[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine, umfassend
eine Schaufelplattform und ein von der Schaufelplattform abragendes Schaufelblatt
mit einer Umfangswandung, die eine anströmseitige Vorderkante, eine abströmseitige
Hinterkante, einen druckseitigen Wandungsabschnitt sowie einen saugseitigen Wandungsabschnitt
aufweist und einen Hohlraum definiert, der sich zumindest entlang der Vorderkante
erstreckt, wobei im Bereich der Vorderkante zu deren Kühlung eine Mehrzahl von den
Hohlraum mit der Außenseite des Schaufelblattes verbindenden und beabstandet zueinander
angeordneten Kühlbohrungen vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Bohrungsreihen bilden,
die sich jeweils in einer Umfangsrichtung des Schaufelblattes erstrecken und zwischen
der Schaufelplattform und dem gegenüberliegenden Ende des Schaufelblattes in einer
Längsrichtung der Vorderkante übereinander angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung
eine Gasturbine mit solchen Turbinenschaufeln.
[0002] Derartige Turbinenschaufeln sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungen
bekannt und dienen in Strömungsmaschinen dazu, die thermische und kinetische Energie
eines Arbeitsfluides, insbesondere eines Heißgases, in Rotationsenergie umzuwandeln.
Üblicherweise umfasst eine solche Turbinenschaufel eine Schaufelplattform und ein
Schaufelblatt, das von der Schaufelplattform abragt. Das Schaufelblatt weist eine
Umfangswandung auf, die eine anströmseitige Vorderkante, eine abströmseitige Hinterkante,
einen druckseitigen Wandungsabschnitt sowie ein saugseitigen Wandungsabschnitt umfasst
und in ihrem Inneren einen Hohlraum definiert, der sich entlang der Vorderkante erstreckt.
[0003] Gasturbinen umfassen ein Gehäuse, durch das sich in einer axialen Richtung ein ringförmiger
Strömungskanal erstreckt. In dem Strömungskanal ist eine Mehrzahl von Turbinenstufen
in der axialen Richtung hintereinander und beabstandet zueinander angeordnet. Jede
Turbinenstufe umfasst eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln, die einen mit dem Gehäuse
verbundenen Leitschaufelkranz (Stator) und einen mit einem zentral gelagerten und
das Gehäuse in der axialen Richtung durchsetzenden Läufer verbundenen Laufschaufelkranz
(Rotor) bilden.
[0004] Während des Betriebs der Gasturbine wird der Strömungskanal von einem expandierenden
Heißgas durchströmt. Das den Strömungskanal durchströmende Heißgas wird von den Leitschaufeln
derart umgelenkt, dass es die dahinter angeordneten Laufschaufeln optimal anströmt.
Das von dem Heißgas mittels der Laufschaufeln erzeugte Drehmoment versetzt den Läufer
in Rotation. Die Rotationsenergie des Läufers kann dann beispielsweise mittels eines
Generators in elektrische Energie umgewandelt werden.
[0005] Der thermodynamische Wirkungsgrad einer Gasturbine ist desto höher, je höher die
Eintrittstemperatur des Heißgases in die Gasturbine ist. Jedoch sind der Höhe der
Eintrittstemperatur unter anderem durch die thermische Belastbarkeit der Turbinenschaufeln
Grenzen gesetzt. Dementsprechend besteht eine Zielsetzung darin, Turbinenschaufeln
zu schaffen, die auch bei sehr hohen Eintrittstemperaturen des Heißgases eine für
den Betrieb der Gasturbine ausreichende mechanische Beständigkeit besitzen.
[0006] Zum mechanischen Schutz und zur Wärmedämmung werden Turbinenschaufeln gewöhnlich
mit aufwendigen Beschichtungssystemen versehen. Eine weitere Erhöhung der zulässigen
Eintrittstemperatur des Heißgases während des Betriebs der Gasturbine lässt sich durch
Kühlen der Turbinenschaufeln erreichen. Dazu sind in den Schaufelblättern Hohlräume
vorgesehen, durch die ein Kühlfluid geleitet wird.
[0007] Während des Betriebs der Gasturbine strömt das Kühlfluid durch den Hohlraum des Schaufelblattes,
um dieses beispielsweise durch Prallkühlung, bei der das Kühlfluid derart geführt
wird, dass es von innen auf die Umfangswandung des Schaufelblattes prallt, und/oder
durch Filmkühlung zu kühlen, bei der das Kühlfluid durch in der Umfangswandung des
Schaufelblattes vorgesehene Kühlbohrungen aus dem Hohlraum auf die Außenseite des
Schaufelblatts strömt und dort einen äußeren Kühlfilm bildet.
[0008] Die anströmseitige Vorderkante des Schaufelblatts ist einer besonders hohen thermischen
Belastung durch das anströmende Heißgas ausgesetzt. Um diesem Umstand Rechnung zu
tragen, ist im Bereich der Vorderkante der Turbinenschaufel zu deren Kühlung eine
Mehrzahl von Kühlbohrungen (shower head design) vorgesehen, die den Hohlraum im Inneren
des Schaufelblattes mit seiner Außenseite verbinden und beabstandet zueinander angeordnet
sind. Die Kühlbohrungen bilden dabei eine Mehrzahl von Bohrungsreihen, die sich jeweils
in einer Umfangsrichtung des Schaufelblattes erstrecken und zwischen der Schaufelplattform
und dem gegenüberliegenden Ende des Schaufelblattes in einer Längsrichtung der Vorderkante
übereinander angeordnet sind. Beispielsweise kann jede Bohrungsreihe drei Kühlbohrungen
aufweisen, wie es beispielhaft in Figur 5 gezeigt ist.
[0009] Untersuchungen haben ergeben, dass die Heißgasströmung an einem Punkt der Vorderkante
der Turbinenschaufel einen sogenannten Staupunkt (stagnation point) ausbildet, an
dem die Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases zumindest nahezu vollständig verschwindet.
Entsprechend ist die thermische Belastung der Vorderkante der Turbinenschaufel an
dem Staupunkt besonders hoch. Die Position dieses Staupunktes bezogen auf die Längsrichtung
der Vorderkante der Turbinenschaufel variiert allerdings mit dem jeweils aktuellen
Betriebspunkt der Strömungsmaschine. Entsprechend kann der Staupunkt während des Betriebs
der Gasturbine entlang der Vorderkante des Schaufelblatts in deren Längsrichtung wandern.
[0010] Vor diesem Hintergrund kann es bei der gebräuchlichen und in Figur 5 dargestellten
Anordnung von Kühlbohrungen im Bereich der Vorderkante der Turbinenschaufel zu einer
ineffizienten Kühlung sowie bedingt durch einen großen Temperaturgradienten in bestimmten
Bereichen zu Materialspannungen insbesondere zwischen einem an der Außenseite der
Umfangswandung vorgesehenen Beschichtungssystem und der Umfangswandung kommen.
[0011] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine effiziente
Kühlung der Vorderkante des Schaufelblatts ermöglicht und geringe Materialspannungen
im Bereich der Vorderkante des Schaufelblattes bewirkt.
[0012] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschaufel der eingangs genannten
Art gelöst, bei der in einem bezogen auf die Längsrichtung mittleren Vorderkantenabschnitt
die Bohrungsreihen eine größere Anzahl von Kühlbohrungen aufweisen als in einem unteren
Vorderkantenbereich und/oder in einem oberen Vorderkantenabschnitt.
[0013] Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Anzahl von Kühlbohrungen je Bohrungsreihe
- in der Längsrichtung der Vorderkante betrachtet - entsprechend der tatsächlichen
thermischen Belastung durch den während des Betriebs der Strömungsmaschine wandernden
Staupunkt variabel zu wählen. Dazu weisen in einem mittleren, durch den Staupunkt
thermisch stärker belasteten Vorderkantenabschnitt die Bohrungsreihen eine größere
Anzahl von Kühlbohrungen auf als in einem äußeren unteren und/oder oberen Vorderkantenabschnitt.
Auf diese Weise ist die Gesamtzahl der Kühlbohrungen im Bereich der Vorderkante reduziert,
was einerseits mit einem geringen Kühlfluidverbrauch einhergeht. Andererseits ist
zumindest ein thermisch wenig belasteter äußerer Vorderkantenabschnitt geringer gekühlt
als der mittlere Vorderkantenabschnitt, wodurch sich bezogen auf die Längsrichtung
der Vorderkante der Turbinenschaufel der Temperaturgradient entsprechend verkleinert.
Ein kleiner Temperaturgradient kann die Materialspannungen im Bereich der Vorderkante,
insbesondere Spannungen zwischen einem an der Außenseite der Umfangswandung vorgesehenen
Beschichtungssystem und der Umfangswandung des Schaufelblattes verringern und somit
die Lebensdauer der Turbinenschaufel erhöhen. Abgesehen davon führt eine geringe Anzahl
von Kühlbohrungen zu entsprechend geringen Herstellungskosten der Turbinenschaufel.
[0014] Bevorzugt weisen die Bohrungsreihen in dem mittleren Vorderkantenabschnitt jeweils
drei Kühlbohrungen auf. Dies entspricht in dem mittleren Vorderkantenabschnitt einer
herkömmlichen Kühlbohrungsanordnung (shower head design).
[0015] Besonders bevorzugt weisen die Bohrungsreihen in dem unteren Vorderkantenabschnitt
und/oder in dem oberen Vorderkantenabschnitt jeweils zwei Kühlbohrungen auf. Gegenüber
der herkömmlichen Kühlbohrungsanordnung in den äußeren Vorderkantenabschnitten sind
in diesen somit weniger Kühlbohrungen vorgesehen, wodurch der Kühlfluidverbrauch reduziert
werden und der Temperaturgradient bezogen auf die Längsrichtung der Vorderkante verringert
sein kann.
[0016] Gemäß einer Ausgestaltung liegt - in der Längsrichtung betrachtet - die Länge des
unteren Vorderkantenabschnittes und/oder des oberen Vorderkantenabschnittes jeweils
im Bereich von 20% bis 40% der Gesamtlänge der Vorderkante und beträgt bevorzugt etwa
30%. Entsprechend liegt dabei - in der Längsrichtung betrachtet - die Länge des mittleren
Vorderkantenabschnitts im Bereich von 20% bis 60% der Gesamtlänge der Vorderkante
und beträgt bevorzugt etwa 40%. Mit anderen Worten werden über eine Länge von zwischen
40% und 80% der Gesamtlänge der Vorderkante weniger Kühlbohrungen je Bohrungsreihe
vorgesehen.
[0017] Alternativ oder zusätzlich kann die Anzahl der Bohrungsreihen in dem mittleren Vorderkantenabschnitt
größer sein als die Anzahl der Bohrungsreihen in dem unteren Vorderkantenabschnitt
und/oder in dem oberen Vorderkantenabschnitt. Dieses Anzahlverhältnis stellt sich
bei dem oben genannten Längenverhältnis zwischen wenigstens einem äußeren Vorderkantenabschnitt
und dem mittleren Vorderkantenabschnitt ein, wenn die Bohrungsreihen in der Längsrichtung
der Vorderkante über deren gesamter Länge äquidistant ausgebildet sind.
[0018] Gemäß einer Weiterentwicklung kann - in der Längsrichtung betrachtet - der Abstand
zwischen benachbart angeordneten Bohrungsreihen im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen
und bevorzugt 3 mm betragen. Auf diese Weise kann an der Vorderkante der Turbinenschaufel
ein ausreichender Kühlfilm erzeugt werden.
[0019] Gemäß einer Variante nimmt in dem unteren Vorderkantenabschnitt und/oder in dem oberen
Vorderkantenabschnitt der Abstand zwischen benachbart angeordneten Bohrungsreihen
- in der Längsrichtung betrachtet - nach außen hin zu. Dies geht mit einer weiteren
Reduzierung der Bohrungsreihen einher und verringert entsprechend den Kühlfluidverbrauch
stärker.
[0020] Bevorzugt liegt innerhalb einer Bohrungsreihe der Abstand zwischen benachbart angeordneten
Kühlbohrungen im Bereich von 1 mm bis 5 mm und beträgt bevorzugt 3 mm. Derartige Abstände
zwischen den Kühlbohrungen einer Bohrungsreihe sind zum Erzeugen eines ausreichenden
Kühlfilms an der Vorderkante des Schaufelblattes förderlich.
[0021] Gemäß einer Variante kann die Turbinenschaufel als eine Leitschaufel ausgebildet
sein. Alternativ kann die Turbinenschaufel als eine Laufschaufel ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäß verbesserte Kühlbohrungsanordnung an der Vorderkante des Schaufelblatts
eignet sich gleichermaßen für Leit- und Laufschaufeln, insbesondere auch Leitschaufeln
mit zwei Schaufelplattformen, die an den gegenüberliegenden äußeren Enden des Schaufelblattes
angeordnet sind.
[0022] Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmaschine, umfassend wenigstens
zwei in einer Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Turbinenstufen, wobei jede
Turbinenstufe einen aus einer Mehrzahl von Leitschaufeln gebildeten Leitschaufelkranz
und einen dahinter angeordneten, aus einer Mehrzahl von Laufschaufeln gebildeten Laufschaufelkranz
umfasst, wobei die Leitschaufeln und/oder die Laufschaufeln erfindungsgemäße Turbinenschaufeln
sind. Strömungsmaschinen mit erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln weisen einen relativ
geringen Kühlfluidverbrauch auf und ermöglichen längere Wartungsintervalle, was mit
geringeren Stillstandzeiten und somit einer höheren Wirtschaftlichkeit einhergeht.
[0023] Bevorzugt liegt bei Turbinenschaufeln der ersten Turbinenstufe - in der Längsrichtung
betrachtet - die Länge der unteren Vorderkantenabschnitte und/oder der oberen Vorderkantenabschnitte
im Bereich von 25% bis 35% der Gesamtlänge der Vorderkante und beträgt bevorzugt 30%.
[0024] Gemäß einer Weiterentwicklung ist bei Turbinenschaufeln einer hinteren Turbinenstufe
- in der Längsrichtung betrachtet -das Verhältnis der Länge des unteren Vorderkantenabschnitts
und/oder des oberen Vorderkantenabschnitts zur Länge des mittleren Vorderkantenabschnitts
größer als bei Turbinenschaufeln einer vorderen Turbinenstufe. Damit kann dem Umstand
Rechnung getragen werden, dass der Vorderkantenabschnitt, in dem der Staupunkt wandert,
in hinteren Turbinenstufen bezogen auf die Längsrichtung kürzer ist, als in vorderen
Turbinenstufen.
[0025] Bei Turbinenschaufeln der zweiten Turbinenstufe kann - in der Längsrichtung betrachtet
- die Länge des unteren Vorderkantenabschnitts und/oder des oberen Vorderkantenabschnitts
im Bereich vom 30% bis 40% der Gesamtlänge der Vorderkante liegen und bevorzugt 35%
betragen. Dies geht mit einer Reduzierung der Länge des mittleren Vorderkantenabschnitts
der Turbinenschaufeln der zweiten Turbinenstufe um bis zu 10 Prozentpunkte gegenüber
der ersten Turbinenstufe einher, wodurch der Gesamtverbrauch an Kühlfluid der Strömungsmaschine
weiter verringert wird.
[0026] Weitere Merkmale und Vorteile werden anhand von drei beispielhaften Ausführungsformen
einer Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
sowie einer Ausführungsform einer Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- Figur 1
- eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
- Figur 2
- eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
- Figur 3
- eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
- Figur 4
- eine teilweise Querschnittsansicht einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
- Figur 5
- eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäß dem Stand der Technik.
[0027] Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei bevorzugte Ausführungsformen einer Turbinenschaufel
für eine Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, die vorliegend als eine
Leitschaufel für eine Gasturbine ausgebildet ist.
[0028] Die Figur 1 zeigt eine Turbinenschaufel 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Die Turbinenschaufel 1 umfasst eine Schaufelplattform 2, ein
Schaufelblatt 3, das von der Schaufelplattform 2 abragt und einen Schaufelfuß 4, der
gegenüberliegend zu dem Schaufelblatt 3 von der Schaufelplattform 2 vorsteht.
[0029] Das Schaufelblatt 3 weist eine Umfangswandung 5 mit einer bezogen auf eine Strömungsrichtung
S einer Strömungsmaschine anströmseitigen Vorderkante 6, einer abströmseitigen Hinterkante
7, einem druckseitigen Wandungsabschnitt 8 und einem saugseitigen Wandungsabschnitt
9 auf. Ferner definiert die Umfangswandung 5 im Inneren des Schaufelblattes 3 einen
in den Figuren nicht sichtbaren Hohlraum, der sich ausgehend von der Schaufelplattform
2 entlang der Vorderkante 6 erstreckt.
[0030] Im Bereich der Vorderkante 6 ist zu deren Kühlung eine Mehrzahl von Kühlbohrungen
10 vorgesehen, die den Hohlraum mit der Außenseite des Schaufelblattes 3 verbinden
und beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Kühlbohrungen 10 bilden eine Vielzahl
von Bohrungsreihen 11, die sich jeweils in einer Umfangsrichtung U des Schaufelblattes
3 erstrecken. Die Bohrungsreihen 11 sind zwischen der Schaufelplattform 2 und dem
gegenüberliegenden Ende des Schaufelblattes 3 in einer Längsrichtung L der Vorderkante
6 übereinander angeordnet. Die Turbinenschaufel 1 kann weitere Kühlbohrungen aufweisen,
die beispielsweise an der Hinterkante 7 oder den Wandungsabschnitten 8, 9 vorgesehen
und in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
[0031] In einem bezogen auf die Längsrichtung L mittleren Vorderkantenabschnitt 12 weisen
die Bohrungsreihen 11 eine größere Anzahl von Kühlbohrungen 10 auf, als in einem oberen
Vorderkantenabschnitt 14 und in einem unteren Vorderkantenabschnitt 13. Konkret weisen
die Bohrungsreihen 11 in dem mittleren Vorderkantenabschnitt 12 jeweils 3 Kühlbohrungen
10 auf, während die Bohrungsreihen 11 in dem unteren Vorderkantenabschnitt 13 und
in dem oberen Vorderkantenabschnitt 14 jeweils zwei Kühlbohrungen 10 aufweisen.
[0032] Die Länge L
1 des unteren Vorderkantenabschnitts 13 und die Länge L
3 des oberen Vorderkantenabschnitts 14 betragen - in der Längsrichtung L betrachtet
- jeweils 30 % der Gesamtlänge L
V der Vorderkante 6. Entsprechend beträgt die Länge L
2 des mittleren Vorderkantenabschnitts 12 - in der Längsrichtung L betrachtet - 40
% der Gesamtlänge L
V der Vorderkante 6.
[0033] Die Abstände d
L zwischen benachbart angeordneten Bohrungsreihen 11 sind über die Gesamtlänge L
V der Vorderkante identisch und betragen 3 mm. Entsprechend ist die Anzahl der Bohrungsreihen
11 in dem mittleren Vorderkantenabschnitt 12 größer als die Anzahl der Bohrungsreihen
11 in dem unteren Vorderkantenabschnitt 13 und in dem oberen Vorderkantenabschnitt
14. Der Abstand d
U zwischen benachbart angeordneten Kühlbohrungen 10 innerhalb einer Bohrungsreihe 11
liegt im Bereich von 1 mm bis 5 mm.
[0034] Selbstverständlich lässt sich eine derartige Anordnung von Kühlbohrungen 10 (shower
head design) auch im Bereich der Vorderkante einer Leitschaufel vorsehen, insbesondere
einer Leitschaufel mit zwei gegenüberliegenden Schaufelplattformen, zwischen denen
ein Schaufelblatt angeordnet ist.
[0035] Während des Betriebs der Turbinenschaufel 1 wird diese von einem Heißgas umströmt.
Zum Kühlen des Schaufelblattes 3 strömt gleichzeitig ein Kühlfluid ausgehend von der
Schaufelplattform 2 durch den Hohlraum im Inneren des Schaufelblattes 3. Das Kühlfluid
gelangt durch die Kühlbohrungen 10 im Bereich der Vorderkante 6 zur Außenseite des
Schaufelblattes 3 und bildet dort einen Kühlfilm, der die Außenseite der Umfangswandung
5 kühlt und vor dem anströmenden Heißgas schützt.
[0036] Die Figur 2 zeigt eine Turbinenschaufel 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Die Turbinenschaufel 1 besitzt denselben Grundaufbau wie die
zuvor beschriebene Turbinenschaufel gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Die Anordnung der Kühlbohrungen 10 an der Vorderkante 6 der Turbinenschaufel
6 unterscheidet sich jedoch dadurch, dass die Länge L
1 des unteren Vorderkantenabschnitts 13 und die Länge L
3 des oberen Vorderkantenabschnitts 14 - in der Längsrichtung L betrachtet - jeweils
35 % der Gesamtlänge L
V der Vorderkante 6 betragen. Entsprechend beträgt die Länge L
2 des mittleren Vorderkantenabschnitts 12 - in der Längsrichtung L betrachtet - 30
% der Gesamtlänge L
V der Vorderkante 6.
[0037] Die Figur 3 zeigt eine Turbinenschaufel 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Die Turbinenschaufel 1 besitzt denselben Grundaufbau wie die
oben beschriebene Turbinenschaufel gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Auch die Längen L
1, L
2, L
3 des unteren Vorderkantenabschnitts 13, des mittleren Vorderkantenabschnitts 12 beziehungsweise
des oberen Vorderkantenabschnitts 14 sind identisch. Jedoch sind die Bohrungsreihen
11 in dem unteren Vorderkantenabschnitt 13 und in dem oberen Vorderkantenabschnitt
14 - in der Längsrichtung L betrachtet - nicht äquidistant übereinander angeordnet,
sondern nehmen nach außen hin zu.
[0038] Allen beschriebenen Ausführungsformen der Turbinenschaufel 1 ist gemeinsam, dass
in dem mittleren Vorderkantenabschnitt 12 eine größere Anzahl von Kühlbohrungen 10
vorgesehen ist als jeweils in dem unteren Vorderkantenabschnitt 13 und in dem oberen
Vorderkantenabschnitt 14. Entsprechend besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel
1 darin, dass ihre Vorderkante 6 effizienter gekühlt werden kann.
[0039] Sowohl der untere Vorderkantenabschnitt 13 als auch der obere Vorderkantenabschnitt
14 ist während des Betriebs der Strömungsmaschine einer geringeren thermischen Belastung
ausgesetzt als der mittlere Vorderkantenabschnitts 12, da nur letzterer von dem Staupunkt
(stagnation point) der Heißgasströmung getroffen wird. Infolgedessen wird zum Kühlen
des unteren Vorderkantenabschnitts 13 und des oberen Vorderkantenabschnitts 14 weniger
Kühlfluid benötigt als zum Kühlen des mittleren Vorderkantenabschnitts 12. Entsprechend
kann in dem unteren Vorderkantenabschnitt 13 und in dem oberen Vorderkantenabschnitt
14 jeweils eine geringere Anzahl an Kühlbohrungen 10 vorgesehen sein als in dem mittleren
Vorderkantenabschnitt 12, was mit einem geringen Kühlfluidverbrauch der Turbinenschaufel
1 einhergeht.
[0040] Zudem kann auf diese Weise eine Überkühlung des unteren Vorderkantenabschnitts 13
und des oberen Vorderkantenabschnitts 14 vermieden werden, wodurch der Temperaturgradient
entlang der Vorderkante 6 der Turbinenschaufel 1 klein bleibt. Entsprechend treten
im Bereich der Vorderkante 6 des Schaufelblattes 3, insbesondere zwischen einem an
der Außenseite der Umfangswandung 5 vorgesehenen nicht dargestellten Beschichtungssystem
und der Umfangswandung 5 des Schaufelblattes 3 nur geringe Materialspannungen auf,
was die Lebensdauer der Turbinenschaufel 1 verlängern kann. Die geringe Anzahl von
Kühlbohrungen im Bereich der Vorderkante 6 geht weiterhin mit geringen Herstellungskosten
einher.
[0041] Figur 4 zeigt einen teilweisen Querschnitt einer Strömungsmaschine 15 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der es sich um eine Gasturbine handelt.
Die Strömungsmaschine 15 umfasst fünf Turbinenstufen 16, die in der Strömungsrichtung
S hintereinander angeordnet sind. Dabei umfasst jede Turbinenstufe 16 einen Leitschaufelkranz
17, der aus Leitschaufeln 18 gebildet ist, und einen dahinter angeordneten Laufschaufelkranz
19, der aus einer Mehrzahl von Laufschaufeln 20 gebildet ist.
[0042] Die Laufschaufeln 20a der ersten Turbinenstufe 16a sind Turbinenschaufeln gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laufschaufeln 20b der hinter
der ersten Turbinenstufe 16a angeordneten zweiten Turbinenstufe 16b sind Turbinenschaufeln
gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0043] Entsprechend ist bei den Laufschaufeln 20b der zweiten Turbinenstufe 16b - in der
Längsrichtung L betrachtet -das Verhältnis der Länge L
1 des unteren Vorderkantenabschnitts 13 sowie der Länge L
3 des oberen Vorderkantenabschnitts 14 zur Länge L
2 des mittleren Unterkantenabschnitts 12 größer als bei Laufschaufeln 20a der ersten
Turbinenstufe 16a.
[0044] Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich die Leitschaufeln 18 als erfindungsgemäße
Turbinenschaufeln mit entsprechenden, insbesondere in Richtung hinterer Turbinenstufen
zunehmendem Längenverhältnis der Vorderkantenabschnitte vorgesehen sein.
[0045] Vorteile der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine bestehen darin, dass ihr Kühlfluidverbrauch
gering ist und die Materialspannungen an den Vorderkanten 6 der Laufschaufeln 20,
insbesondere zwischen der Umfangswandung und einem an der Außenseite der Umfangswandung
vorgesehenen Beschichtungssystem infolge von Temperaturgradienten gering sind. Deshalb
können für die Strömungsmaschine 15 lange Wartungsintervalle vorgesehen sein, was
mit entsprechend geringen Stillstandzeiten und einer guten Wirtschaftlichkeit der
Strömungsmaschine 15 einhergeht.
[0046] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert
und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
1. Turbinenschaufel (1) für eine Strömungsmaschine (15), umfassend eine Schaufelplattform
(2) und ein von der Schaufelplattform (2) abragendes Schaufelblatt (3) mit einer Umfangswandung(5),
die eine anströmseitige Vorderkante (6), eine abströmseitige Hinterkante (7), einen
druckseitigen Wandungsabschnitt (8) sowie einen saugseitigen Wandungsabschnitt (9)
aufweist und einen Hohlraum definiert, der sich zumindest entlang der Vorderkante
(6) erstreckt, wobei im Bereich der Vorderkante (6) zu deren Kühlung eine Mehrzahl
von den Hohlraum mit der Außenseite des Schaufelblattes (3) verbindenden und beabstandet
zueinander angeordneten Kühlbohrungen (10) vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Bohrungsreihen
(11) bilden, die sich jeweils in einer Umfangsrichtung (U) des Schaufelblattes (3)
erstrecken und zwischen der Schaufelplattform (2) und dem gegenüberliegenden Ende
des Schaufelblattes (3) in einer Längsrichtung (L) der Vorderkante (6) übereinander
angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem bezogen auf die Längsrichtung (L) mittleren Vorderkantenabschnitt (12) die
Bohrungsreihen (11) eine größere Anzahl von Kühlbohrungen (10) aufweisen als in einem
unteren Vorderkantenabschnitt (13) und/oder in einem oberen Vorderkantenabschnitt
(14).
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bohrungsreihen (11) in dem mittleren Vorderkantenabschnitt (12) jeweils drei Kühlbohrungen
(10) aufweisen.
3. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bohrungsreihen (11) in dem unteren Vorderkantenabschnitt (13) und/oder in dem
oberen Vorderkantenabschnitt (14) jeweils zwei Kühlbohrungen (10) aufweisen.
4. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- in der Längsrichtung (L) betrachtet - die Länge (L1, L3) des unteren Vorderkantenabschnitts (13) und/oder des oberen Vorderkantenabschnitts
(14) jeweils im Bereich von 20% bis 40% der Gesamtlänge (LV) der Vorderkante (6) liegt und bevorzugt 30% beträgt, wobei entsprechend - in der
Längsrichtung (L) betrachtet - die Länge (L2) des mittleren Vorderkantenabschnitts (12) im Bereich von 20% bis 60% der Gesamtlänge
(LV) der Vorderkante (6) liegt und bevorzugt 40% beträgt.
5. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der Kühlbohrungen (10) in dem mittleren Vorderkantenabschnitt (12) größer
ist als die Anzahl der Kühlbohrungen (10) in dem unteren Vorderkantenabschnitt (13)
und/oder in dem oberen Vorderkantenabschnitt (14).
6. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl der Bohrungsreihen (11) in dem mittleren Vorderkantenabschnitt (12) größer
ist als die Anzahl der Bohrungsreihen (11) in dem unteren Vorderkantenabschnitt (13)
und/oder in dem oberen Vorderkantenabschnitt (14).
7. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- in der Längsrichtung (L) betrachtet - der Abstand (dL) zwischen benachbart angeordneten Bohrungsreihen (11) im Bereich vom 1 mm bis 5 mm
liegt und bevorzugt 3 mm beträgt.
8. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem unteren Vorderkantenabschnitt (13) und/oder in dem oberen Vorderkantenabschnitt
(14) der Abstand zwischen benachbart angeordneten Bohrungsreihen (11) - in der Längsrichtung
(L) betrachtet - nach außen hin zunimmt.
9. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb einer Bohrungsreihe (11) der Abstand (dU) zwischen benachbart angeordneten Kühlbohrungen (10) im Bereich von 1 mm bis 5 mm
liegt und bevorzugt 3 mm beträgt.
10. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbinenschaufel (1) als eine Leitschaufel ausgebildet ist.
11. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbinenschaufel (1) als eine Laufschaufel ausgebildet ist.
12. Gasturbine (15),
umfassend wenigstens zwei in einer Strömungsrichtung (S) hintereinander angeordnete
Turbinenstufen (16), wobei jede Turbinenstufe (16) einen aus einer Mehrzahl von Leitschaufeln
(18) gebildeten Leitschaufelkranz (17) und einen dahinter angeordneten, aus einer
Mehrzahl von Laufschaufeln (20) gebildeten Laufschaufelkranz (19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (18) und/oder die Laufschaufeln (20) Turbinenschaufeln (1) nach
einem der vorhergehenden Ansprüche sind.
13. Gasturbine (15) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Turbinenschaufeln (1) der ersten Turbinenstufe (16) - in der Längsrichtung (L)
betrachtet - die Länge (L1, L3) der unteren Vorderkantenabschnitte (13) und/oder der oberen Vorderkantenabschnitte
(14) im Bereich von 25% bis 35% der Gesamtlänge (LV) der Vorderkante (6) liegt und bevorzugt 30% beträgt.
14. Gasturbine (15) nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Turbinenschaufeln (1) einer hinteren Turbinenstufe (16) - in der Längsrichtung
(L) betrachtet -das Verhältnis der Länge (L1, L3) des unteren Vorderkantenabschnitts (13) und/oder des oberen Vorderkantenabschnitts
(14) zur Länge (L2) des mittleren Vorderkantenabschnitts (12) größer ist als bei Turbinenschaufeln (1)
einer vorderen Turbinenstufe (16).
15. Gasturbine (15) nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Turbinenschaufeln (1) der zweiten Turbinenstufe (16) - in der Längsrichtung (L)
betrachtet - die Länge (L1, L3) des unteren Vorderkantenabschnitts (13) und/oder des oberen Vorderkantenabschnitts
(14) im Bereich von 30% bis 40% der Gesamtlänge (LV) der Vorderkante (6) liegt und bevorzugt 35% beträgt.