WO2022002755A1 - HEIßGASBAUTEIL EINER GASTURBINE - Google Patents

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WO2022002755A1
WO2022002755A1 PCT/EP2021/067378 EP2021067378W WO2022002755A1 WO 2022002755 A1 WO2022002755 A1 WO 2022002755A1 EP 2021067378 W EP2021067378 W EP 2021067378W WO 2022002755 A1 WO2022002755 A1 WO 2022002755A1
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cooling
channels
cooling channel
hot gas
channel
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PCT/EP2021/067378
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French (fr)
Inventor
Timo HEITMANN
Sebastian Schulz
Jan Pascal Bogner
Simon Purschke
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • 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
    • F01D5/186—Film cooling
    • 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
    • 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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    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/00—Function
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/204—Heat transfer, e.g. cooling by the use of microcircuits

Definitions

  • the invention relates to a hot gas component of a gas turbine, for example a turbine blade, with a wall comprising at least two surfaces, the first surface of which is exposed to a cooling medium during operation and the second surface of which is opposite the first surface and is exposed to a hotter medium during operation, with the Wall at least one cooling channel is provided which extends essentially parallel to the second surface and in which a number of supply channels for feeding the cooling medium into the cooling channel open, distributed along a channel axis of the cooling channel, the inlets of which are arranged in the first surface, with the
  • the cooling medium that can flow in the cooling channel out of the wall branches off a number of outlet channels from the cooling channel and opens into the second surface.
  • a generic hot gas component emerges, for example, from EP 227579 A2, which is consequently designed as a turbine blade. Due to the complex geometry of the cooling structure, it is necessary to build the turbine blade from several individual segments, the inlet channels and the outlet channels being arranged in the contact planes of the adjacent segments. The complex cooling structure shown could not previously be produced in any other way.
  • the disadvantage of the previously known turbine blade is the unfavorable positioning of the inlets and outlets, which requires a reversal of the direction of rotation of the cooling medium in the cooling channel so that it can flow into the slot-shaped outlet. In this respect, there is a need for lower-flow cooling of the turbine blade. Regardless of this, there could be the risk of serious damage during the operation of the previously known turbine blade in the event that a segment of the airfoil becomes detached from the rest of the turbine blade due to an inadequate connection would.
  • US 2010/0040480 A1 also discloses a turbine blade with a plurality of individual swirl cells which are arranged separately from one another. Each of these swirl cells has exactly one cooling air inlet and one cooling air outlet. Their position and geometry are selected so that the cooling air exiting the hot surface of the turbine blades through the outlet enables optimized film cooling.
  • the object of the invention is therefore to provide a hot gas component of a gas turbine with low-loss, more efficient cooling.
  • a further object of the invention is therefore to provide a hot gas component with an extended service life.
  • the object is achieved according to the invention in that, in the case of the aforementioned hot gas component for cooling close to the wall, at least one of the mouths of the supply channels, in particular all of the mouths of the supply channels, relative to immediately axially adjacent inflow openings of the outlet channels, are arranged offset from these at an axial distance.
  • the mouths of the supply channels and the inflow openings of the outlet channels do not overlap along the channel axis of the cooling channel.
  • at least one of the supply channels, in particular all supply channels has a channel section which extends parallel to the second surface. In this way, uniform cooling of the wall can be achieved, in particular in the area of the supply channels formed parallel to the second surface.
  • Such a hot-gas component can be easily manufactured, in particular, thanks to newer manufacturing technologies such as laser powder bed melting, also known as laser powder bed fusion (LPBF), or related processes.
  • LPBF laser powder bed fusion
  • the cooling medium supplied to the cooling channel cannot escape directly from an opening of one of the supply channels and an inlet opening of the outlet channels directly adjacent to the relevant supply channel. Rather, the cooling medium must flow from the opening in the cooling channel to a distant inlet opening, during which it efficiently convectively cools the wall of the hot gas component. This prevents a portion of the cooling medium from leaving the cooling duct prematurely without it having actually contributed to the cooling. This increases the cooling of the hot gas component.
  • At least one of the supply channels is aligned radially with respect to the cooling channel. All supply channels are preferably aligned radially with respect to the cooling channel.
  • This configuration enables local impingement cooling of the wall of the hot gas component to be cooled, since the cooling medium leaving the supply channels in the form of an impingement jet impinges perpendicularly on the opposite wall of the cooling channel. This contributes to increasing the heat transfer from the wall of the hot gas component into the cooling medium.
  • At least one of the supply channels is oriented tangentially with respect to the cooling channel.
  • all supply channels are aligned tangentially with respect to the cooling channel. Due to the tangential supply of the cooling medium into the cooling duct, cyclone cooling can develop in this, ie the medium flows along a helical line from the mouth of the supply duct to the inlet of the outlet duct. The resulting turbulence causes homogeneous heat dissipation with the aim of avoiding local temperature / stress peaks in the hot gas component. Also This means that efficient cooling of the hot gas component can be achieved.
  • At least one of the outlet channels is or are oriented tangentially with respect to the cooling channel in such a way that a portion of the cooling medium flowing in the cooling channel partially in a helical manner can flow out of the cooling channel without any significant change in its flow direction, ie essentially tangentially can flow into the outlet channel.
  • This variant in particular supports the low-loss guiding of the cooling medium out of the cooling channel.
  • the blowing out is preferably carried out at an angle of 60 ° to the direction of flow in order to enable a subsequent film cooling of the second surface or the wall.
  • the individual outlet ducts are blown out along the direction of flow of the hot gas in order to enable a homogeneous cooling film.
  • the axial distance between one of the mouths of the supply channels and one of the inflow openings of the outlet channels is at least 2 times and a maximum of 100 times the arithmetic mean of the diameter of the two openings, ie the mouth of the Supply channel and the inflow opening of the outlet channel is. Due to the axial distance, the cooling medium can only leave the cooling duct after it has been fed into the cooling duct after it has flown through a minimum length.
  • the axial distance should be chosen so that the pressure loss or the weakening of the turbulence does not result in an inhomogeneous temperature distribution.
  • each supply channel has a minimal cross section, this being the same size at least for each associated cooling channel are, and in which for each cooling channel at least one of the cross-sections of its outlet channels is smaller than the mini male cross-section of its supply channels.
  • the sum of the cross-sections of all outlet channels per cooling channel is less than the sum of the cross-sections of the affected supply channels. In this way, the amount of cooling medium flowing out can be reliably adjusted without local hot gas penetration being to be expected.
  • the mouth of one of the supply channels is separated from the inflow opening of one of the outlet channels by an intermediate, shorter circular arc, the length of which is no more than 35% of the total circumference of the cooling channel.
  • the configuration in which the wall is monolithic and has a plurality of cooling channels with appropriately designed supply channels and outlet channels is particularly preferred.
  • the hot gas component can be produced monolithically by means of powder bed melting, so that it has a significantly longer service life compared to the relevant prior art and has a low risk of failure.
  • different advantageous developments of the invention can also be combined with one another in any desired manner.
  • the method makes it possible to limit the locally reduced wall thickness between the cooling channel and the first surface or the second surface to at least 0.5 mm. This achieves a high temperature gradient and reduces the stresses in the material. In this way, in particular, the provision of a comparatively compact, i. H. allows thin-walled and internally cooled hot gas wall, which is extremely desirable in terms of efficient cooling of the hot gas component.
  • the relevant supply channel has a transition section which connects the relevant channel section with the mouth of the associated supply channel. This transition section then extends in a cross-sectional view which is perpendicular to the cooling channel, not parallel to the two-th surface.
  • transition section has an S-shaped longitudinal extension, a stepless and edge-free flow guidance can take place in the interior of the supply channel, which reduces flow losses in the cooling air.
  • an ice hockey stick-shaped, i.e. a slightly kinked flow guide allows a compact design in view of a correspondingly designed supply channel, the parallel channel sections of which can cover a larger second area than with an S-shaped configuration of the transition section. This allows an enlarged area to be cooled evenly.
  • the hot gas component can expediently be designed as a turbine guide vane, turbine rotor blade, ring segment or heat shield of a turbine or a combustion chamber.
  • Fig. 1 shows a turbine blade in a schematic Dar position
  • FIG. 2 shows a first section of an airfoil of a turbine blade as a wall of a hot gas component of a gas turbine
  • FIG. 3 shows a second section of the airfoil wall, Fig. 4 as a first embodiment, a first cross section through the blade wall with a tangentia len supply channel,
  • Fig. 5 as a second embodiment, a second cross section through the blade wall with a radial supply channel
  • Fig. 6 as a third embodiment, a third cross section through the blade wall with a tangentia len supply channel and
  • Fig. 7 as a fourth embodiment, a fourth cross-section through the blade wall with a tangentially opening supply channel and an ice hockey hit-shaped transition section.
  • FIG. 1 shows, in a purely schematic perspective view, a turbine blade 10 which is designed as a rotor blade.
  • the turbine blade 10 is an exemplary example of a hot gas component 11 of a gas turbine.
  • the turbine blade 10 comprises an aerodynamically curved airfoil 12 which is adjacent to a platform 14.
  • the platform 14 is supported by a blade root 16 which can be positively fastened in a rotor disk, not shown, of a gas turbine.
  • the blade root extends along an X direction, which can coincide with the axis of rotation of the gas turbine. Then re presents the Y-direction the circumferential direction and the R-direction the radial direction of the gas turbine.
  • the blade 12 stretches in the radial direction from its platform-side end to a blade tip and viewed in the X direction from a leading edge 20 to a trailing edge 22.
  • the outer surface of the blade 12 and also that of the platform 14 are one during operation Exposed to hot gas. So that the turbine blade can withstand the temperatures prevailing in the hot gas, the blade 12 is usually designed to be hollow and accordingly has one or more cavities inside to which a coolant, mostly cooling air, can be returned to cool the blade wall during operation.
  • a coolant mostly cooling air
  • FIG. 2 shows, in a perspective illustration, the already mentioned airfoil wall, which represents the wall 24 of the hot gas component 11.
  • the wall 24 comprises two opposing surfaces 25A, 25B, of which the first surface 25A is exposed to the coolant during operation and of which the second surface 25B is exposed to the hot gas during operation.
  • a multiplicity of cooling channels 26 running along the radial direction R are arranged in the wall 24. They are thus arranged perpendicular to it with respect to the direction of flow of the hot gas.
  • the cooling channels 26 are essentially circular when viewed in cross section and preferably extend from the platform-side end to the blade tip. As indicated by way of example, the cooling channels 26 can also be designed to be shorter.
  • each cooling channel 26 open a plurality of supply channels 28 which are arranged either tangentially (FIG. 4) or radially (FIG. 5) in relation to a channel axis 30 of the cooling channel.
  • the inlet openings 28E of the supply channels 28 are arranged in the first surface 25A.
  • the supply channels 28 are United along the channel axis 30 (Fig. 3) at regular intervals n spaced from one another.
  • branches Let channels 32 from the cooling channel 26 in question. These are also spaced apart from one another at regular intervals n, but offset in relation to the openings 28M of the supply channels 28 that the openings 28M do not overlap with the branches, ie inlet openings 32E of the outlet channels 32.
  • At least one outlet channel 32 is provided at each end of the cooling channel 26.
  • the outlet channels 32 open, for example, at an angle of 30 ° to the surface normal as film cooling openings in the second surface 25B, which is exposed to the hot gas during operation.
  • the outlet channels 32 of adjacent cooling channels 26 are arranged offset from one another in order to enable a homogeneous cooling film.
  • the distance n can be 50 mm, the diameter of the supply channels and the outlet channels 0.75 mm and the diameter of the cooling channels 1.5 mm; wherein a minimum wall thickness in the area of the cooling channels between the second surface and the cooling channel can be 0.5 mm.
  • the mouths 28M of the supply ducts when viewed in cross section of the cooling duct 26, lie at the branches, i.e. H. Inlet openings 32E of the outlet channels 32 substantially opposite.
  • the mouth 28M of the supply channel 28 when looking at the cross-section of the cooling channel 26, is separated from the inflow opening 32E of the outlet channel 32 by an intermediate, shorter circular arc KB, the length of which is approximately 20% of the total circumference of the cooling channel according to FIG 26 is.
  • cooling air can be fed into the cooling channel 26 in the immediate vicinity of the circumference of the inlet opening 32E of the outlet channels 32.
  • the shortest circumferential distance KB between the two said openings is approximately 30% of the total circumference of the cooling channel 26.
  • the supply channel 28 can be part of a more complex cooling passage, its end is only shown.
  • the end of the more complex cooling passage or of the corresponding supply channel 28 comprises a channel section 28B which extends essentially centrally between the two surfaces 25A and 25B and in particular, according to this sectional view, parallel to the second surface 25B.
  • the supply channel 28 further comprises a transition section 28B which, arranged between the parallel channel section 28B and the cooling channel 26, connects the two.
  • the transition section 28B is S-shaped according to FIG. 6 in the manner of a double curve and finally opens tangentially into the cooling channel 26.
  • the transition section 28B is designed to be slightly bent in the manner of an ice hockey stick.
  • the supply channels extend along the cross-sectional plane that was chosen for the representations. These channels are thus arranged parallel to the cross-sectional plane and accordingly perpendicular to the channel axis 30 of the cooling channel 26.
  • the supply channels 28 and / or the outlet channels 32 can be inclined to the cross-sectional plane and thus also not arranged perpendicularly with respect to the channel axis 30 of the cooling channel 26. The latter is particularly advantageous for tangentially arranged channels.
  • associated outlet channels and supply channels are inclined in the same direction and in particular by the same amount, for example at an angle of 30 ° to the channel axis 30, a lower-loss inflow into the cooling channel 26, a lower-loss flow through the cooling channel 26 and a lower-loss outflow can result the cooling channel 26 take place. It is also possible that a plurality of supply channels 28 opening into a relevant cooling channel 26 also flow at another point, for example through so-called Bridging channels, interconnected to provide a supply network.
  • FIGS. 4-7 represent the cooling medium and its flow path.
  • the cooling medium is introduced tangentially into the cooling channel 26. It divides and then flows along a helical line to the adjacent inflow opening 32E of the outlet channels 32, forming efficient cyclone cooling - Step in order to protect the wall from the thermal effects of the hot gas after it has left the cooling film with the formation of a film.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 enables local impingement cooling of the wall before the cooling medium is divided, combined with conventional convective cooling between the mouths 28M and the adjacent inflow openings 32E.
  • the sum of the cross-sections of all outlet channels 32 per cooling channel 26 is less than the sum of the cross-sections of the affected supply channels 28; the supply channels 28 are preferably slightly larger in diameter than the outlet channels 32.
  • the wall 24 according to the invention is designed monolithically and produced by means of an additive manufacturing process, in particular laser powder bed melting, so that there are no joints in it.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heißgasbauteil (11) einer Gasturbine, mit einer Wand (24) umfassend zumindest zwei Flächen (25A), (25B), deren ersten Fläche (25A) im Betrieb einem Kühlmedium ausgesetzt ist und deren zweiten Fläche (25B) der ersten Fläche (25A) gegenüberliegt und im Betrieb einem heißeren Medium ausgesetzt ist, wobei in der Wand (24) zumindest ein Kühlkanal (26) vorgesehen ist, in den entlang einer Kanalachse (30) des Kühlkanals (26) verteilt eine Anzahl von Versorgungskanälen (28) zum Einspeisen des Kühlmediums in den Kühlkanal (26) mündet, wobei zum Herausführen des im Kühlkanal (26) strömbaren Kühlmediums aus der Wand (24) eine Anzahl von Auslasskanälen (32) vom Kühlkanal (26) abzweigt. Um ein Bauteil mit einer verbesserten Kühlung bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Mündungen (28M) der Versorgungskanäle (28), insbesondere alle Mündungen (28M) der Versorgungskanäle (28), bezogen auf unmittelbar benachbarte Einlassöffnungen (32E) der Auslasskanäle (32), zu diesen mit axialem Abstand (n) versetzt angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Heißgasbauteil einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Heißgasbauteil einer Gasturbine, beispielsweise eine Turbinenschaufel, mit einer Wand umfas send zumindest zwei Flächen, deren ersten Fläche im Betrieb einem Kühlmedium ausgesetzt ist und deren zweiten Fläche der ersten Fläche gegenüberliegt und im Betrieb einem heißeren Medium ausgesetzt ist, wobei in der Wand zumindest ein Kühl kanal vorgesehen ist, der sich im Wesentlichen parallel zur zweiten Fläche erstreckt und in den entlang einer Kanalachse des Kühlkanals verteilt eine Anzahl von Versorgungskanälen zum Einspeisen des Kühlmediums in den Kühlkanal mündet, deren Einlässe in der ersten Fläche angeordnet sind, wobei zum Her ausführen des im Kühlkanal strömbaren Kühlmediums aus der Wand eine Anzahl von Auslasskanälen vom Kühlkanal abzweigt und in der zweiten Fläche mündet.
Ein gattungsgemäßes Heißgasbauteil geht beispielsweise aus der EP 227579 A2 hervor, welches demzufolge als Turbinen schaufel ausgestaltet ist. Aufgrund der komplexen Geometrie der Kühlstruktur ist es erforderlich, die Turbinenschaufel aus mehreren einzelnen Segmenten aufzubauen, wobei die Ein lasskanäle und die Auslasskanäle in den Kontaktebenen der be nachbarten Segmente angeordnet sind. Anders war die gezeigte, komplexe Kühlstruktur bisher nicht herstellbar.
Nachteilig bei der vorbekannten Turbinenschaufel ist die un günstige Positionierung der Einlässe und Auslässe, die eine Umkehrung der Rotationsrichtung des Kühlmediums im Kühlkanal erfordert, damit dieses in den schlitzförmigen Auslass ein strömen kann. Insofern besteht Bedarf an einer strömungsver lustärmeren Kühlung der Turbinenschaufel. Ungeachtet dessen könnte die Gefahr eines schwerwiegenden Schadens beim Betrieb der vorbekannten Turbinenschaufel bestehen, für den Fall, dass aufgrund einer unzureichenden Verbindung ein Segment des Schaufelblatts sich von dem Rest der Turbinenschaufel lösen würde.
Weiter offenbart die US 2010/0040480 Al eine Turbinenschaufel mit einer Vielzahl von individuellen Drallzellen, die ge trennt voneinander angeordnet sind. Jede dieser Drallzellen besitzt exakt einen Kühlluft-Einlass und einen Kühlluft- Auslass. Deren Position und Geometrie sind dabei so gewählt, dass die durch den Auslass aus der heißen Oberfläche der Tur binenschaufeln austretende Kühlluft eine optimierte Filmküh lung ermöglicht.
Mithin liegt die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Heißgasbauteils einer Gasturbine mit einer verlustärme ren, effizienteren Kühlung. Weitere Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Heißgasbauteils mit einer ver längerten Lebensdauer.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei dem eingangs genannten Heißgasbauteil zur wandnahen Kühlung zumindest eine der Mündungen der Versorgungskanäle, insbesondere alle Mündungen der Versorgungskanäle, bezogen auf unmittelbar axial benachbarte Einströmöffnungen der Aus lasskanäle, zu diesen mit axialem Abstand versetzt angeordnet sind. Mit anderen Worten: die Mündungen der Versorgungskanäle und die Einströmöffnungen der Auslasskanäle überlappen sich längs der Kanalachse des Kühlkanals nicht. Weiter weist zu mindest einer der Versorgungskanäle, weisen insbesondere alle Versorgungskanäle, einen Kanalabschnitt auf, der sich paral lel zur zweiten Fläche erstreckt. Hierdurch lässt sich eine gleichmäßige Kühlung der Wand erreichen, insbesondere im Be reich der parallel zur zweiten Fläche ausgebildeten Versor gungskanäle. Ein derartiges Heißgasbauteil kann insbesondere Dank neuerer Herstellungstechnologien wie dem Laser- Pulverbett-Schmelzen, auch bekannt als Laser-Powder-Bed- Fusion (LPBF), oder artverwandten Verfahren ohne weiteres hergestellt werden.
Aufgrund der Bereitstellung des axialen Abstandes zwischen einer Mündung eines der Versorgungskanäle und einer Einlass öffnung der unmittelbar zum betreffenden Versorgungskanal be nachbarten Auslasskanäle kann das dem Kühlkanal zugeführte Kühlmedium nicht direkt entweichen. Vielmehr muss das Kühlme dium von der Mündung im Kühlkanal bis zu einer distanzierten Einlassöffnung strömen, wobei es währenddessen die Wand des Heißgasbauteils effizient konvektiv kühlt. Somit wird vermie den, dass ein Anteil des Kühlmediums, ohne dass es zur Küh lung effektiv beigetragen hat, den Kühlkanal vorzeitig ver lässt. Dies steigert die Kühlung des Heißgasbauteils.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben, deren Merkmale in beliebiger Weise mit einander kombiniert werden können.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest einer der Versorgungskanäle in Bezug auf den Kühlkanal radial ausgerichtet. Vorzugsweise sind alle Versorgungskanäle in Be zug auf den Kühlkanal radial ausgerichtet.
Diese Ausgestaltung ermöglicht die lokale Prallkühlung der zu kühlenden Wand des Heißgasbauteils, da das die Versorgungska näle verlassende Kühlmedium in Form eines Prallstrahles auf die gegenüberliegende Wand des Kühlkanals senkrecht auf prallt. Dies trägt zur Steigerung des Wärmeübergangs aus der Wand des Heißgasbauteils in das Kühlmedium bei.
Gemäß einer dazu alternativen Ausgestaltung ist zumindest ei ner der Versorgungskanäle in Bezug auf den Kühlkanal tan gential ausgerichtet. Vorzugsweise sind alle Versorgungs kanäle in Bezug auf den Kühlkanal tangential ausgerichtet. Aufgrund der tangentialen Zuführung des Kühlmediums in den Kühlkanal kann sich in diesem eine Zyklonen-Kühlung ausbil den, d.h. das Medium strömt entlang einer Schraubenlinie von der Mündung des Versorgungskanals zu dem Einlass des Auslass kanals. Die währenddessen entstehende Turbulenz verursacht eine homogene Wärmeabfuhr mit dem Ziel der Vermeidung von lo kalen Temperatur-/Spannungsspitzen im Heißgasbauteil. Auch hiermit kann eine effiziente Kühlung des Heißgasbauteils er reicht werden.
In selbstverständlicher Art und Weise lassen sich die voran beschriebenen Alternativen je Kühlkanal oder auch innerhalb eines Kühlkanals miteinander kombinieren.
Weiter bevorzugt ist bzw. sind zumindest einer der Auslass kanäle, vorzugsweise alle Auslasskanäle in Bezug auf den Kühlkanal tangential derart ausgerichtet, dass ein Anteil des im Kühlkanal teilweise schraubenlinienförmig strömenden Kühl mediums ohne wesentliche Änderung seiner Strömungsrichtung, d.h. im Wesentlichen tangential aus dem Kühlkanal ausströmbar und in den Auslasskanal einströmbar ist. Insbesondere diese Variante unterstützt das verlustarme Herausleiten der Kühl medium aus dem Kühlkanal. Das Ausblasen erfolgt vorzugsweise unter einem Winkel von 60° zur Strömungsrichtung, um eine nachfolgende Filmkühlung der zweiten Fläche bzw. der Wand zu ermöglichen. Dabei findet das Ausblasen der einzelnen Aus lasskanäle entlang der Strömungsrichtung des Heißgases ver setzt statt, um einen homogenen Kühlfilm zu ermöglichen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass der axiale Abstand zwischen einer der Mündungen der Versor gungskanäle und einer der Einströmöffnungen der Auslasskanäle mindestens das 2-fache und maximal das 100-fache des arith metischen Mittels der Durchmesser der beiden Öffnungen, d.h. der Mündung des Versorgungskanals und der Einströmöffnung des Auslasskanals, beträgt. Aufgrund des axialen Abstands kann das Kühlmedium nach dem Einspeisen in den Kühlkanal diesen erst nach Durchströmen einer Mindestlänge verlassen. Der axi ale Abstand sollte so gewählt werden, dass der Druckverlust, bzw. das Abschwächen der Turbulenz nicht in einer inhomogenen Temperaturverteilung resultiert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder Versorgungskanal einen minimalen Querschnitt aufweist, wobei diese zumindest für jeden zugehörigen Kühlkanal gleich groß sind, und bei der für jeden Kühlkanal zumindest einer der Querschnitte seiner Auslasskanäle kleiner ist als der mini male Querschnitt seiner Versorgungskanäle. Grundsätzlich ist die Summe der Querschnitte aller Auslasskanäle je Kühlkanal geringer als die Summe der Querschnitte der betroffenen Ver sorgungskanäle. Hierdurch lässt sich die Menge an ausströ mende Kühlmedium sicher einstellen, ohne dass lokal mit einem Heißgaseindringen zu rechnen ist.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist bei einer Querschnittsbetrachtung des Kühlkanals die Mündung eines der Versorgungskanäle von der Einströmöffnung eines der Auslass kanäle durch einen dazwischen liegenden, kürzeren Kreisbogen voneinander getrennt, dessen Länge nicht mehr als 35 % des Gesamtumfangs des Kühlkanals beträgt. Dies lässt eine kompak te Bauweise zu.
Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die Wand monolithisch ausgestaltet ist und mehrere Kühlkanäle mit ent sprechend ausgestalteten Versorgungskanälen und Auslasskanä len aufweist. Beispielsweise kann das Heißgasbauteil mittels Pulverbett-Schmelzen monolithisch hergestellt werden, sodass es im Vergleich zum einschlägigen Stand der Technik eine sig nifikant verlängerte Lebensdauer aufweist und ein geringes Risiko zum Versagen aufweist. Auch lassen sich mithilfe die ses Herstellungsverfahrens unterschiedliche vorteilhafte Wei terbildungen der Erfindung in beliebiger Art und Weise mit einander kombinieren. Durch das Verfahren ist es möglich, die lokal reduzierte Wanddicke zwischen Kühlkanal und ersten Flä che bzw. der zweiten Fläche auf mindestens 0,5 mm zu begren zen. Dadurch wird ein hoher Temperaturgradient erreicht und die Spannungen im Material reduziert. Insbesondere hierdurch wird die Bereitstellung einer vergleichsweise kompakten, d. h. dünnwandigen und innengekühlten Heißgas-Wand ermöglicht, was im Sinne einer effizienten Kühlung des Heißgasbauteils äußerst wünschenswert ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der betreffende Versorgungskanal einen Übergangsabschnitt auf, der den betreffenden Kanalabschnitt mit der Mündung des zuge hörigen Vorsorgungskanals verbindet. Dieser Übergangsab schnitt erstreckt sich sodann in einer Querschnittsansicht, welche senkrecht zum Kühlkanal ist, nicht parallel zur zwei ten Fläche.
Wenn der Übergangsabschnitt eine S-förmige Längserstreckung aufweist, kann eine stufen- und kantenfreie Strömungsführung im Inneren des Versorgungskanals erfolgen, was Strömungsver luste in der Kühlluft reduziert. Alternativ dazu ermöglicht eine Eishockeyschläger-förmige, d.h. eine geringfügig abkni ckende Strömungsführeng angesichts eines dementsprechend aus gestalteten Versorgungskanals eine kompakte Bauform, deren parallele Kanalabschnitte eine größere zweite Fläche abdecken können als bei einer S-förmigen Ausgestaltung des Übergangs abschnitts. Hiermit kann eine vergrößerte Fläche gleichmäßig gekühlt werden.
Zweckmäßigerweise kann das Heißgasbauteil als Turbinenleit schaufel, Turbinenlaufschaufel, Ringsegment oder Hitzeschild einer Turbine oder einer Brennkammer ausgestaltet sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand dreier Ausführungs beispiele näher angegeben und erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Turbinenschaufel in einer schematischen Dar stellung,
Fig. 2 einen ersten Ausschnitt eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel als Wand eines Heißgasbauteils ei ner Gasturbine,
Fig. 3 einen zweiten Ausschnitt der Schaufelblattwand, Fig. 4 als erstes Ausführungsbeispiel einen ersten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem tangentia len Versorgungskanal,
Fig. 5 als zweites Ausführungsbeispiel einen zweiten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem radialen Versorgungskanal,
Fig. 6 als drittes Ausführungsbeispiel einen dritten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem tangentia len Versorgungskanal und
Fig. 7 als viertes Ausführungsbeispiel einen vierten Quer schnitt durch die Schaufelwand mit einem tangential mündenden Versorgungskanal und einem Eishockey schlager-förmigen Übergangsabschnitt.
Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung rein schematisch eine Turbinenschaufel 10, welche als Laufschaufel ausgestaltet ist. Die Turbinenschaufel 10 ist ein exemplari sches Beispiel für ein Heißgasbauteil 11 einer Gasturbine.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können selbstverständlich auch in anderen Heißgasbauteilen einer Gasturbine, beispielsweise in einem Hitzeschild einer Turbi neneinheit oder einer Brennkammer angewendet werden. Mithin ist der Einsatz der Erfindung nicht auf die hier gelisteten Bauteile beschränkt.
In konventioneller Art und Weise umfasst die Turbinenschaufel 10 ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 12, welches an einer Plattform 14 angrenzt. Die Plattform 14 wird dabei von einem Schaufelfuß 16 getragen, welcher formschlüssig in einer nicht weiter dargestellten Rotorscheibe einer Gasturbine be festigt werden kann. In Bezug auf die Gasturbine erstreckt sich der Schaufelfuß entlang einer X-Richtung, welche mit der Rotationsachse der Gasturbine zusammenfallen kann. Dann re präsentiert die Y-Richtung die Umfangsrichtung und die R- Richtung die Radialrichtung der Gasturbine. Insofern er- streckt sich das Schaufelblatt 12 in Radialrichtung betrach tet von seinem plattformseitigen Ende hin zu einer Schaufel spitze und in X-Richtung betrachtet von einer Vorderkante 20 zu einer Hinterkante 22. Die äußere Fläche des Schaufelblatts 12 und auch die der Plattform 14 sind während des Betriebs einem Heißgas ausgesetzt. Damit die Turbinenschaufel den im Heißgas herrschenden Temperaturen standhalten kann, ist das Schaufelblatt 12 üblicherweise hohl ausgestaltet und weist im Inneren demzufolge einen oder mehrere Hohlräume auf, denen zur Kühlung der Schaufelblattwand im Betrieb ein Kühlmittel, zumeist Kühlluft, zurückführbar ist.
Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die be reits erwähnte Schaufelblattwand, welche die Wand 24 des Heißgasbauteils 11 repräsentiert. Die Wand 24 umfasst zwei einander gegenüberliegende Flächen 25A, 25B, von denen die erste Fläche 25A im Betrieb dem Kühlmittel und von denen die zweite Fläche 25B im Betrieb dem Heißgas ausgesetzt ist.
In der Wand 24 ist eine Vielzahl von längs der Radialrichtung R verlaufenden Kühlkanälen 26 angeordnet. Somit sind sie in Bezug auf die Strömungsrichtung des Heißgases senkrecht dazu angeordnet. Die Kühlkanäle 26 sind im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen kreisrund und erstrecken sich vorzugsweise von dem plattformseitigen Ende bis zur Schaufelspitze. Wie exemplarisch angedeutet, können die Kühlkanäle 26 auch kürzer ausgestaltet sein.
In jedem Kühlkanal 26 münden mehrere Versorgungskanäle 28, die entweder tangential (Fig. 4) oder radial (Fig. 5) in Be zug auf eine Kanalachse 30 des Kühlkanals angeordnet sind.
Die Einlassöffnungen 28E der Versorgungkanäle 28 sind in der ersten Fläche 25A angeordnet. Zweckmäßigerweise sind die Ver sorgungskanäle 28 längs der Kanalachse 30 (Fig. 3) in regel mäßigen Abständen n zueinander beabstandet.
Zwischen jeweils zwei zum selben Kühlkanal gehörenden benach barten Mündungen 28M der Versorgungskanäle 28 zweigen Aus- lasskanäle 32 von dem betreffenden Kühlkanal 26 ab. Auch die se sind in regelmäßigen Abständen n zueinander beabstandet, jedoch derart zu den Mündungen 28M der Versorgungskanäle 28 versetzt, dass die Mündungen 28M nicht mit den Abzweigungen, d. h. Einlassöffnungen 32E der Auslasskanäle 32 überlappen.
Um Totwassergebiete in den Kühlkanälen 26 zu vermeiden, ist es zweckdienlich, dass an jedem Ende des Kühlkanals 26 zumin dest ein Auslasskanal 32 vorgesehen ist. Die Auslasskanäle 32 münden beispielsweise unter einem Winkel von 30° zur Ober flächennormalen als Filmkühlöffnungen in der zweiten Fläche 25B, die während des Betriebs dem Heißgas ausgesetzt ist. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, sind die Auslasskanäle 32 benachbarter Kühlkanäle 26 versetzt zueinander angeordnet, um einen homogenen Kühlfilm zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Abstand n 50 mm betragen, der Durchmesser der Versor gungskanäle und der Auslasskanäle 0,75 mm und der Durchmesser der Kühlkanäle 1,5 mm betragen; wobei eine minimale Wanddicke im Bereich der Kühlkanäle zwischen der zweiten Fläche und dem Kühlkanal 0,5 mm betragen kann.
Wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, liegen die Mündungen 28M der Versorgungskanäle bei einer Querschnittsbetrachtung des Kühlkanals 26 den Abzweigungen, d. h. Einlassöffnungen 32E der Auslasskanäle 32 im Wesentlichen gegenüber. Mit anderen Worten: bei der Querschnittsbetrachtung des Kühlkanals 26 sind die Mündung 28M des Versorgungskanals 28 von der Ein strömöffnung 32E des Auslasskanals 32 durch einen dazwischen liegenden, kürzeren Kreisbogen KB voneinander getrennt, des sen Länge gemäß Figur 4 etwa 20 % des Gesamtumfangs des Kühl kanals 26 beträgt.
Wie Fig. 6 verdeutlich, besteht alternativ die Möglichkeit, dass die Zuführung von Kühlluft in den Kühlkanal 26 in unmit telbarer Umfangsnähe der Einlassöffnung 32E der Auslasskanäle 32 erfolgen kann. In diesem Fall beträgt der kürzeste Um fangsabstand KB zwischen den beiden besagten Öffnungen etwa 30% des Gesamtumfangs des Kühlkanals 26. Der Versorgungskanal 28 kann Teil einer komplexeren Kühlpassage sein, dessen Ende lediglich dargestellt ist. Das Ende der komplexeren Kühlpas sage bzw. des entsprechenden Versorgungskanals 28 umfasst ei nen Kanalabschnitt 28B, welcher sich im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Flächen 25A und 25B und insbesondere, ge mäß dieser Schnittansicht, parallel zur zweiten Fläche 25B erstreckt. Weiter umfasst der Versorgungskanal 28 gemäß die sem dritten Ausführungsbeispiels einen Übergangsabschnitt 28B, welcher zwischen dem parallelen Kanalabschnitt 28B und dem Kühlkanal 26 angeordnet beide verbindet. Der Übergangsab schnitt 28B ist gemäß Fig. 6 nach Art einer Doppelkurve S- förmig ausgestaltet und mündet schlussendlich tangential in den Kühlkanal 26.
Fig. 7 zeigt eine hierzu nahezu identische Ausgestaltung. An stelle eines S-förmig ausgestalteten Übergangsabschnitts 28B ist nach diesem vierten Ausführungsbeispiel der Übergangsab schnitt 28B nach Art eines Eishockeyschlägers leicht abkni ckend ausgestaltet.
Gemäß der Figuren 6 und 7 erstrecken sich die Versorgungska näle entlang der Querschnittsebene, die für die Darstellungen gewählt wurde. Somit sind diese Kanäle parallel zur Quer- schnittsebene und demgemäß senkrecht zur Kanalachse 30 des Kühlkanals 26 angeordnet. Alternativ dazu können - in einer nicht dargestellten Variante - die Versorgungskanäle 28 und/oder die Auslasskanäle 32 zur Querschnittsebene geneigt und somit auch in Bezug auf die Kanalachse 30 des Kühlkanals 26 nicht senkrecht angeordnet sein. Letzteres ist insbesonde re für tangential angeordnete Kanäle vorteilhaft. Wenn zudem einander zugehörige Auslasskanäle und Versorgungskanäle in gleicher Richtung und insbesondere mit gleichem Betrag, bei spielsweise in einem Winkel von 30° zur Kanalachse 30 geneigt sind, kann eine verlustärmere Einströmung in den Kühlkanal 26, eine verlustärmere Durchströmung des Kühlkanals 26 und eine verlustärmere Ausströmung aus den Kühlkanal 26 erfolgen. Weiter ist es möglich, dass mehrere in einen betreffenden Kühlkanal 26 mündende Versorgungskanäle 28 auch an anderer Stelle strömungstechnisch, beispielsweise durch so genannte Überbrückungskanäle, miteinander verbunden sind, um ein Ver sorgungsnetzwerk bereitzustellen.
Die in den Figuren 4 - 7 dargestellten Strömungspfeile reprä sentieren das Kühlmedium und dessen Strömungsweg.
Gemäß den in den Figuren 4 und 7 gezeigten Ausführungsbei spielen wird das Kühlmedium tangential in den Kühlkanal 26 eingeleitet. Darin teilt es sich auf und strömt anschließend entlang einer Schraubenlinie unter Ausbildung einer effizien ten Zyklonen-Kühlung zu den benachbarten Einströmöffnung 32E der Auslasskanäle 32. Danach kann das Kühlmedium ohne eine signifikante Änderung seiner Strömungsrichtung in die Ein strömöffnung und somit in den Auslasskanal 32 verlustarm ein- treten, um nach dessen Verlassen unter Ausbildung einer Film kühlung die Wand vor den thermischen Einflüssen des Heißgases zu schützen.
Im Gegensatz dazu ermöglicht das Ausführungsbeispiel nach Fi gur 5 noch vor der Aufteilung des Kühlmediums eine lokale Prallkühlung der Wand, verbunden mit einer konventionellen konvektiven Kühlung zwischen den Mündungen 28M und den be nachbarten Einströmöffnungen 32E. Um den Kühlmittelverbrauch einzustellen, ist die Summe der Querschnitte aller Auslasska näle 32 je Kühlkanal 26 geringer als die Summe der Quer schnitte der betroffenen Versorgungskanäle 28, vorzugsweise sind die Versorgungskanäle 28 im Durchmesser geringfügig grö ßer als die Auslasskanäle 32.
In allen Ausführungsbeispielen ist die erfindungsgemäße Wand 24 monolithisch ausgeführt und mittels eines additiven Her stellungsverfahrens, insbesondere Laser-Pulverbett-Schmelzen, hergestellt worden, so dass keine Fügestellen in dieser vor handen sind.

Claims

Patentansprüche
1. Heißgasbauteil (11) einer Gasturbine, mit einer Wand (24) umfassend zumindest zwei Flächen (25A), (25B), deren ersten Fläche (25A) im Betrieb einem Kühlmedi um ausgesetzt ist und deren zweiten Fläche (25B) der ersten Fläche (25A) gegenüberliegt und im Betrieb einem heißeren Medium ausgesetzt ist, wobei in der Wand (24) zumindest ein Kühlkanal (26) vorge sehen ist, in den zum Einspeisen des Kühlmediums in den Kühlkanal (26) entlang einer Kanalachse (30) des Kühlkanals (26) verteilt eine Anzahl von Versorgungskanälen (28) mün det, wobei zum Herausführen des im Kühlkanal (26) strömbaren Kühlmediums aus der Wand (24) eine Anzahl von Auslasskanä len (32) vom Kühlkanal (26) abzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Mündungen (28M) der Versorgungska näle (28), insbesondere alle Mündungen (28M) der Versor gungskanäle (28), bezogen auf unmittelbar benachbarte Ein lassöffnungen (32E) der Auslasskanäle (32), zu diesen mit axialem Abstand (n) versetzt angeordnet sind, und dass zumindest einer der Versorgungskanäle, insbesondere alle Versorgungskanäle (28), einen Kanalabschnitt (28A) um fasst, der sich parallel zur zweiten Fläche (25B) er streckt.
2. Heißgasbauteil (11) nach Anspruch 1, bei dem zumindest einer der Versorgungskanäle (28) in Bezug auf den Kühlkanal (26) radial ausgerichtet ist.
3. Heißgasbauteil (11) nach Anspruch 2, bei dem alle Versorgungskanäle (28) in Bezug auf den Kühl kanal (26) radial ausgerichtet sind.
4. Heißgasbauteil (11) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest einer der Versorgungskanäle (28) in Bezug auf den Kühlkanal (26) tangential ausgerichtet ist.
5. Heißgasbauteil (11) nach Anspruch 1, bei dem alle Versorgungskanäle (28) in Bezug auf den Kühl kanal (26) tangential ausgerichtet sind.
6. Heißgasbauteil (11) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem zumindest einer der Auslasskanäle (32), vorzugswei se alle Auslasskanäle (32), in Bezug auf den Kühlkanal (26) derart tangential ausgerichtet ist bzw. sind, dass ein An teil des im Kühlkanal (26) teilweise schraubenlinienförmig strömenden Kühlmediums ohne wesentliche Änderung seiner Strömungsrichtung, d.h. im Wesentlichen tangential aus dem Kühlkanal (26) ausströmbar und in den Auslasskanal (32) einströmbar ist.
7. Heißgasbauteil (11) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem der axiale Abstand (n) zwischen einer der Mündungen (28M) der Versorgungskanäle (28) und einer der Einströmöff nungen (32E) der Auslasskanäle (32) mindestens das 2-fache und maximal das 100-fache des arithmetischen Mittels der Durchmesser der beiden Öffnungen beträgt.
8. Heißgasbauteil (11) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem jeder Versorgungskanal (28) einen minimalen Quer schnitt aufweist, die für jeden zugehörigen Kühlkanal (26) gleich groß sind, und bei dem für jeden Kühlkanal (26) zumindest einer der Quer schnitte seiner Auslasskanäle (32) kleiner ist als der mi nimale Querschnitt seiner Versorgungskanäle (28).
9. Heißgasbauteil (11) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem bei einer Querschnittsbetrachtung des Kühlkanals (26) die Mündung (28M) eines der Versorgungskanäle (28) von der Einströmöffnung (32M) eines der Auslasskanäle (32) durch einen dazwischen liegenden, kürzeren Kreisbogen (KB) von einander getrennt ist, dessen Länge nicht mehr als 35 % des Gesamtumfangs des Kühlkanals beträgt.
10. Heißgasbauteil (11) nach einem der vorangehenden Ansprü che, dessen Wand (24) monolithisch ausgestaltet ist und mehrere Kühlkanäle (26) mit entsprechend ausgestalteten Versorgungskanälen (28) und Auslasskanälen (32) aufweist.
11. Heißgasbauteil (11) nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem der betreffende Versorgungskanal (28) einen Über gangsabschnitt (28B) umfasst, der den zugehörigen Kanalab schnitt (28A) mit der Mündung (28M) verbindet.
12. Heißgasbauteil (11) nach Anspruch 11, bei dem der Übergangsabschnitt (28B) eine S-förmige oder eine Eishockeyschläger-förmige Längserstreckung aufweist.
13. Heißgasbauteil (11) nach einem der vorangehenden Ansprü che, ausgestaltet als
Turbinenleitschaufel, Turbinenlaufschaufel, Ringsegment oder
Hitzeschild einer Turbine oder einer Brennkammer.
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