Turbinenschaufel mit Turbulenzmittel am Kühllufteinlass

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10) mit einem hohlen Schaufelblatt (12), in dessen Hohlraum (18, 20) durch eine Zuführöffnung (26) ein Kühlmittel einströmbar ist. Um eine besonders turbulente Einströmung des Kühlmittels zu erzeugen, wodurch ein verbesserter Wärmeübergang von im Schaufelmaterial vorhandener Wärmeenergie in das Kühlmittel erfolgen kann, ist an oder in der Zuführöffnung (26) ein Turbulenzmittel (28) vorgesehen, welches beispielsweise als Turbulenzgitter ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich insbesondere eine bereits beim Einströmvorgang turbulente Luftströmung von Kühlmittel erzeugen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt, in dem ein zur Kühlung des Schaufelblatts geeigneter Hohlraum vorgesehen ist, wobei die Turbinenschaufel eine Zuführöffnung für ein dem Hohlraum zuführbares Kühlmittel aufweist.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Turbinenschaufeln mit einem hohlen Schaufelblatt bekannt, in deren Hohlraum durch eine Zuführöffnung ein Kühlmittel einströmbar ist. Die Turbinenschaufeln werden bekanntermaßen zur Umlenkung eines Heißgases genutzt, um den Energiegehalt des Heißgases in mechanische Energie umzuwandeln. Aufgrund der hohen Temperaturen des Heißgases werden die Turbinenschaufeln gekühlt, damit diese trotz der besonders hohen Temperaturen eine besonders lange Lebensdauer aufweisen. Zur Kühlung der Turbinenschaufeln kommen bekannte Kühlmethoden zum Einsatz. Bei den Kühlmethoden kann es sich um Filmkühlung, Prallkühlung oder Konvektionskühlung handeln.

[0003] Bei der Konvektionskühlung wird die hohle Turbinenschaufel von einem Kühlmittel durchströmt, wobei durch das Entlangstreichen des Kühlmittels an den inneren Oberflächen der zur kühlenden Schaufelwand die im Schaufelmaterial befindliche Wärmeenergie vom Kühlmittel durch Konvektion aufgenommen wird. Im Gegensatz dazu trifft bei der Prallkühlung das in der Turbinenschaufel strömende Kühlmittel senkrecht auf die zu kühlende Schaufelwand, wodurch besonders gute Wärmeübergänge erreicht werden können. Bei der dritten Variante der Schaufelkühlung, der Filmkühlung, tritt das im Inneren der Turbinenschaufel strömende Kühlmittel über eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Filmkühlöffnungen aus und bildet dabei auf der Oberfläche der zu kühlenden, dem Heißgas ausgesetzten Außenwand einen schützenden Kühlfilm aus, wodurch der Wärmeeintrag aus dem Heißgas in das Schaufelmaterial reduziert werden kann. Bei allen Kühlmethoden gilt es jedoch, die Menge an Kühlmittel zu reduzieren, da ein unnötig hoher Verbrauch den Wirkungsgrad der mit diesen Turbinenschaufeln ausgestatteten Gasturbine unnötig senkt.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer eingangs genannten Turbinenschaufel, bei der zur Kühlmitteleinsparung die Kühlung eine möglichst hohe Effektivität aufweisen soll.

[0005] Die vorgenannte Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0006] Die Erfindung sieht vor, dass eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art in oder an ihrer Zuführöffnung ein Turbulenzmittel aufweist. Folglich ist ergänzend zu den bekannten Kühlmaßnahmen im oder am Einströmbereich, in dem das Kühlmittel in die Turbinenschaufel eintritt, beispielsweise ein Turbulenzgitter angebracht. Das Turbulenzgitter soll im nachfolgenden Hohlraum bzw. im zum Hohlraum führenden Kühlmittelkanal eine möglichst hochturbulente Strömung erzeugen. Aufgrund der angefachten Turbulenz der Strömung kann im nachgeordneten Hohlraum der Turbinenschaufel eine Erhöhung des Wärmeübergangs erreicht werden, was insgesamt zu einer höheren Kühleffektivität führt. Das Schaufelblatt kann somit besser gekühlt werden. Durch die höhere Kühleffektivität kann eine Kühlmitteleinsparung erzielt werden oder die Turbinenschaufel kann bei gleichbleibendem Kühlmitteleinsatz höheren Heißgas-Temperaturen ausgesetzt werden. Sofern als Kühlmittel Kühlluft eingesetzt wird, welche von einem Verdichter der Gasturbine bereitgestellt wird, führt die Kühllufteinsparung ebenfalls zu einer Leistungssteigerung der Gasturbine sowie zu einem gesteigerten Wirkungsgrad. Insgesamt wird somit vorgeschlagen, dass nicht erst im Bereich des zur Kühlung des Schaufelblatts geeigneten Hohlraums Turbulenzmittel vorgesehen sind - wie beispielsweise im Mäanderkanal vorgesehene Turbulatoren -, sondern diese im oder am Bereich der Zuführöffnung zur Verwirbelung des Kühlmittels angeordnet sind.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0008] In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Zuführöffnung in einem Befestigungsabschnitt vorgesehen. Üblicherweise ist die Turbinenschaufel in einem Befestigungsabschnitt an einer Tragstruktur, beispielsweise an einem Leitschaufelträger oder an einem Rotor der Gasturbine, gehalten. Die Zuführung von Kühlmittel erfolgt dabei jeweils über den Befestigungsabschnitt. Dementsprechend ist die Zuführöffnung im Befestigungsabschnitt vorgesehen, so dass bereits unmittelbar beim Einspeisen des Kühlmittels in die Turbinenschaufel die Turbulenzen im Kühlmittel erzeugbar sind, wodurch der höhere Wärmeübergang erreicht werden kann.

[0009] Zweckmäßigerweise überdeckt das Turbulenzmittel die Zuführöffnung zumindest teilweise. Beispielsweise kann das Turbulenzmittel als Turbulenzgitter ausgebildet sein. Das Gitter, welches aus einem Drahtgeflecht oder aus einem Netz aus Draht gebildet sein kann, kann vollständig die Zuführöffnung überdecken und ist dabei jedoch in großem Maße durchlässig für das Kühlmittel, wobei die vor dem Eintritt noch laminare Strömung vergleichsweise stark gestört werden kann. Dabei stellt das Turbulenzgitter eine besonders druckverlustarme Variante eines Turbulenzmittels dar. Druckverluste werden somit vergleichsweise gering gehalten, wodurch insgesamt eine effiziente Kühlung der Turbinenschaufel erreicht werden kann. Insbesondere aufgrund des geringen zusätzlichen Druckverlusts des Turbulenzgitters ist es möglich, auch bereits existierende Turbinenschaufeln mit einem derartigen Turbulenzmittel nachzurüsten.

[0010] Insgesamt weist die Turbinenschaufel auch ein Film- und/oder Konvektionskühlung auf, ggf. auch eine Prallkühlung. Vorzugsweise ist die Turbinenschaufel jedoch lediglich konvektiv gekühlt, wobei der Hohlraum im Schaufelblatt beispielsweise Mäanderkanäle umfassen kann. An der Innenseite der Mäanderkanäle können weitere Turbulenzmitteln, wie beispielsweise Rippen oder Dimpel, vorhanden sein. Die Turbinenschaufel kann als Laufschaufel oder Leitschaufel einer stationären Gasturbine ausgestaltet sein. Prinzipiell ist die Turbinenschaufel im Gießverfahren hergestellt worden und dementsprechend einstückig. Das Turbulenzmittel kann dann im Anschluss an den Gießvorgang in einem zusätzlichen Herstellungsschritt nachträglich angebracht werden. Beispielsweise kann das Turbulenzgitter an die Turbinenschaufel gelötet oder geschweißt werden.

[0011] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Im Detail zeigen die Figuren:

FIG 1 die Draufsicht auf die Plattform einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel und

FIG 2 den Längsschnitt durch eine derartige Turbinenschaufel.

[0012] FIG 2 zeigt in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 umfasst ein Schaufelblatt 12, welches im Querschnitt aerodynamisch profiliert gekrümmt ist (vgl. FIG 1). Das Schaufelblatt 12 weist eine erste Plattform 14 und eine zweite Plattform 16 auf. Die Draufsicht auf die zweite Plattform 16 ist in FIG 1 dargestellt. Die in FIG 2 darstellte Turbinenschaufel 10 weist insgesamt zwei Hohlräume 18, 20 auf, denen jeweils ein Kühlmittel zugeführt werden kann. Die Hohlräume 18, 20 sind derart innerhalb des Schaufelblatts 12 angeordnet, dass ein darin strömendes Kühlmittel das Schaufelblatt 12 konvektiv kühlen kann. Der in der FIG 2 links dargestellte erste Hohlraum 18 ist im Bereich einer Vorderkante 22 des Schaufelblattes 12 angeordnet. Der zweite Hohlraum 20 ist mäanderförmig ausgebildet und endet an einer Hinterkante 24. Das dem zweiten Hohlraum 20 zuführbare Kühlmittel verlässt an der Hinterkante 24 die Turbinenschaufel 10. Hierzu sind in der Hinterkante 24 nicht weiter bezeichnete Ausblasöffnungen vorgesehen, die den Hohlraum 20 mit dem das Schaufelblatt 12 umgebenden Raum verbinden. Über in einem Befestigungsbereich 25 angeordnete Zuführöffnungen 26 ist das Kühlmittel den Hohlräumen 18, 20 zuführbar. Der Befestigungsbereich 25 ist plattformseitig vorgesehen, wobei die Zuführöffnungen 26 auf der Kaltseite der Plattform 16 angeordnet sind.

[0013] Um eine besonders effiziente Kühlung der Turbinenschaufel 10 beim Betrieb der Gasturbine zu erreichen, ist im Bereich der Zuführöffnung 26 ein Turbulenzmittel 28 vorgesehen, wodurch das einströmende Kühlmittel unmittelbar beim Eintritt in die Turbinenschaufel 10 verwirbelt werden kann. Das Turbulenzmittel 28 ist als ein Blech 30 mit zwei Öffnungen ausgebildet, über denen jeweils ein Drahtgeflecht 34 gespannt ist. Das Drahtgeflecht 34 stellt für das Kühlmittel ein Turbulenzgitter dar, wodurch die im Wesentlichen gleichförmige Kühlmittelströmung beim Eintritt in die Turbinenschaufel 10 verwirbelt wird. Aufgrund der Verwirbelung entsteht bereits dort ein den Wärmeübergang anfachender Effekt, so dass die im Schaufelmaterial vorhandene Wärmeenergie besonders einfach in das Kühlmittel übergehen kann. Im Detail kommt es aufgrund der angefachten Turbulenz zu einem erhöhten Impuls- und Wärmeaustausch und dadurch zu einem erhöhten Wärmeübergang. Folglich kann bereits beim Einströmen des Kühlmittels in die Turbinenschaufel 10 eine besonders effiziente Kühlung bereitgestellt werden. Zweckmäßigerweise umfasst die Turbinenschaufel 10 ferner eine Film- und/oder Konvektionskühlung, um von der Zuführöffnung 26 entfernte Bereiche des Schaufelblattes 12 weiter kühlen zu können.

[0014] Insgesamt betrifft somit die Erfindung eine Turbinenschaufel 10 mit einem hohlen Schaufelblatt 12, in dessen Hohlraum 18, 20 durch eine Zuführöffnung 26 ein Kühlmittel einströmbar ist. Um eine besonders turbulente Einströmung des Kühlmittels zu erzeugen, wodurch ein verbesserter Wärmeübergang von im Schaufelmaterial vorhandener Wärmeenergie in das Kühlmittel erfolgen kann, ist an oder in der Zuführöffnung 26 ein Turbulenzmittel 28 vorgesehen, welches beispielsweise als Turbulenzgitter ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich insbesondere eine bereits beim Einströmvorgang turbulente Luftströmung von Kühlmittel erzeugen.

Ansprüche

1. Turbinenschaufel (10),
mit einem Schaufelblatt (12), in dem ein zur Kühlung des Schaufelblatts (12) geeigneter Hohlraum (18) vorgesehen ist,
wobei die Turbinenschaufel (10) eine Zuführöffnung (26) für ein dem Hohlraum (18) zuführbares Kühlmittel aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in oder an der Zuführöffnung (26) ein Turbulenzmittel (28) vorgesehen ist.

2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der die Zuführöffnung (26) in einem Befestigungsabschnitt vorgesehen ist.

3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das Turbulenzmittel (28) die Zuführöffnung (26) zumindest teilweise überdeckt.

4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der das Turbulenzmittel (28) als Turbulenzgitter ausgebildet ist.

5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
die eine Konvektionskühlung aufweist.

6. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
ausgebildet als Laufschaufel oder Leitschaufel einer stationären Gasturbine.

Zeichnung