[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel mit einem profilierten, entlang
einer Schaufelachse erstreckten Schaufelblatt, an das endseitig eine sich quer zur
Schaufelachse erstreckende, in zumindest einem Endbereich als Hakensockel ausgebildete
Plattform angeformt ist.
[0002] Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen
eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung
einer Turbinenwelle benutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt,
wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer
durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher
Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete
Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
[0003] Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl
von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefaßten Laufschaufeln
angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Strömungsmedium die Turbinenwelle
antreiben. Zur Führung des Strömungsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise
zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen
angeordnet. Die Turbinenschaufeln, insbesondere die Leitschaufeln, weisen dabei üblicherweise
zur geeigneten Führung des Arbeitsmediums ein profiliertes, entlang einer Schaufelachse
erstrecktes Schaufelblatt auf, an das sich endseitig zur Befestigung der Turbinenschaufel
am jeweiligen Trägerkörper eine sich quer zur Schaufelachse erstreckende, in zumindest
einem Endbereich als Hakensockel ausgebildete Plattform angeformt ist.
[0004] Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung
üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des
Wirkungsgrades läßt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine
Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit dem das Arbeitsmedium aus der Brennkammer
ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200
°C bis 1300 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
[0005] Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten
Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei
hoher Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der betroffenen Komponenten
zu gewährleisten, ist üblicherweise eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere
von Lauf- und/oder Leitschaufeln der Turbineneinheit, vorgesehen. Die Turbinenschaufeln
sind daher üblicherweise kühlbar ausgebildet, wobei insbesondere eine wirksame und
zuverlässige Kühlung der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen ersten Schaufelreihen
sichergestellt sein soll. Zur Kühlung weist die jeweilige Turbinenschaufel dabei üblicherweise
einen in das Schaufelblatt oder das Schaufelprofil integrierten Kühlmittelkanal auf,
von dem aus ein Kühlmittel gezielt insbesondere den thermisch belasteten Zonen der
Turbinenschaufel zuleitbar ist.
[0006] Als Kühlmittel kommt dabei in der Art einer offenen Kühlung üblicherweise Kühlluft
zum Einsatz. Die als Kühlmittel vorgesehene Kühlluft wird dabei der jeweiligen Turbinenschaufel
über einen integrierten Kühlmittelkanal zugeführt. Von diesem ausgehend durchströmt
die Kühlluft in abzweigenden Kanälen die jeweils vorgesehenen Bereiche der Turbinenschaufel.
Diese Kanäle sind üblicherweise austrittsseitig offen gelassen, so daß die Kühlluft
nach dem Durchströmen der Turbinenschaufel aus dieser austritt und sich dabei mit
dem in der Turbineneinheit geführten Arbeitsmedium vermischt. Auf diese Weise ist
mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein zuverlässiges Kühlsystem für die Turbinenschaufel
bereitstellbar, wobei auch thermisch besonders belastete Zonen der Turbinenschaufel
geeignet mit Kühlmittel beaufschlagbar sind.
[0007] Allerdings ist bei Verwendung von Kühlluft als Kühlmittel die erreichbare Kühlwirkung
nur begrenzt. Dementsprechend ist für eine derartig gekühlte Gasturbine selbst bei
Verwendung von Wärmedämmschichten für die thermisch beaufschlagten Komponenten der
erreichbare Wirkungsgrad begrenzt, zumal ein gesteigerter Bedarf an Kühlluft Verluste
im verfügbaren Verdichtermassenstrom bedeuten würde, die ihrerseits nur in begrenztem
Ausmaß hingenommen werden können. Es kann daher wünschenswert sein, unter Abkehr von
einer kühlluftbasierten Schaufelkühlung eine Schaufelkühlung unter Verwendung von
Kühldampf als Kühlmedium bereitzustellen.
[0008] Bei einer derartigen Dampfkühlung kann das aus der Turbinenschaufel abströmende Kühlmittel
jedoch nicht ohne weiteres dem die Turbineneinheit durchströmenden Arbeitsmedium beigemischt
werden. Somit ist für eine Dampfkühlung grundsätzlich eine sogenannte geschlossene
Kühlung erforderlich, bei der das aus den Turbinenschaufeln abströmende Kühlmedium
über ein Kanal- und Leitungssystem aus dem zu kühlenden Bereich abgeführt wird. Die
Einarbeitung eines derartigen Kanalsystems in den Schaufelkörper ist jedoch, insbesondere
bei einkristallin hergestellten Schaufeln, vergleichsweise aufwendig. Darüber hinaus
ist auch bei einem derartigen geschlossenen Kühlsystem für die thermisch vergleichsweise
stark beaufschlagten Bereiche der Turbinenschaufeln in Kantennähe der Trägerplattform
eine zuverlässige Kühlmittelversorgung nur begrenzt möglich.
[0009] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel mit einem profilierten,
entlang einer Schaufelachse erstreckten Schaufelblatt, an das endseitig eine sich
quer zur Schaufelachse erstreckende, in zumindest einem Endbereich als Hakensockel
ausgebildete Plattform angeformt ist, anzugeben, für die mit vergleichsweise einfachen
Mitteln eine zuverlässige geschlossene Kühlung, insbesondere unter Verwendung von
Kühldampf als Kühlmedium, ermöglicht ist.
[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in den oder jeden Hakensockel jeweils
eine mit Kühldampf beaufschlagbare, nach außen abgeschlossene Kühlkammer integriert
ist.
[0011] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß eine zuverlässige geschlossene
Kühlung für eine Turbinenschaufel insbesondere die ausreichende Beaufschlagung besonders
kritischer Stellen oder thermisch besonders belasteter Bereiche der Turbinenschaufel
mit Kühlmedium sicherstellen sollte. Als ein derartiger, kritischer Bereich wurde
die Plattform im Bereich der Verhakung am Trägerkörper erkannt, zumal dieser Bereich
zusätzlich zu einer thermischen auch einer mechanischen Belastung ausgesetzt ist.
Eine entsprechend ausgestaltete geschlossene Kühlung kann dann mit besonders einfachen
Mitteln bereitgestellt werden, wenn in möglichst weitgehendem Umfang an das Konzept
einer offenen Kühlung angeknüpft wird.
[0012] Bei einer offenen Kühlung sind für die im Hinblick auf die thermische Belastung besonders
kritischen Bereiche der jeweiligen Turbinenschaufel, nämlich im Bereich der Hakensockel
in den jeweiligen Endzonen der Trägerplattform, Bohrungen geführt, über die die Kühlluft
aus der Turbinenschaufel abströmt. Um auch bei einer geschlossenen Kühlung gerade
diese thermisch hoch belasteten Bereiche zuverlässig mit Kühlmedium zu versorgen,
sollte auch bei der geschlossenen Kühlung ein Strömungsweg für das Kühlmedium in diesen
Raumbereichen vorgesehen sein. Dazu sind die dort angeordneten Kühlkanäle geschlossen
ausgeführt und zur Einstellung eines geeigneten Strömungswegs für das Kühlmedium zu
Kühlkammern erweitert.
[0013] Je nach Einsatzort und Positionierung der jeweiligen Turbinenschaufel kann in ihrer
Trägerplattform dabei ein einziger Hakensockel oder eine Mehrzahl von Hakensockeln
vorgesehen sein. Für eine zuverlässige Kühlung der Plattform insgesamt ist dabei jedem
Hakensockel zweckmäßigerweise jeweils eine Kühlkammer zugeordnet. Die Kühlkammern
sind dabei jeweils in der Art von Taschen direkt in den die Trägerplattform bildenden
Materialblock integriert.
[0014] Für einen besonders geringen Aufwand bei der Herstellung der Turbinenschaufel ist
die oder jede Kühlkammer vorteilhafterweise in den jeweiligen Hakensockel eingegossen
und nach außen über ein Abdeckblech abgeschlossen. Somit kann die Kühlkammer oder
-tasche direkt beim Gießen der Turbinenschaufel mithergestellt werden, so daß eine
Nachbearbeitung des Gußkörpers nicht erforderlich ist. Zum zuverlässigen Abschluß
der jeweiligen Kühlkammer nach außen ist dabei lediglich die Anbringung des jeweiligen
Abdeckblechs erforderlich.
[0015] Zur zuverlässigen Bespeisung der jeweiligen Kühlkammer mit Kühldampf oder Kühlmedium
ist die oder jede Kühlkammer zweckmäßigerweise über einen im jeweiligen Haltesockel
geführten Kanal mit einer Dampfzuführung verbunden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
ist die oder jede Kühlkammer zudem über einen weiteren im jeweiligen Haltesockel geführten
Kanal mit einer Dampfabführleitung verbunden. Die Dampfzu- und abführung ist dabei
vorzugsweise zumindest teilweise in den den Haltesockel bildenden Materialblock integriert.
Eine derartig integrierte Ausführung kann beispielsweise durch Eingießen erstellt
worden sein, wobei ein beim Gießen der Turbinenschaufel als Gießform eingesetzter
sogenannter Kern im Plattformbereich geeignete Ausläufer oder Verdickungen aufweist.
Die dadurch entstehenden materialfreien Ausläufer im Plattformbereich können dann
zur Vervollständigung der jeweiligen Dampfzu- bzw. abführung über Bohrungen mit der
jeweiligen Kühlkammer verbunden werden.
[0016] Eine besonders zuverlässige Kühlung der jeweiligen Strukturteile mit Dampf als Kühlmedium
ist mittels einer sogenannten Prallkühlung erreichbar. Dazu ist die oder jede Kühlkammer
vorteilhafterweise in einem Bodenbereich mit einem beabstandet zum Kammerboden angeordneten
Prallkühlblech versehen. Das Prallkühlblech ist dabei im wesentlichen als gelochtes
Blech ausgebildet, wobei auf das Prallkühlblech auftreffender Dampf mit diesem in
besonders intensiven Kontakt tritt und anschließend über die Lochung abgeleitet werden
kann. Für eine zuverlässige Dampfableitung ist dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
ein jeweils durch den Kammerboden und das Prallkühlblech begrenzter Abdampfraum an
eine Dampfrückführung angeschlossen.
[0017] Die Turbinenschaufel ist vorzugsweise als Leitschaufel für eine Gasturbine, insbesondere
für eine stationäre Gasturbine, ausgebildet.
[0018] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die
in den jeweiligen Hakensockel integrierte Kühlkammer mit besonders einfachen Mitteln
eine zuverlässige Beaufschlagung von thermisch hoch belasteten Bereichen der Turbinenschaufel
mit Kühlmittel, insbesondere mit Kühldampf, auch bei geschlossener Kühlung ermöglicht
ist. Die Turbinenschaufel ist dabei mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar,
wobei insbesondere auf vergleichsweise einfache Weise eine Einbeziehung von Konzepten
einer offenen Kühlung ermöglicht ist.
[0019] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
- Figur 1
- eine Turbinenschaufel im Längsschnitt,
- Figur 2
- einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 zur Verdeutlichung eines Strömungswegs,
und
- Figur 3
- eine weitere Turbinenschaufel im Längsschnitt.
[0020] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0021] Die Turbinenschaufel 1 gemäß Figur 1 weist ein profiliertes Schaufelblatt 2 auf,
das sich entlang einer Schaufelachse 4 erstreckt. Das Schaufelblatt 2 ist dabei zur
geeigneten Beeinflussung eines in einer zugeordneten Turbineneinheit strömenden Strömungsmediums
gewölbt und/oder gekrümmt.
[0022] Die Turbinenschaufel 1 ist als Leitschaufel für eine Gasturbine ausgebildet. Dazu
ist endseitig am in der Darstellung nach Figur 1 oberen Ende des Schaufelblatts 2
an dieses eine sich quer zur Schaufelachse 4 erstreckende Plattform 6, auch als Trägerplattform
bezeichnet, angeformt. Die Plattform 6 ist dabei in nicht näher dargestellter Weise
an einem Turbinengehäuse befestigbar. Dazu weist die Plattform 6 in jedem ihrer Endbereiche
8, 10 jeweils einen Hakensockel 12 bzw. 14 auf. Über den jeweiligen Hakensockel 12,
14 ist die Plattform 6 dabei mit einem benachbarten Strukturelement in Eingriff bringbar,
so daß auf besonders einfache Weise eine Befestigung der Turbinenschaufel 1 an einem
Trägerkörper ermöglicht ist. Die Turbinenschaufel 1 ist dabei für einen Einsatz in
der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen zweiten Leitschaufelreihe der
Gasturbine vorgesehen; dementsprechend ist die Plattform 6 sowohl in ihrem vorderseitigen
Endbereich 8 als auch in ihrem rückseitigen Endbereich 10 als Hakensokkel 12 bzw.
14 ausgebildet.
[0023] Die Turbinenschaufel 1 ist in der Art einer geschlossenen Kühlung als mit Kühldampf
als Kühlmittel kühlbare Turbinenschaufel ausgebildet. Dazu sind in einem Zentralbereich
16 der Plattform 6 Zu- und Abströmkanäle für Kühldampf vorgesehen, über die die Plattform
im wesentlichen kühlbar ist. Weiterhin ist das Schaufelblatt 2 in der Art einer Innenprofilierung
mit einem Hohlraum 18 ausgeführt, über den ebenfalls Kühldampf führbar ist.
[0024] Die Turbinenschaufel 1 ist weiterhin auch für eine zuverlässige Kühlung der an sich
als problematisch anzusehenden Raumbereiche unmittelbar an den Hakensockeln 12, 14
ausgeführt. Dazu ist in jeden Hakensockel 12, 14 jeweils eine mit Kühldampf beaufschlagbare
Kühlkammer 20 bzw. 22 integriert. Die Kühlkammern 20, 22 sind dabei in den jeweiligen
Hakensockel 12, 14 eingegossen und gegenüber dem Außenbereich der Turbinenschaufel
1 über jeweils ein Abdeckblech 24 bzw. 26 abgeschlossen. Zur Bespeisung mit Kühldampf
sind die Kühlkammern 20, 22 jeweils über als Bohrung ausgeführte Dampfkanäle 28 bzw.
30 mit einer Dampfzuführung verbunden.
[0025] Zur weiteren Verdeutlichung des Strömungsweges des Kühldampfs ist diese Anordnung
in Figur 2 in vergrößertem Ausschnitt dargestellt. Dabei ist durch den Pfeil 43 symbolisierter
Frischdampf als Kühldampf einem Zuströmkanal 44 zugeführt, von dem aus er in einen
Innenraum 45 der Plattform 6 gelangt. Als Hauptströmungsweg für den Kühldampf ist
dabei dessen Führung vom Innenraum 45 über einen Überströmkanal 46 in einer Dampfrückführung
47 vorgesehen, von wo der Kühldampf über einen geeignet abgetrennten Teil des Innenraums
45 einem Abströmkanal 48 zugeleitet ist. Von dort gelangt der nunmehr verbrauchte"
Kühldampf, wie durch den Pfeil 49 ausgedrückt, zu einer geeigneten Dampfableitung.
[0026] Ein Teilstrom des Kühldampfes ist dabei nach seiner Einleitung in den Innenraum 45
zur Beaufschlagung der Kühlkammer 20 vorgesehen. Vom Innenraum 45 gelangt dieser Teilstrom
dabei über den als Bohrung ausgestalteten Dampfkanal 28 in die Kühlkammer 20, die
in ihrem Bodenbereich durch das gelochte Prallkühlblech 32 begrenzt ist. Über die
Lochung des Prallkühlblechs 32 gelangt der Teilstrom sodann in den vom Prallkühlblech
32 einerseits und dem Kammerboden 38 andererseits begrenzten Abdampfraum 36.
[0027] Um den zugeführten Dampf besonders effektiv zur Kühlung des jeweils umgebenden Materials
nutzen zu können, ist jede Kühlkammer 20, 22 jeweils mit einem Prallkühlblech 32 bzw.
34 versehen. Das der Kühlkammer 20 zugeordnete Prallkühlblech 32 ist dabei unter Bildung
eines Abdampfraumes 36 beabstandet zum Kammerboden 38 der Kühlkammer 20 angeordnet.
In analoger Ausgestaltung ist das der Kühlkammer 22 zugeordnete Prallkühlblech 34
unter Bildung eines Abdampfraumes 40 beabstandet zum Kammerboden 42 der Kühlkammer
22 angeordnet. Die Prallkühlbleche 32, 34 sind dabei jeweils als gelochte Bleche ausgeführt,
wobei die Lochung jeweils ein Überströmen von Kühldampf in den jeweils nachgeordneten
Abdampfraum 26 bzw. 40 zuläßt.
[0028] Zur geeigneten Rückführung des Kühldampfes und somit zur Herstellung einer geschlossenen
Kühlung sind die Abdampfräume 36, 40 - wie in Figur 2 durch den Pfeil 50 ausgedrückt
- abdampfseitig über eine nicht näher dargestellte Bohrung an die Dampfrückführung
47 angeschlossen. Die Dampfrückführung 50 umfaßt dabei ihrerseits einen Dampfkanal,
der mit einer an den Hohlraum 18 angeformten Ausnehmung im Materialkörper der Plattform
6 kommuniziert. Diese Ausnehmung, auch als Ausläufer bezeichnet, bildet somit ebenfalls
einen Teil der Dampfrückführung 47. Die Ausnehmung ist dabei in den Materialkörper
der Plattform 6 mit eingegossen. Zur Herstellung der Ausnehmung ist dabei an einen
bei der Herstellung der Turbinenschaufel 1 als Gießform für den Hohlraum 18 verwendeten
sogenannten Kern in der Art einer seitlichen Verdickung ein langgestreckter Ausläufer
angeformt. Auf die gleiche Weise kann auch die Dampfzuführung entsprechende, in die
Plattform 6 integrierte Bereiche aufweisen.
[0029] Die Turbinenschaufel 1' gemäß Figur 3 ist ebenfalls als Leitschaufel für eine Gasturbine
ausgebildet. Im Unterschied zur Turbinenschaufel 1 gemäß den Figuren 1, 2 ist jedoch
die Turbinenschaufel 1' gemäß Figur 3 zum Einsatz in der in Strömungsrichtung des
Arbeitsmediums gesehen ersten Leitschaufelreihe vorgesehen. Dementsprechend weist
die Turbinenschaufel 1' im Unterschied zur Turbinenschaufel 1 im Bereich ihrer als
Trägerplattform vorgesehenen Plattform 6 lediglich in einem Endbereich 60 einen Hakensockel
62 auf. In den Hakensockel 62 ist dabei ebenfalls eine Kühlkammer 64 integriert, die
bereits beim Gießen der Turbinenschaufel 1' in den Hakensockel 62 eingegossen wird.
Die Kühlkammer 64 ist gegenüber dem Außenbereich der Turbinenschaufel 1' über ein
Abdeckblech 66 abgeschlossen. Beabstandet vom Kammerboden 68 der Kühlkammer 64 ist
ein Prallkühlblech 70 angeordnet, das gemeinsam mit dem Kammerboden 68 einen Abdampfraum
72 begrenzt.
[0030] Die Kühlkammer 64 ist eingangsseitig über eine nicht näher dargestellte Bohrung mit
einem Zuströmkanal 74 für Kühldampf verbunden. Vom Zuströmkanal 74 zweigt dabei weiterhin
auch ein Dampfkanal 76 ab, der in einen im vorderen Bereich der Plattform 6 angeordneten,
mit einem Prallkühlblech 78 versehenen Kühldampfraum 80 mündet.
[0031] Abdampfseitig sind sowohl der Abdampfraum 72 der Kühlkammer 64 als auch ein dem Dampfraum
80 über das Prallkühlblech 78 nachgeschalteter Abdampfraum 82 über nicht näher dargestellte
Bohrungen mit einem Rückströmkanal 84 für den Kühldampf verbunden.
[0032] Sowohl die Turbinenschaufel 1 als auch die Turbinenschaufel 1' sind über die in ihrer
jeweiligen Plattform 6 integrierten Kühlkammern 20, 22, 64 zuverlässig mit Kühldampf
auch in thermisch hoch belasteten und für eine Kühlung nur schwer zugänglichen Bereichen
kühlbar. Dabei ist bei vergleichsweise einfacher Herstellung der Turbinenschaufeln
1, 1' die zuverlässige Kühlung der genannten Bereiche mit besonders Mitteln gewährleistet.
1. Turbinenschaufel (1, 1') mit einem profilierten, entlang einer Schaufelachse (4) erstreckten
Schaufelblatt (2), an das endseitig eine sich quer zur Schaufelachse (4) erstreckende,
in zumindest einem Endbereich (8, 10) als Hakensockel (12, 14, 62) ausgebildete Plattform
(6) angeformt ist, wobei in den oder jeden Hakensockel (12, 14, 62) jeweils eine mit
Kühldampf beaufschlagbare, nach außen abgeschlossene Kühlkammer (20, 22, 64) integriert
ist.
2. Turbinenschaufel (1, 1') nach Anspruch 1, bei der die oder jede Kühlkammer (20, 22,
64) in den jeweiligen Hakensockel (12, 14, 62) eingegossen und nach außen über ein
Abdeckblech (24, 26, 66) abgeschlossen ist.
3. Turbinenschaufel (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, bei der die oder jede Kühlkammer
(20, 22, 64) über einen im jeweiligen Haltesockel (62) geführten Kanal mit einer Dampfzuführung
(28, 30) verbunden ist.
4. Turbinenschaufel (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die oder jede Kühlkammer
(20, 22, 64) in einem Bodenbereich mit einem beabstandet zum Kammerboden angeordneten
Prallkühlblech (32, 34, 78) versehen ist.
5. Turbinenschaufel (1, 1') nach Anspruch 4, bei der ein jeweils durch den Kammerboden
(38) und das Prallkühlblech (32, 34, 78) begrenzter Abdampfraum (36) an eine Dampfrückführung
(50) angeschlossen ist.
6. Turbinenschaufel (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die als Leitschaufel für
eine Gasturbine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine, ausgebildet ist.