EP0964981B1 - Turbinenschaufel sowie deren verwendung in einer gasturbinenanlage - Google Patents
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- EP0964981B1 EP0964981B1 EP98914796A EP98914796A EP0964981B1 EP 0964981 B1 EP0964981 B1 EP 0964981B1 EP 98914796 A EP98914796 A EP 98914796A EP 98914796 A EP98914796 A EP 98914796A EP 0964981 B1 EP0964981 B1 EP 0964981B1
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- 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
- F01D5/186—Film cooling
Definitions
- the invention relates to a turbine blade which has an inflow area, an outflow area and lying between them one pressure side and one suction side as well as one with has a wall structure around which a fluid can flow.
- the Wall structure includes an outer wall that defines an interior Guide of cooling fluid surrounds and an outlet for cooling fluid having.
- the invention further relates to a use such a turbine blade.
- a gas turbine vane with a guide from Cooling gas for cooling them is described in US Pat. No. 5,419,039.
- the guide vane is designed as a casting or composed of two castings. She points inside a supply of cooling air from the compressor to the assigned Gas turbine plant on. In their the hot gas flow exposed to the gas turbine, enclosing the air supply Wall structure are cast-in cool bags that are open on one side intended.
- the cooler bags are on the outside of the wall structure both in the flow direction of the hot gas and perpendicular to the direction of flow of the hot gas along the Main direction of expansion of the guide vane arranged. In each Cooling bag flows from the cooling air supply over a plurality of holes in the wall structure cooling air into the cooler bag on.
- GB A 22 62 314 discloses an air-cooled turbine blade of a gas turbine engine. Cooling air gets through the inside the turbine blade via a cooling air duct to the surface the turbine blade. To constipate this To prevent the cooling channel, the cooling channel is in a bulge the inside of the outer wall of the turbine blade integrated. The bulge prevents larger particles that are carried in the cooling air, enter the cooling air duct.
- the object of the invention is to provide a turbine blade with a specify coolable wall structure. There is another task in using such a turbine blade specify:
- the outlet is directed towards a turbine blade Task through such a turbine blade after the Claim 1 solved, in which the outer wall the outlet has a thickening directed towards the interior.
- a thickening that connects to the outer wall is, even with an extremely thin outer wall for the Outlet given a large length to diameter ratio as well as a small angle of inclination of the outlet with respect to the outer wall can be realized.
- Through the outlet can Cooling fluid, especially cooling air, in sufficient quantity Form a film cooling of the outer wall.
- a flat angle of the outlet is immediately downstream the outlet of the cooling fluid flow on the outer wall and thus a particularly effective cooling can be achieved.
- Such a turbine blade is preferably suitable for the Use in a gas turbine, the turbine blade from a hot gas flows around. At a temperature of the hot gas, those above the melting temperature of the base material the turbine blade is located by one with the turbine blade achievable cooling a failure of the turbine blade avoided.
- the temperature on the outer wall, the surface temperature is through film cooling as well as cooling over the interior to one that is not critical for the turbine blade Temperature level lowered. Cooling air from the interior leads to a convective transition and heat conduction through the outer wall, creating the surface the outer wall can be cooled sufficiently.
- the cooling outer wall is made as thin as possible.
- the outer wall is at least partially a middle one Wall thickness that is less than 2.5 mm, in particular is about 1 mm.
- the outlet, in particular the bore is preferably along along one Axis directed opposite the main flow direction of the Fluid is inclined at an acute angle. This is ensures that cooling air flowing out of the outlet, which relatively cool to the fluid, in particular a hot gas, is a cold film of cooling fluid around the turbine blade formed. This effectively contributes to protection the turbine blade at.
- the outlet is preferably at an angle ⁇ between 10 ° and 45 °, in particular between 25 ° and 35 °, compared to the Outside wall inclined. It is preferably with a bore executed essentially constant cross-section. alternative the outlet can have a throttle region facing the interior with a substantially constant cross section and one too the slowdown area widening the hot gas flow exhibit. With the throttle area is essentially one Volume control of the cooling fluid flow achievable. By yourself widening slowdown range is a reduction in Flow rate of the cooling fluid can be reached, so that this immediately downstream of the outlet on the outer wall can put on.
- the outlet preferably has a minimum diameter between 0.3 mm and 1.5 mm, in particular approximately between 0.6 mm and 0.7 mm.
- a diameter is due to the thickening with a ratio of length to diameter of the outlet between 2 and 5 can be produced without any problems in terms of production technology.
- a flat angle of the outlet with respect to the External wall guaranteed.
- the thickening on the outer wall is preferably local, hill-shaped elevation. Due to the hill-shaped elevation the outlet, the bore, is passed through it. This enables an external wall even with a thin wall appropriate inclination and a large length to diameter ratio of the outlet.
- the hill-shaped elevation is preferred rounded towards the outlet. The increase points therefore a radius of curvature in the area of the outlet to achieve a favorable inflow of cooling fluid into the outlet on. This is an equalization of the flow of the cooling fluid in the outlet, the bore. This also contributes to improving oneself Outside wall forming cooling fluid film.
- the thickening can also be designed as a linear increase his. This can contain several outlets.
- the wall structure can also be an interior space have facing inner wall, between the inner wall and a cooling area to flow through with an outer wall Cooling fluid is provided.
- Each cooling area has one the inlet for cooling fluid associated with the inner wall. This ensures an inflow of guided in the interior Cooling fluid into the cooling area. Cooling fluid comes out the cooling area through the outlet to the outer surface the outer wall.
- the cooling area is preferably a cooling chamber trained by the outer wall and the inner wall is enclosed. This increases manufacturing flexibility of inlet and outlet and gives the opportunity, too subsequently the inlet and the outlet of cooling fluid accordingly to change the requirements for the turbine blade.
- the outlet can have a funnel-shaped opening (Slowdown range), which also subsequently can be produced by eroding or working out with a laser beam is.
- the cross section of such a funnel-shaped For example, the opening can be circular, rectangular or one have other simple geometric shape.
- the inlet is preferably approximately perpendicular to the outer wall executed so that cooling fluid flowing onto the outer wall impacts, resulting in additional impingement cooling of the outer wall can be reached at least in the area of the inlet.
- the Outlet of a cooling area, especially on the suction side preferably between the inlet for cooling air and the inflow area the turbine blade arranged. This ensures a so-called counterflow cooling, in which the cooling fluid inside the cooling area against the flow direction the hot gas flow flowing around the turbine blade is.
- the turbine blade also has two or more cast parts contain, using suitable methods (joining processes) the casting are firmly connected.
- the inlet is also made by casting.
- the turbine blade preferably has a plurality of cooling areas both along its main axis and in a plane perpendicular to the main axis.
- a stationary guide vane Gas turbine can be on the suction side as well as on the Pressure side three times three cooling chambers and depending on what can be achieved Heat transfer also have more or less cooling chambers.
- the conceptual division of the wall structure allows decoupling into an outer wall and into an inner wall the functional properties of the wall structure, with lower demands on the mechanical on the outer wall Stability can be put on the inner wall.
- the inner wall can therefore, since it is not immediately one Hot gas flow is exposed, with a larger wall thickness than the outer wall. It can essentially the mechanical support function for the turbine blade take.
- the outer wall can be made with a smaller one Wall thickness should be formed, which makes them particularly effective is coolable via the heat transfer elements.
- the cross section the cooling area between the inner wall and the Outer wall is preferably for high speed formation of the cooling fluid is low and lies especially in the area of the wall thickness of the outer wall.
- the main flow direction in the cooling area preferably corresponds the flow direction of a flowing around the turbine blade Fluids, especially a hot gas, or is this straight opposed.
- the heat transfer elements are preferred columnar or pedestal-like and sufficient from the outer wall to the inner wall. You can also be firmly connected to the inner wall.
- the cross section of the Heat transfer elements is the heat transfer and fluidic requirements adaptable, for example circular, polygonal or in the manner of a flow profile educated.
- the task aimed at using the turbine blade is solved in that the turbine blade as a moving blade or guide vane in a gas turbine plant, in particular in a gas turbine, in the temperatures of clearly above 1000 ° C of the hot gas flowing around the turbines, is used.
- FIG. 1 is directed along a major axis 19 Turbine blade 1 of a gas turbine is shown.
- the wall structure 2 has an outer wall 3 which encloses an interior space 21, which in sub-areas not shown is divided.
- the outer wall 3 faces the interior 21 inward thickenings 14.
- the vividness for the sake of simplicity, only two thickenings 14 are shown schematically. Through each thickening 14 is formed as a bore 17 Outlet 16 led. This enables one in the Interior 21 guided cooling fluid 6, cooling air, from the interior 21 to flow through the thickening 14 to the outer wall 3.
- the bore 17 is (see Figure 2) compared to the Outer wall 3 is preferably smaller by an acute angle ⁇ 45 ° inclined. This ensures that the cooling air 6 abuts the outer wall 3 immediately downstream of the outlet 16 and thus causes effective film cooling of the outer wall 3.
- the thickening 14 is preferably a singular local formed hill-shaped elevation and to the outlet 16th rounded off. The thickening 14 thus points where that Cooling fluid flows into the outlet 16, a radius of curvature R through which a largely unimpeded inflow of Cooling fluid 6 is guaranteed in the outlet 16. This carries also to an equalization of the flow of the cooling fluid 6 in the outlet 16, the bore 17, at.
- a turbine blade 1 is also shown in FIGS. 3 and 4 of a gas turbine, which is shown along a main axis 19 is directed.
- the wall structure 2 of this turbine blade 1 are both on the suction side 11 and on the pressure side 10 each have three hollow cooling areas designed as cooling chambers 20 5, 5a provided. These cooling areas 5, 5a are in the Wall structure 2 between the outer wall 3 and an inner wall 4 arranged.
- the inner wall 4 encloses like the outer wall 3 the divided interior 21.
- the cooling areas 5, 5a have a length that is significantly larger, for example ten times larger than their cross section.
- the outer wall 3 has one significantly smaller wall thickness than the inner wall 4, for example the wall thickness of the outer wall 3 is 1.0 mm and the Wall thickness of the inner wall 4 1.5 mm.
- the cross section of the cooling areas 5, 5a lies in the area of the wall thickness of the outer wall 3 and is, for example, about 1.0 mm.
- Over the length of each Cooling areas 5, 5a are a plurality, preferably over five, heat transfer elements 7 arranged.
- From the interior 21 leads into each cooling area 5, 5a 15 into it, which preferably as a bore or formed a plurality of bores, in particular cast, is.
- the inlet 15 is substantially perpendicular to the Outer wall 3 directed. This creates additional impingement cooling reached the outer wall 3 in the region of the inlet 15.
- a respective outlet 16 leads from each cooling area 5, 5a the outer surface of the wall structure 2. In the area of the outlet 16, the outer wall 3 has a thickening 14.
- the cooling chamber 20 is therefore wider in the area of the outlet 16 introduced in the direction of the interior 21.
- the outlet 16 is preferably designed as a bore 17.
- This hole 17 has a directly adjacent to the cooling chamber 20 Throttle area 23 with a constant cross section. On this throttle region 23 closes in the direction of the outer surface the outer wall 3 an expanding slowdown area 24 on.
- the bore 17 is along an axis 22 directed, which, as already explained for Figures 1 and 2, inclined by an acute angle ⁇ with respect to the outer wall 3 is.
- the outlet 16 is closer, in particular on the suction side 11 arranged on the inflow region 8 than that of the same cooling chamber assigned inlet 15. As a result, cooling air 6 in Countercurrent to the flow of hot gas 18 in the cooling chamber 20 guided.
- the heat transfer elements 7 are in the direction of Main axis 19 preferably arranged alternately, whereby the contact time for heat transfer between the cooling air 6 and the heat transfer element connected to the outer wall 3 7 is increased. The effectiveness of the cooling is still thereby favors that the outer wall 3 with a small Wall thickness is executed. There is also cooling the load bearing not directly exposed to the hot gas 18 Inner wall 4.
- the invention is characterized by a turbine blade a wall structure in which one is exposed to hot gas Outside wall has a thickening into an interior, through which thickening an outlet for guiding Cooling air is guided. Due to the thickening, even with one extremely thin outer wall with a wall thickness of in particular about 1 mm a favorable length to diameter ratio the outlet and a flat angle of inclination of the Guaranteed outlet opposite the outer wall. hereby effective film cooling of the outer wall can be achieved.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, die einen Anströmbereich,
einen Abströmbereich und dazwischen sich gegenüberliegend
eine Druckseite und eine Saugseite sowie eine mit
einer von einem Fluid umströmbaren Wandstruktur aufweist. Die
Wandstruktur umfaßt eine Außenwand, die einen Innenraum zur
Führung von Kühlfluid umgibt und einen Auslaß für Kühlfluid
aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung
einer solchen Turbinenschaufel.
Eine Leitschaufel einer Gasturbine mit einer Führung von
Kühlgas zu deren Kühlung ist in der US-PS 5,419,039 beschrieben.
Die Leitschaufel ist als ein Gußstück ausgeführt bzw.
aus zwei Gußstücken zusammengesetzt. Sie weist in ihrem Inneren
eine Zuführung von Kühlluft aus dem Verdichter der zugeordneten
Gasturbinenanlage auf. In ihrer der Heißgasströmung
der Gasturbine ausgesetzten, die Luftzuführung umschließenden
Wandstruktur sind eingegossene einseitig offene Kühltaschen
vorgesehen. Die Kühltaschen sind an der Außenseite der Wandstruktur
sowohl in Strömungsrichtung des Heißgases als auch
senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißgases entlang der
Hauptausdehnungsrichtung der Leitschaufel angeordnet. In jede
Kühltasche strömt von der Kühlluftzuführung über eine Mehrzahl
von Löchern in der Wandstruktur Kühlluft in die Kühltasche
ein. Diese wird in Strömungsrichtung des Heißgases von
der Kühlluft durchströmt und tritt in einem bereits durch das
Gießen der Leitschaufeln gebildeten Öffnungsbereich in die
Strömung des Heißgases aus. Hierdurch wird in gewissem Maße
an der äußeren Oberfläche der Wandstruktur eine Filmkühlung
erreicht. In der Kühltasche kann ein nicht näher spezifizierter
Sockel oder können mehrere nicht näher spezifizierte Sokkel
zur Verbesserung der Wärmeleitung vorgesehen sein.
Die GB A 22 62 314 offenbart eine luftgekühlte Turbinenschaufel
eines Gasturbinentriebwerks. Kühlluft wird durch das Innere
der Turbinenschaufel uber einen Kühlluftkanal zur Oberfläche
der Turbinenschaufel gefuhrt. Um eine Verstopfung dieses
Kühlkanals zu verhindern, ist der Kühlkanal in eine Ausbuchtung
der Innenseite der Außenwand der Turbinenschaufel
integriert. Durch die Ausbuchtung wird verhindert, daß
größere Partikel, welche in der Kühlluft mitgeführt werden,
in den Kühlluftkanal eintreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel mit einer
kühlbaren Wandstruktur anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, eine Verwendung einer solchen Turbinenschaufel
anzugeben:
Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenschaufel gerichtete
Aufgabe durch eine solche Turbinenschaufel nach dem
Patentanspruch 1 gelöst, bei der die Außenwand an
dem Auslaß eine zu dem Innenraum gerichtete Verdickung aufweist.
Durch eine Verdickung, die mit der Außenwand verbunden
ist, ist selbst bei einer äußerst dünnen Außenwand für den
Auslaß ein großes Längen zu Durchmesser-Verhältnis gegeben
sowie ein kleiner Neigungswinkel des Auslasses in Bezug auf
die Außenwand realisierbar. Durch den Auslaß kann mithin
Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, in ausreichender Menge zur
Ausbildung einer Filmkühlung der Außenwand strömen. Durch einen
flachen Winkel des Auslasses ist ein unmittelbar stromab
des Auslasses Anliegen der Kühlfluidströmung an der Außenwand
und somit eine besonders wirksame Kühlung erreichbar.
Vorzugsweise eignet sich eine solche Turbinenschaufel für den
Einsatz in einer Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel von
einem Heißgas umströmt wird. Bei einer Temperatur des Heißgases,
die oberhalb der Schmelztemperatur des Grundmaterials
der Turbinenschaufel liegt, wird durch eine mit der Turbinenschaufel
erreichbare Kühlung ein Versagen der Turbinenschaufel
vermieden. Die Temperatur an der Außenwand, die Oberflächentemperatur,
wird durch eine Filmkühlung sowie eine Kühlung
über den Innenraum auf ein für die Turbinenschaufel unkritisches
Temperaturniveau abgesenkt. Kühlluft aus dem Innenraum
führt zu einem konvektiven Übergang und zu einer Wärmeleitung
durch die Außenwand hindurch, wodurch die Oberfläche
der Außenwand ausreichend kühlbar ist.
Eine besonders effektive Kühlung wird erzielt, wenn die zu
kühlende Außenwand möglichst dünn ausgeführt ist. Vorzugsweise
ist die Außenwand zumindest bereichsweise eine mittlere
Wandstärke, die geringer als 2,5 mm beträgt, insbesondere
etwa bei 1 mm liegt.
Kühlluft, die durch den Innenraum der Turbinenschaufel
strömt, wird erwärmt und gelangt durch den Auslaß, welcher
als Bohrung, insbesondere Filmkühlbohrung, ausgeführt ist, in
eine Strömung eines die Turbinenschaufel umströmenden Fluides,
insbesondere eines Heißgases, hinein. Der Auslaß, insbesondere
die Bohrung, ist vorzugsweise entlang entlang einer
Achse gerichtet, die gegenüber der Hauptströmungsrichtung des
Fluides um einen spitzen Winkel geneigt ist. Hierdurch ist
gewährleistet, daß aus dem Auslaß ausströmende Kühlluft, welche
verhältnismäßig kühl gegenüber dem Fluid, insbesondere
einem Heißgas, ist, einen kalten Kühlfluidfilm um die Turbinenschaufel
ausbildet. Dieser trägt wirksam zu einem Schutz
der Turbinenschaufel bei.
Der Auslaß ist vorzugsweise um einen Winkel α zwischen 10°
und 45°, insbesondere zwischen 25° und 35°, gegenüber der
Außenwand geneigt. Er ist vorzugsweise als eine Bohrung mit
im wesentlichen konstantem Querschnitt ausgeführt. Alternativ
kann der Auslaß einen dem Innenraum zugewandten Drosselbereich
mit im wesentlichen konstantem Querschnitt und einen zu
der Heißgasströmung sich erweiternden Verlangsamungsbereich
aufweisen. Mit dem Drosselbereich ist im wesentlichen eine
Mengenregelung des Kühlfluidstroms erreichbar. Durch den sich
erweiternden Verlangsamungsbereich ist eine Reduzierung der
Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluides erreichbar, so daß
sich dieses unmittelbar stromab des Auslasses an die Außenwand
anlegen kann.
Der Auslaß hat vorzugsweise einen minimalen Durchmesser zwischen
0,3 mm und 1,5 mm, insbesondere etwa zwischen 0,6 mm
und 0,7 mm. Durch die Verdickung ist ein solcher Durchmesser
bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Auslasses
zwischen 2 und 5 fertigungstechnisch unproblematisch herstellbar.
Somit ist außer der ausreichenden Zuführung von
Kühlfluid aus dem Innenraum an die Außenoberfläche der Außenwand
auch ein flacher Winkel des Auslasses gegenüber der
Außenwand gewährleistet.
Die Verdickung ist an der Außenwand vorzugsweise als lokale,
hügelförmige Erhöhung ausgebildet. Durch die hügelförmige Erhöhung
hindurch ist der Auslaß, die Bohrung, geführt. Dies
ermöglicht selbst bei geringer Wandstärke der Außenwand eine
entsprechende Neigung und ein großes Längen zu Durchmesser-Verhältnis
des Auslasses. Die hügelförmige Erhöhung ist vorzugsweise
zu dem Auslaß hin abgerundet. Die Erhöhung weist
mithin im Bereich des Auslasses einen Krümmungsradius zur Erzielung
einer günstigen Einströmung von Kühlfluid in den Auslaß
auf. Hierdurch ist eine Vergleichmäßigung der Strömung
des Kühlfluides in dem Auslaß, der Bohrung, erreichbar. Dies
trägt ebenfalls zu einer Verbesserung eines sich an der
Außenwand ausbildenden Kühlfluidfilmes bei.
Die Verdickung kann auch als linienförmige Erhöhung ausgebildet
sein. Diese kann mehrere Auslässe enthalten.
Die Wandstruktur kann neben einer Außenwand noch eine dem Innenraum
zugewandte Innenwand aufweisen, wobei zwischen Innenwand
und Außenwand ein Kühlbereich zur Durchströmung mit einem
Kühlfluid vorgesehen ist. Jeder Kühlbereich weist einen
der Innenwand zugeordneten Einlaß für Kühlfluid auf. Dieser
gewährleistet ein Einströmen von in dem Innenraum geführtem
Kühlfluid in den Kühlbereich hinein. Kühlfluid gelangt aus
dem Kühlbereich durch den Auslaß hinaus an die Außenoberfläche
der Außenwand. Der Kühlbereich ist vorzugsweise als Kühlkammer
ausgebildet, die von der Außenwand und der Innenwand
umschlossen ist. Dies erhöht die Flexibilität bei der Herstellung
von Einlaß und Auslaß und gibt die Möglichkeit, auch
nachträglich den Einlaß sowie den Auslaß von Kühlfluid entsprechend
den Anforderungen an die Turbinenschaufel zu verändern.
Der Auslaß kann eine trichterförmige Öffnung
(Verlangsamungsbereich) aufweisen, welche auch nachträglich
durch Erodieren oder Herausarbeiten mittels Laserstrahl herstellbar
ist. Der Querschnitt einer solchen trichterförmigen
Öffnung kann beispielsweise kreisrund, rechteckig oder eine
andere einfach-geometrische Form aufweisen.
Der Einlaß ist vorzugsweise in etwa senkrecht zur Außenwand
ausgeführt, so daß einströmendes Kühlfluid auf die Außenwand
aufprallt, wodurch eine zusätzliche Prallkühlung der Außenwand
zumindest im Bereich des Einlasses erreichbar ist. Der
Auslaß eines Kühlbereichs, insbesondere an der Saugseite, ist
vorzugsweise zwischen dem Einlaß für Kühlluft und dem Anströmbereich
der Turbinenschaufel angeordnet. Dies gewährleistet
eine sogenannte Gegenstromkühlung, bei der das Kühlfluid
innerhalb des Kühlbereiches entgegen der Strömungsrichtung
der die Turbinenschaufel umströmnden Heißgasströmung gerichtet
ist. Dies führt insbesondere bei einer als Leitschaufel
eingesetzten Turbinenschaufel zu einer verbesserten Filmkühlung.
Die Turbinenschaufel mit einer Wandstruktur umfaßend
zumindest einen Kühlbereich, der zwischen einer Außenwand und
einer Innenwand angeordnet ist, ist als Ganzes durch Gießen
in einem Arbeitsschritt herstellbar. Selbstverständlich kann
die Turbinenschaufel auch zwei oder mehrere gegossene Teile
enthalten, die mit geeigneten Methoden (Fügeverfahren) nach
dem Gießen miteinander fest verbunden werden. Vorzugsweise
ist auch der Einlaß durch Gießen hergestellt. Die Turbinenschaufel
weist vorzugsweise eine Vielzahl von Kühlbereichen
sowohl entlang ihrer Hauptachse als auch in einer Ebene senkrecht
zur Hauptachse auf. Eine Leitschaufel einer stationären
Gasturbine kann sowohl an der Saugseite als auch an der
Druckseite drei mal drei Kühlkammern sowie je nach zu erzielendem
Wärmeübertrag auch mehr oder weniger Kühlkammern aufweisen.
In dem Kühlbereich sind in einer Hauptströmungsrichtung des
Kühlfluides von dem Kühlfluid umströmbare Wärmeübertragungselemente
hintereinander angeordnet, die wärmetechnisch mit
der Außenwand verbunden sind. Hierdurch ist eine wirksame Erwärmung
des Kühlfluides in dem Kühlbereich über eine lange
Wegstrecke gewährleistet. Durch die wärmetechnische Verbindung
der Wärmeübertragungselemente mit der Außenwand ist eine
wirksame Wärmeübertragung von der Außenwand auf das Kühlfluid
gegeben.
Weiterhin gestattet die konzeptionelle Aufteilung der Wandstruktur
in eine Außenwand und in eine Innenwand eine Entkopplung
der funktionellen Eigenschaften der Wandstruktur,
wobei an die Außenwand geringere Anforderungen an die mechanische
Stabilität gestellt werden können als an die Innenwand.
Die Innenwand kann mithin, da sie nicht unmittelbar einer
Heißgasströmung ausgesetzt ist, mit einer größeren Wandstärke
als die Außenwand ausgeführt sein. Sie kann im wesentlichen
die mechanische Tragfunktion für die Turbinenschaufel
übernehmen. Die Außenwand hingegen kann mit einer geringeren
Wandstärke ausgebildet sein, wodurch sie besonders effektiv
über die Wärmeübertragungselemente kühlbar ist. Der Querschnitt
des Kühlbereichs zwischen der Innenwand und der
Außenwand ist vorzugsweise zur Ausbildung einer hohen Geschwindigkeit
des Kühlfluides gering ausgebildet und liegt
insbesondere im Bereich der Wandstärke der Außenwand. Durch
einen geringen durchströmten Querschnitt des Kühlbereichs und
eine damit ausgebildete hohe Geschwindigkeit des Kühlfluides
werden sehr hohe Wärmeübergangszahlen erreicht. Die Hauptströmungsrichtung
in dem Kühlbereich entspricht vorzugsweise
der Strömungsrichtung eines die Turbinenschaufel umströmenden
Fluides, insbesondere eines Heißgases, oder ist dieser gerade
entgegengesetzt. Die Wärmeübertragungselemente sind vorzugsweise
säulenartig oder podestartig ausgebildet und reichen
von der Außenwand bis an die Innenwand heran. Sie können auch
mit der Innenwand fest verbunden sein. Der Querschnitt der
Wärmeübertragungselemente ist jeweils den wärmeübertragungsund
strömungstechnischen Anforderungen anpaßbar, beispielsweise
kreisförmig, vieleckig oder nach Art eines Strömungsprofils
ausgebildet.
Die auf eine Verwendung der Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe
wird dadurch gelöst, daß die Turbinenschaufel als Laufschaufel
oder Leitschaufel in einer Gasturbinenanlage, insbesondere
in einer Gasturbine, in der Temperaturen von deutlich
über 1000 °C des die Turbinen umströmenden Heißgases auftreten,
verwendet wird.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
wird die Turbinenschaufel näher erläutert. Es zeigen
schematisiert unter Darstellung der für die Erläuterung verwendeten
konstruktiven und funktionellen Merkmale:
- FIG 1
- eine Turbinenschaufel einer Gasturbine in einem Querschnitt,
- FIG 2
- eine vergrößerte Darstellung der Wandstruktur gemäß Figur 1,
- FIG 3
- eine alternative Ausführungsform einer Turbinenschaufel einer Gasturbine in einem Querschnitt und
- FIG 4
- eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes der Wandstruktur gemäß Figur 3.
Die Bezugszeichen sämtlicher Figuren haben jeweils die gleiche
Bedeutung.
In Figur 1 ist eine entlang einer Hauptachse 19 gerichtete
Turbinenschaufel 1 einer Gasturbine dargestellt. Diese weist
eine Wandstruktur 2 auf mit einem Anströmbereich 8, einem Abströmbereich
9 sowie einer Druckseite 10 und einer Saugseite
11, die einander gegenüber angeordnet sind. Die Wandstruktur
2 weist eine Außenwand 3 auf, die einen Innenraum 21 umschließt,
welcher in nicht näher dargestellte Teilbereiche
unterteilt ist. Die Außenwand 3 weist in den Innenraum 21
hinein gerichtete Verdickungen 14 auf. Der Anschaulichkeit
halber sind lediglich schematisch zwei Verdickungen 14 dargestellt.
Durch jede Verdickung 14 ist ein als Bohrung 17 ausgebildeter
Auslaß 16 geführt. Dieser ermöglicht einem in den
Innenraum 21 geführten Kühlfluid 6, Kühlluft, aus dem Innenraum
21 durch die Verdickung 14 an die Außenwand 3 zu strömen.
Außerhalb der Turbinenschaufel 1 vermischt sich die
Kühlluft 6 mit der Strömung 18 (siehe Figur 2) eines die Turbinenschaufel
1 umströmenden Fluides, insbesondere eines
Heißgases. Die Bohrung 17 ist (siehe Figur 2) gegenüber der
Außenwand 3 um einen spitzen Winkel α vorzugsweise kleiner
45° geneigt. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Kühlluft 6
unmittelbar stromab des Auslasses 16 an die Außenwand 3 anlegt
und somit eine wirksame Filmkühlung der Außenwand 3 bewirkt.
Die Verdickung 14 ist vorzugsweise als singuläre lokale
hügelförmige Erhöhung ausgebildet und zu dem Auslaß 16
hin abgerundet. Die Verdickung 14 weist mithin dort, wo das
Kühlfluid in den Auslaß 16 einströmt, einen Krümmungsradius R
auf, durch den ein weitgehend ungehindertes Einströmen des
Kühlfluides 6 in den Auslaß 16 gewährleistet ist. Dies trägt
auch zu einer Vergleichmäßigung der Strömung des Kühlfluides
6 in dem Auslaß 16, der Bohrung 17, bei.
In den Figuren 3 und 4 ist ebenfalls eine Turbinenschaufel 1
einer Gasturbine dargestellt, die entlang einer Hauptachse 19
gerichtet ist. In der Wandstruktur 2 dieser Turbinenschaufel
1 sind sowohl an der Saugseite 11 als auch an der Druckseite
10 jeweils drei als Kühlkammern 20 ausgebildete hohle Kühlbereiche
5, 5a vorgesehen. Diese Kühlbereiche 5, 5a sind in der
Wandstruktur 2 zwischen der Außenwand 3 und einer Innenwand 4
angeordnet. Die Innenwand 4 umschließt wie die Außenwand 3
den unterteilten Innenraum 21. Die Kühlbereiche 5, 5a haben
eine Länge, die deutlich größer, beispielsweise zehn mal
größer, als ihr Querschnitt ist. Die Außenwand 3 hat eine
deutlich geringere Wandstärke als die Innenwand 4, beispielsweise
beträgt die Wandstärke der Außenwand 3 1,0 mm und die
Wandstärke der Innenwand 4 1,5 mm. Der Querschnitt der Kühlbereiche
5, 5a liegt im Bereich der Wandstärke der Außenwand
3 und beträgt beispielsweise etwa 1,0 mm. Über die Länge jedes
Kühlbereichs 5, 5a sind eine Mehrzahl, vorzugsweise über
fünf, Wärmeübertragungselemente 7 angeordnet. Von dem Innenraum
21 führt in jeden Kühlbereich 5, 5a ein jeweiliger Einlaß
15 hinein, welcher vorzugsweise als eine Bohrung oder
eine Mehrzahl von Bohrungen ausgebildet, insbesondere gegossen,
ist. Der Einlaß 15 ist im wesentlichen senkrecht zur
Außenwand 3 gerichtet. Hierdurch wird eine zusätzliche Prallkühlung
der Außenwand 3 im Bereich des Einlasses 15 erreicht.
Von jedem Kühlbereich 5, 5a führt ein jeweiliger Auslaß 16 an
die Außenoberfläche der Wandstruktur 2. Im Bereich des Auslasses
16 weist die Außenwand 3 eine Verdickung 14 auf. Die
Kühlkammer 20 ist mithin im Bereich des Auslasses 16 weiter
in Richtung des Innenraumes 21 hineingeführt. Der Auslaß 16
ist vorzugsweise als eine Bohrung 17 ausgeführt. Diese Bohrung
17 weist einen unmittelbar an die Kühlkammer 20 angrenzenden
Drosselbereich 23 mit konstantem Querschnitt auf. An
diesen Drosselbereich 23 schließt sich in Richtung zur Außenoberfläche
der Außenwand 3 ein sich erweiternder Verlangsamungsbereich
24 an. Die Bohrung 17 ist entlang einer Achse 22
gerichtet, die, wie bereits zu den Figuren 1 und 2 erläutert,
gegenüber der Außenwand 3 um einen spitzen Winkel α geneigt
ist. Insbesondere an der Saugseite 11 ist der Auslaß 16 näher
an dem Anströmbereich 8 angeordnet als der der gleichen Kühlkammer
zugeordnete Einlaß 15. Hierdurch wird Kühlluft 6 im
Gegenstrom zur Strömung des Heißgases 18 in der Kühlkammer 20
geführt.
Die Wärmeübertragungselemente 7 sind in Richtung der
Hauptachse 19 vorzugsweise alternierend angeordnet, wodurch
die Kontaktzeit zur Wärmeübertragung zwischen der Kühlluft 6
und dem mit der Außenwand 3 verbundenen Wärmeübertragungselement
7 erhöht wird. Die Wirksamkeit der Kühlung wird noch dadurch
begünstigt, daß die Außenwand 3 mit einer geringen
Wandstärke ausgeführt ist. Weiterhin erfolgt auch eine Kühlung
der nicht unmittelbar dem Heißgas 18 ausgesetzten tragenden
Innenwand 4.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenschaufel mit
einer Wandstruktur aus, bei der eine einem Heißgas aussetzbare
Außenwand eine Verdickung in einen Innenraum hinein aufweist,
durch welche Verdickung ein Auslaß zur Führung von
Kühlluft geführt ist. Durch die Verdickung ist selbst bei einer
äußerst dünnen Außenwand mit einer Wandstärke von insbesondere
etwa 1 mm ein günstiges Längen- zu Durchmesser-Verhältnis
des Auslasses sowie ein flacher Neigungswinkel des
Auslasses gegenüber der Außenwand gewährleistet. Hierdurch
ist eine wirksame Filmkühlung der Außenwand erreichbar.
Claims (15)
- Turbinenschaufel (1), die einen Anströmbereich (8), einen Abströmbereich (9) und dazwischen sich gegenuberliegend eine Druckseite (10) und eine Saugseite (11) sowie eine von einem Fluid (18) umstrombaren Wandstruktur (2) aufweist, wobei die Wandstruktur (2) eine Außenwand (3) umfaßt, die einen Innenraum (21) zur Führung von Kuhlfluid (6) umgibt und einen Auslaß (16) für Kühlfluid (6) aufweist,
wobei die Außenwand (3) an dem Auslaß (16) eine zu dem Innenraum (21) gerichtete Verdickung (14) aufweist, wobei die Außenwand (3) zumindest bereichweise eine mittlere Wandstärke kleiner 2,5 mm aufweist. - Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (16) im wesentlichen entlang einer Achse (22) gerichtet ist, die lokal gegnüber der Außenwand (3) um einen Winkel (α) zwischen 10° und 45°, insbesondere zwischen 25° und 35°, geneigt ist. - Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (16) eine Bohrung (17) mit im wesentlichen konstantem Querschnitt ist. - Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (16) zu dem Innenraum (21) gewandt einen Drosselbereich (23) mit im wesentlichen konstantem Querschnitt aufweist, der in einen Verlangsamungsbereich (24) mit sich erweiterndem Querschnitt übergeht. - Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung (14) als lokale hugelformige Erhohung ausgebildet ist.
- Turbinenschaufel (1) nach 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung (14) zum Auslaß (16) hin abgerundet ist. - Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verdikkung (14) als linienförmige Erhöhung ausgebildet ist. - Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, daß die Außenwand (3) zumindest bereichsweise eine mittlere Wandstärke von etwa 1 mm aufweist.
- Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (16) ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von zwischen 2 und 5, insbesondere 3 bis 4, aufweist.
- Turbinenschaufel (1) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (16) einen minimalen Durchmesser von zwischen 0.3 mm und 1.5 mm, insbesondere etwa zwischen 0.6 mm und 0.7 mm, aufweist.
- Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstruktur (2) eine Innenwand (4) und einen zwischen Innenwand (4) und Außenwand (3) angeordneten Kühlbereich (5) zur Durchströmung mit einem Kühlfluid (6) aufweist, und jeder Kühlbereich (5) einen der Innenwand (4) zugeordneten Einlaß (15) für Kühlfluid (6) aufweist.
- Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kühlbereich (5) von dem Kühlfluid (6) in einer Hauptströmungsrichtung (12) umstrombare Wärmeübertragungselemente (7) hintereinander angeordnet sind, die warmetechnisch mit der Außenwand (3) verbunden sind. - Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß Außenwand (3), Innenwand (4) und Wärmeubertragungselemente (7) durch Gießen in einem Arbeitsschritt hergestellt sind. - Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Laufschaufel (1a) oder eine Leitschaufel (1b) für eine Gasturbine ist.
- Verwendung einer Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Gasturbinenanlage.
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