Gasturbinenschaufel

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel (1) mit einer geschlossenen Dampfkühlung. Eine insbesondere als Blech ausgeführte Trennwand (37) unterteilt einen ersten Teilhohlraum (23) in axialer Richtung so, dass Dampf aus dem ersten Unterraum (31) prallkühlend in einen Eintrittskanten-Hohlraum (21) und von diesem in einen zweiten Unterraum (33) führbar ist. Dies hat den Vorteil einer fertigungstechnisch besonders einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung einer geschlossenen Dampfkühlung bei gleichzeitig aerodynamisch günstiger Form der Eintrittskante (11).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaufel mit einem inneren Hohlraum zur Führung eines Kühlfluides.

[0002] Eine solche kühlbare Gasturbinenschaufel zeigt die US 5,431,537. Gasturbinenschaufeln sind extrem hohen Temperaturen durch das sie umströmende Heißgas ausgesetzt. Aus diesem Grunde müssen sie gekühlt werden. Besonders hohen thermischen Belastungen ist die Eintrittskante einer Gasturbinenschaufel ausgesetzt. Aus diesem Grunde muss die Eintrittskante besonders intensiv gekühlt werden. Bei der Kühlung mittels Kühlluft wird ein möglichst geringer Verbrauch an Kühlluft angestrebt, da der Kühlluftverbrauch den Wirkungsgrad der Gasturbine senkt. Zur Verbesserung der Kühlung sind auf der Innenseite der Gasturbinenschaufel Turbulatoren vorgesehen, die das Kühlmedium verwirbeln und somit einen besseren Wärmeübergang ermöglichen. Bei der Gasturbinenschaufel der US 5,431,537 wird durch die Turbulatorenkonfiguration sowohl eine günstige Kühlung der Eintrittskante erreicht, als auch Vorteile für die Gießbarkeit der Turbinenschaufel erzielt.

[0003] Die US 5,320,483 zeigt eine dampfgekühlte Gasturbinenschaufel. Eine Dampfkühlung ist hinsichtlich des Wirkungsgrades der Gasturbine günstiger. Sie erfordert allerdings einen geschlossenen Kühlkreislauf, da Dampf im Gegensatz zu Luft nicht aus der Schaufel heraus in den Heißgaskanal eingeleitet werden kann. Zur Kühlung der Eintrittskante wird ein Prallkühleinsatz verwendet, der entsprechend der Kontur der Eintrittskante Dampf in einen Kanal führt, wobei aus diesem Kanal über Bohrungen Dampf prallkühlend gegen die Eintrittskante geleitet wird. Diese Konstruktion ist fertigungstechnisch sehr aufwendig und führt darüber hinaus auch zu einer vergleichsweise dicken und damit aerodynamisch nicht optimierten Eintrittskante.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbinenschaufel, bei der eine herstellungstechnisch einfache und dabei aerodynamisch günstige Kühlung der Eintrittskante möglich ist.

[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Angabe einer entlang einer Schaufelachse gerichteten Gasturbinenschaufel mit einem Profil, das eine Saugseite, eine Druckseite, eine Eintrittskante und eine Abströmkante aufweist, und mit einem inneren Hohlraum im Profil zur Führung eines Kühlfluides, wobei der Hohlraum einen an die Eintrittskante angrenzenden Eintrittskanten-Hohlraum und einen sich in Richtung auf die Abströmkante an den Eintrittskanten-Hohlraum anschließenden ersten Teilhohlraum aufweist, wobei der erste Teilhohlraum durch eine sich in eine Richtung von der Eintrittskante zur Abströmkante erstreckende Trennwand in einen ersten Unterraum und einen zweiten Unterraum geteilt ist und wobei Kühlfluid aus dem ersten Unterraum über Prallkühlöffnungen in die Eintrittskante prallkühlend in den Eintrittskantenhohlraum und von dort in den zweiten Unterraum einleitbar ist.

[0006] Mit dieser Konfiguration wird erstmals der Weg eingeschlagen, dem Eintrittskantenbereich einen geteilten Hohlraum vorzuschalten, so dass in konstruktiv einfacher Weise eine geschlossene Kühlfluidführung möglich wird. Dieser Aufbau vermeidet einen komplex gestalteten Prallkühl-Einsatz im Bereich der Eintrittskante und ermöglicht darüber hinaus, die Eintrittskante in der aerodynamisch günstigsten Weise auszuführen.

[0007] Vorzugsweise ist der Eintrittskanten-Hohlraum vom ersten Teilhohlraum durch eine mit dem Profil verbundene Halbrippe getrennt. Eine solche Halbrippe erstreckt sich nicht wie sonst bei Gasturbinenschaufeln üblich von der Saugseite bis zur Druckseite, sondern endet im Hohlraum. Eine solche Halbrippe kann beispielsweise bei einer gegossenen Turbinenschaufel mitgegossen sein. Kühlfluid wird nun vom ersten Unterraum über die Halbrippe in den Eintrittskanten-Hohlraum geführt, wobei hierzu Prallkühlöffnungen in der Halbrippe vorgesehen sind. Weiter bevorzugt sind diese Prallkühlöffnungen als Schlitze ausgeführt. Eine solche geschlitzte Halbrippe ist fertigungstechnisch einfach herstellbar und bietet dabei optimale Prallkühlbedingungen.

[0008] Bevorzugtermaßen schließt sich in Richtung auf die Abströmkante an den ersten Teilhohlraum ein zweiter Teilhohlraum an, der durch eine sich von der Saugseite zur Druckseite erstreckende Rippe vom ersten Teilhohlraum getrennt ist, wobei das Kühlfluid durch Kanäle in der Rippe vom zweiten Unterraum in den zweiten Teilhohlraum einleitbar ist. Weiter bevorzugt ist dabei das Kühlfluid im ersten Unterraum parallel zur Schaufelachse, im zweiten Unterraum quer zur Schaufelachse und im zweiten Teilhohlraum parallel zur Schaufelachse führbar. Es ergibt sich somit die Konstellation, dass das Kühlfluid in den beiden Unterräumen des ersten Teilhohlraums zwei senkrecht zueinander gerichtete Strömungsrichtungen aufweist.

[0009] Vorzugsweise ist die Trennwand ein Blech. Dies bietet gerade bei gegossenen Gasturbinenschaufeln eine weitere fertigungstechnische Vereinfachung, da keine Trennwand mitgegossen werden muss. Die Trennwand wird in die fertig gegossene Schaufel einfach eingesetzt. Bevorzugtermaßen wird die Trennwand dabei in Aussparungen zwischen angegossenen Turbulatoren verklemmt und/oder an einem insbesondere an einer Rippe angegossenen Versatz angefügt. Weiter bevorzugt trennt die Trennwand auch den zweiten Unterraum vom Eintrittskantenhohlraum, wobei die Trennwand Öffnungen zur Einleitung des Kühlfluides vom Eintrittskantenhohlraum in den zweiten Unterraum aufweist. Diese Ausführung ist besonders bevorzugt in Verbindung mit der den Eintrittskantenhohlraum zum ersten Unterraum trennenden Halbrippe. Durch die Halbrippe einerseits und die als Blech eingefügte Trennwand andererseits wird somit der Eintrittskanten-Hohlraum vom ersten Teilhohlraum getrennt. Das Blech stützt sich dabei vorzugsweise an der ersten Halbrippe ab.

[0010] Vorzugsweise ist die Gasturbinenschaufel als Leitschaufel ausgeführt.

[0011] Bevorzugtermaßen ist das Kühlfluid Dampf.

[0012] Die Dampfkühlung bietet den Vorteil einer Kühllufteinsparung und führt somit zu einer Wirkungsgradverbesserung und Leistungserhöhung für die Gasturbine. Gerade für die Leitschaufeln ist eine Dampfzufuhr gut einsetzbar, da die Leitschaufeln mit dem Gehäuse verbunden sind, über das der Kühldampf zugeführt werden kann.

[0013] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1

eine Gasturbinenleitschaufel,

FIG 2

einen Querschnitt durch eine Gasturbinenleitschaufel,

FIG 3

einen Querschnitt durch eine geschlitzte Halbrippe und

FIG 4

einen Ausschnitt aus einer Gasturbinenleitschaufel.

[0014] Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

[0015] Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Gasturbinenschaufel 1. Die Gasturbinenschaufel 1 ist als Leitschaufel ausgeführt. Sie ist entlang einer Schaufelachse 3 gerichtet. Die Gasturbinenschaufel 1 weist ein Profil 5 auf. Das Profil 5 weist eine Saugseite 7 und eine Druckseite 9 auf. Weiterhin weist das Profil 5 eine Eintrittskante 11 und eine Abströmkante 13 auf. Das Profil 5 ist zwischen einer gehäuseseitigen Plattform 15 und einer rotorseitigen Plattform 17 angeordnet. Das Profil 5 weist einen inneren Hohlraum 19 zur Führung eines Kühlfluides auf. Der Aufbau der inneren Kühlstruktur des Profils 5 wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.

[0016] Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Gasturbinenschaufel 1 aus Figur 1. Der innere Hohlraum 19 ist aufgebaut aus einem im Bereich der Eintrittskante 11 liegenden Eintrittskanten-Hohlraum 21, einem sich in Richtung der Abströmkante 13 an den Eintrittskanten-Hohlraum 21 anschließenden ersten Teilhohlraum 23, einem sich an den ersten Teilhohlraum 23 anschließenden zweiten Teilhohlraum 25 und einem sich an den zweiten Teilhohlraum 25 anschließenden Teilhohlraum 27. Der erste Teilhohlraum 23 ist unterteilt in einen ersten Unterraum 31 und einen zweiten Unterraum 33. Diese beiden Unterräume 31, 33 werden durch eine Trennwand 37 gebildet, die im ersten Teilhohlraum 23 verläuft und sich in der Richtung von der Eintrittskante zur Abströmkante erstreckt, so dass die beiden Unterräume 31, 33 in axialer Richtung nebeneinander liegen. Die Trennwand 37 grenzt zugleich den zweiten Unterraum 33 vom Eintrittskanten-Hohlraum 21 ab. Der Eintrittskanten-Hohlraum 21 ist vom ersten Unterraum 31 durch eine Halbrippe 35 getrennt, die sich von der Druckseite 9 in den inneren Hohlraum 19 erstreckt, etwa bis zur Hälfte der Strecke zur gegenüberliegenden Saugseite 7. Durch die sich an die Halbrippe 35 anpressende Trennwand 37 und durch die Halbrippe 35 ist somit der Eintrittskanten-Hohlraum 21 vom ersten Teilhohlraum 23 getrennt. In der Halbrippe 35 sind schlitzartige Prallkühlöffnungen 55 angeordnet, siehe Figur 3. In der Trennwand 37 sind auf der den Eintrittskanten-Hohlraum 21 begrenzenden Seite Öffnungen 61 vorgesehen. Der erste Teilhohlraum 23 ist vom zweiten Teilhohlraum 25 durch eine sich von der Druckseite 9 zur Saugseite 7 erstreckenden Rippe 39 getrennt. Etwa auf halber Breite der Rippe 39 weist diese einen Absatz 41 auf, der sich entlang der Schaufelachse 3 erstreckt. Im ersten Teilhohlraum 23 sind auf der Innenseite des Profils 5 sich quer zur Schaufelachse 3 erstreckende Turbulatoren 45 angeordnet. Im Eintrittskanten-Hohlraum 21 sind sich quer zur Schaufelachse 3 erstreckende Turbulatoren 43 auf der Innenseite des Profils 5 angeordnet. Zwischen den Turbulatoren 43 und den Turbulatoren 45 verläuft etwa parallel zur Schaufelachse 3 eine Aussparung 44. Die Trennwand 37 ist als ein Blech ausgeführt, welches an einem Ende in der Aussparung 44 gehaltert wird und am anderen Ende auf dem Absatz 41 der Rippe 39 aufliegt. Zudem ist die Trennwand 37 gegen die Halbrippe 35 gespannt. Dieser Aufbau ermöglicht ein besonders einfaches Einsetzen 37, insbesondere in eine ansonsten gegossen ausgeführte Gasturbinenschaufel 1.

[0017] Beim Einsatz der Gasturbinenschaufel 1 wird Kühlfluid 51, insbesondere Dampf, in den ersten Unterraum 31 des ersten Teilhohlraums 23 eingeleitet. Aus dem ersten Unterraum 31 gelangt das Kühlfluid 51 über die Prallkühlöffnungen 55 in der Halbrippe 35 so in den Eintrittskanten-Hohlraum 21, dass die Eintrittskante 11 von innen prallgekühlt wird. Das Kühlfluid 51 tritt sodann über die Öffnungen 61 in der Trennwand 37 (siehe Figur 4) in den zweiten Unterraum 33 ein, wo es senkrecht zur Schaufelachse 3 strömt. Im Gegensatz dazu wird das Kühlfluid 51 im ersten Unterraum 31 parallel zur Schaufelachse 3 geführt. Aus dem zweiten Unterraum 33 tritt das Kühlfluid 51 über Kanäle 63 in der Rippe 39 in den zweiten Teilhohlraum 25 ein, wo es wiederum parallel zur Schaufelachse 3 geführt und aus der Gasturbinenleitschaufel abgeleitet wird.

[0018] Dieser fertigungstechnisch besonders einfache und damit kostengünstige Aufbau ermöglicht eine geschlossene Kühlfluidführung, insbesondere für eine Dampfkühlung, bei einer bleibend günstigen aerodynamischen Gestaltung der Eintrittskante 11.

Ansprüche

1. Entlang einer Schaufelachse (3) gerichtete Gasturbinenschaufel (1) mit einem Profil (5), das eine Saugseite (7), eine Druckseite (9), eine Eintrittskante (11) und eine Abströmkante (13) aufweist, und mit einem inneren Hohlraum (19) im Profil (5) zur Führung eines Kühlfluides (51), wobei der Hohlraum (19) einen an die Eintrittskante (11) angrenzenden Eintrittskanten-Hohlraum (21) und einen sich in Richtung auf die Abströmkante (13) an den Eintrittskanten-Hohlraum (21) anschliessenden ersten Teilhohlraum (23) aufweist, wobei der erste Teilhohlraum (23) durch eine sich in einer Richtung von der Eintrittskante (11) zur Abströmkante (13) erstreckende Trennwand (37) in einen ersten Unterraum (31) und einen zweiten Unterraum (33) geteilt ist und wobei Kühlfluid (51) aus dem ersten Unterraum (31) über Prallkühlöffnungen (55) die Eintrittskante (11) prallkühlend in den Eintrittskanten-Hohlraum (21) und von dort in den zweiten Unterraum (33) einleitbar ist.

2. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
bei der der Eintrittskanten-Hohlraum (21) vom ersten Teilhohlraum (23) durch eine mit dem Profil (5) verbundene Halbrippe (35) getrennt ist.

3. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 2,
bei der die Prallkühlöffnungen (55) durch quer zur Halbrippe (35) und in der Halbrippe (35) verlaufende Schlitze gebildet sind.

4. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
bei der sich in Richtung auf die Abströmkante (13) an den ersten Teilhohlraum (23) ein zweiter Teilhohlraum (25) anschliesst, der durch eine sich von der Saugseite (7) zur Druckseite (9) erstreckende Rippe (39) vom ersten Teilhohlraum (23) getrennt ist, wobei das Kühlfluid (51) durch Kanäle (63) in der Rippe (39) vom zweiten Unterraum (33) in den zweiten Teilhohlraum (25) einleitbar ist.

5. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 5,
bei der das Kühlfluid (51) im ersten Unterraum (31) parallel zur Schaufelachse (3), im zweiten Unterraum (33) quer zur Schaufelachse (3) und im zweiten Teilhohlraum (25) parallel zur Schaufelachse (3) führbar ist.

6. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
bei der die Trennwand (37) ein Blech ist.

7. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 6,
bei der die Trennwand (37) auch den zweiten Unterraum (33) vom Eintrittskanten-Hohlraum (21) trennt, wobei die Trennwand (37) Öffnungen (61) zur Einleitung des Kühlfluids (51) vom Eintrittskanten-Hohlraum (21) in den zweiten Unterraum (33) aufweist.

8. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
die als Leitschaufel ausgebildet ist.

9. Gasturbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
bei der das Kühlfluid (51) Dampf ist.

Zeichnung