Prallgekühltes Bauteil für eine Gasturbine

Abstract

 Insgesamt wird in der Erfindung ein Bauteil (10) für eine Gasturbine angegeben, mit einer Bauteilwand (14), entlang deren Außenseite (18) ein Heißgas strömbar ist und zu dessen der Außenseite (18) gegenüberliegenden Innenseite (24) eine Prallkühlwand (22) mit einer Anzahl von rasterförmig angeordneten Prallkühlöffnungen (26) beabstandet ist. Um ein prallgekühltes Bauteil (10) bereitzustellen, bei dem die konvektive Kühlung verbessert ist und Querströmungen vermieden werden, wird vorgeschlagen, dass Strömungswiderstände (40) im Bereich zwischen der Innenseite (24) und der Prallkühlwand (22) angeordnet sind, die um zumindest eines der Prallkühllöcher (26) herum sternförmig angeordnet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein prallgekühltes Bauteil für eine Gasturbine, mit einer Bauteilwand, entlang deren Außenseite ein Heißgas strömbar ist und zu dessen der Außenseite gegenüberliegenden Innenseite eine Prallkühlwand mit einer Anzahl von rasterförmig angeordneten Prallkühlöffnungen beabstandet ist.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind derartige Bauteile insbesondere als Turbinenschaufeln bekannt, die insbesondere in stationären Gasturbinen Verwendung finden. Zur besseren Kühlung von den thermisch besonders hoch beanspruchten Turbinenschaufeln wird die Kühlung auf der Innenseite der Schaufel als Prallkühlung ausgeführt. Hierzu wird in geringem Abstand zur Innenwand zumeist ein gelochtes Blech positioniert. Der durch die Löcher im Blech hindurchtretende Luftstrahl trifft senkrecht auf die Innenseite der zu kühlenden Schaufelwand und führt so zu einer besonders effizienten Kühlung.

[0003] Im Stand der Technik wird es als nachteilig empfunden, dass die nach der Prallkühlung abströmende Luft nicht weiter geführt oder gelenkt wird. Somit können Kreuzströmungen an den Löchern des Prallkühlblechs entstehen, die die Kühlwirkung der Prallkühlstrahlen vermindert.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines eingangs genannten Bauteils, bei dem das beschriebene Problem weitestgehend vermieden wird.

[0005] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauteils sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0006] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das eingangs bezeichnete Bauteil Strömungswiderstände im Bereich zwischen Innenseite und Prallkühlwand aufweist, die um zumindest eine der Prallkühlöffnungen herum sternförmig angeordnet sind.

[0007] Durch die Strömungswiderstände, die um die Prallkühlöffnung verteilt sind, kann die Strömung stromab des Prallkühlstrahls gezielt geführt werden. Die Strömungswiderstände können unterschiedliche Formen aufweisen. Ihre Kontur kann beispielsweise rechteckig, dreieckig, lanzettenförmig, gekrümmt oder ungekrümmt tropfenförmig oder auch sichelförmig sein. Weitere Formen sind denkbar. Zudem sind die Widerstände sind entweder mit der Prallkühlwand oder mit der Bauteilwand monolithisch ausgeführt. Insgesamt entsteht ein flächiges Muster an Strömungswiderständen, welches zu dem Raster der Prallkühlöffnungen versetzt ist. Neben der gezielten Führung der Strömung werden unerwünschte Querströmungen zu benachbarten Prallkühlöffnungen vermieden, was die Effizienz der Prallkühlung steigen lässt. Durch die rasterförmige Anordnung von Strömungswiderständen wird zudem eine bessere konvektive Kühlung analog zu einer rasterförmigen Anordnung von Sockeln - im Stand der Technik auch als Pin-Fin-Array bekannt - erreicht.

[0008] Letzteres gilt insbesondere dann, wenn jeder Strömungswiderstand in Gestalt eines räumlichen Körpers monolithisch mit der Bauteilwand ausgeführt ist. Mithin wird durch die rasterförmige Anordnung von körperlichen Strömungswiderständen eine effektivere Kühlwirkung aufgrund vergrößerter Bauteilfläche erreicht und somit ein geringerer Kühlluftverbrauch erzielt. Der geringere Kühlluftverbrauch wirkt sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad einer Gasturbine aus, in der das erfindungsgemäße Bauteil während des Betriebs verwendet wird.

[0009] Insgesamt wird in der Erfindung ein Bauteil für eine Gasturbine angegeben, mit einer Bauteilwand, entlang deren Außenseite ein Heißgas strömbar ist und zu dessen der Außenseite gegenüberliegenden Innenseite eine Prallkühlwand mit einer Anzahl von rasterförmig angeordneten Prallkühlöffnungen beabstandet ist. Um ein prallgekühltes Bauteil bereitzustellen, bei dem die konvektive Kühlung verbessert ist und Querströmungen vermieden werden, wird vorgeschlagen, dass Strömungswiderstände im Bereich zwischen der Innenseite und der Prallkühlwand angeordnet sind, die um zumindest eines der Prallkühllöcher herum sternförmig angeordnet sind.

[0010] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand eines Ausführungseispiels wiedergegeben. Dazu zeigt:

FIG 1

den Längsschnitt durch eine Turbinenleitschaufel nach dem Stand der Technik und

FIG 2 u. 3

unterschiedliche Muster von Prallkühlöffnungen und Strömungswiderständen, die auf einer Innenseite der Turbinenschaufel angeordnet sind.

[0011] FIG 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Turbinenschaufel, welche in Form einer Leitschaufel ein Ausführungsbeispiel eines prallgekühlten Bauteils 10 ist. Das Bauteil 10 ist zur Verwendung in einer stationären Gasturbine bestimmt. Das Bauteil 10 weist als Turbinenschaufel ein Schaufelblatt 12 auf, welches sich von einer Vorderkante 14 zu einer Hinterkante 16 erstreckt und entlang dessen Außenseiten 18 bei Verwendung in einer Gasturbine ein Heißgas strömbar ist. Zudem sind in der Vorderkante so genannte Filmkühllöcher 15 vorgesehen. Das Bauteil 10 ist hohl ausgeführt und umfasst einen hohlen Einsatz 20, welcher als Prallkühleinsatz zu bezeichnen ist. Der Einsatz 20 umfasst wiederum eine Prallkühlwand 22, die einer Innenseite 24 des Schaufelblatts 12 unter Abstand gegenüberliegt, wobei die Innenseite 24 selber Teil einer Bauteilwand 14 ist. Die Bauteilwand 14 ist sozusagen von der Außenseite 18 und der Innenseite 24 begrenzt. In der Prallkühlwand 22 sind über die Spannweite des Schaufelblattes 12 verteilt eine Vielzahl von Prallkühlöffnungen 26 vorgesehen, durch die fußseitig zugeführte Kühlluft 28 aus dem Hohlraum des Einsatzes 20 heraus in Form von Prallkühlstrahlen 30 austreten kann. Die Strahlen 30 treffen auf die Innenseite 24 der Bauteilwand 14 und kühlen diese während des Betriebs einer Gasturbine effizient. Anschließend umströmt ein Teil der somit aufgewärmten Kühlluft den Einsatz 20. Dieser Teilstrom wird anschließend bis zur Hinterkante 16 des Schaufelblattes 12 geführt, wo sie dort durch Hinterkantenöffnungen 34 austreten kann. Ein anderer Teil der Kühlluft tritt durch die in der Vorderkante 14 angeordneten Filmkühlöffnungen 15 aus. Andere Möglichkeiten zur Ausleitung der aufgewärmten Kühlluft aus dem Bauteil 10 heraus sind falls denkbar.

[0012] Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Draufsicht auf die Innenseite der Bauteilwand 14, an der monolithisch erfindungsgemäße Strömungswiderstände 38, 40 angeordnet sind. Die Strömungswiderstände 38, 40 weisen vorzugsweise eine Höhe ausgehend von der Innenseite 24 auf, die geringer ist als der Abstand zwischen der Prallkühlwand 22 und der besagten Innenseite 24. Mithin dienen die Strömungswiderstände 38, 40 nicht als Abstandselemente für die Prallkühlwand 22 oder zur Halterung bzw. Positionierung des Prallkühleinsatzes. Zur besseren Veranschaulichung der Anordnung der Prallkühlöffnungen 26 in Bezug auf die rasterförmig angeordneten Strömungswiderstände 38 und 40 sind diese in den Figuren 2 und 3 schematisch dargestellt.

[0013] Die Strömungswiderstände 38, 40 können, wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, unterschiedliche Konturen aufweisen, um dadurch zwischen ihnen Passagen für die bereits zur Prallkühlung eingesetzten Kühlluft 32 zu bilden, durch die besagte Kühlluft 32 abströmen kann. Gemäß Figur 2 sind die Strömungswiderstände 38 vorzugsweise so angeordnet, dass sie nicht neben, sondern auf einer gedachten Verbindungsgeraden von zwei unmittelbar benachbarten Prallkühlöffnungen 26 liegen. Dies vermindert das Auftreten von Querströmungen, welche Prallkühlstrahlen schwächen könnten.

[0014] Im Unterschied dazu sind gemäß Figur 3 die Strömungswiderstände 40 abseits einer gedachten Verbindungsgeraden von einer Prallkühlöffnungen 26 zu einer Filmkühlöffnung 15. Diese Anordnung unterstützt eine zielgerichtete Strömung der durch Aufprall erhitzten Kühlluft zu den Filmkühlöffnungen 15.

[0015] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. Bauteil (10) für einer Gasturbine,
mit einer Bauteilwand (14), entlang deren Außenseite (18) ein Heißgas strömbar ist und zu dessen der Außenseite (18) gegenüberliegenden Innenseite (24) eine Prallkühlwand (22) mit einer Anzahl von rasterförmig angeordneten Prallkühlöffnungen (26) beabstandet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
Strömungswiderstände (38, 40) im Bereich zwischen Innenseite (24) und Prallkühlwand (22) um zumindest eines der Prallkühlöffnungen (26) herum sternförmig angeordnet sind.

2. Bauteil (10) nach Anspruch 1,
bei dem jeder Strömungswiderstand (38, 40) in Gestalt eines räumlichen Körpers monolithisch entweder an der Innenseite (24) der Bauteilwand (14) oder an derjenigen Seite der Prallkühlwand (22) angeordnet ist, die der Innenseite (24) gegenüberliegt.

3. Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2,
ausgestaltet als Turbinenschaufel.

Zeichnung