TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft ein Bauteil für eine thermische Maschine, insbesondere für eine Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Bei thermischen Maschinen, insbesondere Gasturbinen, gibt es verschiedene Bauteile, die einerseits konstruktionsbedingt Ecken und Kanten aufweisen und andererseits an diesen Stellen im Betrieb einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist eine aus mehreren Teilen zusammengesetzte Laufschaufel einer Gasturbine, wie sie beispielsweise in der Druckschrift EP 2 189 626 A1 offenbart ist. Die Figuren 1 und 2 dieser Druckschrift sind als Fig. 1 in der vorliegenden Anmeldung wiedergegeben.
Die in Fig. 1 gezeigten Teile, ein Plattform-Element 10 und ein Schaufelblatt-Element 20, werden zu einer Laufschaufel zusammengesetzt und miteinander verbunden. Das Plattform-Element 10 hat in der Oberseite 11 eine Durchgangsöffnung 12, durch die das Schaufelblatt-Element 20 mit dem in einer Schaufelspitze 18 endenden Schaufelblatt 17 gesteckt werden kann. Zur Befestigung der zusammengesetzten Schaufel dienen Beine 13, 14 mit angeformten Haken 15, 16 auf der Unterseite des Plattform-Elementes 10 sowie ein Schaufelfuss 21 am Schaufelblatt-Element 20, der mit dem Schaufelblatt 17 über einen Schaft 19 verbunden ist.
Im zusammengebauten Zustand ergibt sich ein Übergang zwischen Schaufelblatt 17 und Oberseite 11 des Plattform-Elements 10, der in Fig. 2 im Schnitt vergrössert dargestellt ist. Durch einen zwischen den Teilen 17 und 11 gebildeten Spalt 23, der vom das Schaufelblatt 17 umströmenden Heissgas beaufschlagt ist, entsteht eine Kante 22 mit einem Eckbereich 24, der thermisch hoch belastet ist.
Bisher wurde diese (in Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene verlaufende) Kante 22 dadurch gekühlt, dass parallel zur Kante 22 ein gegossener Kühlkanal vorgesehen wurde. Ein solcher Kühlkanal ist jedoch nicht sehr effizient, weil
- a) bei einem gegossenen Kanal der Abstand zur Oberfläche vergleichsweise gross ist, was zu höheren Temperaturen im Eckbereich 24 führt; und
- b) bei einem gegossenen Kanal der Innendurchmesser vergleichsweise gross ist, was zu einem höheren Verbrauch an Kühlluft führt.
Aus diesem Grunde kommt es wegen mangelnder Kühlung in nicht unerheblichem Maße zu einer Oxidation und Rissbildung an der Kante 22.
Zur Lösung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden (siehe die Druckschrift JP 2010144656 oder die US 7,597,536 B1), die Beaufschlagung der Kante mit Heissgas zu vermindern, indem beispielsweise eine Spülung mit Kühlluft vorgesehen wird. Nachteilig ist dabei, dass eine erhebliche Menge an Spülluft benötigt wird, um die Temperatur des abgemischten Heissgases niedrig zu halten. Insbesondere bei grösseren Spalten nimmt die erforderliche Spülluftmenge deutlich zu. Wenn sich die Spaltbreite während des Betriebs in einer Weise ändert, die nicht der ausgelegten Spülluftmenge entspricht, verliert diese Kühlungsart ihre Wirkung. Im ungünstigsten Fall kann die Spülluft direkt in den Hauptstrom einfliessen, wenn sich die Strömungsbedingungen während des Betriebs ändern. Aus diesen Gründen ist der Spalt weitgehend ohne Kühlung, weil beide Lösungsvorschläge eine ausgewogene Mischung aus in den Spalt eindringendem Heissgas und durch Bohrungen herangeführter Spülluft voraussetzen.
In der Druckschrift DE2754896 A1 ist eine Kühlung durch in eine Oberfläche eingelassene, eine Flüssigkeit führende Röhrchen offenbart.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil der eingangs genannten Art anzugeben, das die Nachteile bekannter Bauteile vermeidet und im Bereich thermisch hoch belasteter Ecken bzw. Kanten mit geringem Kühlmittelaufwand stets ausreichend gekühlt wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemässe Bauteil, das für eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine, vorgesehen ist und eine thermisch hoch belastete Ecke bzw. Kante aufweist, weist zur Kühlung der Ecke bzw. Kante in unmittelbarer Nähe der Ecke bzw. Kante wenigstens einen von der Oberfläche her in das Bauteil versenkt eingelassenen Kühlkanal auf. Die Ecke bzw. Kante erstreckt sich entlang einer vorgegebenen Linie und der wenigstens eine Kühlkanal verläuft über eine vorbestimmte Strecke im Wesentlichen parallel zur Ecke bzw. Kante. Außerdem weist der Kühlkanal einen Auslass auf der Seite der zu kühlenden Oberfläche und einen Einlass auf der gegenüberliegenden Seite auf. Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass in unmittelbarer Nähe der Ecke bzw. Kante mehrere parallel verlaufende, versenkt eingelassene Kühlkanäle angeordnet sind. Erfindungsgemäss umfasst der wenigstens eine Kühlkanal ein in eine Rinne eingebrachtes Kühlrohr. Insbesondere ist das Kühlrohr jeweils in ein die Rinne ausfüllendes Füllmaterial eingebettet und dadurch thermisch an das umgebende Material des Bauteils angekoppelt.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Rinne mit dem eingebrachten Kühlrohr zur zu kühlenden Oberfläche hin verschlossen ist. Insbesondere ist zum Verschliessen der Rinne eine aufgeschweisste Deckschicht vorgesehen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal einen Abstand seiner Mittelachse von der zu kühlenden Oberfläche im Bereich von 1 mm aufweist.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung weist der Kühlkanal einen Innendurchmesser im Bereich von etwa 1 mm auf.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das Bauteil mit einer Wärmedämmschicht ausgerüstet. Dies kommt insbesondere für thermisch hoch belastete Bauteile, beispielsweise solche in einer Gasturbine, in Frage.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung ist das Bauteil als Schaufel einer Gasturbine ausgebildet.
Insbesondere ist die Schaufel aus separaten Bauteilen zusammengesetzt, wobei die zu kühlende Ecke bzw. Kante an einem Übergang zwischen den separaten Bauteilen ausgebildet ist.
Die Ecke bzw. Kante kann dabei an einer Seite durch einen vom Heissgas gefluteten Spalt begrenzt sein.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- eine aus der Druckschrift EP 2 189 626 A1 bekannte zusammengesetzte Laufschaufel einer Gasturbine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann;
- Fig. 2
- im Schnitt eine thermisch hoch belastete Ecke bzw. Kante der Schaufel aus Fig. 1;
- Fig. 3-5
- verschiedene Ausführungsbeispiele für eine Kühlung der Ecke bzw. Kante aus Fig. 2 gemäss der Erfindung;
- Fig. 6
- im Längsschnitt (A) und Querschnitt (B) eine beispielhafte Kühlkanal-Konfiguration für die Eckenkühlung gemäss der Erfindung;
- Fig. 7
- in der Draufsicht von oben eine Plattform einer gebauten Schaufel mit einem umlaufenden Kühlkanal nach der Erfindung; und
- Fig. 8
- Ecken-Kühlkanäle nach der Erfindung an den äusseren Ecken bzw. Kanten des Plattform-Elements aus Fig. 1.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Gemäss der Erfindung wird eine Technologie der oberflächenah versenkten Kühlkanäle zur Kühlung von thermisch hoch belasteten Ecken beziehungsweise Kanten von Gasturbinen-Bauteilen, wie zum Beispiel Laufschaufeln, Leitschaufeln oder Hitzeschilden eingesetzt. Bei einer Konfiguration gemäss Fig. 2 besteht das Problem, dass die Kante 22 Heissgas von zwei aneinander stossenden Flächen her ausgesetzt ist und damit im Eckbereich 24 thermisch besonders hoch belastet ist.
Gemäss Fig. 3 wird nun im Kantenbereich ein parallel zur Kante 22 verlaufender Kühlkanal 25 mit kleinem Innendurchmesser direkt unterhalb der Oberfläche vorgesehen, um den Eckbereich 24 wirksam und mit einem verminderten Einsatz von Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, zu kühlen. Der Einlass 30 und der Auslass 29 des Kühlkanals 25 sind in Fig. 3 gestrichelt angedeutet.
Der Kühlkanal 25 startet (mit dem Einlass 30) von einem mit Kühlluft gefüllten Plenum aus, verläuft dann parallel zur zu kühlenden Kante 22 und gibt dann über den Auslass 29 die erwärmte Luft in den Spalt 23 ab. Der Auslass 29 kann aber auch an die Oberfläche führen, um die erwärmte Luft direkt in den Heissgasstrom auszulassen und an der Oberfläche einen Kühlluft-Film im Sinne einer Filmkühlung zu erzeugen.
Sollte ein einzelner Kühlkanal 25 gemäss Fig. 3 nicht ausreichen, um die Kante 22 zu kühlen, können gemäss Fig. 4 zwei parallel verlaufende Kühlkanäle 25a und 25b vorgesehen werden, die entsprechend an das Plenum und den Heissgaskanal angeschlossen sind. Sollte auch dies nicht ausreichen, können gemäss Fig. 5 mehr als zwei Kühlkanäle 25a, 25c und 25d zur Kante 22 parallel verlaufen.
Das prinzipielle Verfahren, mittels welchem dünne Kühlkanäle von der Oberfläche her nachträglich in ein vorgeformtes Bauteil sehr nahe an der zu kühlenden Oberfläche eingebracht werden können, ist anhand der Fig. 6 verdeutlicht, wobei Fig. 6 (A) den Längschnitt durch eine beispielhafte Anordnung zeigt, und Fig. 6 (B) den Querschnitt in der Ebene B-B: In ein Bauteil 26 wird von der Oberseite her durch ein geeignetes Verfahren (z.B. Senkerodieren) mit einem geeignet geformten Werkzeug eine Rinne 41 in die Wand des Bauteils eingebracht, die an dem einen Ende mit einer Biegung 31 a schräg nach oben ausläuft (Auslass 29) und am anderen Ende nach einer Biegung 31 b einen Durchgang zur Unterseite aufweist (Einlass 30). In die so gebildete Rinne wird ein entsprechend dimensioniertes und geformtes Kühlrohr 31 eingebracht und über ein Füllmaterial 32 (z.B. Hartlot oder dgl.) thermisch eng an das umgebende Material des Bauteils 26 angekoppelt. Die so gebildete Anordnung kann dann verschlossen werden, indem durch Schweissen eine Deckschicht 33 aufgebracht wird. Sie bildet einen oberflächennahen Kühlkanal 27, der im Betrieb von dem Kühlmedium 28, zum Beispiel Kühlluft, durchströmt wird.
Der auf diese Weise hergestellte Kühlkanal 27 hat beispielsweise einen Abstand Mittelachse-Oberfläche im Bereich von 1 mm bei einem Innendurchmesser im Bereich von etwa 1 mm. Seine Länge liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 10mm bis 100mm, vorzugsweise 20mm bis 40mm. Bei darüber hinausgehenden Kantenlängen wird eine Mehrzahl von Kühlkanälen 27 in Folge angeordnet, wie dies in den Figuren 7 und 8 beispielhaft gezeigt ist. Aufeinander folgende Kühlkanäle 27 können in ihrer Länge voneinander abweichen, um beispielsweise unterschiedlichen thermischen Beanspruchungen oder konstruktiven Zwängen Rechnung zu tragen. Sie können im Interesse einer optimalen Kühlwirkung in gleicher oder in entgegengesetzter Richtung von dem Kühlmedium durchströmt werden. Das Gleiche gilt auch für parallel angeordnete Kühlkanäle.
Bei einem Plattform-Element 34 gemäss Fig. 7, welches auf der Oberseite 35 eine Durchgangsöffnung 36 hat, das von einer gekrümmten Kurve berandet ist, die einem Schaufelprofil gleicht, muss der wenigstens eine Kühlkanal 37 gemäss der Erfindung dieser gekrümmten Kurve nachgeführt sein. Eine Anzahl hintereinander angeordneter Kühlkanäle 37, die auch gekrümmt ausgebildet sein können, folgt der Kurvenkontur. Die konkrete Länge der einzelnen Kanäle 37 hängt insbesondere von der thermischen Belastung des Plattform-Elements 34 ab. Sie wird in der Regel zwischen 20mm und 40mm betragen.
Bei einem Plattform-Element gemäss Fig. 1 können aber auch an den äusseren Kanten Kühlluftkanäle nach der Erfindung eingesetzt werden, wie dies in Fig. 8 für die Kühlkanäle 38 und 39 angedeutet ist.
Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- a) durch einen reduzierten Kühlluftverbrauch verbessert sich der Wirkungsgrad der Maschine;
- b) die Kühlung erfolgt so nahe an dem zu kühlenden Ort wie möglich;
- c) die thermisch hoch belasteten Ecken beziehungsweise Kanten, die an aneinander anstoßenden Ringflächen gebildet werden und dadurch besonders hoch belastet sind, werden effektiv gekühlt; und
- d) die Lebensdauer des so gekühlten Bauteils verlängert sich deutlich.
BEZUGSZEICHENLISTE
- 10,34
- Plattform-Element
- 11,35
- Oberseite
- 12,36
- Durchgangsöffnung
- 13,14
- Bein
- 15,16
- Haken
- 17
- Schaufelblatt
- 18
- Schaufelspitze
- 19
- Schaft
- 20
- Schaufelblatt-Element
- 21
- Schaufelfuss
- 22
- Ecke, Kante
- 23
- Spalt
- 24
- Eckbereich
- 25,25a-d
- Kühlkanal
- 26
- Bauteil
- 27,37
- Kühlkanal
- 28
- Kühlmedium, z.B. Luft
- 29
- Auslass
- 30
- Einlass
- 31
- Kühlrohr
- 31 a,b
- Biegung
- 32
- Füllmaterial (z.B. Lot)
- 33
- Deckschicht (geschweisst)
- 38,39
- Kühlkanal
- 40a,b
- Ecke, Kante
- 41
- Rinne