[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einer Prallkühlung der thermisch
hoch belasteten Außenwandabschnitte, wobei im Innern der hohlen Turbinenschaufel mindestens
eine Trennwand zur Ausbildung einer mit Kühlluft versorgten Kühlluftkammer und in
der Trennwand eine Vielzahl Prallluftkanäle zum Beaufschlagen der unter Bildung einer
Prallluftkühlkammer im Abstand benachbarten Innenfläche der heißen Außenwandabschnitte
mit Kühlluft vorgesehen ist.
[0002] Der Wirkungsgrad von Gasturbinen kann durch ein Erhöhung der in der Brennkammer erzielten
Verbrennungstemperaturen verbessert werden. Einer derartigen Temperaturerhöhung sind
jedoch insofern Grenzen gesetzt, als die thermische Belastbarkeit der den Heißgasen
ausgesetzten Bauteile, insbesondere der auch mechanisch hoch belasteten Leit- und
Lauf schaufeln in der der Brennkammer nachgeschalteten Turbinenstufe, begrenzt ist.
Um die materialbedingten Temperaturgrenzen nicht zu überschreiten, werden die betreffenden
Bauteile und insbesondere deren thermisch hoch belastete Bereiche bekanntermaßen mit
vom Verdichter abgezweigter Kühlluft gekühlt.
[0003] Bei einer beispielsweise aus der EP 1 001 135 A2 bekannten Prallkühlung für eine
Turbinenschaufel sind im Inneren einer durch zwei Seitenwände begrenzten hohlen Schaufel
in Längsrichtung verlaufende Trennwände angeordnet, die jeweils mit einem Seitenwandabschnitt
eine langgestreckte Kühlluftzuführungs- und -verteilungskammer (Kühlluftkammer) und
mehrere an diese angrenzende Prallluftkühlkammern bilden. Über die Prallluftkanäle
gelangt die in die Kühlluftkammer eingeführte Kühlluft nacheinander - in anderen Fällen
auch gleichzeitig - in die benachbarten Prallluftkühlkammern, um dadurch die Innenflächen
der thermisch hoch belasteten Bereiche der Außenwände der Turbinenschaufel von innen
intensiv zu kühlen und somit die Gasturbine bei möglichst hohen Verbrennungstemperaturen
mit hohem Wirkungsgrad und ohne Materialschäden betreiben zu können. Die Prallluftkanäle
sind in der Trennwand geradlinig, aber schräg ausgerichtet, um einen günstigen Winkel
für das Auftreffen der Prallkühlluft auf die Innenflächen der Außenwände zu gewährleisten.
Die aus den Prallluftkühlkammern über Luftkanäle in den Seitenwänden der Turbinenschaufel
austretende Luft schafft darüber hinaus eine Dämmschicht zwischen dem Schaufelwerkstoff
und dem heißen Gas, die die thermische Belastung der Turbinenschaufel weiter verringert.
[0004] Durch die Prallluftkanäle wird einerseits die lasttragende Fläche der Trennwände,
die die Außenwände tragen, verringert, und andererseits treten im Bereich der Prallluftkanäle
mit einer hohen örtlichen mechanischen Belastung verbundene Spannungsspitzen auf,
die eine Verringerung der Lebensdauer der Turbinenschaufel zur Folge haben. Zudem
kann aus Gründen der Gewichtszunahme und der damit verbundenen Belastungen die Stärke
der Trennwände, die bei entsprechend großer Dimensionierung zu einer Reduzierung der
örtlichen Spannungsspitzen führen würde, nicht beliebig erhöht werden.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der eingangs erwähnten
Art so auszubilden, dass bei im Wesentlichen unverändertem Gewicht die Spannungsspitzen
im Bereich der Prallluftkanäle abgebaut und somit die Zeitschwing- und Kriechfestigkeit
und letztlich die Lebensdauer erhöht werden.
[0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs
1 ausgebildeten Turbinenschaufel gelöst. Aus dem Unteranspruch ergeben sich weitere
Merkmale der Erfindung.
[0007] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Trennwände im mittleren Bereich
am kühlsten sind und einen Bereich höchster Zugspannung darstellen. In diesem Bereich
befinden sich bei den nach dem Stand der Technik ausgebildeten Turbinenschaufeln die
Eintrittsöffnungen der geradlinig ausgebildeten und zur Erzielung eines bestimmten
Luftaufprallwinkels schräg ausgerichteten Prallluftkanäle, so dass dort die Spannungskonzentration
besonders hoch ist. Gemäß der Erfindung sind die Prallluftkanäle nun gebogen ausgebildet,
und zwar derart, dass der Prallluftaustrittsort- und -winkel unverändert bleibt und
die Prallluft in einem vorgegebenen Winkel auf die Innenfläche des betreffenden Außenwandabschnitts
gerichtet ist, aber die Lufteintrittsöffnung und damit der gesamte Prallluftkanal
in eine wärmere Randzone der Trennwand mit geringeren Zugspannungen verlegt wird.
Der Prallluftkanal ist mit Bezug auf die Außenwand konkav gekrümmt und verläuft als
Ganzes in der Nähe der heißen Außenwand und quasi parallel zu dieser. Diese Ausbildung
und Anordnung der Prallluftkanäle vermindert die Kerbwirkung und erhöht die Kriechfestigkeit
und die Zeitschwingfestigkeit, so dass die Lebensdauer der Turbinenschaufel erhöht
wird. Auf der anderen Seite lässt die so erzielte Verminderung der Spannungskonzentration
im Bereich der Prallluftkanäle geringere Wandstärken der Trennwände zu, so dass das
Gewicht der Turbinenschaufel verringert werden kann.
[0008] Nach einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung hat die Querschnittsfläche der
Prallluftkanäle die Form eines Langlochs oder Ovals, wobei sich die Längsachse des
Ovals bzw. Langlochs in Längsrichtung des Kühlluftkammer erstreckt. Durch diese Querschnittsform
und deren radiale Ausrichtung und den dadurch bedingten niedrigen Kerbfaktor wird
das Kriech- und Zeitschwingverhalten ebenfalls verbessert und die Lebensdauer der
Turbinenschaufel erhöht. Andererseits kann wiederum die Wandstärke der Trennwände
verringert und damit das Gewicht der Turbinenschaufel reduziert werden. Es wurde festgestellt,
dass insbesondere die kombinatorische Wirkung der gekrümmten und damit vollständig
in den warmen Bereich der Trennwand verlegten Prallluftkanäle in Verbindung mit der
zuvor beschriebenen Querschnittsform und -ausrichtung zu einer unerwarteten Erhöhung
der Kriech- und Zeitschwingfestigkeit und letztlich einer hohen Lebensdauer führt.
[0009] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Schnittansicht einer Turbinenschaufel; und
- Fig. 2
- einen Schnitt längs der Linie AA in Fig. 1.
[0010] Das Schaufelprofil 1 einer Hochdruckturbinenschaufel ist aus einer dünnwandigen Außenwand
2 und tragenden inneren Trennwänden 3 bis 5 gebildet. Die ersten und zweiten tragenden
Trennwände 3 und 4 begrenzen gemeinsam mit einem Außenwandabschnitt 2a eine Kühlluftkammer
6, in die kontinuierlich vom Verdichter der Gasturbine abgezweigte Kühlluft eingeleitet
wird. Im Randbereich der ersten und zweiten Trennwand 3 und 4, das heißt, in der Nähe
der Außenwand, befinden sich mit Bezug auf die Außenwand konkav gekrümmte Prallluftkanäle
7, die - ausgehend von der Kühlluftkammer 6 - in erste bzw. zweite Prallluftkühlkammern
8 und 9 münden. Die Prallluftkühlkammer 8 ist von der ersten Trennwand 3 und einem
Außenwandabschnitt 2b begrenzt, und die zweite Prallluftkühlkammer 9 ist von der zweiten
Trennwand 4, zwei Außenwandabschnitten 2c, 2d und der dritten Trennwand 5 gebildet.
Die dritte Trennwand 5 und zwei Außenwandabschnitte 2e, 2f schließen eine weitere
Kühlkammer 10 ein. Die der Kühlluftkammer 6 zugeführte Kühlluft strömt über die aufgrund
ihrer Krümmung durchgängig in einem heißen, vergleichsweise spannungsarmen Bereich
nahe der Außenwand 2 in der ersten und zweiten Trennwand 3, 4 verlaufenden Prallluftkanäle
7 in die erste bzw. in die zweite Prallluftkühlkammer 8 und 9, in der die Kühlluft
auf die Innenflächen der benachbarten Außenwandabschnitte 2b sowie 2c und 2d prallt
und diese dabei intensiv kühlt. Die in die erste Prallluftkühlkammer 8 eingebracht
Kühlluft gelangt über Luftkanäle 11a im Außenwandabschnitt 2b an die Außenfläche,
um dort eine Luftschicht zur äußeren Abschirmung des Materials gegenüber der Heißluft
zu bilden. Die Kühlluft in der zweiten Prallluftkühlkammer 9 strömt über die Kühlkammer
10 und Kühlkanäle 11b oder unmittelbar über die Kühlkanäle 11c nach außen. Durch die
gebogene Ausbildung der Prallluftkanäle 7 und deren dadurch mögliche Verlegung an
den der Außenwand 2 nahen Rand der betreffenden Trennwand 3 und 4, und zwar ohne dass
die Richtung der aus den Prallluftkanälen 7 austretenden Kühlluft gegenüber der bei
schräg angeordneten Prallluftkanälen bekannten Austrittsrichtung verändert wird, werden
die Spannungen in den Trennwänden 3 und 4 im Bereich der Prallluftkanäle 7 deutlich
verringert.
[0011] Die Spannungskonzentration an diesen Stellen wird weiterhin dadurch reduziert, dass
die Querschnittsfläche der Prallluftkanäle 7, wie Fig. 2 zeigt, die Form eines Langlochs
hat und die Längsachse der Querschnittsfläche mit der Längsachse des Schaufelprofils
1 oder dessen radialer Ausrichtung übereinstimmt. Die Querschnittsfläche der Prallluftkanäle
kann gleichermaßen die einer Ellipse haben. Durch die elliptische oder langlochförmige
Ausbildung der Prallluftkanäle in Verbindung mit der Ausrichtung der Längsachse der
Querschnittsfläche zum dominanten Belastungsvektor wird zum einen die Zeitschwingfestigkeit
erhöht und zum anderen die Kerbwirkung vermindert, so dass eine längere Lebensdauer
der Hochdruckturbinenschaufel erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste
[0012]
- 1
- Schaufelprofil
- 2
- Außenwand
- 2a -2f
- Außenwandabschnitte
- 3
- erste Trennwand
- 4
- zweite Trennwand
- 5
- dritte Trennwand
- 6
- Kühlluftkammer
- 7
- Prallluftkanal
- 8
- erste Prallluftkühlkammer
- 9
- zweite Prallluftkühlkammer
- 10
- Kühlkammer
- 11a-11c
- Luftkanäle
1. Turbinenschaufel mit einer Prallkühlung der thermisch hoch belasteten Außenwandabschnitte,
wobei im Innern der hohlen Turbinenschaufel mindestens eine Trennwand zur Ausbildung
einer mit Kühlluft versorgten Kühlluftkammer und in der Trennwand eine Vielzahl Prallluftkanäle
zum Beaufschlagen der unter Bildung einer Prallluftkühlkammer im Abstand benachbarten
Innenfläche der(des) heißen Außenwandabschnitte(s) mit Prallkühlluft vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Prallluftkanäle (7) mit Bezug auf die nahe Außenwand (2) konkav gekrümmt und
im Wesentlichen parallel zu dieser sowie vollständig in dem außenwandnahen heißen
Bereich angeordnet sind.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallluftkanäle (7) eine langlochartige oder elliptische Querschnittsflache aufweisen,
deren Ausrichtung der Längsachse mit der radialen Schaufelausrichtung übereinstimmt.
