Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein kühlbares Bauteil gemäss dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Die effiziente Kühlung der thermisch hochbelasteten Bauteile einer Gasturbine ist
eine unabdingbare Bedingung für den Betrieb der modernen Maschinen. Entsprechend haben
sich die Kühlmethoden rasant weiterentwickelt.
[0003] Die einfachste Form der Kühlung ist die Konvektionskühlung, bei der ein Kühlmedium
eine Oberfläche eines Bauteils überströmt, und diesem Wärme entzieht, während eine
andere Oberfläche mit einem Wärmeeintrag beaufschlagt wird. Nachteilig bei der Konvektionskühlung
ist insbesondere, dass die gesamte abzuführende Wärme durch die Bauteilwand hindurch
transportiert werden muss. Die mit dem Wärmeeintrag beaufschlagte Fläche ist auf einer
wesentlich höheren Temperatur als die gekühlte Fläche. Zudem werden erhebliche Temperaturgradienten
über Bauteilwände und damit auch Thermospannungen hervorgerufen.
[0004] Lange Zeit wurde daher die aus US 3,527,543 bekannte Filmkühlung bevorzugt, bei der
ein Kühlmittel - bevorzugt Luft, die aus dem Verdichter entnommen wird, oder Dampf
- durch die Bauteilwand hindurch von einer Kaltgasseite zu der mit Heissgas beaufschlagten
Heissgasseite strömt. Dabei nimmt das Kühlmittel einerseits Wärme aus dem Material
auf, während es durch die Ausblaseöffnungen strömt. Zum anderen legt sich ein Film
relativ kühlen Mediums über die Heissgasseite des Bauteils, und schützt diese vor
dem unmittelbaren Kontakt mit dem heissen Medium. Verlegt man sich bei modernen Gasturbinen
vollständig auf Filmkühlung, steigt der Kühlmittelverbrauch allerdings über die Masse
an.
[0005] Die Entwicklung ist daher verstärkt in die Richtung gegangen, das Kühlmittel vor
der Ausblasung zu einer effizienten Konvektionskühlung einzusetzen. Bei der Prallkühlung,
die beispielsweise aus der DE 44 30 302 hervorgeht, trifft das Kühlmittel mit möglichst
hoher Geschwindigkeit auf das zu kühlende Bauteil, wodurch der konvektive Wärmeübergang
vom Bauteil zum Kühlmittel intensiviert wird. Die gute Kühlwirkung wird allerdings
mit vergleichsweise hohen kühlungsseitigen Druckverlusten erkauft.
[0006] Weiterhin ist die Prallkühlung nicht überall ohne weiteres einsetzbar. Probleme ergeben
sich besonders im Bereich der Schaufelhinterkanten aufgrund der geometrischen Ausgestaltung.
Andererseits ist gerade dort eine gute Kühlung des Materials notwendig, da die dem
Heissgas ausgesetzte Oberfläche im Vergleich zur Materialstärke gross und die Oberfläche
der Kaltgasseite hingegen verhältnismässig klein ist. Weiterhin zeigt sich in der
Praxis, dass es tatsächlich sehr problematisch ist, in einer geschlossenen Struktur
derart enge Spalte wie sie kühlungsseitig im Bereich der Hinterkante vorliegen, zu
durchströmen. In diesem Bereich stossen die Innenwände des hohlen Bauteils unter einem
spitzen Winkel aneinander, und die Strömungsgrenzschichten auf der Kühlseite wachsen
zusammen. Die Strömungsgeschwindigkeit in dem engen Spalt wird sehr klein, und die
Kühlmittelströmung wird in andere Teile des Bauteilinnenraums verdrängt. Der Verbesserung
der konvektiven Kühlwirkung, sind also aufgrund der Verdrängungswirkung der Strömungsgrenzschichten
enge Grenzen gesteckt.
[0007] Die gängigste und sicherste Art der Kühlung von Schaufelhinterkanten zumindest luftgekühlter
Gasturbinen, ist bis heute die Hinterkantenausblasung, die sich sehr stark an die
Filmkühlung anlehnt, und oft etwas ungenau auch unter diesem Sammelbegriff mit eingeschlossen
wird. Kühlmittel strömt hierbei durch eine Anzahl von Öffnungen in der Hinterkante
aus, und nimmt dabei Wärme aus dem Material der Schaufel auf. Aufgrund des Einbringens
der Ausblaseöffnungen in die Hinterkante wird eine Konvektion durch den engen Kühlungsspalt
erzwungen, dergestalt, dass oben zitierte Verdrängungsphänomene nicht auftreten. Andererseits
sollte der Mittenabstand zweier Kühlungsöffnungen an der Hinterkante klein sein, und
acht hydraulische Durchmesser der Öffnungen möglichst nicht übersteigen. Mittels dieser
Auslegungsrichtlinie wird dafür Sorge getragen, dass beim Einsatz üblicher Schaufelmaterialien
die Temperaturvariation entlang der Schaufelhinterkante in einem vertretbaren Rahmen
bleibt, und lokale Überhitzungserscheinungen vermieden werden. In der Summe aller
Ausblaseöffnungen gibt eine Hinterkantenausblasung somit einen grossen Strömungsquerschnitt
frei, und trägt einen erheblichen Anteil zum Verbrauch an Kühlmittel bei, den es im
Interesse einer Wirkungsgradsteigerung zu minimieren gilt.
[0008] Somit ergibt sich die Situation, dass aufgrund spezieller fluidmechanischer Bedingungen
im Inneren einer Turbinenschaufel der Einsatz konvektiver Kühlmethoden zur Hinterkantenkühlung
eingeschränkt ist. Die Hinterkantenausblasung hingegen hat über den Kühlmittelverbrauch
negative Auswirkungen auf die Effizienz des Gasturbinen-Kreisprozesses.
[0009] In der DE 196 54 115 wird daher vorgeschlagen, bei der Kühlung von Schaufelhinterkanten
auf die Hinterkantenausblasung zu verzichten, und statt dessen thermisch hochleitende
Stifte in das Hinterkantenmaterial einzubringen, welche Stifte in das von Kühlmittel
durchströmte Schaufelinnere hineinragen. Damit soll Wärme aus dem Hinterkantenmaterial
heraus transportiert und an die Kühlluftströmung abgegeben werden. Die Stifte wirken
in diesem Fall, wenn sie hinreichend gut von dem Kühlmittel gekühlt werden, als Wärmesenken
in dem Basismaterial der Schaufel. Jedoch stellt sich hier ebenfalls das bereits diskutierte
Problem, dass im Bereich der Hinterkante an den spitzwinklig zulaufenden Innenwänden
die Strömungsgrenzschichten zusammenwachsen, und die Kühlströmung in andere Bereiche
des Schaufelinnenraums verdrängt wird. Die Stifte erhöhen die Versperrung des Kühlkanals
nochmals, und werden letztlich nicht im gewünschten Masse von der Kühlluft umströmt,
dergestalt, dass der Wärmeübergang von den Stiften zum Kühlmedium eingeschränkt wird
und eine suboptimale Wärmesenkenwirkung der Stifte resultiert.
Darstellung der Erfindung
[0010] Hier greift die Erfindung. Bei einem kühlbaren Bauteil, bestehend aus einem Basismaterial,
welches Bauteil im Betrieb auf einer Heissgasseite mit einem ersten strömenden Medium
und auf einer Kaltgasseite mit einem zweiten strömenden Medium in Kontakt ist, wobei
die Temperatur des ersten Mediums höher ist als die des zweiten Mediums, dergestalt,
dass das Bauteil von dem ersten Medium erwärmt und von dem zweiten Medium gekühlt
wird, und wobei das Basismaterial des Bauteils Stifte umschliesst, welche Stifte aus
der Kaltgasseite heraus in die Strömung des zweiten Mediums hineinragen, und welche
Stifte aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit grösser ist als diejenige
des zur Herstellung des Bauteils verwendeten Basismaterials, dergestalt, dass die
Stifte im Betrieb als Wärmesenken in dem Basismaterial wirken, soll der Wärmeübergang
von den Stiften zum Kühlmedium verbessert werden.
[0011] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Bauteil Ausblaseöffnungen aufweist,
durch welche im Betrieb mindestens ein Teil besagten zweiten Mediums von der Kaltgasseite
zur Heissgasseite strömt, dergestalt, dass die Ausblaseöffnungen ebenfalls als Wärmesenken
wirken, und dass entlang mindestens einer Linie auf der Kaltgasseite jeweils mindestens
ein Stift und mindestens eine Öffnung angeordnet sind. Bei einem entsprechenden Druckgefälle
zwischen den beiden Strömungsmedien resultiert aus der zusätzlichen Einbringung von
Ausblaseöffnungen auch in einem engen Spalt eine erzwungene Konvektionsströmung, die
Kühlmittel um die Stifte herumführt.
[0012] Kern der Erfindung ist also einerseits, die Wärme anstatt über das durch die Ausblaseöffnungen
hindurchströmendes Kühlmittel durch thermisch hochleitende Stifte aus dem Material
herauszuführen, um somit den Kühlmittelverbrauch einzuschränken. Die Einschränkung
des Kühlmittelverbrauchs hat gerade dann eine sehr positive Wirkung auf den Wirkungsgrad,
wenn Verdichterluft zu Kühlzwecken verwendet wird. Zweckmässig werden die Stifte dabei
entlang auf der Kaltgasseite verlaufender Fluchten angeordnet, analog zu der Anordnung
der Ausblaseöffnungen bei der Filmkühlung. Andererseits verhindern die fluidmechanischen
Randbedingungen in einem geschlossenen Kühlsystem innerhalb einer Komponente beispielsweise
bei der Kühlung einer Schaufelhinterkante einen guten konvektiven Wärmeübergang von
den Stiften zum Kühlmittel, was aber eine Bedingung für die Funktion der Kühlvorrichtung
ist. Daher werden zwischen den Wärmeleitstiften Ausblaseöffnungen eingebracht, die
ihrerseits einen Teil der Kühlung übernehmen, andererseits aber für eine gute Umströmung
der Stifte und für eine Abfuhr des konvektiv erwärmten Kühlmittels sorgen. Dabei wird
die Kühlwirkung sogar noch über das Mass jeder einzelnen für sich betrachteten Kühlungsmethode
gesteigert, weil die Stifte in Ihrer Längsrichtung wie auch radial intensiv umströmt
werden. Die Wirkung kann noch verbessert werden, wenn auf der Kaltgasseite angeordnete
Leiteinrichtungen das zu den Ausblaseöffnungen strömende Kühlmittel über die Wärmeleitstifte
lenken.
[0013] Bei Einsatz der erfindungsgemässen Kühlkonfiguration werden also weniger Öffnungen
benötigt, als bei der reinen Kühlung durch Ausblasung, wodurch der Verbrauch an Kühlmittel
gesenkt wird. Da andererseits die Wärmeleitstifte dem Material Wärme entziehen, die
Wärmesenkenverteilung im Bauteil also konstant gehalten wird, wird die Temperaturverteilung
im Bauteil nicht ungleichmässiger.
[0014] Die Anordnung von Ausblaseöffnungen und Wärmeleitstiften kann nach unterschiedlichen
Kriterien erfolgen, und wird im Einzelfall natürlich eine detaillierte Berechnung
der Temperaturverteilungen in der Maschinenkomponente erfordern. Für die geometrische
Anordnung der Stifte und Öffnungen relativ zueinander wird es sich als geeignet erweisen,
eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Stiften und Öffnungen in einer Flucht anzuordnen,
analog der Anordnung der Ausblaseöffnungen in Reihen. Für einen minimierten Kühlmittelverbrauch
wird sich wohl die abwechselnde Anordnung von je zwei Stiften und einer Ausblaseöffnung
geeignet erweisen, wobei die Öffnung zweckmässig mittig zwischen zwei Stiften angeordnet
ist. Zur Erzielung einer möglichst homogenen Temperaturverteilung wird hingegen die
abwechselnde Anordnung von je einem Stift und einer Öffnung zu bevorzugen sein. Eine
äquidistante Anordnung von Stiften und Öffnungen wird dabei in den allermeisten Fällen
ebenfalls dazu beitragen, die Temperaturdifferenzen innerhalb des Bauteils bei einem
vorgegebenen Gesamtausblasequerschnitt zu minimieren. Es wird im Sinne einer gleichmässigen
Temperaturverteilung in der wie beschrieben zu kühlenden Sektion des Bauteils sein,
wenn der Abstand zwischen zwei Wärmesenken nicht mehr als acht hydraulische Durchmesser
einer Ausblaseöffnung beträgt. Im gleichen Zusammenhang sollten die Stifte mit ihren
Längsachsen mehr oder weniger parallel zu den Ausblaseöffnungen angeordnet sein, damit
der Wärmefluss stets in die gleiche Richtung verläuft.
[0015] Um den angestrebten Effekt zu erzielen, muss die Wärmeleitfähigkeit des Materials,
aus dem die Stifte bestehen, möglichst hoch sein, und wenigstens den dreifachen Wert
des Basismaterials aufweisen. Auch der Schmelzpunkt des Werkstoffs muss selbstverständlich
hinreichend hoch sein. Werkstoffe, die für die Herstellung der Wärmeleitstifte in
Frage kommen, sind beispielsweise Wolfram, Silber, oder ganz besonders Diamant. Die
Stifte müssen einen möglichst guten Wärmeübergang zum Basismaterial haben, was sich
dadurch realisieren lässt, dass sie in den Bauteilen mit eingegossen werden. Dabei
sollten sie aber keinesfalls die komplette Materialstärke des Bauteils von der Kaltgasseite
bis zur Heissgasseite durchdringen, um keine nachteilige Wärmebrücke entstehen zu
lassen. Mit Vorteil werden die Stifte so tief in das Basismaterial eingebracht, wie
es 30% bis 80% der Materialstärke entspricht. Dies gewährleistet einerseits eine grosse
Wärmeaustauschfläche, andererseits wird die Bildung thermischer Brücken vermieden.
Weiterhin müssen die Wärmeleitstifte selbstverständlich um ein gewisses axiales Mass
in das Kühlmittel hineinragen.
[0016] Wie einleitend dargestellt, entfaltet die erfindungsgemässe Kühlungskonfiguration
ihre spezifischen Vorteile ganz besonders beim Einsatz in hohlen Bauteilen, in deren
Innerem die Durchströmung eines Kühlmediums vorgesehen ist, und zwar insbesondere
dort, wo Bauteilwände in einem spitzen Winkel zusammenstossen. Diese Konfiguration
findet sich insbesondere an den Hinterkanten von Gasturbinenschaufeln.
[0017] Die erfindungsgemässe Kühlkonfiguration ist weiterhin bei der Kühlung von Schaufelplattformen
vorteilhaft einzusetzen. Dort helfen die Stifte einerseits, Wärme aus den sehr massiv
gebauten Plattformen abzuführen, ohne den Kühlluftverbrauch über die Massen ansteigen
zu lassen. Hierbei kann die erfindungsgemässe Kühlkonfiguration mit Vorteil auch mit
einer Prallkühlung kombiniert werden
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0018] Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert werden. Im einzelnen zeigen
- Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Kühlung der Hinterkante
einer Gasturbinenschaufel
- Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenschaufel
- Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Kühlung der Hinterkante
einer Gasturbinenschaufel
- Fig. 4 und 5 Beispiele für mögliche Varianten der Gestaltung der Wärmeleitstifte
- Fig. 6 ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei der Kühlung einer
Plattformkante, und Fig. 7 einen Schnitt entlang der in Fig. 6 eingezeichneten Linie
VII - VII.
[0019] Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sind lediglich instruktiver
Natur, und sollen nicht zu einer Eingrenzung des Erfindungsgegenstandes dienen. Die
Erfindung ist weder durch die dargestellten speziellen Ausführungsformen noch durch
die Anwendungen, in deren Zusammenhang sie nachfolgend dargestellt wird, abgegrenzt,
sondern im Gegenteil werden dem Durchschnittsfachmann durch die folgenden Beispiele
eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten und Ausgestaltungsformen der in den
Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung offenbart.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0020] Eine erste bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in zwei Ansichten in den Figuren
1 und 2 dargestellt. Die hohlgegossene Turbinenschaufel wird im Betrieb von einer
Heissgasströmung 8 umströmt, die einen Wärmeeintrag über die Heissgasseite 11 in das
Material der Schaufel hinein verursacht. Bei heutigen Gasturbinen übersteigt die Temperatur
des Heissgases die bei einer gegebenen mechanischen Belastung erlaubte Materialtemperatur
erheblich. Daher kann die Funktion einer solchen Turbinenschaufel nur durch eine hinreichend
gute Kühlung gewährleistet werden. Aus diesem Grund wird die Schaufel von Ihrer Kaltgasseite
12 her durch das Kühlmittel 9 gekühlt. Im Schaufelinneren können unterschiedliche
Einbauten vorhanden sein, wie Prallkühlbleche, oder Stege zur Führung des Kühlmittels
auf der Kaltgasseite.
[0021] Zur Nomenklatur sei angemerkt, dass in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen
zwar aus Gründen der Einfachheit auf die Begriffe "Kaltgasseite" und "Heissgasseite"
zurückgegriffen wird. Es muss jedoch wohl verstanden werden, dass dies tatsächlich
keine Einschränkung bedeutet, und Fälle explizit nicht ausschliesst, in denen die
Bauteiloberflächen von nicht gasförmigen Medien überströmt werden. Es geht vielmehr
darum, einfache, prägnante und dem Fachmann geläufige Begriffe zu verwenden, aus denen
er versteht, dass eine Oberfläche mit einem ersten Medium in Kontakt steht, eine zweite
Oberfläche mit einem anderen Medium in Kontakt steht, welche Medien sich auf unterschiedlichen
Temperaturen befinden, und wobei der Fachmann sofort den Schluss zieht, wo sich das
relativ wärmere respektive kältere Medium befindet. Ebensowenig schliesst die Bezeichnung
"Heissgasströmung" eine Strömung eines nicht gasförmigen Mediums hoher Temperatur
explizit aus. Des weiteren entnimmt der Fachmann dem Zusammenhang ohne weiteres die
Bedeutung der relativen Begriffe "heiss" und "kalt".
[0022] Auf der Oberfläche der Schaufel sind Reihen von Ausblaseöffnungen 21 auf wesentlich
normal zur Strömungsrichtung des Heissgases verlaufenden Linien zu erkennen. Kühlmittel,
das durch diese Öffnungen hindurchströmt, nimmt einerseits Wärme aus dem Material
auf; andererseits legt sich die kühlere Ausblaseströmung bei zweckmässiger Anordnung
und Gestaltung der Ausblaseöffnungen 21 als isolierende Schicht über die Heissgasseite
11 der Schaufel, und isoliert diese teilweise gegen die Heissgasströmung 8.
[0023] Form und Grösse der Ausblaseöffnungen 21, wie auch deren Abstand voneinander, sind
nicht erfindungswesentlich, und die gewählte Darstellung darf keinesfalls in einem
einschränkenden Sinne verstanden werden.
[0024] Die in Fig. 2 dargestellte Draufsicht auf die Schaufel zeigt besonders gut eine Materialanhäufung
141 im Bereich der Hinterkante 14, sowie den hinterkantennah sich stark verengenden
Innenraum 121. Diese Materialanhäufung ist stark überhitzungsgefährdet. Einerseits
ist die Schaufel in diesem Bereich sehr dünn. Die Oberfläche auf der Heissgasseite
11 ist im Hinterkantenbereich wesentlich grösser als die Oberfläche auf der Kaltgasseite
12. Zudem ist eine solche Materialanhäufung mit potentiell sich ausbildenden grossen
lokalen Temperaturdifferenzen extrem stark durch Wärmespannungsrisse gefährdet. Aufgrund
der speziellen geometrischen Randbedingungen im Hinterkantenbereich muss die Wärme
förmlich aus der Materialanhäufung heraustransportiert werden. Hierzu dient einerseits
eine entlang der Hinterkante angeordnete Reihe von Ausblaseöffnungen 22. Eine durch
diese hindurchströmende Kühlmittelmenge 7 nimmt Wärme aus der Materialanhäufung 141
auf und transportiert diese nach aussen ab. So gesehen, handelt es sich bei den Ausblaseöffnungen
22 um Wärmesenken. Um die Temperaturdifferenzen entlang der Hinterkante nicht zu stark
anwachsen zu lassen und lokale Überhitzungen zu vermeiden, darf der Abstand zwischen
den Wärmesenken ein gewisses Höchstmass nicht überschreiten. Als Faustregel für ein
Designkriterium wird angegeben, dass der Abstand zwischen zwei Ausblaseöffnungen 22
acht hydraulische Durchmesser einer Ausblaseöffnung nicht überschreiten sollte. Dies
resultiert zunächst in einer grossen Anzahl von Ausblaseöffnungen und damit in einem
grossen Ausblasemassenstrom an der Schaufelhinterkante.
[0025] Um dies zu vermeiden, wird erfindungsgemäss zwischen jeweils zwei Ausblaseöffnungen
22 an der Hinterkante wenigstens - in diesem ersten Beispiel genau - ein Stift 23
aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit - diese sollte mindestens dreimal
so hoch sein wie die Wärmeleitfähigkeit des Schaufelmaterials - in die Materialanhäufung
141 eingebracht, der als zusätzliche Wärmesenke dient. Vorzugsweise ragt jeder Wärmeleitstift
zwei bis zwanzig Stiftdurchmesser in den Schaufelinnenraum hinein, und hat einen möglichst
guten Kontakt zu dem Schaufelmaterial. Letzteres kann realisiert werden, indem die
Stifte beim Guss der Schaufel mit eingegossen werden. Dabei müssen sie auf einer gewissen
Länge im Schaufelmaterial eingebettet sein, ohne dieses jedoch zu durchdringen, da
sie ansonsten eine schädliche thermische Brücke zwischen der Heissgasseite 11 und
der Kaltgasseite 12 der Schaufel herstellen. Es wird sich als günstig erweisen, wenn
die Stifte auf einer Tiefe im Schaufelmaterial eingebettet sind, die zwischen 30%
und 80% der gesamten Materialstärke entspricht, wobei das günstigste Mass im Einzelfall
durch eine numerische Simulation der Wärmeflüsse zu bestimmen sein wird.
[0026] Im Sinne einer günstigen Temperaturverteilung sind die Stifte so angeordnet, dass
ihre Längsachsen mehr oder weniger parallel zu den Ausblaseöffnungen verlaufen. Weiterhin
ist es günstig, wenn entlang der Schaufelhinterkante eine Anzahl von Wärmeleitstiften
und Ausblaseöffnungen annähernd in einer Flucht angeordnet sind. Dies erweist sich
insbesondere im Hinblick darauf als günstig, eine gute Umströmung der Stifte durch
Kühlmittel zu gewährleisten, was ja eine notwendige Bedingung für die Funktion der
Wärmeleitstifte als Wärmesenken darstellt.
[0027] Hier ist es tatsächlich so, dass die Kühlluftströmung 9 auf der Kaltgasseite 12 der
Schaufelwände Grenzschichten aufbaut, und dass die Grenzschichten, die an gegenüberliegenden
Wänden aufgebaut werden, in dem schmalen Kanal im Hinterkantenbereich zusammenlaufen,
und die Kühlmittelströmung 9 aus diesem Bereich des Schaufelinnenraums 121 verdrängen.
Die Verdrängungswirkung wird durch die Stifte noch verstärkt. Bei einer Anordnung,
wie sie die DE 194 54 115 vorschlägt, ist aus diesem Grunde der konvektive Wärmeübergang
zwischen den Wärmeleitstiften und dem Kühlmittel eher gering, wodurch die Wärmeleitstifte
ihre Funktion als Wärmesenken in der Schaufelhinterkante suboptimal verrichten.
[0028] Bei der hier vorgeschlagenen Konfiguration induzieren die Hinterkanten-Ausblaseöffnungen
22 eine erzwungene Konvektion in dem engen Kühlspalt, und die Wärmeleitstifte werden
bei geeigneter Anordnung von den Ausblaseströmen 7 umströmt und gekühlt. Es zeigt
sich hier die enge Interdependenz der Hinterkantenausblasung und der Wärmeleitstifte.
[0029] Eine weiter bevorzugte Ausführungsform zeigt Fig. 3. Dabei sind zwischen jeweils
zwei Ausblaseöffnungen zwei Wärmeleitstifte angeordnet. Dadurch wird der Kühlmittelverbrauch
gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Geometrie nochmals verringert. In Fig. 3 sind
weiterhin Strömungsleiteinrichtungen 25 im Schaufelinneren eingebracht, die den Ausblaseluftstrom
7 über die Wärmeleitstifte führen. Derartige Massnahmen können natürlich auch bei
einer Fig. 1 entsprechenden Konfiguration sinnvoll sein. Die Leitung des Kühlmittels
zur Hinterkante kann auch durch entsprechende Turbulatoren im Haupt-Kühlkanal erfolgen.
[0030] Unabhängig von der gewählten spezifischen Konfiguration bei der Ausführung der Erfindung
ist zumindest beim Einsatz an Schaufelhinterkanten mit Vorteil darauf zu achten, dass
der Abstand zwischen zwei Wärmesenken nicht grösser gewählt wird als acht hydraulische
Durchmesser einer Hinterkanten-Ausblaseöffnung. In diesem Zusammenhang sei noch die
bevorzugte Querschnittsfläche der Stifte genannt, die zwischen ein und zehn Querschnittsflächen
einer Ausblaseöffnung liegt.
[0031] Die Form der Wärmeleitstifte kann in weiten Grenzen variiert werden. So ist beispielsweise
ein runder Querschnitt keineswegs zwingend. Zweckmässig ist es jedoch unter allen
Umständen, die Erstreckung entlang einer Längsachse deutlich grösser als die Erstreckung
in den anderen Richtungen zu wählen. Die Form der Wärmeleitstifte wird in erster Linie
durch die Fertigungsmethode bestimmt sein, und ein zylinderförmiger Stift ist durch
Abschneiden eines Drahtes besonders leicht erhältlich. Jedoch können durch die gezielte
Gestaltung beispielsweise des in das Kühlmittel hineinragenden Teils des Stiftes die
Umströmung des Stiftes wie auch die Wärmeaustauschfläche verändert werden. Zwei Beispiele
für mögliche Geometrien sind in Fig. 4 und 5 dargestellt. Die in Fig. 4 gezeigte Bauform
hält durch die konische Form den Durchströmquerschnitt zwischen dem Stift 23 und den
kühlungsseitigen Bauteilwänden 12 weitgehend konstant. Konsolen 231 vergrössern die
Wärmeaustauschfläche zwischen dem Basismaterial 141 und dem Wärmeleitstift 23, und
verbessern die Fixierung des Stiftes im Basismaterial. Die gewellte Bauform aus Fig.
5 vergrössert ebenfalls die Wärmeaustauschfläche, sowohl material- als auch kühlmittelseitig.
[0032] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, Fig. 6, trägt eine Schaufelplattform
3 ein Schaufelblatt 1. Die gesamte Konfiguration wird von einer Heissgasströmung 8
angeströmt. Das Schaufelblatt wird auf an sich bekannte beliebige Weise gekühlt, wobei
Kühlung und Kühlmittelzuführung des Schaufelblattes in der Figur nicht berücksichtigt
sind. In die hohle Schaufelplattform strömt Kühlmittel 9 ein, und trifft auf einen
Prallkühleinsatz 31. Das Kühlmittel strömt durch Öffnungen des Prallkühleinsatzes
32. Kühlmitteljets 91 treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Kaltgasseite 12 der
Plattform, wo ein intensiver Konvektionswärmeaustausch stattfindet. Nachfolgend wird
das Kühlmittel durch Ausblaseöffnungen 22 abgeführt. Wiederum sind, wie in dem in
Fig. 7 dargestellten Schnitt entlang der Linie VII - VII gut zu erkennen, wesentlich
in einer Flucht entlang der Plattformvorderkante Wärmeleitstifte 23 und Ausblaseöffnungen
22 abwechselnd angeordnet, so, dass der Ausblasestrom 7 erst die Wärmeleitstifte um-
und schliesslich die Ausblaseöffnungen durchströmt. In dieser Draufsicht ist im Übrigen
aus Gründen der Übersichtlichkeit ein Teil der Öffnungen des Prallkühleinsatzes nicht
dargestellt.
[0033] Selbstverständlich kann auch die erfindungsgemässe Kühlung der Plattformkante mit
den oben angegebenen Merkmalen, wie der Form der Wärmeleitstifte oder den Strömungsleiteinrichtungen,
kombiniert werden. Weiterhin bleibt zu erwähnen, dass die im Ausführungsbeispiel in
Fig. 6 und 7 dargestellte Prallkühlung fakultativ ist, wenn sie auch zweckmässig dazu
beiträgt, das Kühlmittel besonders effizient auszunutzen.
[0034] Auf analoge Weise offenbart sich dem Fachmann eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten
und speziellen Ausgestaltungen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung, die
nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist.
Bezugszeichenliste
[0035]
- 1
- Schaufelblatt
- 3
- Schaufelplattform
- 7
- Ausblaseströmung
- 8
- Heissgasströmung
- 9
- Kühlmittelströmung
- 11
- Heissgasseite
- 12
- Kaltgasseite
- 14
- Hinterkante
- 21
- Ausblaseöffnungen
- 22
- Ausblaseöffnungen
- 23
- Wärmeleitstift
- 25
- Strömungsleiteinrichtung
- 31
- Prallkühlblech
- 32
- Prallkühlöffnung
- 91
- Jet
- 121
- Schaufelinnenraum
- 141
- Hinterkanten-Basismaterial
- 231
- Konsole
1. Kühlbares Bauteil, bestehend aus einem Basismaterial, welches Bauteil im Betrieb auf
einer Heissgasseite (11) mit einem ersten strömenden Medium (8) und auf einer Kaltgasseite
(12) mit einem zweiten strömenden Medium (9) in Kontakt ist, wobei die Temperatur
des ersten Mediums höher ist als die des zweiten Mediums, dergestalt, dass das Bauteil
von dem ersten Medium erwärmt und von dem zweiten Medium gekühlt wird, und wobei das
Basismaterial des Bauteils Stifte (23) umschliesst, welche Stifte aus der Kaltgasseite
(12) heraus in die Strömung des zweiten Mediums hineinragen, und welche Stifte aus
einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit grösser ist als diejenige des zur
Herstellung des Bauteils verwendeten Basismaterials, dergestalt, dass die Stifte im
Betrieb als Wärmesenken in dem Basismaterial wirken, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil Ausblaseöffnungen (22) aufweist, durch welche im Betrieb mindestens ein
Teil (7) besagten zweiten Mediums von der Kaltgasseite zur Heissgasseite strömt, dergestalt,
dass die Ausblaseöffnungen ebenfalls als Wärmesenken wirken, und dass entlang mindestens
einer Linie auf der Kaltgasseite jeweils mindestens ein Stift und mindestens eine
Öffnung abwechselnd angeordnet sind.
2. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anzahl
von abwechselnd angeordneten Stiften und Öffnungen in einer Flucht angeordnet sind.
3. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte aus einem
Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit wenigstens den dreifachen Wert der Wärmeleitfähigkeit
des Basismaterials aufweist.
4. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen
zwei Wärmesenken (22, 23) kleiner als das achtfache des hydraulischen Durchmessers
einer Ausblaseöffnung (22) ist.
5. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen (22) und
Stifte (23) annähernd identische Abstände voneinander haben.
6. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte zwischen
30% und 80% einer lokalen Materialstärke, in der Längsrichtung der Stifte gemessen,
in des Basismaterial des Bauteils hineinragen.
7. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte wenigstens
doppelt so weit in das zweite Medium hineinragen, wie es dem Mass entspricht, das
sich aus der Wurzel der Querschnittsfläche des Stiftes an der Durchdringung mit der
Kaltgasseite ergibt.
8. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaltgasseite
Mittel (25) angeordnet sind, die das Medium (7), das durch die Ausblaseöffnungen (22)
strömt, über die Stifte (23) leitet.
9. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte parallel
zu den Ausblaseöffnungen verlaufen.
10. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte in dem
Bauteil eingegossen sind.
11. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Hohlkörper
ist, wobei die Heissgasseite aussen und die Kaltgasseite innen liegt.
12. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine
Gasturbinenschaufel ist, und die Stifte (23) und Ausblaseöffnungen (22) entlang wenigstens
einer Linie auf der Kaltgasseite (12) einer zur Gasturbinenschaufel gehörenden Schaufelplattform
(3) angeordnet sind.
13. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine
Gasturbinenschaufel ist, dass die Ausblaseöffnungen (22) und Stifte (23) entlang einer
zur Schaufel gehörenden Hinterkante (14) angeordnet sind, und dass die Stifte ins
Innere (121) der Gasturbinenschaufel hineinragen.