der Turbinen- schaufei auftritt. Um Turbinenschaufeln auch bei hohen
Temperaturen einsetzen zu können, ist es schon seit langem bekannt, Turbinenschaufeln geeignet zu kühlen, so dass sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Mit Turbinenschaufeln, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, lassen sich insbesondere höhere energetische Wirkungsgrade erzielen .
Bekannte Kühlarten sind unter anderem die Konvektionskühlung, die Prallkühlung und die Filmkühlung. Bei der Konvektions- kühlung führt man Kühlluft durch Kanäle im Schaufelinneren und nutzt den konvektiven Effekt, um die Wärme abzuführen. Bei der Prallkühlung prallt ein Kühlluftstrom von innen auf die innere Schaufeloberfläche. Auf diese Weise wird im Auf- treffpunkt eine sehr gute Kühlwirkung ermöglicht, die aller- dings nur auf den engen Bereich des Auftreffpunkts und die nähere Umgebung beschränkt ist. Diese Art der Kühlung wird deshalb meist zur Kühlung der Strömungseintrittskante, welche auch als Vorderkante bezeichnet wird, einer Turbinenschaufel verwendet. Bei der Filmkühlung wird Kühlluft über Öffnungen in der Turbinenschaufel vom Inneren der Turbinenschaufel nach außen geführt. Diese Kühlluft umströmt die Turbinenschaufel und bildet eine isolierende Schicht zwischen dem heißen Prozessgas und der Schaufeloberfläche aus. Die beschriebenen
Kühlarten werden je nach Anwendungsfall geeignet kombiniert, um eine möglichst wirksame Schaufelkühlung zu erzielen.
Ergänzend zu den oben beschriebenen Kühlarten ist die Ver- wendung von Kühlmitteln, wie Turbulatoren, die meist in Form von Rippen bereitgestellt sind, sehr verbreitet. Diese sind innerhalb der für die Konvektionsströmung vorgesehenen Kühlkanäle angeordnet, die im Inneren der Turbinenschaufel verlaufen. Der Einbau von Rippen in den Kühlkanälen bewirkt, dass die Strömung der Kühlluft in den Grenzschichten abgelöst und verwirbelt wird. Durch die so erzwungene Störung der Strömung kann bei einem vorliegenden Temperaturunterschied zwischen Kühlkanalwand und Kühlluft der Wärmeübergang gesteigert werden. Durch die Berippung wird die Strömung ständig dazu veranlasst neue „Wiederanlegegebiete" zu bilden, in denen eine wesentliche Steigerung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten erzielt werden kann. Die Lebensdauer bekannter Rippen ist infolge der hohen Betriebstemperaturen eingeschränkt, was insbesondere eine Folge der bekannten Rippen zugrundeliegenden Geometrie ist. Die mit den bekannten Rippen-Geometrien verbundenen thermischen Spannungen haben Innenanrisse zur Folge, welche die Lebensdauer der Rippe und damit letztlich auch die Einsatzdauer der Turbinenschaufel einschränken können.
Zur Kühlung der während des Betriebs thermisch meist sehr stark beanspruchten Strömungseintrittskante, d.h. Vorderkante, von Turbinenschaufeln sind in Turbinenschaufeln oft parallel und nahe zur Strömungseintrittskante verlaufende Kühlkanäle ausgebildet, denen durch weitere in den Schaufeln ausgebildete Kühlkanäle Kühlluft zugeführt wird. Die so realisierte konvektive Kühlung der Strömungseintrittskante wird bei filmgefühlten Schaufeln meist durch eine Prallkühlung der Innenwand des nahe der Strömungseintrittskante verlaufenden Kühlkanals ergänzt. In Anwendungen, bei denen keine Filmkühlung der Turbinenschaufeln vorgenommen wird, wird die konvektive Kühlung durch an der Innenwand des Kühlkanals angeordnete Turbulatoren intensiviert.
Insgesamt betrachtet besteht gegenwärtig sowohl bei filmgekühlten als auch bei nicht filmgekühlten Schaufeln hinsichtlich der Kühlung, insbesondere in Bezug auf die Kühlung der Strömungseintrittskante, noch deutlicher Verbesserungs- bedarf. Insbesondere berücksichtigen die gegenwärtigen Kühl- Lösungen auch keine sich während des Einsatzes von Turbinenschaufeln ausbildende inhomogene Temperaturverteilung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinen- schaufei anzugeben, die sowohl bei vorhandener als auch bei nicht vorhandener Filmkühlung gegenüber bekannten Lösungen wirksamer gekühlt werden kann und die eine höhere Einsatzdauer aufweist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Turbinenschaufel weist eine sich an einer Seite der Turbinenschaufel erstreckende Vorderkante auf, wobei der Kühl- kanal gegenüber der Vorderkante durch einen Wandabschnitt begrenzt ist und mindestens ein Kühlelement aufweist, welches sich von diesem Wandabschnitt ausgehend in den Kühlkanal hinein erstreckt. Das Kühlelement stellt dabei keine Turbu- lator im herkömmlichen Sinne dar.
Die in der Regel thermisch stark beanspruchte Vorderkante kann somit sehr wirksam gekühlt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Kühlelemente, die sich von dem Wandabschnitt in den Kühlkanal hinein erstrecken, und die insbesondere eine starke Verwirbelung des Kühlmediums bewirken, kann bei einem vorliegenden Temperaturunterschied zwischen dem Wandabschnitt und dem Kühlmedium der Wärmeübergang deutlich gesteigert werden, einhergehend mit einer wesentlichen Steigerung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten. Insgesamt betrachtet kann auf diese Weise die Wärme in Umgebung der Vorderkante sehr wirksam abgeführt werden, einhergehend mit einer sehr wirksamen Kühlung der Vorderkante.
Erfindungsgemäß sind die von dem Kühlmedium zuerst prallkühl- artig angeströmten Kühlelemente zapfenförmig oder rippen- förmig ausgebildet. Zapfenförmig oder rippenförmig ausgebildete Kühlelemente bewirken einerseits eine Vergrößerung der kühlbaren Wandfläche und andererseits nach erfolgter
Prallkühlung eine sehr starke Verwirbelung des Kühlmediums, beispielsweise in Form von Kühlluft, wobei durch die so erzwungene starke Störung der Strömung bei einem vorliegenden Temperaturunterschied zwischen einer Wand des Kühlkanals und dem Kühlmedium der Wärmeübergang gesteigert werden, einhergehend mit einer wesentlichen Steigerung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten .
Ferner können mit der erfindungsgemäß vorgesehenen zapfen- förmigen oder rippenförmigen Ausbildung der Kühlelemente die sich während des Betriebs der Turbinenschaufel in den Kühlelementen ausbildenden thermischen Spannungen minimal gehalten werden, so dass es zu keinen Innenanrissen kommen kann, insbesondere sind hierbei die thermischen Spannungen deutlich geringer als die thermischen Spannungen, die sich in bekannten Turbulatoren ausbilden. Erfindungsgemäß wird also die gesamte Spannungssituation verbessert und es kann eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer der Kühlelemente gegenüber bekannten Lösungen erzielt werden, wobei mit der hohen Lebensdauer der Kühlelemente auch eine hohe Einatzdauer bzw. Lebensdauer der Turbinenschaufel verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann gegenüber bekannten Lösungen höheren Gastemperaturen ausgesetzt werden, selbst wenn keine Filmkühlung vorgesehen ist. Sofern Filmkühlung vorgesehen ist, sind noch höhere Gastemperaturen möglich. Hieraus wiederum ergibt sich die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Turbinenschaufel mit dünneren Außenwänden ausbilden zu können.
Bei einer praktischen Weiterbildung der Erfindung weist der Wandabschnitt eine zum Kühlkanal gewandte Wandfläche auf, wobei das mindestens eine Kühlelement bzw. die zwei oder mehr
Kühlelemente sich orthogonal zu der Wandfläche bzw. orthogonal zu der gewölbten Wandfläche in den Kühlkanal hinein erstrecken. Die erfindungsgemäß vorgesehene Erstreckung in einer Richtung orthogonal zur Wandfläche des Kühlkanals be- wirkt eine sehr wirksame Verwirbelung des Kühlmediums, die mit einer sehr wirksamen Kühlung, insbesondere der Vorderkante einhergeht, da erfindungsgemäß eine im Wesentlichen rechtwinkelig zur Längserstreckung der Kühlelemente gerichtete Anströmung der Kühlelemente mit dem Kühlmedium erfolgen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kühlkanal bevorzugt durch einen Wandabschnitt begrenzt, der zum Kühlkanal gewandt eine gewölbte Wandfläche aufweist, wobei zwei oder mehr Kühlelemente vorgesehen sind, wobei die Kühlelemente eine in den Kühlkanal sich hinein erstreckende Längserstreckung aufweisen, und wobei die zwei oder mehr Kühlelemente mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche gerichtet sind.
Mittels Kühlelementen, die mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche gerichtet sind, kann eine sehr wirksame Verwirbelung des die Kühlelemente anströmenden Kühlmediums erzielt werden. Insbesondere kann mittels dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung die mittels der Kühlelemente realisierte Konvektionskühlung sehr wirksam mit einer Prallkühlung kombiniert werden, derart, dass das Kühlmedium auf eine Weise auf die Kühlelemente zuströmt, dass es auf die Kühlelemente aufprallt, so dass im jeweiligen Auftreffpunkt eine sehr hohe Kühlwirkung erzielt werden kann, die in Ver- bindung mit der bereitgestellten Konvektionskühlung eine sehr wirksame Kühlung der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel bewirkt .
Bei einer weiteren praktischen Weiterbildung der Erfindung sind das mindestens eine Kühlelement bzw. die zwei oder mehr Kühlelemente einstückig mit dem Wandabschnitt ausgebildet.
Bei einer besonders praktischen Weiterbildung der Erfindung weisen die Kühlelemente unterschiedliche Längen auf, wobei die Länge der einzelnen Kühlelemente bevorzugt einem vorgegebenen örtlichen Kühlbedarf angepasst ist.
Turbinenschaufeln weisen im Betrieb in der Regel eine sehr inhomogene Temperaturverteilung auf, die mit großen, auf die Turbinenschaufeln einwirkenden thermischen Belastungen verbunden sind, die sich insbesondere nachteilig auf die Lebens- dauer der Turbinenschaufel auswirken. So ergibt sich beispielsweise für Turbinenschaufeln, die in axial durchströmten Turbinen zum Einsatz kommen, für die Vorderkante ein sich entlang der radialen Richtung ausbildende inhomogene Temperatur Verteilung. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Kühlelementen innerhalb des vorzugsweise nahe der Vorderkante verlaufenden Kühlkanals, deren Kühlvermögen über ihre Länge einem vorgegebenen Kühlbedarf, beispielsweise für die Vorderkante in der Umgebung des Kühlelements angepasst ist, kann die Temperaturverteilung, beispielsweise an der Vorderkante, „vergleichmässigt" werden, da erfindungsgemäß an vergleichsweise heißen Stellen durch geeignet ausgebildete Kühlelemente eine entsprechend starke Kühlung erfolgt und umgekehrt. Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann somit auf eine Weise gekühlt werden, die einer inhomogenen Temperaturverteilung entgegenwirkt, was insbesondere im Hinblick auf eine wirksame Kühlung der Vorderkante von Vorteil ist.
Erfindungsgemäß ist das Kühlvermögen jedes einzelnen zapfen- förmigen Kühlelements über eine geeignet ausgebildete Länge dem vorgegebenen örtlichen Kühlbedarf in der Umgebung des
Kühlelements angepasst. Kühlelemente, in deren Umgebung ein hoher Kühlbedarf besteht, weisen erfindungsgemäß eine größere Länge auf als Kühlelemente in deren Umgebung der Kühlbedarf geringer ausgeprägt ist. Durch Erhöhung der Länge eines ein- zelnen Kühlelements wird zum einen der „Verwirbelungsbereich" als auch die zu kühlende Oberfläche vergrößert, einhergehend mit einer deutlichen Erhöhung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten.
Bevorzugtermassen ist als Mittel zum Prallkühlen des Wandabschnittes eine den Kühlkanal teilweise begrenzende, dem Wandabschnitt gegenüberliegende Rückwand vorgesehen, in der ein oder mehrere Prallkühlöffnungen vorgesehen sind. Diese sind vorzugsweise derartig in der Rückwand platziert und ausgerichtet, dass die durch sie hindurchströmenden Kühlluftstrahlen auf die Kühlelemente geleitet werden, wodurch eine besonders effiziente Kühlung von der Vorderkante erreicht werden kann. Insbesondere aufgrund der vergleichsweise großen Längserstreckung der Kühlelemente in den Kühlkanal hinein kann der Abstand zwischen Kühlelementspitze einerseits und der Mündung der Prallkühlöffnung andererseits vergleichweise klein gehalten werden. Dies gilt auch bei einem vergleichs- weise großen Abströmquerschnitt des Kühlkanals. Eine Störung der Prallkühlstrahlen durch quer zu den Strahlen, d. h. entlang des Kühlkanals strömender Kühlluft kann somit sicher vermieden werden.
Die Erfindung betrifft insgesamt eine Turbinenschaufel mit einer Vorderkante, einem in der Turbinenschaufel ausgebildeten Kühlkanal zur Durchführung von Kühlluft, der sich wenigstens abschnittsweise längs der Vorderkante erstreckt, und einer Anzahl von Kühlelementen, die in Längsrichtung des Kühlkanals in diesem aufeinanderfolgend ortsfest angeordnet sind, wobei jedes einzelne Kühlelement ein Kühlvermögen aufweist, welches einem vorgegebenen Kühlbedarf für die Vorderkante in der Umgebung des Kühlelements angepasst ist, und wobei sich der Kühlkanal bevorzugt parallel zur Vorderkante durchgehend durch die Turbinenschaufel erstreckt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine skizzenhafte Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit einer
Anzahl von in einem Kühlkanal angeordneten zapfenförmigen Kühlelementen und
FIG 2 einen Längsschnitt durch die Turbinenschaufel entlang einer Vorderkante.
FIG 1 zeigt eine skizzenhafte Schnittdarstellung eines vorderen Abschnitts eines Schaufelblattes einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10, mit einer ebenen Schnittfläche rechtwinkelig zu deren Vorderkante 12. Die Vorderkante 12 kann auch als Strömungseintrittskante bezeichnet werden. Im Inneren der Turbinenschaufel 10 ist nahe der Vorderkante 12 ein sich parallel zur Vorderkante 12 erstreckender Kühlkanal 14 ausgebildet (also ein sich radial erstreckender Kanal 14 bei axial durchströmten Turbinen) , der gegenüber der Vorderkante 12 durch einen Wandabschnitt 24 begrenzt ist. Von einer gewölbten Wandfläche 16 des Kühlkanals 14 erstrecken sich zapfenförmige Kühlelemente 18 in den Kühlkanal 14 hinein, wobei die Kühlelemente 18 mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche 16 gerichtet sind.
In einer Rückwand 20 des Kühlkanals 14 sind Öffnungen 22 ausgebildet, um dem Kühlkanal 14 von weiteren Kühlkanälen (nicht dargestellt), die im hinteren Bereich der Turbinenschaufel 10 ausgebildet sind, Kühlluft prallkühlend zuzuführen.
FIG 2 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des vorderen Abschnitts der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10, mit einer ebenen Schnittfläche parallel zur Vorderkante 12. Die an der gewölbten Wandfläche 16 des Kühlkanals 14 ausgebildeten Kühlelemente 18 erstrecken sich orthogonal von der gewölbten Wandfläche 16 hinein in den Kühlkanal 14. Wie aus FIG 2 ersichtlich variiert in radialer Richtung R die Länge der Kühlelemente 18. Dies dient erfindungemäß dazu, der sich bei Ein- satz der Turbinenschaufel 10 entlang der Vorderkante 12 ausbildenden inhomogenen Temperaturverteilung entgegenzuwirken. So wird insbesondere zum Zentrum der Vorderkante 12 der Turbinenschaufel 10 hin diese eine höhere Betriebstemperatur
aufweisen als in den Randbereichen der Vorderkante 12. Aus diesem Grund weisen die kegelstumpfförmigen Kühlelemente 18 im mittleren Bereich eine größere Länge auf als in den Randbereichen, da, wie oben dargelegt, durch eine Erhöhung der Länge der Kühlelemente 18 der lokale Wärmeübergangskoeffizient und damit das Kühlvermögen der Kühlelemente 18 erhöht werden kann.
Die Prallkühlung umfasst vorliegend den Aufprall von aus den Öffnungen 22 austretender Kühlluft auf die gewölbte Wandfläche 16 bzw. die Kühlelemente 18, um dort lokal eine sehr gute Kühlwirkung zu ermöglichen. Da erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Kühlelemente 18 mit ihrer Längserstreckung auf das Zentrum der Wölbung der Wandfläche 16 ge- richtet sind, kann eine sehr wirksame Prallkühlung bereitgestellt werden, mit der in Verbindung mit der entsprechenden Konvektionskühlung insgesamt eine sehr wirksame Kühlung der Turbinenschaufel 10 bereitgestellt werden kann. Der Kühlkanal 14 ist zu beiden Seiten der Turbinenschaufel 10 geöffnet, um die Kühlluft in zwei Richtungen aus dem Kühlkanal 14 strömen zu lassen. Dadurch wird eine Temperaturharmonisierung der Turbinenschaufel 10 begünstigt, da dort, wo Kühlluft benötigt wird, auch Kühlluft zur Verfügung gestellt wird, und die Wirkung der Prallkühlung nicht durch eine Querströmung reduziert wird.
Anstelle von kegelstumpfförmigen Gebilden können die Kühlelemente 18 auch rippenförmig ausgebildet sein, die sich entlang des Kühlkanals 14, also in Strömungsrichtung der Kühl- luft erstrecken. Dabei wird die Oberfläche der Wandfläche 16 signifikant erhöht, um die Kühlung der dann vorzugsweise kon- vektiv gekühlten Turbinenschaufel 10 zu verbessern. Dabei ist denkbar, dass die Höhe der Rippen aufgrund der vorgenannten lokal unterschiedlichen Temperaturen an der Vorderkante 12 dazu korrespondierend angepasst sein kann.