[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, wobei an der Innenseite Leitelemente
zur Führung von einem durch die Prallkühlöffnungen zugeführten Kühlmittel angeordnet
sind.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind derartige Bauteile insbesondere als Turbinenschaufeln
bekannt, die insbesondere in stationären Gasturbinen Verwendung finden. Beispielsweise
offenbart die
EP 2 236 751 A2 eine entsprechende Turbinenschaufel. Zur besseren Kühlung von den thermisch besonders
hoch beanspruchten Turbinenschaufeln wird die Kühlung auf der Innenseite der Schaufel
als Prallkühlung ausgeführt. Hierzu ist in geringem Abstand zur Innenwand ein gelochtes
Blech positioniert. Die durch die Löcher im Blech hindurchtretenden Luftstrahlen treffen
senkrecht auf die Innenseite der zu kühlenden Schaufelwand und führen so zu einer
besonders effizienten Kühlung. An der Innenseite angeordneten Rippen leiten die zur
Prallkühlung eingesetzte Kühlluft nach ihrem Aufprall zur Mitte des Schaufelblatts,
welches erfahrungsgemäß am höchsten temperaturbelastet ist. Die höhere Kühlluftkonzentration
sorgt dort für eine ausreichende Kühlung.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines eingangs genannten Bauteils, bei
dem eine verbesserte Kühlung erreicht wird.
[0004] 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.
[0005] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leitelemente eine Kontur in Form eines gewölbten
Tropfens mit einem dünneren Ende und einem dickeren Ende aufweisen. Mit anderen Worten
sind die Leitelemente ebenso aerodynamisch gekrümmt wie ein Schaufelblatt einer Turbinenschaufel
und umfassen mithin eine saugseitige Wandfläche und eine druckseitige Wandfläche,
entlang der das Kühlmittel strömen kann. Die Begriffe "dickere Ende" und "dünnere
Ende" beziehen sich jeweils auf das andere Ende.
[0006] Durch die erfindungsgemäße Form der Leitelemente wird das zur Prallkühlung eingesetzte
Kühlmittel nach seinem Aufprall entsprechend der Form der Leitelemente umgelenkt und
bei Anwendung mehrerer erfindungsgemäßer Leitelemente werden die einzelnen unterschiedlichen
Kühlmittelströmungen vergleichmäßigt. Besonders von Vorteil ist der saugseitig an
den Leitelementen entstehende Effekt der Beschleunigung der Kühlmittelströmung, was
den Kühleffektweiter steigert.
[0007] Neben der gezielten Führung der Strömung werden unerwünschte Querströmungen zu benachbarten
Prallkühlöffnungen reduziert, was die Effizienz der Prallkühlung ansteigen lässt.
Durch eine vorzugsweise reihenförmige Anordnung von Leitelementen wird zudem eine
bessere konvektive Kühlung erreicht. Die reihenförmige Anordnung der Leitelemente
ist analog zu einer Abwicklung einer Schaufelblattreihe eines Schaufelkranzes.
[0008] Zudem sind die Leitelemente mit der Bauteilwand monolithisch ausgeführt. Hierdurch
kann eine verbesserte Wärmeleitung aus der Bauteilwand über die Leitelemente in das
Kühlmittel erreicht werden. Vorzugsweise ist ein flächiges Muster an Leitelementen
vorgesehen, welches weiter bevorzugt zu dem Raster der Prallkühlöffnungen versetzt
ist.
[0009] Bei monolithischer Einheit von Leitelement in Gestalt eines räumlichen Körpers und
der Bauteilwand wird eine effektivere Kühlwirkung aufgrund vergrößerter Bauteilfläche
erreicht und somit ein geringerer Kühlmittelverbrauch erzielt. Der geringere Kühlmittelverbrauch
wirkt sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad einer Gasturbine aus, in der das
erfindungsgemäße Bauteil während des Betriebs verwendet wird.
[0010] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Leitelemente eine Höhe auf, die
geringer ist als der Abstand zwischen Innenseite und Prallkühlwand. Dies verhindert
eine ungewünscht große Verblockung des Freiraums zwischen Prallkühlwand und Innenseite
bei vergleichsweise großer Oberfläche der jeweiligen Leitelemente. Mithin stützt sich
die Prallkühlwand nicht an allen Leitelementen ab, schlechtestenfalls nur an einigen
wenigen.
[0011] Eine strömungsverlustarme Zusammenführung von einzelnen Kühlmittelströmen, die aus
einzelnen Prallkühlstrahlen hervorgegangen sind, lässt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften
Weiterbildung erreichen, wenn zumindest zwei zueinander beabstandete Reihen vorgesehen
sind und die Leitelemente der beiden Reihen derart zueinander angeordnet sind, dass
entweder ihre dickeren Enden oder ihre dünneren Enden der gewölbten Tropfen jeder
Reihe wechselseitig zu dem entsprechenden Ende der jeweils anderen Reihe weisen. Dabei
ist es zur Anpassung des lokalen Wärmeübergangswiderstandes sogar möglich, noch zwischen
den Reihen weitere Turbulatoren, beispielsweise Rippen, Nuten oder ähnliches, anzuordnen.
Deren Höhen sind dann geringer als die Höhen der Leitelemente.
[0012] Einander störende Prallkühlstrahlen werden vermieden, wenn weiter bevorzugt mehrere
oder gar alle Prallkühlöffnungen derart angeordnet ist, dass jede der betreffende
Prallkühlöffnung den durch sie hindurchtretenden Prallkühlstrahl entweder auf eine
unmittelbarer Umgebung des dickeren Endes eines ihr zugeordneten Leitelements richtet
oder diesen auf einen Bereich mittig zwischen zwei unmittelbar benachbarte Leitelemente
richtet.
[0013] Selbstverständlich kann das Bauteil als Turbinenleitschaufel, als Turbinenlaufschaufel
oder auch als ein Führungsringsegment oder als Teil einer Brennkammerwand ausgestaltet
sein. Im Falle von Turbinenschaufeln kann sowohl dessen Schaufelblatt als auch dessen
Plattform eine erfindungsgemäße Bauteilwand umfassen.
[0014] Insgesamt betrifft die Erfindung ein 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, wobei an der Innenseite Leitelemente zur Führung von einem durch
die Prallkühlöffnungen zugeführten Kühlmittel angeordnet sind. Um ein prallgekühltes
Bauteil bereitzustellen, bei dem die konvektive Kühlung verbessert und der Einfluss
von Querströmungen verringert ist, wird vorgeschlagen, dass die Leitelemente eine
Kontur in Form eines gewölbten Tropfens mit einem dünneren Ende und einem dickeren
Ende aufweisen.
[0015] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand eines Ausführungseispiels
wiedergegeben. Dazu zeigt:
- FIG 1
- den Längsschnitt durch eine Turbinenleitschaufel und
- FIG 2
- eine Draufsicht auf eine kaltgasseitige Oberfläche der Plattform der Turbinenschaufel
nach FIG 1 mit teilweise geschnittener Prallkühlwand.
[0016] FIG 1 zeigt eine Turbinenschaufel 11, 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 11 ein Schaufelblatt
12 auf, welches sich von einer Vorderkante 19 zu einer Hinterkante 16 erstreckt und
entlang dessen Außenseiten 18 bei Verwendung in einer Gasturbine ein Heißgas strömbar
ist. Zudem sind in der Vorderkante 19 sogenannte 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. Auf der Innenseite 24 sind entlang einer
Spannweiterichtung des Schaufelblatts 12 mehrere Leitelemente 38 verteilt, die jeweils
eine Kontur in Form eines gewölbten Tropfens mit einem dünneren Ende 25 und einem
dickeren Ende 27 aufweisen. 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 und insbesondere die Leitelemente
38 gemäß deren Strömungskontur. 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 19 angeordneten
Filmkühlöffnungen 15 aus. Andere Möglichkeiten zur Ausleitung der aufgewärmten Kühlluft
aus dem Bauteil 10 heraus sind ebenfalls denkbar.
[0017] Die Turbinenschaufel 11 weist ein in der FIG 1 oben dargestelltes fußseitiges Ende
35 mit einer Plattform 36 auf. Die Plattform 36 begrenzt den Heißgaskanal 13 und weist
infolgedessen eine dem Heißgaskanal 13 zugewandte Außenseite 21 und eine dieser Außenseite
21 gegenüberliegende Innenseite 17 auf. Aus dieser Innenseite 17 ragen erfindungsgemäße
Leitelemente 38 hervor. Unter Abstand A liegt der Innenseite 17 eine Prallkühlwand
22 gegenüber, in der ebenso Prallkühlöffnungen 26 angeordnet sind.
[0018] Die FIG 2 zeigt detailliert die Konturen der Leitelemente 38 in der Form eines gekrümmten
Tropfens sowie deren aufgereihte Anordnung. Dazu gibt FIG 2 eine Draufsicht auf eine
Innenseite 17 der Plattform 36 der Turbinenschaufel 11 nach FIG 1 mit teilweise geschnittener
Prallkühlwand 22 wider.
[0019] Die Leitelemente 38 weisen vorzugsweise eine Höhe ausgehend von der Innenseite 17
auf, die geringer ist als der Abstand A zwischen der Prallkühlwand 22 und der besagten
Innenseite 17. Mithin dienen die Leitelemente 38 nicht als Abstandselemente für die
Prallkühlwand 22 oder zur Halterung bzw. Positionierung des Prallkühleinsatzes. Zur
besseren Veranschaulichung der Anordnung der Leitelemente 38 und deren Kontur ist
ein Teil der Prallkühlwand nicht dargestellt.
[0020] Die die Kontur in Form eines gewölbten Tropfens aufweisenden Leitelemente 38 sind
in Reihen angeordnet, von denen die ersten drei Reihen mit den Bezugszeichen R1, R2
und R3 identifiziert sind. Innerhalb jeder Reihe R1, R2 und R3 weisen die dickeren
Enden 27 zur gleichen Seite, sodass die Anordnung der Leitelemente 38 in einer Reihe
der Abwicklung der Schaufelblätter eines Schaufelkranzes entspricht. Bei zwei unmittelbar
benachbarten Reihen R1 und R2 bzw. R2 und R3 weisen jeweils die dünneren Enden 25
bzw. deren dickeren Enden 27 zur jeweils andere Reihe R2 und R1 bzw. R3 und R2.
[0021] Die Prallkühlöffnungen 26 sind entsprechend der Aneinanderreihung der Leitelemente
38 versetzt, wobei in dem Ausführungsbeispiel nach FIG 2 mehrere Varianten dazu gleichzeitig
dargestellt sind. Es kann aber auch nur eine der nachfolgend im Detail beschriebenen
Varianten insgesamt angewendet werden.
[0022] Die Varianten unterscheiden sich hinsichtlich der Positionierung der Prallkühlöffnungen
26 gegenüber den Leitelementen 38. Gemäß einer ersten Variante ist in R1 jede Prallkühlöffnung
26 sowohl mittig zwischen zwei unmittelbar benachbarten Leitelementen 38 als auch
mittig zwischen zwei gedachten Linien, von denen eine die dickeren Enden und die andere
die dünneren Enden der Leitelemente 38 der Reihe R1 miteinander verbindet. Hierdurch
kann die Geschwindigkeit der Kühlluft zwischen den Leitelementen 28 effektiv zur Kühlung
eingesetzt werden. Im Unterschied dazu sind gemäß einer zweiten Variante in der Reihe
R2 die Prallkühlöffnungen 26 in unmittelbarer Nähe der dickeren Enden 27 und etwas
druckseitiger in Bezug auf die Tropfenform der Leitelemente 38 angeordnet. Damit kann
ein lokaler Bereich fokussiert gekühlt werden, um ein harmonisiertes Spannungsfeld
ohne Gradienten zu erreichen.
[0023] In beiden Fällen werden die sich aus den einzelnen Prallkühlstrahlen 30 ergebenden
Kühlmittelströme regelmäßig zu einem Freiraum zwischen zwei Reihen R1 und R2 hingeführt,
von dem aus sie dann gezielt abströmen können. Die Ausblasung des Kühlmittels am abströmseitigen
Ende der Reihen erfolgt dann in bekannter Art, beispielsweise durch nicht weiter dargestellte
Filmkühllöcher.
[0024] 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.
1. Bauteil (10) für eine Gasturbine,
mit einer Bauteilwand (14), entlang deren Außenseite (18, 21) ein Heißgas strömbar
ist und zu dessen der Außenseite (18, 21) gegenüberliegenden Innenseite (17, 24) eine
Prallkühlwand (22) mit einer Anzahl von rasterförmig angeordneten Prallkühlöffnungen
(26) beabstandet ist,
wobei an der Innenseite (17, 24) Leitelemente (38) zur Führung von einem durch die
Prallkühlöffnungen (26) zugeführten Kühlmittel angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitelemente (38) eine Kontur in Form eines gewölbten Tropfens mit einem dünneren
Ende (25) und einem dickeren Ende (27) aufweisen.
2. Bauteil (10) nach Anspruch 1,
bei dem die Leitelemente (38) eine Höhe aufweisen, die geringer ist als der Abstand
zwischen Innenseite (17, 24) und Prallkühlwand (22).
3. Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Leitelemente (38) in zumindest einer Reihe (R1, R2, R3) angeordnet ist,
vergleichbar mit der Abwicklung von Schaufelblättern eines Schaufelkranzes.
4. Bauteil (10) nach Anspruch 3,
bei dem zumindest zwei zueinander beabstandete Reihen (R1, R2) vorgesehen sind und
die Leitelemente (38) der beiden Reihen (R1, R2) derart zueinander angeordnet sind,
dass entweder die dickeren Enden (27) oder die dünneren Enden (25) jeder Reihe (R1
bzw. R2) wechselseitig zu dem entsprechenden Ende (27, 25) der jeweils anderen Reihe
(R2 bzw. R1) weisen.
5. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem zumindest eine der Prallkühlöffnungen (26) derart angeordnet ist, dass die
betreffende Prallkühlöffnung (26) den durch sie hindurchtretenden Prallkühlstrahl
(30) zwischen zwei unmittelbar benachbarte Leitelemente (38) richtet.
6. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem zumindest eine der Prallkühlöffnungen (26) derart angeordnet ist, dass jede
der betreffenden Prallkühlöffnungen (26) den durch sie hindurchtretenden Prallkühlstrahl
(30) in eine unmittelbarer Umgebung des dickeren Endes (27) eines ihr zugeordneten
Leitelements (38) richtet.
7. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ausgestaltet als Turbinenschaufel (11),
dessen Schaufelblatt und/oder dessen Plattform die betreffende Bauteilwand (14) umfasst.
8. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ausgestaltet als Führungsringsegment,
dessen dem Heißgas aussetzbare Wand als die betreffende Bauteilwand (14) ausgestaltet
ist.