Gekühlte Turbinenschaufel

Abstract

 Es wird eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Laufrad- und/oder Leitradschaufel einer Axial- und/oder Radialturbine für Gasturbinentriebwerke vorgeschlagen, die in ihren Schaufelblättern (1) einen Durchströmraum (10), insbesondere einen oder mehrere Kühlkanäle (2) für ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, aufweist, bei der innerhalb des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) Elemente (3) zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind und wobei die Elemente (3) zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche einander kreuzen, an ihren Kreuzungsstellen miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen sowie sich zu verschiedenen Wandbereichen des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) erstrecken. Hierbei werden die sich kreuzenden Elemente (3) zur Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen vorzugsweise durch eine oder mehrere in den Durchströmraum (10) bzw. die Kühlkanäle (2) einsetzbare Drahtgewebematte (4) gebildet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- und/oder Leitradschaufel einer Axial-und/oder Radialturbine für Gasturbinentriebwerke, die in ihren Schaufelblättern einen Durchströmraum, insbesondere einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, aufweist, wobei innerhalb des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle Elemente zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind.

[0002] Moderne Gasturbinentriebwerke benötigen zur Verwirklichung optimaler Arbeitsprozeßwirkungsgrade relativ hohe Gastemperaturen (Turbineneintrittstemperaturen). Die mit den vorerwähnten heißen Gasen in Berührung kommenden Bauteile, z. _B. die Leit- und Laufradschaufeln des Gasturbinentriebwerks, sind daher erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt. Im Hinblick auf die Standzeit der Schaufelblätter oder aber auch, um bei einer als gegeben angesehenen Lebensdauer der Turbinenschaufel die Turbineneintrittstemperatur im Hinblick auf die Verbesserung des Arbeitsprozeßwirkungsgrades zu erhöhen, ist es üblich, die Turbinenschaufeln in ihrem Inneren zu kühlen, wobei in den meisten Anwendungsfällen Luft als Kühlmittel herangezogen wird, die vorzugsweise an einer geeigneten Stelle des Verdichters des Gasturbinentriebwerks entnommen und durch innerhalb der Schaufelblätter der Turbinenschaufel vorgesehene Kühlkanäle geleitet wird (Konvektionskühlung).

[0003] Zur Realisierung einer verbesserten inneren Konvektionskühlung sind verschiedene Verfahren bekannt. So kann beispielsweise zur Intensivierung der Kühlung der Wärmeübergang bei gleichen Kühlluftkanalquerschnitten durch eine Erhöhung des Kühlluftmassenstromes verbessert werden. Eine Erhöhung des Kählluftmassenstromes kann allerdings den Arbeitsprozeß des Gasturbinentriebwerks negativ beeinflussen, so daß von diesem verfahren zur Absenkung der _Bauteiltemperatur in den meisten Fällen abgesehen wird.

[0004] Als weitere Möglichkeit zur Verbesserung der inneren _Konvektionskühlung bietet sich eine optimierte Gestaltung oder Anordnung der Kühlkanäle an, um durch eine verbesserte Ausnutzung der Kühlluft bei gleichen Kühlluftmassenströmen die Schaufeltemperatur wirksam zu verringern. So ist es beispielsweise bekannt, durch eine geeignete Querschnittsanpassung der Kühlkanäle hohe Strömungsgechwindigkeiten der Kühlluft zu realisieren oder aber durch Anbringung von zusätzlichen Wärmeaustauschflächen in Form von Kühlrippen, Stiften oder Noppen den Wärmeübergang und die Kühlwirkung neben einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Verwirbelung der Kühlluft an diesen Elementen zur Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen den Wärmeaustausch zu verbessern. Aus der DE-OS 25 26 277 ist eine innengekühlte Turbinenschaufel für Gasturbinenwerke bekannt, bei der innerhalb eines in der Turbinenschaufel vorgesehenen Hohlraumes mehrere treppenartig gestaltete und sich überlappende Einsätze als Kühlluftführungen vorgesehen sind, wobei die Kühlluft nacheinander durch mehrere Einsätze mit dazwischen liegenden _Verwirbelungs-und _Prallflächen geführt wird. Ist durch diese Art der _Ge-staltung der Kühlluftkanäle zwar durchaus eine wesentlich intensivere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlluft möglich, so erfordern jedoch die Vielzahl der treppenartig gestalteten Einsätze und deren Verbindung einen erheblichen Fertigungs- und Bauaufwand, der in den meisten Anwendungsfällen das erreichbare Betriebsergebnis nicht rechtfertigt.

[0005] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch eine verbesserte Gestaltung des Kühlluftdurchströmraumes bzw. der Kühlkanäle die Kühlwirkung des zur Verfügung stehenden Kühlmediums mit möglichst einfachen Mitteln zu optimieren. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Turbinenschaufel der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche einander kreuzen und an ihren Kreuzungsstellen miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen sowie sich zu verschiedenen Wandbereichen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle erstrecken. Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle können auf engstem Raum erhebliche kühlluftseitige Wärmeaustauschflächen zur Verfügung gestellt werden, wobei durch die wärmeleitende Verbindung der sich kreuzenden Elemente und durch die Erstreckung dieser Elemente zu verschiedenen Wandbereichen des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle sowohl eine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung bei gleichen Kühlluftmassenströmen als auch eine wesentliche Vergleichmäßigung der Schaufelblattemperaturen im Gegensatz zu den bekannten Gestaltungen erreichbar sind. Daneben ist durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Gestaltung der Elemente die Kühlung der Turbinenschaufel aufgrund erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten und Verwirbelungen an den Kreuzungsstellen begünstigt.

[0006] Die Elemente können innerhalb des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle als z. B. mehrere sich in Strömungsrichtung der Kühlluft hintereinander angeordnete Wärmeaustauschgitter dargestellt sein, wobei sich jeweils einzelne Elemente zu sich gegenüberliegenden Wandbereichen von Kühlkanälen erstrecken. Diese Wärmeaustauschgitter können daneben oder zusätzlich auch noch durch sich in _Strömungs- richtung der Kühlluft, d. h. im wesentlichen in Längserstreckung des bzw. der Kühlkanäle, miteinander verbunden sein und z. B. in analoger Weise wie bekannte Kühlluftkanäle mit an einzelnen Wandbereichen vorgesehenen Noppen oder Stiften hergestellt sein, so daß auch eine Vergleichmäßigung mit dem im wesentlichen gleichen Fertigungsaufwand über verschiedene Kühlkanalabschnitte erreicht wird.

[0007] Als besonders vorteilhaft sind die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 2 bis 9 hervorzuheben, insbesondere im Hinblick auf einen weit verminderten Fertigungsaufwand für eine wesentlich intensivierte Kühlung. So sind die sich kreuzenden Elemente nach der Weiterbildung nach Anspruch 2 als eine oder mehrere in den _Durchström- raum bzw. die Kühlkanäle einsetzbare Drahtgewebematte bzw. Drahtgewebematten ausgebildet. Derartige Drahtgewebematten können z. B. durch serienmäßig vorhandene Drahtgewebe dargestellt werden, die sowohl im Drahtdurchmesser als auch in der Maschenweite im Gegensatz zu den Querschnittsabmessungen des Durchströmraumes bzw. der KÜhlkanäle sehr geringe Abmessungen aufweisen, wie sie z. B. bei üblichen Filtersieben anzutreffen sind.

[0008] Vorzugsweise sind dabei die einzelnen Drähte der Drahtgewebematte mit den jeweiligen Bereichen der Begrenzungswand . des Durchströmraumes bzw. der Kühlkanäle und auch vorzugsweise an den Kreuzungsstellen miteinander verlötet oder verschweißt. Als wärmeleitende Lötverbindung eignet sich hierzu beispielsweise ein Hartlot (z. B. Degussa-Nickelhartlot 8100 mit einer Löttemperatur von 1420 bis 1470°K).

[0009] Besonders vorteilhaft im Rahmen der Erfindung ist es, wenn eine Drahtgewebematte sich ganz in Längsrichtung eines Kühlkanals bzw. in längeren Abschnitten eines Kühlkanals im wesentlichen wellenförmig erstreckt, indem diese mehrmals gefaltet durch eine wärmeleitende Löt- oder Schweißverbindung der Faltungsbereiche mit der Begrenzungswand verbunden innerhalb der Kühlkanäle vorgesehen ist. Die Lötverbindung der Faltungsbereiche mit der Begrenzungswand ist dabei vorzugsweise so gestaltet, daß auch die sich in Längsrichtung des Kühlkanals erstreckenden Drähte von der wärmeleitenden Lötverbindung des Faltungsbereiches erfaßt sind, um auch die Längsdrähte zur Kühlung und Vergleichmäßigung an diesen Stellen heranzuziehen.

[0010] Durch die im wesentlichen handelsübliche und separat herzustellende Drahtgewebematte ist der Fertigungsaufwand trotz der wesentlich intensiveren Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlluft weit vereinfacht, indem die gießtechnischen Anforderungen bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel (z. B. Entfall von besonderen Kernen für die Elemente) erheblich verringert sind. Bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel kann die Drahtgewebematte in eine sich vom _Durchströmraum bis zu einer Außenfläche erstreckende Öffnung geführt werden und danach durch Lötung oder Schweißung mit der Begrenzungswand der Kühlkanäle verbunden werden. Vor der Faltung der Drahtgewebematte ist diese vorzugsweise in den Faltungsbereichen mit Löt- oder Schweißpunkten zu versehen, wodurch einerseits die Faltung vereinfacht wird und andererseits auch sichergestellt ist, daß die in Strömungsrichtung längs verlaufenden Drähte zur Wärmeübertragung mit herangezogen werden können.

[0011] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel verwiesen. In den Zeichnungen sind nur die zum unmittelbaren Verständnis dargestellten Ausschnitte der innen gekühlten Turbinenschaufel dargestellt. Es zeigen:

_Fig. l ein erstes Ausführungsbeispiel einer innen gekühlten Turbinenschaufel mit axialer Kühlluftführung;

_Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt A der Drahtgewebematte nach dem Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufel der Fig. 1;

_Fig. 3 ausschnittsweise die Drahtgewebematte in Strömungsrichtung der Kühlluft entsprechend der Schnittlinien III-III in Fig. 1;

_Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen _Turbinenschaufel mit radialer Kühlluftführung in einer schematischen Querschnittsdarstellung.

[0012] In den _Fig. l bis 4 sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Allgemein mit 1 ist das Schaufelblatt einer nicht im einzelnen dargestellten Turbinenschaufel einer Radial- oder Axialturbine für Gasturbienentriebwerke bezeichnet. Das Schaufelblatt 1 der Turbinenschaufel weist in dem Ausführungsbeispiel nach _Fig. l Kühlkanäle 2 auf, die von an geeigneter Stelle des nicht gezeigten Verdichters des Gasturbinentriebwerks entnommener Kühlluft in axialer Richtung der Radial- bzw. Axialturbine durchströmt werden (Pfeile 2a). Innerhalb der Kühlkanäle 2 sind die erfindungsgemäß gestalteten sich kreuzenden Elemente 3 zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche angeordnet. Die sich kreuzenden Elemente 3 bestehen .aus einzelnen Drähten einer in der Gesamtheit mit 4 bezeichneten Drahtgewebematte, die mit mehreren _Faltungsbe- reichen 5 sich im wesentlichen wellenartig in _Strömungs- richtung 2a der Kühlluft erstreckt.

[0013] Der vergrößerte Ausschnitt A der Drahtgewebematte 4 des Ausführungsbeispiels der Turbinenschaufel nach Fig. l (_Fig. 2) und die Ansicht in Strömungsrichtung entsprechend der Schnittlinie III-III der Fig. 1 (Fig. 3) verdeutlichen die Gestaltung und Anordnung der Drahtgewebematte 4 innerhalb der Kühlluftkanäle 2. Die Drahtgewebematte 4 erstreckt sich einstückig im wesentlichen wellenartig innerhalb der Kühlkanäle 2 und durchsetzt quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft vollständig die Kühlkanäle 2. Die quer zur Strömungsrichtung 2a der Kühlluft verlaufenden Drähte 3 sind jeweils zur besseren Wärmeleitung mit den wellenartig in Längsrichtung der Kühlkanäle 2 verlaufenden Längsdrähten verbunden. Die Drahtgewebematte 4 ist mit gegenüberliegenden Begrenzungswänden 6 durch eine wärmeleitende Lötverbindung 9 verbunden.

[0014] In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Drahtgewebematte in analoger Weise gestaltet wie in den Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit in Strömungsrichtung der Kühlluft sich wellenartig erstreckenden Verlauf, in diesem Ausführungsbeispiel die Drahtgewebematte 4, über die gesamte Länge des im wesentlichen radial gerichteten Kühlluftkanals der _Turbinenschaufel (Durchströmraum 10) erstreckt.

Ansprüche

1. Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- und/oder _Leit- radschaufel einer Axial- und/oder Radialturbine für Gasturbinentriebwerke, die in ihren Schaufelblättern (1) einen _Durchströmraum (10), insbesondere einen oder mehrere Kühlkanäle (2) für ein KÜhlmedium, vorzugsweise Kühlluft, aufweist, wobei innerhalb des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) Elemente (3) zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (3) zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche einander kreuzen und an ihren Kreuzungsstellen miteinander in wärmeleitender Verbindung stehen sowie sich zu verschiedenen Wandbereichen (6) des _Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) erstrecken.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die sich kreuzenden Elemente (3) als eine oder mehrere in den _Durchströmraum (10) bzw. die Kühlkanäle (2) einsetzbare Drahtgewebematte (4) bzw. -matten ausgebildet sind.

3. _Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die sich kreuzenden Elemente (3) im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung (2a) des Kühlmediums ausgerichtet sind.

4. Turbinenschaufel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die sich kreuzenden Elemente (3) bzw. die Drahtgewebematte (4) an ihren Endbereichen (7) mit der Begrenzungswand (6) des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) verlötet oder verschweißt sind.

5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Drahtdurchmesser und die Maschenweite der Drahtgewebematte (4) im Verhältnis zur Breite des _Durchström- raumes (10) bzw. im Verhältnis zum Durchmesser der Kühlkanäle (2) sehr geringe Abmessungen aufweist.

6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drahtgewebematte (4) sich in Strömungsrichtung (2a) des Kühlmediums mehrmals gefaltet im wesentlichen wellenförmig erstreckt.

7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Faltungsbereiche (5) der Drahtgewebematte (4) mit der Begrenzungswand (6) des Durchströmraumes (10) bzw. der Kühlkanäle (2) verlötet der verschweißt sind.

3. _Turbinenschaufel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß in Faltungsbereichen (8) der Drahtgewebematte (4) sich kreuzende Drähte (3) mit einer wärmeleitenden Löt- oder Schweißverbindung (9) versehen sind.

9. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche ₂ bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaufelblätter einen sich vom Durchströmraum (10) bis zu einer Außenfläche erstreckende Öffnung zur _Einfüh- rung der Drahtgewebematte (4) aufweisen, die nach _Anbrin- gung der Drahtgewebematte (4) verlötet ist.

Zeichnung