DE10016081A1

DE10016081A1 - Plattenförmiger, auskragender Bauteilabschnitt einer Gasturbine

Info

Publication number: DE10016081A1
Application number: DE10016081A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beeck; Christoph Nagler; Mark Richter; Lothar Schneider; Klaus Semmler; Joerg Stengele
Original assignee: Alstom Power NV
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-04
Also published as: EP1138878A3; EP1138878B1; US6565317B2; DE50113955D1; EP1138878A2; US20010036407A1

Abstract

Plattenförmiger, auskragender Bauteilabschnitt (1) einer Gasturbine oder dergleichen, mit einer von Heißgas beaufschlagten Oberfläche (2) und mit Kühlbohrungen (12), die von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Eine effektive Kühlung gelingt dadurch, dass wenigstens ein ausschließlich dem Bauteilabschnitt (1) zugeordnetes Plenum (10; 30, 50) vorgesehen ist, das unmittelbar benachbart zu der von Heißgas beaufschlagten Oberfläche (2) angeordnet ist und von dem Kühlmedium konvektiv durchströmbar ist, und dass zur Ausbildung eines Kühlfilms die Kühlbohrungen als Ausblaseöffnungen (12; 52) ausgebildet sind, die von dem Plenum (10; 30, 50) ausgehen und an der von Heißgas beaufschlagten Oberfläche (2) münden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen plattenförmigen, auskragenden Bauteilabschnitt einer Gasturbine oder dergleichen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Derartige Bauteilabschnitte sind häufig dort anzutreffen, wo aus konstruktiven Gründen überhängende Bereiche an Hauptbauteilen, wie beispielsweise an Schaufeln, Befestigungselemente vorzusehen sind oder Dichtungselemente, auch zwischen zwei benachbarten Bauteilen, angebracht werden müssen. Problema tisch sind derartige überhängende Bauteilabschnitte speziell in thermisch hoch belasteten Bereichen, in denen die Oberfläche mit Heißgas beaufschlagt wird. Dort ist es vielfach unerlässlich, eine Kühlung vorzusehen.

Aus der EP 0 911 486 A2, von der die Erfindung ausgeht, ist eine gekühlte Schaufel einer Gasturbine bekannt, bei der überhängende Bereiche in Form plat tenförmiger, auskragender Bauteilabschnitte gebildet sind, die in axialer Richtung vor und hinter dem Schaufelfuß angebracht sind, um im Nabenbereich eine Über deckung mit den benachbart angeordneten Schaufelfußbereichen von Rotor schaufeln zu gewährleisten. Zur Kühlung dieser plattenförmigen, auskragenden Bauteilabschnitte sind Kühlbohrungen vorgesehen, die von Kühlluft rein konvektiv durchströmt werden. Die Kühlbohrungen verlaufen beispielsweise im vorderen überhängenden Bauteilabschnitt in Umfangsrichtung und werden von der Haupt- Kühlluftversorgung gespeist. Aufgrund der hohen thermischen Belastung in die sem Bereich sind in den Kühlbohrungen zusätzlich Turbulenzerzeuger vorhanden, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Der hintere, überhängende Bauteilabschnitt weist eine Vielzahl axial verlaufender Kühlbohrungen auf, die ebenfalls von der Haupt-Kühlluftversorgung gespeist wer den. Die Kühlbohrungen münden axial am Ende des Bauteilabschnittes, so dass das Kühlmedium nach Durchströmen der Kühlkanäle in den Heißgasstrom austritt Beiden Bauteilabschnitten ist gemeinsam, dass die vom Heißgas beaufschlagte Oberfläche rein konvektiv gekühlt wird. Nachteilig ist hierbei, dass sehr viel Kühl luft aufgewendet werden muss, um die erforderliche Kühlwirkung zu erzielen. Dies hat eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades zur Folge oder macht den Einsatz teurer hochtemperaturbeständiger Materialien erforderlich.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen plattenförmigen, auskragenden Bauteilabschnitt einer Gasturbine oder dergleichen der eingangs genannten Art anzugeben, der eine effektivere Kühlung der von Heißgas beaufschlagten Oberfläche ermöglicht und somit eine erhöhte Lebensdauer bei gleichzeitig verringertem Kühlluftbedarf auf weist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei einem plattenförmigen, auskragenden Bauteilabschnitt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Ple num vorgesehen ist, das ausschließlich dem Bauteilabschnitt zugeordnet ist, so dass eine optimale Kühlung der von Heißgas beaufschlagten Oberfläche ermög licht wird. Das Plenum ist unmittelbar benachbart zu der zu kühlenden Oberfläche angeordnet und wird von dem Kühlmedium konvektiv durchströmt. Weiterhin sind die Kühlbohrungen als Ausblasöffnungen ausgebildet, die von dem Plenum aus gehen und an der von Heißgas beaufschlagten Oberfläche münden. Somit ist es möglich, eine höchst effektive Filmkühlung an der von Heißgas beaufschlagten Oberfläche zu realisieren, wobei der Kühlmittelverbrauch äußerst gering gehalten werden kann. Der Grund liegt darin, dass die Kühlluft zunächst konvektiv den zu kühlenden Bereich durchströmt, um anschließend durch Ausblasung einen hocheffektiven Kühlfilm auszubilden.

Obwohl grundsätzlich weitgehende Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Ausgestal tung des Plenums besteht, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein einziges, durchgehendes Plenum vorgesehen ist, das den Bauteilabschnitt weitgehend voll ständig durchsetzt. Auf diese Weise wird die von Heißgas beaufschlagte Ober fläche gleichmäßig und ohne örtliche Unterbrechung durch beispielsweise Zwischenwände gekühlt, wodurch eine bislang unerreicht effektive Kühlwirkung reali sierbar ist.

Eine Reihe bevorzugter Ausführungsvarianten ist auf die einfache und kostengün stige Realisierung dieses Kühlkonzepts gerichtet. Die Wahl des optimalen Form gebungsprozesses für das Plenum hängt in der Hauptsache vom Herstellverfah ren des eigentlichen Bauteils ab, an dem der plattenförmige, auskragende Ab schnitt vorzusehen ist. Weitere wichtige Gesichtspunkte sind die zu realisierende Geometrie, sowie die fertigungstechnischen Vorgaben.

Im Falle der häufig anzutreffenden Überhänge an Turbinenschaufeln bietet es sich an, das Plenum unmittelbar bei der Formgebung im Gießverfahren mitzufor men. Dies ist in der Regel ohne großen Zusatzaufwand möglich, wobei nach dem Entformen das Plenum unmittelbar und ohne Notwendigkeit einer Nachbearbei tung gebildet ist.

In der Regel wird ein mehrteiliger Kern verwendet, um die gewünschte Geometrie des Plenums zu realisieren. Gegebenenfalls können seitliche Durchbrüche zur Positionierung des Kerns erforderlich werden, die nachträglich, das heißt im An schluss an das Formgebungsverfahren geschlossen werden können.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, das Plenum durch eine Vertiefung im Bau teilabschnitt zu bilden, die beispielsweise gegenüberliegend zu der zu kühlenden Oberfläche hin offen ist und deshalb durch eine nachträglich anzubringende Ab deckung verschlossen werden kann. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit, einen Kern zur Bildung des Plenums vorzusehen. Der Vorteil dieser Variante liegt in der Möglichkeit, die Geometrie des Plenums weitgehend freizügig zu gestalten.

Die Anbringung der Abdeckung kann durch kostengünstige Verbindungsverfah ren, wie beispielsweise Löten oder Schweißen, erfolgen.

Schließlich ist es auch möglich, sowohl das Plenum als auch die Ausblasöffnun gen mittels EDM-Verfahren herzustellen. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich insbesondere Form, Größe und Anordnung der Ausblasöffnungen frei wählen und mit höchster Präzision umsetzen. Auch kann das Plenum als solches mit diesem Verfahren exakt umgesetzt werden. Seitliche Austrittsöffnungen, wie sie zu Herstellung des Plenums erforderlich sind, können je nach Auslegung der Kühlkon zeption als zusätzliche Ausblasöffnungen vollständig oder teilweise offen bleiben. Ansonsten werden sie nach dem Formgebungsvorgang geschlossen.

Bevorzugt ist das Plenum über Speisekanäle mit einem Hauptplenum verbunden, welches die Schaufel mit Kühlluft versorgt. Auf diese Weise ist kein direkter An schluss an die Kühlmediumversorgung erforderlich, wodurch sich der konstruktive Aufwand reduzieren lässt.

Obwohl sich das vorstehend beschriebene Kühlkonzept zur Anwendung bei an sich beliebigen, thermisch hochbelasteten Bauteilen realisieren lässt, wird es be vorzugt an Überhängen von Turbinenschaufeln eingesetzt. Dort sind einerseits die thermischen Belastungen besonders hoch, andererseits ist in unmittelbarer Nach barschaft des Überhangs meist ohnehin eine Kühlmittelversorgung vorgesehen, wodurch sich das erfindungsgemäße Kühlkonzept besonders einfach umsetzen lässt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Überhang an einer Turbinenschaufel, perspektivische Ansicht von oben;

Fig. 2 Überhang gemäß Fig. 1, Ansicht von unten;

Fig. 3 Überhang an einer Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausfüh rungsvariante, Ansicht von unten;

Fig. 4 Kern zur Herstellung eines Plenums;

Fig. 5 Überhang an einer Turbinenschaufel gemäß einer zweiten Ausfüh rungsvariante, Ansicht von unten.

Es sind lediglich die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt und beschrieben.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Konzept wird anhand eines plattenförmigen, auskragen den Bauteilabschnitts in Form eines Überhangs 1 erläutert, der als Bestandteil einer eine Turbinenschaufel 4 tragenden Plattform 3 gebildet ist. Eine Oberfläche 2 wird hierbei thermisch hoch belastet, nämlich durch einen hier nicht dargestell ten Heißgasstrahl. Insoweit sind die nachstehend näher beschriebenen Ausfüh rungsvarianten übereinstimmend gestaltet.

Bei dem in den Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind am Über hang 1 vier im Wesentlichen parallel und beabstandet zueinander angeordnete Pleni 10 vorhanden, die durchgängig den Überhang 1 durchsetzen. Sie verlaufen unmittelbar benachbart zur Oberfläche 2 und kühlen diese in diesem Bereich durch ein nicht näher dargestelltes, konvektiv hindurchgeleitetes Kühlmedium. Weiterhin sind Ausblaseöffnungen 12 vorhanden, und zwar bevorzugt zu Reihen und in Zuordnung zu den Pleni 10 angeordnet. Sie gehen von den Pleni 10 aus und münden an der Oberfläche 2. Auf diese Weise wird Kühlmedium aus den Pleni 10 durch die Ausblaseöffnungen 12 derart ausgeblasen, dass sich ein zu sammenhängender Kühlfilm ausbildet. Somit wird die Oberfläche 2 optimal ge kühlt.

Wie sich insbesondere aus Fig. 2 ergibt, können die Pleni 10 durch EDM-Werk zeuge 19 gebildet werden, die Durchgangsöffnungen in den Überhang 1 bohren. Es wird damit eine Verbindung zu einem Hauptplenum 5 unterhalb der Plattform 3 hergestellt, wodurch die Pleni 10 mit Kühlluft aus diesem Bereich gespeist wer den.

Je nach Anforderung können die Pleni 10 seitlich am Überhang 1 offen münden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall wird Kühlluft zusätzlich seitlich aus dem Überhang 1 ausgeblasen. Es ist jedoch ebenso gut möglich, die Pleni 10 in diesem Bereich teilweise oder vollständig zu verschließen.

Der Querschnitt der einzelnen Pleni 10 kann variieren, um eine auf die lokale Wärmebelastung abgestimmte Kühlwirkung zu erzielen. Dies gilt auch hinsichtlich ihrer Anzahl und Verteilung ihrer Anordnung längs des Überhangs 1. Gleiches gilt sinngemäß für die Kühlbohrungen bzw. Ausblaseöffnungen 12, die für die Ausbil dung des Kühlfilms verantwortlich sind.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsvariante zeigt ein Plenum 30, das den Über hang 1 hinsichtlich seiner Längs- und Quererstreckung weitgehend vollständig durchgehend durchsetzt. Dies ermöglicht eine weitgehend ideal vergleichmäßigte konvektive Kühlung der Oberfläche 2 und bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die (hier nicht näher dargestellten) Film-Kühlluftbohrungen an sich beliebig verteilt anzuordnen.

Wiederum wird das Plenum 30 vom Hauptplenum 5 versorgt. Hierzu sind Speise kanäle 6 vorgesehen, die die Verbindung zwischen dem Hauptplenum 5 und dem Plenum 30 herstellen.

Das Plenum 30 und die Speisekanäle 6 sind in diesem Fall direkt während des Gießvorganges gebildet. Hierzu wird ein in Fig. 4 dargestellter Kern 39 verwendet, der die Form des Plenums 30 vorgibt. Weiterhin sind zwei Speisekanalabschnitte 38 vorgesehen, um die Speisekanäle 6 zu bilden. Mit Hilfe dieses mehrteiligen Kerns 38, 39 lässt sich auf einfache Art und Weise das Plenum 30 einschließlich der Speisekanäle 6 formen.

Die Variante gemäß Fig. 5 zeigt eine im Überhang 1 eingegossene Vertiefung 50, von der die Kühlbohrungen 52 abgehen. Das eigentliche Plenum wird dann gebil det, wenn die Vertiefung 50 durch eine hier nicht dargestellte Abdeckung ver schlossen wird. Die Abdeckung kann aus einer einfachen Platte bestehen, die auf den Überhang 1 aufgesetzt und dort verlötet oder verschweißt wird. Somit können auch komplizierte Geometrien durch eine korrespondierende Gestaltung der Ver tiefung 50 umgesetzt werden. Solche Geometrien können beispielsweise auf der Oberfläche 2 angeordnete Pins, Rippen oder Turbulenzgeneratoren sein (nicht dargestellt).

Wie bereits eingangs erwähnt, ist das vorstehend beschriebene Konzept nicht nur auf die Anwendung an Überhängen von Turbinenschaufeln beschränkt, vielmehr ist eine Anwendung überall dort möglich, wo plattenförmige, auskragende Bauteil abschnitte hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind und demzufolge ef fektiv gekühlt werden müssen.

Bezugszeichenliste

1

Überhang

2

Heißgasseitige Oberfläche

3

Plattform

4

Turbinenschaufel

5

Hauptplenum

6

Speisekanal

10

Plenum, EDM-Bohrung

12

Film-Kühlbohrung, Ausblaseöffnung

19

EDM-Werkzeug

30

Plenum

38

Speisekanalabschnitt

39

Kern

50

Vertiefung

52

Film-Kühlbohrung, Ausblaseöffnung

Claims

1. Plattenförmiger, auskragender Bauteilabschnitt einer Gasturbine oder der gleichen, mit einer von Heißgas beaufschlagten Oberfläche und mit Kühl bohrungen, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind, dadurch ge kennzeichnet, dass wenigstens ein ausschließlich dem Bauteilabschnitt (1) zugeordnetes Plenum (10; 30; 50) vorgesehen ist, das unmittelbar benach bart zu der von Heißgas beaufschlagten Oberfläche (2) angeordnet ist und von dem Kühlmedium konvektiv durchströmbar ist, und dass die Kühlboh rungen als Ausblaseöffnungen (12; 52) ausgebildet sind, die von dem Ple num (10; 30, 50) ausgehen und an der von Heißgas beaufschlagten Ober fläche (2) münden, wodurch ein Kühlfilm generierbar ist.

2. Bauteilabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ple num (30, 50) den Bauteilabschnitt (1) weitgehend vollständig durchsetzt.

3. Bauteilabschnitt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plenum (30, 50) im Gießverfahren geformt ist.

4. Bauteilabschnitt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ple num (30; 50) mittels eines mehrteiligen Kerns (38; 39) gebildet ist.

5. Bauteilabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, dass das Plenum (30; 50) durch eine in den Bauteilabschnitt (1) ein geformte Vertiefung (50) gebildet ist, die durch eine Abdeckung verschlos sen ist.

6. Bauteilabschnitt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab deckung mit dem Bauteilabschnitt (1) verlötet oder verschweißt ist.

7. Bauteilabschnitt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plenum (10) und/oder die Ausblaseöffnungen (12) im EDM-Verfahren hergestellt ist/sind.

8. Bauteilabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Plenum (10; 30; 50) über Speisekanäle (6) mit ei nem Hauptplenum (5) verbunden ist.

9. Bauteilabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Form eines an einer Turbinenschaufel (4) gebildeten Überhangs (1).