DE4443696A1 - Gekühlte Turbinenschaufel - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenschaufel von Gasturbinen aller Art für beliebige unter zumindestens gerin­ gem Überdruck stehende gasförmige Kühlmedien, wie z. B. Luft oder Dampf, wobei die Schaufel im Inneren gerade oder serpen­ tinenförmig angelegte zumindestens partiell parallele Kühl­ kanälen aufweist, in denen das Kühlmedium zirkuliert.

Stand der Technik

Bekanntlich sind die Leistung und der Wirkungsgrad von bei hohen Temperaturen betriebenen Gasturbinen umso höher, je hö­ her die Betriebstemperaturen sind. Da die Temperaturfestig­ keit des Turbinenmaterials aber begrenzt ist, werden die den höchsten Temperaturen ausgesetzten Teile, wie die Leit- und Laufschaufeln, gekühlt. Als Kühlmedium wird meist Druckluft benutzt, welche vom Verdichter abgezweigt wird. Die durch die Entnahme der Luft vom Verdichter bedingte Verringerung von Wirkungsgrad und Leistung der Maschine muß dabei kleiner sein als die durch die Kühlung bewirkte Zunahme, da ansonsten die Kühlung nutzlos wird. Das bedeutet, daß die Kühlung mit einem möglichst geringen Verbrauch an Kühlluft zu erfolgen hat.

Als Kühlung kann eine Konvektions-, Film- oder Prallkühlung bzw. Kombinationen aus diesen Kühlungsarten verwendet werden.

Die Konvektionskühlung kann beispielsweise im einfachsten Fall dadurch erfolgen, daß die in die hohle Schaufel einge­ brachte Kühlluft die Wärme von den Innenflächen der Schaufel­ wand aufnimmt.

Es können aber auch mehrere parallele und ein­ zeln mit Kühlmedium gespeiste Kühlkanäle vorhanden sein (z. B. DE-PS 30 23 022 C2). So ist beispielsweise bei den Laufschau­ feln einer Gasturbine die Profilnase mit einem separat ange­ speisten Nasenkanal versehen, durch den die Kühlluft aus Richtung des Schaufelfußes strömt, bevor sie aus der Schau­ felspitze austritt. Man will dadurch verhindern, daß die ge­ samte Kühlung zusammenbricht, wenn der Nasenkanal durch einen Fremdkörper oder eine ähnliche Ursache leck wird. Diese Lö­ sung hat den Nachteil, daß die Kühlluft schlecht ausgenutzt wird, was der o.g. Forderung nach einem möglichst geringen Kühlluftverbrauch entgegensteht.

Günstiger sind in dieser Hinsicht Turbinenschaufeln, welche z. B. aus DE-OS 29 06 365 bekannt sind, bei denen der Reihe nach vom Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle vorhanden sind. Durchströmt die Kühlluft der Reihe nach diese verschiedenen Kühlkanäle, wie es z. B. bei einem Serpentinenkühlsystem der Fall ist, dann wird die Kühlluft infolge der größeren Lauf­ länge wesentlich besser ausgenutzt, d. h. sie kann mehr Wärme aufnehmen. Solche Kühlsysteme haben aber die problematische Eigenschaft, daß kleine Primärschäden, beispielsweise ein kleines Loch in der Kanalwand, zu großen Folgeschäden führen können. Der Kühlkanal kann stromab dieses Loches nicht mehr ausreichend mit dem Kühlmedium versorgt werden, so daß das Material überhitzt wird und weitere Schäden entstehen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einem gasförmigen Kühl­ medium vorwiegend konvektiv kühlbare Turbinenschaufel zu schaffen, bei welcher trotz einer bzw. mehreren Leckagestel­ len im Kühlkanal stromab dieser Leckagestellen eine effektive Kühlung aufrecht erhalten wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Turbinenschaufel gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, daß in den Rippenwänden zwischen den in gleicher Richtung durch­ strömten parallelen benachbarten Kühlkanälen Querverbindungs­ öffnungen angeordnet sind.

Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, daß bei einer Leckagestelle eines Kanals die Lauflänge stromab aus dem Nachbarkanal bzw. den Nachbarkanälen mit Kühlluft versorgt und vor Überhitzung geschützt wird. Sofern die Schaufeln durch Gießen hergestellt werden, haben die Quer­ verbindungsöffnungen zusätzlich den Vorteil, den Gußkern zu stabilisieren, was die Gießbarkeit erleichtert und dünnerer Kanäle erlaubt. Die Kanalzwischenwände wirken zusätzlich als Kühlrippen. Außerdem werden die Wärmespannungen durch die Öffnungen kleiner als sie bei durchlaufenden Zwischenwänden wären.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn bei einer Turbinenschaufel mit Tragflügelprofil in der Profilnase mindestens zwei in gleicher Richtung durchströmte parallele Kühlkanäle mit be­ sagten Querverbindungsöffnungen angeordnet sind. Dadurch wird zusätzlich die Nasenwand mechanisch verstärkt. Sie wird resi­ stenter gegen Einschlag.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die über besagte Querverbin­ dungsöffnungen miteinander verbundenen und in gleicher Rich­ tung durchströmten parallelen Kühlkanäle nahe der Oberfläche der Schaufelwand angeordnet sind (Near Wall-Kühlung). Dadurch wird ebenfalls die bekannte Empfindlichkeit gegen Einschläge reduziert und die Kühlung ist besonders wirksam.

Schließlich weisen die Querverbindungsöffnungen in Längs­ richtung der in gleicher Richtung durchströmten parallelen Kühlkanäle mit Vorteil einen Gesamtquerschnitt von 10% bis 200% des einzelnen Kanalquerschnitts auf. Benachbarte Quer­ verbindungsöffnungen können vorteilhaft jeweils einen kon­ stanten Abstand voneinander aufweisen, was eine einfache Her­ stellung bedeutet, oder sie haben einen variablen Abstand voneinander, was zu einer zweckmäßigen Anpassung an lokal erhöhte Leckagerisiken führt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Querverbindungsöff­ nungen beim Vorhandensein von mehr als zwei in gleicher Rich­ tung durchströmten parallelen Kühlkanälen in Längsrichtung der Kühlkanäle jeweils versetzt auf den gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkanales angeordnet oder alternativ jeweils in einer Flucht angeordnet sind. Die versetzte Anordnung hat den Vorteil mehrfacher Umlenkungen des Kühlmediums, während die fluchtende Anordnung den Ausgleich über mehrere Kühlkanä­ le begünstigt.

Außerdem ist es zweckmäßig, wenn zur Realisierung der Near Wall-Kühlung bei einer Turbinenschaufel zunächst die Kühlka­ näle durch Bohren oder Erodieren hergestellt werden und anschließend die Querverbindungsöffnungen auf elektrochemi­ schem Wege erzeugt werden. Damit ist eine effektive Herstel­ lung des erfindungsgemäßen Kühlsystems möglich.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung einer derartig kühl­ baren Turbinenschaufel besteht im schichtweisen Aufbringen und Verbinden von Schichten mit Kühlkanalstruktur, welche die Querverbindungsöffnungen enthält, und mit Deckschichten da­ zwischen und an der Profiloberfläche. Die Kühlkanäle können dann sehr nahe an der Oberfläche angeordnet sein, was die Kühleffektivität erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand von gekühlten Lauf- und Leitschaufeln einer Gasturbine dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Laufschaufel mit Sepenti­ nenkühlsystem;

Fig. 2 einen Querschnitt durch Fig. 1 in der Ebenen II-II;

Fig. 3 einen Querschnitt einer Laufschaufel mit einer an­ deren Kühlkanalanordnung als in Fig. 2;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch Fig. 3 in der Ebene IV-IV in der Rippenwand;

Fig. 5 einen Längsschnitt einer Laufschaufel mit in Schau­ fellängsrichtung geraden parallelen Kühlkanälen und jeweils in einer Flucht angeordneten Querverbin­ dungsöffnungen zwischen den Kanälen;

Fig. 6 einen Querschnitt durch Fig. 5 in der Ebene VI-VI;

Fig. 7 einen Längsschnitt einer Laufschaufel mit in Schau­ fellängsrichtung geraden parallelen Kühlkanälen und jeweils versetzt angeordneten Querverbindungsöff­ nungen;

Fig. 8 einen Längsschnitt einer Leitschaufel mit quer an­ geordnetem Serpentinenkühlsystem.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli­ chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausfüh­ rungsbeispielen und der Fig. 1 bis 8 näher erläutert.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Turbinenschaufel ist eine konvektiv gekühlte Laufschaufel, welche aus Schaufelfuß 1 und Schaufelkörper 2 besteht. Im Inneren der Schaufel ist ein Serpentinenkühlsystem angeordnet, welches aus zwei parallelen Kühlkanälen 3 und 3′ besteht, die sich in Schaufellängsrich­ tung vom Schaufelfuß 1 bis zur Schaufelspitze 4 erstrecken, dort in Richtung Schaufelfuß 1 umgelenkt werden und anschließend am Schaufelfuß 1 wiederum in Richtung Schaufel­ spitze 4 der Laufschaufel umgelenkt werden. Das Kühlmedium 5 tritt dann nahe der Schaufelspitze 4 an der Abströmseite aus der Laufschaufel aus. Zwischen den beiden parallelen und in gleicher Richtung vom Kühlmedium 5, beispielsweise Luft, durchströmten Kühlkanäle 3 und 3′ sind Rippenwände 6 angeord­ net, welche erfindungsgemäß Querverbindungsöffnungen 7 auf­ weisen. Diese sind in Schaufellängsrichtung in einem konstan­ ten Abstand voneinander angeordnet und deshalb leicht her­ stellbar. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die Querverbindungsöffnungen 7 auch in einem variablen Abstand voneinander angeordnet sein, was zu einer bessere Anpaßbarkeit an lokal erhöhte Leckagerisiken führt. Die Rippenwände 8 zwischen den parallelen, aber in unterschiedlicher Richtung vom Kühlmedium 5 durchströmten Kühlkanäle weisen gemäß Fig. 1 dagegen keine Querverbindungsöffnungen auf.

An der Schaufelspitze 4 befinden sich Austrittsöffnungen 9 für eventuelle Schmutzpartikel oder andere Fremdkörper im Kühlmedium 5.

Durch die Querverbindungsöffnungen 7 erhält der Gußkern we­ sentlich mehr Stabilität, was die Gießbarkeit erleichtert und dünnere Kanäle 3 erlaubt.

Wird nun ein Kanal, beispielsweise der Kühlkanal 3′ an einer Stelle durch einen Fremdkörper oder eine andere Ursache leck, was einen Kühlluftverlust an das äußere Heißgas verursacht, so wird dieser Kanal 3′ stromab der Lauflänge über die Quer­ verbindungsöffnungen 7 mit zusätzlicher Luft aus dem Kühlka­ nal 3 versorgt, so daß der Kühlkanal 3′ vor Überhitzung und einer damit eventuell verbundenen Vergrößerung der Leckage­ stelle geschützt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Rippenwände 6 zwischen den in der gleichen Richtung vom Kühlmedium 5 durchströmten Kühlkanälen 3 und 3′ als Kühl­ rippen wirken.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Laufschaufel sind in der Pro­ filnase mehrere, hier drei parallele Kühlkanäle 3, 3′, 3′′ angeordnet, welche in gleicher Richtung vom Kühlmedium 5 durchströmt werden und über Querverbindungsöffnungen 7 mit­ einander verbunden sind. Diese sind, wie aus dem Teillängs­ schnitt in Fig. 4 zu erkennen ist, in einem konstanten Ab­ stand a voneinander in Längsrichtung der Schaufel angeordnet.

Betrachtet man in Fig. 3 den mittleren Kühlkanal 3′ im Nasen­ bereich der Laufschaufel, dann liegen die gegenüberliegenden Querverbindungsöffnungen 7 des Kühlkanals 3 zum Kühlkanal 3′ bzw. 3′′ in Längsrichtung der Schaufel jeweils in einer Flucht. Dadurch wird bei einer Leckagestelle ein Kühlluftaus­ gleich über mehr als zwei Kühlkanäle erzielt. Selbstverständ­ lich könnten die Querverbindungsöffnungen in einem anderen Ausführungsbeispiel auch jeweils versetzt angeordnet sein, so daß das Kühlmedium mehrfach umgelenkt wird. Neben den be­ reits o.g. Vorteilen wird bei diesen Ausführungsbeispielen die Nasenwand mechanisch verstärkt und resistenter gegen Ein­ schlag.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hier sind in der Laufschaufel einer Gasturbine sehr viele feine, sich in Schaufellängsrichtung erstreckende, parallel zueinander verlaufende Kühlkanäle 3 angeordnet, durch welche das Kühlmedium 5 vom Schaufelfuß 1 durch den Schaufelkörper 2 strömt, bevor es über Austrittsöffnungen an der Spitze 4 des Schaufelkörpers 2 austritt. Die Kühlkanäle 3 sind dabei nahe der Profiloberfläche angeordnet, so daß man von einer Near Wall-Kühlung sprechen kann. Die parallelen, in gleicher Richtung vom Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Dampf, durchströmten Kühlkanäle 3 sind über Querverbindungsöffnungen 7, welche bei diesem Ausführungsbeispiel bei allen Kanälen 3 jeweils in einer Flucht liegen, miteinander verbunden.

Selbstverständlich können in einem anderen Ausführungsbei­ spiel, wie in Fig. 7 dargestellt, die Querverbindungsöffnun­ gen 7 der benachbarten Kühlkanäle auch versetzt angeordnet sein.

Entsteht nun beispielsweise auf Grund eines Fremdkörperein­ schlages ein Loch 10 in einem Kühlkanal 3, dann wird durch zusätzliche Zuführung von Kühlmedium 5 aus den benachbarten parallelen Kühlkanälen der durch das Loch 10 verursachte Ver­ lust an Kühlmedium ausgeglichen oder eventuell eindringendes Heißgas wird mit Kühlmedium verdünnt, so daß die Kühlung nicht zusammenbricht.

Die Kühlkanäle 3 werden für die Near Wall-Kühlung beispiels­ weise durch Bohren oder Erodieren in einem ersten Arbeitsgang hergestellt, wobei anschließend die Querverbindungsöffnungen 7 durch einen zweiten, elektrochemischen (EMC) Arbeitsgang erzeugt werden. Vorstellbar ist auch die Herstellung des aus Kühlkanälen 3 mit Querverbindungsöffnungen 7 bestehenden Kühlsystems in einem Arbeitsgang. Eine andere Möglichkeit zur Herstellung der Near Wall-Kühlung besteht im schichtweisen Aufbringen und Verbinden von Schichten mit Kühlkanalstruktur, welche die Querverbindungen 7 der parallelen Kühlkanäle 3 enthält, und Deckschichten, welche ebenfalls Querverbindungs­ öffnungen 7 im Sinne der Erfindung haben können, dazwischen und an der Profiloberfläche. In einem anderen Ausführungs­ beispiel können die Deckschichten auch geschlossen sein. Durch die Redundanz wird eine Anordnung der Kühlkanäle 3 näher an der Oberfläche ermöglicht und das bekannte Problem der Empfindlichkeit auf Einschläge wird beseitigt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die o.g. Aus­ führungsbeispiele bezüglich Gasturbinenlaufschaufeln be­ schränkt.

In Fig. 8 wird deshalb eine Leitschaufel gezeigt, deren Ser­ pentinenkühlsystem nicht wie in den bereits beschriebenen Beispielen eine Längsstruktur aufweist, sondern es ist quer im Schaufelkörper 2 angeordnet. Das Serpentinenkühlsystem be­ steht aus zwei parallel verlaufenden Kühlkanälen 3 und 3′, in denen das Kühlmedium 5 vom Schaufelfuß 1 unter mehrfacher Richtungsänderung zur Schaufelspitze 4 entlangströmt. Die Kanäle 3 und 3′ sind dabei durch eine Rippenwand 6 voneinan­ der getrennt, welche in konstanten Abständen Querverbindungs­ öffnungen 7 enthält. Auch hier tritt beispielsweise bei einem Loch 10 im Kühlkanal 3 ein "Selbstheileffekt" auf, indem aus dem Nachbarkanal 3′ durch die Querverbindungsöffnungen 7 zu­ sätzliche Kühlluft 5 in den beschädigten Kanal 3 einströmt und deshalb nach dem Loch 10 die Lauflänge stromab des Kühl­ kanals 3 mit einer ausreichenden Menge an Kühlluft 5 versorgt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Schaufelfuß
2 Schaufelkörper
3 Kühlkanal
3′ Kühlkanal
3′′ Kühlkanal
4 Schaufelspitze
5 Kühlmedium
6 Rippenwand zwischen parallelen und in gleicher Richtung durchströmten benachbarten Kühlkanälen
7 Querverbindungsöffnungen
8 Rippenwand zwischen in entgegengesetzten Richtungen durchströmten benachbarten Kühlkanälen
9 Öffnung
10 Leckagestelle
a Abstand zwischen den Querverbindungsöffnungen

Claims (10)

1. Gekühlte Turbinenschaufel von Gasturbinen für beliebige unter zumindestens geringem Überdruck stehende gasförmi­ ge Kühlmedien (5), wobei die Schaufel im Inneren minde­ stens zwei zumindestens partiell parallele gerade oder serpentinenförmig angelegte Kühlkanälen (3, 3′) auf­ weist, in denen das Kühlmedium (5) jeweils in gleicher Richtung zirkuliert und wobei zwischen den Kühlkanälen (3, 3′) Rippenwände (6) vorhanden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Rippenwänden (6) zwischen den in gleicher Richtung durchströmten benachbarten parallelen Kühlkanälen (3, 3′) Querverbindungsöffnungen (7) ange­ ordnet sind.

2. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1 mit einem Tragflügelprofil, dadurch gekennzeichnet, daß in der Profilnase mindestens zwei in gleicher Richtung durch­ strömte parallele Kühlkanäle (3) mit besagten Querver­ bindungsöffnungen (7) angeordnet sind.

3. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die über besagte Querverbindungsöff­ nungen (7) miteinander verbundenen und in gleicher Rich­ tung durchströmten parallelen Kühlkanäle (3) nahe der Oberfläche der Schaufelwand angeordnet sind.

4. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der in glei­ cher Richtung durchströmten parallelen Kühlkanäle (3) die Querverbindungsöffnungen (7) einen Gesamtquerschnitt zwischen 10% und 200% des einzelnen Kanalquerschnitts aufweisen.

5. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Querverbindungsöffnungen (7) beim Vorhandensein von mehr als zwei in gleicher Richtung durchströmten benachbarten parallelen Kühlkanälen (3) in Längsrichtung der Kühlkanäle (3) jeweils versetzt auf den gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkanales (3) an­ geordnet sind.

6. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Querverbindungsöffnungen (7) beim Vorhandensein von mehr als zwei in gleicher Richtung durchströmten benachbarten parallelen Kühlkanälen (3) in Längsrichtung der Kühlkanäle (3) jeweils in einer Flucht angeordnet sind.

7. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß benachbarte Querverbindungsöffnungen (7) in Längsrichtung der Kühlkanäle (3) jeweils einen konstanten Abstand (a) voneinander aufweisen.

8. Gekühlte Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Querverbindungsöffnungen (7) in Längsrichtung der Kühlkanäle (3) in einem variablen, an lokal unterschiedliche Leckagerisiken angepaßten Ab­ stand voneinander angeordnet sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer gekühlten Turbinenschau­ fel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ nächst die Kühlkanäle (3) durch Bohren oder Erodieren hergestellt werden und anschließend die Querverbin­ dungsöffnungen (7) auf elektrochemischem Wege erzeugt werden.

10. Verfahren zur Herstellung einer gekühlten Turbinenschau­ fel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem durch schichtweises Aufbringen und Verbinden von Schichten mit Kühlkanalstruktur, welche die Querver­ bindungsöffnungen (7) der parallelen Kühlkanäle (3) ent­ hält, und durch geschlossene Deckschichten dazwischen und an der Profiloberfläche erzeugt wird.