Anwendungsbereich der Erfindung
[0001] Diese Erfindung bezieht sich auf von innen gekühlte Schaufeln für Gasturbinen und
insbesondere auf eine Kühlkonstruktion für den Spitzenbereich der Schaufel.
Hintergrundinformationen zum Stand der Technik
[0002] Schaufeln für Gasturbinen werden in der Regel gekühlt, um das Material der Schaufeln
vor den hohen Gastemperaturen zu schützen und dessen Oxidation zu verhindern. Die
Kühlung erhöht in wirksamer Form die Beständigkeit der Schaufeln und verlängert ihre
Lebensdauer im Betrieb. Eine bewährte und erfolgreiche Kühlkonstruktion für Turbinenschaufeln
ist die Innenkühlung. Dabei strömt ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid - in der
Regel Luft, die von dem Verdichter der Turbine entnommen wird - durch Kanäle in einen
Hohlraum zwischen der druckseitigen Wand der Schaufel, der saugseitigen Wand und einer
Spitzenkappe. Der Spitzenbereich umfasst in der Regel die Spitzenkappe und einer Anstreifkante,
der sich entlang der druckseitigen und saugseitigen Wand radial weg erstreckt. Die
Anstreifkante hat verhältnismäßig dünne Wände und ist relativ weit von der Kühlluft
im Inneren der Schaufel entfernt. Aus diesem Grund ist er besonders anfällig auf die
hohen Temperaturen des Gasstromes. Daher ist die Kühlung dieses Spitzenbereiches besonders
wichtig. Um die Kühlung des Spitzenbereichs sicherzustellen, führen die Kühlkanäle
vom Hohlraum innerhalb der Schaufel entweder durch die Spitzenkappe zu einem Halbraum,
der von der Anstreifkante umschlossen ist, oder durch die Anstreifkante zur Krone
dieser Anstreifkante. Das flüssige oder gasförmige Kühlfluid strömt durch diese Kanäle,
kühlt den Halbraum und die Anstreifkante von innen sowie - nach dem Austritt aus den
Austrittsöffnungen auf der äußeren Oberfläche und mischt sich schließlich in den Leckstrom
der Gasturbine. Ein typisches Problem, das bei dem Betrieb von Turbinen auftritt,
ist das gelegentliche, absichtliche oder unabsichtliche Reiben der Schaufelspitze
gegen den äußeren Hitzeschild oder gegen andere Komponenten, die am Turbinengehäuse
angebracht sind. Das Reiben der Schaufelspitze führt zu einem Verschmieren von Material
auf der Schaufelspitze und zu einem Verstopfen oder gar zu einem vollständigen Blockieren
der Austrittsöffnungen der Kühlkanäle auf der Schaufelspitze. Die Kühlung der Schaufelspitze
wird dann reduziert oder sogar vollständig unterbrochen und kann aufgrund der Überhitzung
zu einer beträchtlichen Beschädigung der Schaufel führen.
[0003] Um ein Verstopfen oder Blockieren der Kühlkanäle zu verhindern, sind mehrere Lösungen
vorgelegt worden.
[0004] Die europäische Patentanmeldung EP 816 636 offenbart eine Laufschaufel für eine Gasturbine
mit einer typischen Anstreifkante an der Schaufelspitze und Kühlkanälen, die für die
Kühlung der Anstreifkante konzipiert worden sind. Die Kanäle erstrecken sich von einem
Hohlraum innerhalb der Schaufel zur Druckseite der Schaufel sowie durch die Spitzenkappe
zum von der Anstreifkante umschlossenen Halbraum. Falls die Anstreifkante gegen einen
äußeren Hitzeschild oder eine andere Komponente der Gasturbine reibt, kann Material
in die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkappe fallen und den Kanal für das flüssige
oder gasförmige Kühlfluid verstopfen. Darüber hinaus sorgt die Anordnung der Kühlkanäle
nicht für eine optimale Kühlung der äußersten Spitze der Anstreifkante.
[0005] Bei einer Anstreifkante mit einer ähnlichen Form umfasst die Kühlkonstruktion Kühlkanäle,
die sich von einem Hohlraum innerhalb der Schaufel durch die Anstreifkante auf der
Saugseite bis zur Krone der Anstreifkante an der Saugseite erstrecken. Dies sorgt
für eine effiziente Kühlung des äußersten Spitzenbereichs. Allerdings besteht ein
hohes Risiko, dass abgeriebenes Material die Ausgangslöcher der Kühlkanäle verschmiert
und verstopft.
[0006] Das US-Patent 5,476,364 offenbart eine Turbinenschaufel ohne eine Anstreifkante an
der Spitze und mit Kühlkanälen, die sich von einem inneren Kühlkanal bis zur Druckseite
der Schaufelspitze erstrecken. Die Kühlkanäle sind in einem speziellen Winkel zur
Spitzenoberfläche der Schaufel angeordnet. Weiterhin umfassen die Austrittsöffnungen
der Kühlkanäle insbesondere einen Hohlraum, der durch eine Seitenwand parallel zur
Oberfläche der Schaufel verläuft und durch die Seitenwand der Austrittsöffnung gebildet
wird. Diese Aushöhlung soll verhindern, dass die Austrittsöffnung mit Material verstopft
wird, das von einem ringförmigen Deckband über den Schaufeln abgerieben wird. Stattdessen
soll das abgeriebene Material den Kühlmittelstrom in eine Richtung ablenken, die für
die Leistung der Turbine vorteilhafter ist. Diese Kühlkonstruktion dürfte funktionieren,
sofern die abgeriebenen Materialpartikel klein sind. Falls jedoch die Partikel größer
als der Kühlkanal sind, wird sich dieser wahrscheinlich verstopfen.
Darstellung der Erfindung
[0007] Das Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaufel für Gasturbinen mit
einer Anstreifkante und einer Kühlkonstruktion für diese Anstreifkante, die es ermöglicht,
dass das Kühlfluid den äußersten Rand der Anstreifkante erreichen kann. Insbesondere
soll die Kühlkonstruktion auch dann für eine ausreichende Kühlung sorgen, nachdem
ein absichtliches oder unabsichtliches Reiben mit dem äußeren Hitzeschild oder einer
anderen Turbinenkomponente aufgetreten ist und die Kühlkanäle durch abgeriebene Partikel
unterschiedlicher Größe blockiert oder verschmutzt worden sind.
[0008] Eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, die sich von einem Fuß bis zu einer Spitze
erstreckt und eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, umfasst eine druckseitige
Wand, eine saugseitige Wand und eine Spitzenkappe. Die inneren Oberflächen der druckseitigen
und saugseitigen Wand bilden zusammen mit der inneren Oberfläche der Spitzenkappe
einen Hohlraum mit Kühlkanälen, durch die ein Kühlfluid strömt und die Schaufel von
innen durch Konvektion kühlt. Die Spitze der Schaufel umfasst die Spitzenkappe und
eine Anstreifkante, der sich radial von der druckseitigen und saugseitigen Wand zu
einer Spitzenkrone an der Druck- und der Saugseite erstreckt. Zusammen mit der äußeren
Oberfläche der Spitzenkappe bildet die Anstreifkante einen Halbraum. Weitere Kühlkanäle
erstrecken sich von dem Hohlraum innerhalb der Schaufel zur Anstreifkante und ermöglichen,
dass das Kühlfluid aus dem Hohlraum innerhalb der Schaufel austritt und die Anstreifkante
kühlt.
Gemäß der Erfindung umfasst die Anstreifkante eine Aushöhlung, die sich vom Halbraum
in die Anstreifkante erstreckt. Diese Aushöhlung reicht bis in die Kühlkanäle hinein,
die sich vom Hohlraum innerhalb der Schaufel bis zur Spitzenkrone erstrecken, so dass
diese Kühlkanäle in einen ersten und einen zweiten Teil unterteilt werden. Der erste
Teil führt vom Hohlraum zu einer Austrittsöffnung in der Aushöhlung, und der zweite
Teil führt von der Aushöhlung zu einer Austrittsöffnung auf der Spitzenkrone.
[0009] Die Aushöhlung in der Anstreifkante stellt eine zusätzliche Austrittsöffnung bereit,
damit das Kühlfluid in Richtung des Spitzenbereichs austreten kann. Die Anstreifkante
mit dem zweiten Bereich des Kühlkanals schützt die Aushöhlung und die zusätzliche
Austrittsöffnung vor einer Berührung mit dem äußeren Hitzeschild oder anderen Komponenten
und vor Material, das bei einer solchen Berührung abgerieben wird. Im Falle einer
solchen Berührung werden die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone durch das abgeriebene
Material teilweise oder vollständig blockiert, und das Kühlfluid kann nicht mehr durch
den zweiten Bereich des Kühlkanals zu der Spitzenkrone strömen, um die Anstreifkante
von innen zu kühlen. Statt dessen tritt das Kühlfluid durch die zusätzliche Austrittsöffnung
in der Aushöhlung aus, strömt in den Halbraum und von dort um die Anstreifkante herum
bis zur Spitzenkrone. Es kühlt die Anstreifkante in wirksamer Weise an dessen äußerer
Oberfläche durch Filmkühlung und mischt sich schließlich in den Leckstrom der Gasturbine.
Sofern es nicht zu einem Reiben mit den Turbinenkomponenten kommt, kann das flüssige
oder gasförmige Kühlfluid ungehindert durch den ersten Bereich in die Aushöhlung und
von dort weiter durch den zweiten Bereich des Kühlkanals zu der Spitzenkrone fließen,
wobei es die Anstreifkante von innen durch Konvektion kühlt.
[0010] Die Kühlkonstruktion gemäß der Erfindung sorgt so selbst dann für eine Kühlung, wenn
die Austrittsöffnung verschmiert worden ist. Insbesondere erreicht das Kühlfluid den
äußersten Rand der Anstreifkante sowohl in den Fällen, in denen die Austrittsöffnungen
frei sind, als auch in den Fällen, in denen die Austrittsöffnungen blockiert sind.
Darüber hinaus sorgt die Kühlkonstruktion ungeachtet der Größe der abgeriebenen Materialpartikel
für eine Kühlung.
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aushöhlung in der Anstreifkante
sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Schaufel bereitgestellt.
Diese Lösung ist besonders für Schaufeln geeignet, die Austrittsöffnungen auf der
Spitzenkrone sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Schaufel aufweisen.
[0012] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Aushöhlung in
der Anstreifkante nur auf der Saugseite bereitgestellt. Bei einigen Schaufeltypen
werden die Austrittsöffnungen der Kühlkanäle auf der Druckseite des Spitzenbereichs
unterhalb der Spitzenkrone angeordnet. Für diese Austrittsöffnungen ist das Problem
des Blockierens nicht so schwerwiegend wie bei den Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone
der Saugseite, und demzufolge sind Maßnahmen zum Schutz der Austrittsöffnungen nicht
unbedingt notwendig.
[0013] Die Aushöhlung gemäß der Erfindung hat eine erste Seitenwand, die im wesentlichen
in der Ebene der äußeren Oberfläche der Spitzenkappe liegt. Eine zweite Seitenwand
der Aushöhlung erstreckt sich von dieser ersten Seitenwand der Aushöhlung zu einer
dritten Seitenwand, die im wesentlichen parallel zur Krone der Anstreifkantes ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Seitenwand der Aushöhlung
entweder gekrümmt oder gerade, mit scharfen Ecken zur ersten und dritten Seitenwand
der Aushöhlung. Eine Aushöhlung mit gekrümmten oder gerundeten Seitenwänden wird am
zweckmäßigsten durch Guss hergestellt. Eine Aushöhlung mit einer geraden Seitenwand
und scharfen Ecken wird zweckmäßiger durch andere Verfahren, wie zum Beispiel durch
elektrochemische Abtragungsmethoden, hergestellt.
[0014] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anstreifkante
abgerundete Ecken oder scharfe, beispielsweise rechteckige, Ecken.
Scharfe Ecken an der Anstreifkante sind hinsichtlich des Leckstroms an dem Schaufelkopf
vorteilhaft, da die scharfen Ecken eine höhere Durchflusszahl gewährleisten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0015] Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Laufschaufel gemäß der Erfindung
mit einer Anstreifkante und Austrittsöffnungen der zweiten Teile der Kühlkanäle auf
der Spitzenkrone der Saugseite und einer Aushöhlung in der Anstreifkante, welche die
Austrittsöffnungen der ersten Teile der Kühlkanäle aufzeigt.
[0016] Figur 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II des Spitzenbereichs einer
Laufschaufel gemäß der Erfindung mit der Aushöhlung in der Anstreifkante und dem ersten
und zweiten Teil eines Kühlkanals.
Ausführungsform der Erfindung
[0017] Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des radial äußeren Bereichs einer
Laufschaufel 1 für eine Gasturbine gemäß der Erfindung mit einer druckseitigen Wand
2, einer saugseitigen Wand 3 und einer Spitzenkappe 4 am radialen Ende der Schaufel.
Innerhalb der Laufschaufel 1 bilden die innere Oberfläche der Spitzenkappe 4 und die
inneren Oberflächen der druckseitigen und der saugseitigen Wand einen Hohlraum 5.
Ein Kühlfluid - in der Regel Luft, die vom Verdichter der Turbine entnommen wird -
zirkuliert innerhalb des Hohlraums 5 und kühlt die druck- und saugseitige Wand von
innen durch Konvektion.
Die Abbildung zeigt insbesondere den Spitzenbereich der Schaufel, die eine Anstreifkante
6 umfasst und den Spitzenbereich der Schaufel vor Schäden im Falle einer Berührung
mit dem Gehäuse der Gasturbine schützt. Die Anstreifkante erstreckt sich radial von
der druck- und saugseitigen Wand 2 und 3 zur Spitzenkrone der Druckseite 7 beziehungsweise
der Spitzenkrone der Saugseite 8. Die Anstreifkante 6 bildet zusammen mit der Spitzenkappe
4 einen Halbraum 9. Die Kühlkanäle erstrecken sich von dem Hohlraum 5 innerhalb der
Schaufel durch die Anstreifkante 6 bis zum Spitzenbereich der Schaufel. Das Kühlfluid
strömt durch diese Kühlkanäle und kühlt die Anstreifkante durch Kühlung von innen.
Das Kühlfluid tritt dann aus den Kanälen durch die Austrittsöffnungen, kühlt die Anstreifkante,
indem es um die Krone strömt, und vermischt sich schließlich mit dem Leckstrom der
Gasturbine. Auf der Druckseite der Schaufel 1 sind mehrere Austrittsöffnungen 10 von
Kühlkanälen auf der Anstreifkante und etwas unterhalb der Spitzenkrone 7 angeordnet.
Mehrere zusätzliche Austrittsöffnungen 11 der Kühlkanäle sind auf der Spitzenkrone
der Saugseite 8 angeordnet. Gemäß der Erfindung umfasst die Anstreifkante eine Aushöhlung,
die sich von der Spitzenkappe 4 in die Anstreifkante 6 erstreckt. Die Aushöhlung unterteilt
die Kühlkanäle in der Nähe der Saugseite in einen ersten Teil, der sich von dem Hohlraum
5 zu den Austrittsöffnungen 11' in der Aushöhlung erstreckt, und in einen zweiten
Teil, der sich von der Aushöhlung zu den Austrittsöffnungen 11 auf der Spitzenkrone
8 der Saugseite erstreckt.
[0018] Figur 2 zeigt den Querschnitt entlang der Linie II-II des Spitzenbereichs der Laufschaufel
1 mit der druckseitigen Wand 2 und der saugseitigen Wand 3. Der Hohlraum 5 wird durch
die innere Oberfläche 12 und die innere Oberfläche 13 der druck- beziehungsweise der
saugseitigen Wand sowie der inneren Oberfläche 14 der Spitzenkappe 4 gebildet. Ein
Kühlkanal 15 erstreckt sich in einem ersten Teil 17 vom Hohlraum 5 durch die Spitzenkappe
4 zur Austrittsöffnung 11' und in die Aushöhlung 16. Der zweite Teil 18 des Kanals
15 erstreckt sich von der Aushöhlung 16 durch die Anstreifkante 6 zur Austrittsöffnung
11 auf der Spitzenkrone 8 der Saugseite.
[0019] Sofern der zweite Teil des Kühlkanals und dessen Austrittsöffnungen 11 auf der Spitzenkrone
frei sind, kann das Kühlfluid 20 ungehindert zum äußersten Rand der Anstreifkante
strömen und sich in den Leckstrom 22 mischen. Falls jedoch die Austrittsöffnung 11
durch Material verstopft ist, das von dem äußeren Hitzeschild oder der Spitzenkrone
der Schaufel abgerieben wurde, nimmt das Kühlfluid einen Weg 23 von der Aushöhlung
16 in den Halbraum 9 und um die Anstreifkante herum zur Spitzenkrone 8. In beiden
Fällen wird eine ausreichende Kühlung der Anstreifkantes einschließlich dessen äußerste
Kante erreicht, und zwar unabhängig davon, in welchem Umfang der zweite Teil 18 des
Kühlkanals verstopft ist.
[0020] Die Aushöhlung 16 ist hier mit einer gerundeten oder gebogenen Seitenwand ausgebildet,
die am zweckmäßigsten durch Guss hergestellt wird. Eine rechteckige Aushöhlung wird
am wirtschaftlichsten durch eine spanabhebende Formgebung hergestellt. Beide Formen
sind vom Standpunkt des Kühlmittelstroms und der Wirksamkeit der Kühlung geeignet.
[0021] Die Anstreifkante 6 hat eine Form mit entweder scharfen, beispielsweise rechteckigen,
Ecken oder gerundeten Ecken. Hinsichtlich des Leckstroms der Schaufelspitze führen
scharfe Ecken zu einer besseren Durchflusszahl.
[0022] Ein weiterer Kühlkanal 25 erstreckt sich vom Hohlraum 5 zur Druckseite der Schaufel
1. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung führt der Kanal 25 zu einer
Austrittsöffnung 10, die auf der Druckseite der Schaufel und unterhalb der Spitzenkrone
7 der Druckseite angeordnet ist. Das Kühlfluid 26, das durch diese Austrittsöffnung
10 fließt, strömt um die Anstreifkante 6 herum, über die Spitzenkrone 7 der Druckseite
in den Halbraum 9 und von dort aus weiter in den Leckstrom 22. Da die Austrittsöffnungen
10 unterhalb der Spitzenkrone angeordnet sind, sind sie nicht so anfällig auf ein
Verstopfen mit abgeriebenem Material wie die Austrittsöffnungen auf der Spitzenkrone
der Saugseite und benötigen deshalb keinen Schutz.
[0023] In einer Variante der dargestellten Ausführungsform, einer allgemeineren Ausführungsform
der Erfindung, erstrecken sich die Kühlkanäle auf der Druckseite über den ganzen Weg
bis zur Spitzenkrone, wie dies entlang der Saugseite der Schaufel der Fall ist. Ähnlich
wie die Kühlkonstruktion auf der Saugseite, die in der Figur angegeben ist, umfasst
die Anstreifkante ebenfalls eine Aushöhlung auf der Druckseite, welche den Kühlkanal
- in der gleichen Weise wie auf der Saugseite der Schaufel in zwei Teile unterteilt.
[0024] In den meisten Fällen sorgen Kühlkanäle, die zur Druckseite führen, wie es in der
Figur dargestellt ist, für eine ausreichende Kühlung der Anstreifkante, so dass eine
Konstruktion mit einer Aushöhlung auf dieser Seite nicht notwendig ist.
Begriffe, die in den Abbildungen verwendet werden
[0025]
- 1
- Laufschaufel
- 2
- druckseitige Wand
- 3
- saugseitige Wand
- 4
- Spitzenkappe
- 5
- Hohlraum
- 6
- Anstreifkante
- 7
- Spitzenkrone auf der Druckseite
- 8
- Spitzenkrone auf der Saugseite
- 9
- Halbraum
- 10
- Austrittsöffnung des Kühlkanals auf der Druckseite
- 11
- Austrittsöffnung des Kühlkanals auf der Saugseite
- 11'
- Austrittsöffnung innerhalb der Aushöhlung an der Anstreifkante an der Saugseite
- 12
- Innere Oberfläche der druckseitigen Wand
- 13
- Innere Oberfläche der saugseitigen Wand
- 14
- Innere Oberfläche der Spitzenkappe
- 15
- Kühlkanal auf der Saugseite
- 16
- Aushöhlung in der Anstreifkante
- 17
- Erster Teil des Kühlkanals auf der Saugseite
- 18
- Zweiter Teil des Kühlkanals auf der Saugseite
- 20
- Kühlmittelstrom auf der Saugseite durch die Spitzenkrone
- 22
- Leckstrom der Gasturbine
- 23
- Kühlmittelstrom auf der Saugseite der Schaufel in den Halbraum und um die Spitzenkrone
der Saugseite herum
- 25
- Kühlkanal auf der Druckseite
- 26
- Kühlmittelstrom auf der Druckseite
1. Schaufel (1) für eine Gasturbine, bestehend aus einer druckseitigen Wand (2) und einer
saugseitigen Wand (3), einer Spitzenkappe (4), einem Hohlraum (5), der durch die innere
Oberfläche (12, 13, 14) der druckseitigen Wand (2), der saugseitigen Wand (3) und
der Spitzenkappe (4) gebildet wird, und einer Anstreifkante (6), der sich radial von
der druckseitigen und saugseitigen Wand (2, 3) erstreckt, einem Halbraum(9), der durch
die äußere Oberfläche der Spitzenkappe (4) und der Anstreifkantes(6) gebildet wird,
und Kühlkanälen (15, 25), die vom Hohlraum (5) zur Anstreifkante(6) führen;
dadurch gekennzeichnet, dass die Anstreifkante(6) eine Aushöhlung aufweist, die sich vom Halbraum(9) in die Anstreifkante
erstreckt, so dass die Aushöhlung (16) den Kühlkanal in einen ersten Teil und einen
zweiten Teil unterteilt, wobei der erste Teil eine Austrittsöffnung in der Aushöhlung
aufweist, durch ein Kühlfluid in den Halbraum(9) und um die Anstreifkante (6) fließen
kann, und der zweite Teil eine Austrittsöffnung auf der Spitzenkrone der Anstreifkantes
aufweist.
2. Schaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aushöhlung in der Anstreifkante (6) sowohl entlang der Druckseite als auch
entlang der Saugseite der Schaufel (1) erstreckt.
3. Schaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aushöhlung (16) in der Anstreifkante (6) entlang der Saugseite der Schaufel
(1) erstreckt.
4. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (16) eine erste Seitenwand aufweist, die im wesentlichen in der Ebene
der äußeren Oberfläche der Spitzenkappe(4) liegt, und eine zweite Seitenwand, die
sich von der ersten Seitenwand zu einer dritten Seitenwand erstreckt, wobei die dritte
Seitenwand im wesentlichen parallel zu der Spitzenkrone (8) der Anstreifkante verläuft.
5. Schaufel (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seitenwand der Aushöhlung (16) entweder gekrümmt oder gerade verläuft
und scharfe Ecken zu der ersten und der dritten Seitenwand aufweist.
6. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anstreifkante (6) gerundete Ecken oder scharfe, beispielsweise rechteckige, Ecken
umfasst.