Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft ein gekühltes Bauelement für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bauelements.

Gasturbinen werden zur Steigerung des Wirkungsgrades für immer höhere Betriebstemperaturen ausgelegt. Besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt sind dabei vor allem die Bauteile bzw. Bauelemente im Bereich der Brennkammer sowie die Lauf- und Leitschaufeln der nachfolgenden Turbine einschliesslich der übrigen, den Heissgaskanal begrenzenden Elemente. Um die auftretenden thermischen Belastungen wirkungsvoll zu begegnen, können einerseits besonders widerstandfähige Werkstoffe, wie z. B. Nickelbasislegierungen, eingesetzt werden. Andererseits müssen zusätzliche Massnahmen zur Kühlung der Bauelemente ergriffen werden, wobei unterschiedliche Kühlungsmethoden, wie z.B. die Filmkühlung oder die Prallkühlung, Anwendung finden.

Es ist bereits aus der US-B2-6,779,597 bekannt geworden, bei Bauelementen von Gasturbinen mehrstufige Prallkühlungsstrukturen vorzusehen, bei denen eine Wand, deren Vorderseite dem Heissgaskanal zugewandt ist, auf der Rückseite durch senkrecht auftreffenden Kühlluftstrahlen, die durch entsprechende Prallkühlungslöcher erzeugt werden, entsprechend prallgekühlt wird. Die Kühlwirkung wird dabei durch auf der Rückseite verteilt angeordnete, abstehende Pfosten oder Pins verstärkt, welche die Wärme abgebende Oberfläche vergrössern und Turbulenzen
in der Kühlluftströmung verstärken. Die Verteilungen der Prallkühlungslöcher und Pins in der Fläche sind dabei konstant. Die Durchmesser der Prallkühlungslöcher entsprechen dabei dem Durchmesser der Pins an der Basis. Die Dichte der Löcher ist wesentlich geringer als die Dichte der Pins. Es ist auch aus der EP0889201 bekannt geworden, bei Bauelementen von Gasturbinen Prallkühlungsstrukturen vorzusehen. Es ist weiterhin aus der US-A-4,719,748 bekannt geworden, beim Übergangsrohr zwischen den einzelnen Brennern und dem Eingang der nachfolgenden Turbine eine Prallkühlung vorzusehen, bei welcher mittels Prallkühlungslöchern erzeugte Kühlluftstrahlen auf die Rückseite der Rohrwände gerichtet werden. Durch Variation der Lochgrösse und/oder der Abstände zwischen den Löchern und/oder der Abstände von den Löchern zur Rohrwand wird die Kühlungsintensität variiert und der jeweiligen thermischen Belastung angepasst. Pins zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind nicht vorgesehen.

Besondere Bedeutung kommt der Kühlung den Leitschaufeln in den ersten Stufen der Turbine zu, weil in diesem Bereich die höchsten Temperaturen in der Gasturbine auftreten. In der US-B2-7,097,418 ist bereits beschrieben worden, wie die äussere Plattform einer Leitschaufel auf besonders einfache Weise mittels einer zweistufigen Prallkühlung gekühlt werden kann, wobei in einer ersten Stufe der Bereich an der Hinterkante der Schaufel gekühlt wird, und dann die von dort abströmende Kühlluft in einer zweiten Stufe die Plattform an der Vorderkante kühlt. In beiden Stufen werden unterschiedlich positionierte und beabstandete Prallkühlungslöcher (30, 38 in Fig. 3) eingesetzt. Pins auf der Rückseite des Plattformbodens kommen nicht zum Einsatz.

Die Variation der Prallkühlungslöcher zur Anpassung an sich verändernde thermische Belastungen hat zur Folge, dass sich in der Regel auch die benötigte Kühlluftmenge verändert. Werden - bei gleich bleibenden Lochdurchmesser - mehr Löcher pro Flächeneinheit eingesetzt, erhöht sich auch die verbrauchte Kühlluftmenge, was zu einer Minderung des Wirkungsgrades der Maschine führt.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein gekühltes Bauelement einer Gasturbine, insbesondere bei einer mit einer Plattform versehenen Leitschaufel, zu schaffen, deren Kühlung an die lokal variierende thermische Belastung optimal angepasst ist, ohne einen unnötigen Mehrverbrauch an Kühlluft zu verursachen, d.h. es wird bei gleicher Kühlungsintensität eine Minimierung der eingesetzten Kühlluft erzielt.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Es ist eine wesentliche Komponente der Erfindung, dass die thermisch belastete und zu kühlende Wand auf ihrer Rückseite in flächiger Verteilung eine Vielzahl von aus der Wand hervorstehenden Pins aufweist, und dass die Verteilung der Pins innerhalb der thermischen kritischen Zonen des Bauelements eine höhere Dichte aufweist als in den übrigen Bereichen. Hierdurch kann lokal der Wärmeübergang zwischen Wand und Kühlluft verändert und der thermischen Belastung angepasst werden, ohne dass zwingend eine grössere Kühlluftmenge eingesetzt werden muss.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der auf die Rückseite der Wand gerichteten Strahlen ein mit verteilt angeordneten Prallkühlungslöchern versehenes Prallkühlungsblech umfassen.

Besonders effektiv ist die Kühlung, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung das Prallkühlungsblech mit Abstand im wesentlichen parallel zur Rückseite der Wand angeordnet ist, und die Verteilung der Prallkühlungslöcher auf die Verteilung der Pins derart abgestimmt ist, dass in einer Richtung senkrecht zum Prallkühlungsblech gesehen die Prallkühlungslöcher jeweils zwischen den Pins liegen.

Die Variation der Kühlung kann dadurch intensiviert werden, dass die Dichte der Prallkühlungslöcher mit der Dichte der Pins korreliert ist. Insbesondere kann die Dichte der Prallkühlungslöcher und die Dichte der Pins örtlich gleich sein.

Vorzugsweise ist das Bauelement eine Leitschaufel einer Gasturbine, welche ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt und eine an das Schaufelblatt anschliessende, sich quer zur Längsrichtung erstreckende Plattform umfasst, deren Boden die thermisch belastete, durch Prallkühlung gekühlte Wand ist und am Übergang zum Schaufelblatt eine Hohlkehle ausbildet, wobei die Verteilung der Pins zur Hohlkehle hin eine höhere Dichte aufweist als in den von der Hohlkehle entfernten übrigen Bereichen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

Fig. 1

einen Längsschnitt durch den oberen Teil einer Gasturbinen-Leitschaufel mit Plattform, mit örtlich variierender Prallkühlung, gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2

das bei der Leitschaufel aus Fig. 1 eingesetzte Prallkühlungsblech in der Draufsicht von oben;

Fig. 3

die bei der Leitschaufel aus Fig. 1 eingesetzte Verteilung von Pins in der Draufsicht von oben (die Pins sind perspektivisch gezeichnet) und

Fig. 4

von oben gesehen, die korrelierten Verteilungen von Prallkühlungslöchern und Pins gemäss Fig. 1-3.

In Fig. 1 ist im Längsschnitt der obere Teil einer Gasturbinen- Leitschaufel mit Plattform und örtlich variierender Prallkühlung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Leitschaufel 10 hat insgesamt eine ähnliche Konfiguration, wie sie in der eingangs erwähnten US-B2-7,097,418 beschrieben wird. Sie umfasst ein sich in der Schaufellängsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 11, an dessen oberem Ende eine Plattform 12 angeformt ist, die sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung der Schaufel erstreckt. Die Plattform 12 hat einen Boden bzw. eine Wand 12a, deren Unterseite vom durch die Turbine strömenden Heissgas beaufschlagt ist, und die auf der Oberseite durch eine Prallkühlung gekühlt wird.

Dazu ist auf der Oberseite der Plattform 12 ein Hohlraum 13 ausgebildet, der von einem zur Wand 12a parallel angeordneten Prallkühlungsblech 14 abgedeckt wird. Im Prallkühlungsblech 14 sind in einer vorgegebenen Verteilung Prallkühlungslöcher 16 vorgesehen, durch die komprimierte Kühlluft in Form von einzelnen Kühlluftstrahlen (siehe die Pfeile in Fig. 1) in den Hohlraum 13 eintritt und auf die gegenüberliegende Rückseite der Wand 12a aufprallt. Beim Aufprall und dem danach folgenden turbulenten Kontakt mit der Rückseite der Wand 12a nimmt die Kühlluft Wärme von der Wand 12a auf und wird anschliessend aus dem Hohlraum 13 (auf in Fig. 1 nicht dargestelltem Wege) abgeleitet. Die flächige Verteilung der Prallkühlungslöcher 16 ist in Fig. 2 zu sehen.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Wand 12a und der Kühlluft sind auf der Rückseite der Wand 12a senkrecht abstehende, kegel- oder pyramidenförmige Pins 15 angeordnet (siehe auch Fig. 3, in der die Pins 15 perspektivisch eingezeichnet sind), welche die Kontaktfläche zwischen Wand und Kühlluftstrom vergrössern und die Turbulenzen intensivieren. Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, ist die Dichte der Prallkühlungslöcher 16 und die Dichte der Pins 15 örtlich unterschiedlich, aber gleichzeitig miteinander korreliert, d.h. in den Bereichen, wo die Dichte der Pins 15 erhöht ist (Verdichtungsbereich 18), ist auch die Dichte der Prallkühlungslöcher 16 erhöht, und umgekehrt. Insbesondere sind lokal die Dichten der beiden gleich. Die Prallkühlungslöcher 16 sind vorzugsweise "auf Lücke", also auf Zwischenräume, mit den Pins 15 angeordnet: Zwischen zwei parallelen Reihen von Pins 15 ist jeweils versetzt eine Reihe von Prallkühlungslöchern 16 mit derselben Periodizität platziert.

Erfahrungsgemäss gibt es bei einer Leitschaufel der in Fig. 1 wiedergegebenen Art an der Plattform 12 kritische Zonen A_c, in denen Vorkehrungen gegen die thermische Belastung besonders wichtig sind. Eine solche kritische Zone ist die Hohlkehle zwischen der Wand 12a der Plattform 12 und dem Schaufelblatt. Um an dieser Stelle der Plattform 12, d.h. am Übergang zum Schaufelblatt die Kühlwirkung lokal zu erhöhen, ist in einem an die Hohlkehle unmittelbar angrenzenden Verdichtungsbereich 18 (in Fig. 4 grau unterlegt) die Dichte der Pins 15 gegenüber dem übrigen Bereich deutlich erhöht. Zusätzlich ist auch die Dichte der Prallkühlungslöcher 16 in diesem Bereich 18 erhöht, und zwar analog zur Dichte der Pins 15. Der Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Loch- und Pindichte kann dabei stetig ausgebildet sein.

Hierdurch wird die Wärmeabfuhr im Bereich der Hohlkehle deutlich verbessert, wodurch die Auswirkungen der thermischen Belastung begrenzt werden können.

Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen der Erfindung und durch die erfindungsgemässen Vorkehrungen nicht nur kritische Bereiche der Leitschaufeln, sondern auch anderer thermisch belasteter Bauelemente der Gasturbine kühlungstechnisch "entschärft" werden können.

10

Leitschaufel (Gasturbine)

11

Schaufelblatt

12

Plattform

12a

Wand (Plattform)

13

Hohlraum

14

Prallkühlungsblech

15

Pin

16

Prallkühlungsloch

17

Prallkühlungsmuster

18

Verdichtungsbereich

A_c

kritische Zone (Hohlkehle)