[0001] Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenschaufel, welche aufeinanderfolgend
einen Schaufelfuß, einen Plattformbereich und ein hohles Schaufelblatt zur Aufnahme
eines blechförmigen Prallkühleinsatzes umfasst, welcher zumindest zwei sich in einem
Überlappungsbereich überlappende, aneinanderliegende Abschnitte aufweist. Ferner betrifft
die Erfindung eine Gasturbine gemäß Anspruch 6.
[0002] Aus der JP 2001-14 06 02-A ist eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit blechförmigen
Prallkühleinsätzen bekannt.
Ein im Bereich der Schaufelhinterkante der Turbinenschaufel angeordneter, im Querschnitt
dreieckförmiger Prallkühleinsatz ist zur inneren Oberfläche der Außenwand beabstandet
und mit Prallkühlöffnungen versehen. Beim Betrieb der Gasturbine wird der vom Prallkühleinsatz
umschlossene Hohlraum mit Kühlluft gespeist, welche anschließend durch die Prallkühlöffnungen
austritt und auf die innere Oberfläche der außen heiß umströmten Außenwand trifft,
um diese zu kühlen.
[0003] Ferner ist bekannt, dass Prallkühleinsätze aus zwei separaten Teilen bestehen, die
nacheinander in den Hohlraum einer Turbinenschaufel eingeschoben werden. Das erste
Teil ist an der radial inneren Plattform und das zweite Teil an der radial äußeren
Plattform gasdicht fixiert, um Verluste im Einspeisebereich zu vermeiden. Die beiden
Teile liegen dabei in einem sich überlappenden ebenen Schiebesitz aneinander an, um
beim Betrieb der Gasturbine eine Relativbewegung zu ermöglichen.
[0004] Beim Kaltstart oder beim transienten Betrieb der Gasturbine treten unterschiedliche
thermische Dehnungen in der Gasturbinenschaufel auf, insbesondere bei der heiß umströmten
Außenwand und bei dem kühleren noch nicht vollständig bzw. ungleichmäßig erwärmten
Prallkühleinsatz. Diese, besonders in Richtung der Schaufelachse auftretenden Dehnungen
können den Überlappungsbereich bzw. den Schiebesitz mechanisch entlasten und so einen
unerwünschten Spalt zwischen den beiden aneinanderliegenden Abschnitten des Prallkühlelementes
ermöglichen, durch den Kühlluft aus dem innern des Prallkühleinsatzes ungenutzt als
Leckage entweichen kann.
[0005] Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe einer Turbinenschaufel, welche Kühlmedium
einspart. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung hierzu eine entsprechend verbesserte
Gasturbine anzugeben.
[0006] Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs
1 und die auf die Gasturbine gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 6
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0007] Die Lösung der auf die Turbinenschaufel gerichteten Aufgabe schlägt vor, dass zum
Abdichten des Überlappungsbereichs die beiden Abschnitte im Querschnitt wellenförmig
ausgebildet sind. Die Lösung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass durch die wellenförmige
Überlappung der beiden Abschnitte die zwischen ihnen gebildete Überlappungsfläche
vergrößert und gezielt ein Kontaktbereich geschaffen wird, an dem die beiden Abschnitte
dichtend aneinander anliegen.
[0008] Die Wellenform weist dabei zwischen einem Wellental und einem Wellenberg eine ansteigende
Flanke und zwischen einem Wellenberg und einem Wellental eine abfallende Flanke auf.
Die von den Wellentälern und von den Wellenbergen gebildete Wellenform der beiden
sich überlappenden Abschnitte verlaufen annähernd parallel, so dass zwischen benachbarten
ansteigenden Flanken und/oder zwischen benachbarten abfallenden Flanken jeweils Kontaktflächen
gebildet werden, welche die Leckageströmung verhindern. Dies führt zu einer Einsparung
von Kühlmedium. Darüber hinaus führt die Verwendung einer solchen Turbinenschaufel
in einer Gasturbine beim Betrieb zu einer Wirkungsgradsteigerung.
Weiter ist eine mechanische Beweglichkeit der beiden dicht aneinanderliegenden Abschnitte
gegeben, die zur Kompensation der thermischen Materialdehnung beim Kaltstart bzw.
beim transienten Betrieb der Gasturbine erforderlich sind.
[0009] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weicht die Frequenz und/oder die Amplitude
der Wellenform des ersten Elementes von der zweiten Frequenz bzw. Amplitude der Wellenform
des zweiten Elementes ab. Hierdurch wird sicher vermieden, dass die Wellenform der
beiden Abschnitte im Überlappungsbereich einen parallel dazu verlaufenden, mäanderförmigen
Spalt bilden. Folglich wird zwingend eine zwischen zwei ansteigenden oder abfallenden
Flanken liegende Kontaktfläche erzeugt, die trotz der unterschiedlichen thermischen
Materialdehnungen oder eines Verschiebens gegeneinander wegen der in der Kontaktfläche
wirksamen Dichtkraft einen besonders dichten Überlappungsbereich gewährleistet. Besonders
beim Anfahren der Gasturbine, bei bereits heißer Turbinenschaufelaußenwand und noch
vergleichsweise kühlem Prallkühleinsatz, können somit die Überlappungsbereiche sicher
abgedichtet werden.
[0010] Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der sich die Frequenz (und/oder
Amplitude) der Wellenform des ersten Elementes in einer Größenordnung von max. ±6%
sich von der Frequenz (und/oder Amplitude) der Wellenform des zweiten Elementes unterscheidet.
Die Frequenzen und die Amplituden sind dabei so zu wählen, dass die wärmebedingten
Materialdehnungen der Elemente keine gegenseitige mechanische Behinderung hervorrufen
und somit eine sichere Dichtwirkung gewährleisten. Ferner sind die Parameter der Wellenform
auf das Material des Prallkühleinsatzes abgestimmt.
[0011] Der für den Überlappungsbereich benötigte Bauraum kann besonders platzsparend sein,
wenn der Überlappungsbereich im Querschnitt nicht mehr als fünf Schwingungsperioden
aufweist.
[0012] Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist der Prallkühleinsatz mehrteilig
ausgebildet. Somit können die den Prallkühleinsatz bildenden Teile von einer oben
offenen Schaufelspitze ausgehend in das hohle Schaufelblatt nacheinander eingeschoben
werden. Danach liegen die Abschnitte der einzelnen Teile jeweils in einem Überlappungsbereich
aneinander, der auch als Schiebesitz bezeichnet wird. Eine besonders einfache Verschiebung
ist gewährleistet, da die Verschieberichtung des Prallkühleinsatzes senkrecht zur
Ausbreitung der Welle verläuft.
[0013] Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel mit einem Prallkühleinsatz,
- Fig. 2
- die Detailansicht eines Überlappungsbereichs des Prallkühleinsatzes der Turbinenschaufel
gemäß Fig. 1 und
- Fig. 3
- die Detailansicht eines alternativen Überlappungsbereichs des Prallkühleinsatzes der
Turbinenschaufel gemäß Fig. 1.
[0014] Gasturbinen und deren Arbeitsweisen sind allgemein bekannt. Fig. 1 zeigt eine perspektivische
Ansicht einer erfindungsgemäße Turbinenschaufel 1 mit einem Plattformbereich 2 und
mit einem sich entlang einer Schaufelachse 2a erstreckenden Schaufelblatt 2b. Das
Schaufelblatt 2b weist zumindest einen Hohlraum 3 auf, in dem ein Prallkühleinsatz
5 vorgesehen ist. Ferner weist das Schaufelblatt 2b eine von einem Heißgas 7 der Gasturbine
anströmbare Schaufelvorderkante 9 auf, von der aus sich eine Saugseitenwand 11 und
eine Druckseitenwand 13 zu einer Schaufelhinterkante 15 erstreckt. Die Turbinenschaufel
1 kann sowohl eine Leitschaufel als auch eine Laufschaufel sein.
[0015] Die inneren Oberflächen 19 der Seitenwände 11, 13 umschließen den Hohlraum 3. Unter
Bildung eines Zwischenraums 22 ist die Oberfläche 19 vom Prallkühleinsatz 5 mittels
mehrerer rippe-oder kreisförmiger Abstandselemente 21 beabstandet. Der im Inneren
der Prallkühleinsätze 5 umschlossene Kühlmittelkanal 23 ist von einem Kühlmedium durchströmbar.
Die Prallkühleinsätze 5 weisen ferner Prallkühlöffnungen 25 auf, durch welche das
im Kühlmittelkanal 23 strömende Kühlmedium strömen und danach senkrecht auf die Oberflächen
19 der Seitenwände 11, 13 prallen kann, um diese zu kühlen.
[0016] Der Prallkühleinsatz 27 ist in Richtung der Schaufelachse 2a gesehen dabei aus zwei
separaten Teilen 29, 31 gebildet, welche sich jeweils mit einem Abschnitt 30, 32 in
einem Überlappungsbereich 33, 35 aneinanderliegend überlappen. Der Überlappungsbereich
33, 35 liegt dabei außerhalb der mittleren Schaufelblatthöhe.
[0017] Der in der Fig. 1 dargestellte untere Teil 31 des Prallkühleinsatzes ist an der unteren
Plattform und der obere Teil 29 an einer nicht dargestellten oberen Plattform im Anschlussbereich
gasdicht zur Vermeidung von Leckagen fixiert.
[0018] Da beim Betrieb des Gasturbine sich das heiße Schaufelblatt 2b in Richtung der Schaufelachse
2a mehr dehnt als der kühle Prallkühleinsatz 27, ist eine entlang der Schaufelachse
2a gerichtete Beweglichkeit der beiden fixierten Teile 29, 31 im Überlappungsbereich
33, 35 notwendig.
[0019] Fig. 2 und Fig. 3 zeigen jeweils eine alternative Ausgestaltung des Überlappungsbereichs
33, 35 in einer Detailansicht.
[0020] Der Prallkühleinsatz 5 ist von der inneren Oberfläche 19 unter Bildung des Zwischenraumes
22 beabstandet. Beim Betrieb der Gasturbine wird die Saugseitenwand 11 von dem Heißgas
7 umströmt. Zur Kühlung der Saugseitenwand 11 strömt aus dem Kühlmittelkanal 23 das
Kühlmedium 36 durch die Prallkühlöffnungen 25 hindurch und prallt kühlend auf die
innere Oberfläche 19.
[0021] In Fig. 2 sind die beiden Abschnitte 30, 32 mit einer identischen Wellenform ausgebildet,
d.h. die Wellenformen der beiden Abschnitte 30, 32 der Teile 29, 31 weisen eine identische
Frequenz f und eine identische Amplitude A auf. Durch den mäanderförmigen Spalt 37
zwischen den beiden Abschnitten 30, 32 kann eine durch Verwirbelungen verminderte
Leckage strömen, verglichen mit einer Leckage bei einem ebenen Überlappungsbereich
nach dem Stand der Technik. Bei einer in Bezug auf Fig. 2 nach links oder rechts zueinander,
also entlang der Schaufelachse 2a, verschobenen Position der Abschnitte 30, 32 können
die ansteigenden Flanken 39 oder die abfallenden Flanken 40 der benachbarten Abschnitte
30, 32 unter Bildung einer Kontaktfläche aber auch dicht aneinander anliegen. Eine
Verschiebung der beiden Teile 29, 31 senkrecht dazu ist aufgrund der vorgegebenen
Geometrie des Schaufelblattes 2b und des Prallkühleinsatzes 5 nicht möglich.
[0022] Fig. 3 zeigt den Überlappungsbereich 33 mit den beiden gegenüberliegenden Abschnitten
30, 32, welche eine unterschiedliche Frequenz f und eine unterschiedliche Amplitude
A aufweisen. Hierdurch ist zwischen den beiden Abschnitten 30, 32 ein Spiel in Richtung
des Pfeils 41, also parallel zur Schaufelachse 2a, möglich, ohne das die Dichtwirkung
des Überlappungsbereiches 33 abnimmt. Unabhängig von den thermischen Dehnungen des
Prallkühleinsatzes 5 liegen die ansteigenden Flanken 39 bzw. abfallenden Flanken 40
der Wellenform zumindest einer Periode der beiden Abschnitte 30, 32 dichtend aneinander
an, so dass jederzeit eine zur Schaufelachse 2a parallel verlaufende Kontaktfläche
43 vorhanden ist.
[0023] Bei auftretenden Materialdehnungen bzw. Verschiebungen der Abschnitte 30, 32 gegeneinander
verlagert sich die Kontaktfläche 43 innerhalb des Überlappungsbereichs 33, 35 von
einer Periode zu einer benachbarten Periode. Daher ist zweckmäßigerweise eine Mindestanzahl
von zwei Perioden im Überlappungsbereich 33, 35 vorgesehen, um eine besonders sichere
Abdichtung des Kühlmittelkanals 23 gegenüber dem Zwischenraum 22 zu erzielen.
[0024] Je nach Anforderung können zur gleichmäßigeren Kühlung der Seitenwände 11, 13 auch
im Überlappungsbereich 33, 35 Prallkühlöffnungen 25 vorgesehen sein, insbesondere
im Bereich der Wellentäler oder Wellenberge der Abschnitte 30, 32.
[0025] Die Wellenform ist nicht zwingend sinusförmig. Eine gleiche Wirkung ist auch mit
einer Wellenform bestehend aus aufeinanderfolgenden Halbkreisen oder Halbellipsen
erzielbar. Darüber hinaus ist eine Dreiecksform, eine Sägezahnform oder eine Rechteckform
ebenfalls denkbar.
[0026] Durch die verbesserte Dichtwirkung des Prallkühleinsatzes 5 im Vergleich zu den ebenen
Anlageflächen aus dem Stand der Technik kann eine Kühllufteinsparung erzielt werden,
die bei einer Verwendung der Turbinenschaufel in einer Gasturbine zu einer Wirkungsgradsteigerung
führt. Gleichfalls ist die erfindungsgemäße wellenförmige Überlappung auf jedes prallgekühlte
Bauteil einer Gasturbine mit einem Prallkühlblech, z. B. auf einen der Laufschaufel
außen gegenüberliegenden Führungsring oder auf ein Brennkammerhitzeschild, übertragbar.
1. Turbinenschaufel (1), insbesondere Leitschaufel für eine Gasturbine,
welche aufeinanderfolgend einen Schaufelfuß, einen Plattformbereich (2) und ein hohles
Schaufelblatt (2b) zur Aufnahme eines blechförmigen Prallkühleinsatzes (5, 27) umfasst,
welcher zumindest zwei sich in einem Überlappungsbereich (33, 35) überlappende, aneinanderliegende
Abschnitte (30, 32) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Abdichten des Überlappungsbereichs (33, 35) die beiden Abschnitte (30, 32) im
Überlappungsbereich (33, 35) im Querschnitt wellenförmig ausgebildet sind.
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenz (f) und/oder die Amplitude (A) der Wellenform des ersten Abschnitts
(30) von der Frequenz (f) und/oder Amplitude (A) der Wellenform des zweiten Abschnitts
(32) abweicht.
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenz (f) und/oder Amplitude (A) der Wellenform des ersten Abschnitts (30)
in einer Großenordnung von ±6% sich von der Frequenz (f) und/oder Amplitude (A) der
Wellenform des zweiten Abschnitts (32) unterscheidet.
4. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Überlappungsbereich (33, 35) nicht mehr als 5 Schwingungsperioden aufweist.
5. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Prallkühleinsatz (5) mehrteilig ausgebildet ist.
6. Gasturbine mit einer Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.