VORRICHTUNG ZUR KÜHLUNG EINES BAUTEILS EINER GASTURBINE/STRÖMUNGSMASCHINE MITTELS PRALLKÜHLUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine mit einer heißgasbeaufschlagten Außenfläche (2) und einem integrierten Kühlkanal (3), wobei innerhalb des Kühlkanals (3) ein Prallkühlelement (4) mit wenigstens einer Prallkühlungsbohrung (5) angeordnet ist, wobei das Prallkühlelement (4) von einer zu kühlenden Zieloberfläche (6) des Bauteils (1) beabstandet ist und zur Kühlung des Bauteils (1) ein Kühlfluid als Prallkühlstrahl auf die Zieloberfläche (6) leitbar ist, wobei an der Zieloberfläche (6) eine Oberflächenstrukturierung (8) ausgebildet ist, auf die der Prallkühlstrahl auftrifft.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils einer Gasturbine/Strömungsmaschine mit einer heißgasbeaufschlagten Außenfläche und einem integrierten Kühlkanal, innerhalb dessen ein Prallkühlelement mit wenigstens einer Prallkühlungsbohrung angeordnet ist.

[0002] Eine Vielzahl von Bauteilen, wie beispielsweise die Schaufeln, einer Gasturbine ist den hohen Temperaturen der Verbrennungsgase der Brennkammer ausgesetzt. Ferner kann der Wirkungsgrad von Gasturbinen durch eine Erhöhung der in der Brennkammer erzielten Verbrennungstemperaturen weiter verbessert werden. Einer derartigen Temperaturerhöhung sind jedoch aufgrund der thermischen Belastbarkeit der den Heißgasen ausgesetzten Bauteile Grenzen gesetzt. Dies gilt insbesondere für die auch mechanisch hoch belasteten Leit- und Laufschaufeln in der der Brennkammer nachgeschalteten Turbinenstufe.

[0003] Deshalb sind besondere Kühlverfahren erforderlich, um einem Bauteilversagen entgegenzuwirken und die materialbedingten Temperaturgrenzen nicht zu überschreiten. Die entsprechenden Bauteile und insbesondere deren thermisch hoch belastete Bereiche werden bekanntermaßen mit vom Verdichter abgezweigter Kühlluft gekühlt. Im Stand der Technik sind die Blätter dieser Schaufeln mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, die mit der Kühlluft gespeist werden. Die Schaufelkühlung wird durch Entnahme eines Teils der verdichteten Luft aus dem Verdichter und Weiterleitung dieser Luft zu dem Turbinenabschnitt erreicht. Diese Kühlluft strömt nach ihrer Einleitung in den Turbinenabschnitt durch in den Schaufelblattabschnitten der Schaufeln ausgebildete Kanäle.

[0004] Die DE 10 2008 003 412 A1 offenbart, die Schaufelspitzenabdeckung mittels einer lokalisierten, gerichteten Prallkühlung wirkungsvoller zu kühlen, um die Metalltemperatur in hochbeanspruchten Bereichen der Spitzenabdeckung zu reduzieren.

[0005] Außerdem sind bei einer, beispielsweise aus der EP 1 001 135 A2 bekannten, Prallkühlung für eine Turbinenschaufel im Inneren einer durch zwei Seitenwände begrenzten, hohlen Schaufel in Längsrichtung verlaufende Trennwände angeordnet, die jeweils mit einem Seitenwandabschnitt eine langgestreckte Kühlluftzuführungs- und Kühlluftverteilungskammer sowie mehrere an diese angrenzende Prallluftkühlkammern ausbilden. Über die Prallluftkanäle gelangt die in die Kühlluftkammer eingeführte Kühlluft in die benachbarten Prallluftkühlkammern, um dadurch die Innenflächen der thermisch hoch belasteten Bereiche der Außenwände der Turbinenschaufel von innen zu kühlen und somit die Gasturbine bei möglichst hohen Verbrennungstemperaturen mit hohem Wirkungsgrad und ohne Materialschäden betreiben zu können. Die Prallluftkanäle sind in der Trennwand geradlinig, aber schräg ausgerichtet, um einen günstigen Winkel für das Auftreffen der Prallkühlluft auf die Innenflächen der Außenwände zu gewährleisten. Die aus den Prallluftkühlkammern über Luftkanäle in den Seitenwänden der Turbinenschaufel austretende Luft schafft darüber hinaus eine Dämmschicht zwischen dem Schaufelwerkstoff und dem heißen Gas, die die thermische Belastung der Turbinenschaufel weiter verringert.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils einer Gasturbine/Strömungsmaschine bereitzustellen, die den Wirkungsgrad der Kühlung weiter verbessert.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

[0008] Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils einer Gasturbine/Strömungsmaschine mit einer heißgasbeaufschlagten Außenfläche und einem integrierten Kühlkanal vorgeschlagen. Innerhalb des Kühlkanals ist ein Prallkühlelement mit wenigstens einer Prallkühlungsbohrung angeordnet. Dieses Prallkühlelement ist von einer zu kühlenden Zieloberfläche des Bauteils beabstandet und zur Kühlung des Bauteils ist ein Kühlfluid als Prallkühlstrahl durch die Prallkühlbohrung auf die Zieloberfläche leitbar. An der Zieloberfläche ist ferner eine Oberflächenstrukturierung ausgebildet, auf die der Prallkühlstrahl auftrifft.

[0009] Vorteilhaft daran ist, dass die Mikrostrukturierung der Zieloberflächen mittels der entsprechend ausgebildeten Oberflächenstrukturierung den Wärmeübergang verbessert. Dadurch kann der Verbrauch des Kühlmediums bei gleichbleibender Kühlwirkung reduziert werden oder bei gleichbleibendem Verbrauch des Kühlmediums die Kühlleistung verbessert werden. Folglich dient die Erfindung der Kühllufteinsparung und damit dem vorrangigen Ziel der Wirkungsgradsteigerung.

[0010] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Oberflächenstrukturierung mittels sternförmig angeordneten Rippen ausgebildet ist, die von der Zieloberfläche hervorstehen. Die erfindungsgemäße Mikrostrukturierung der Zieloberfläche weist Rippen auf, die radial zu dem Prallkühlungsstrahl angeordnet sind. Durch diese entsprechend ausgebildeten Rippen werden mehrere physikalische Effekte genutzt, die den Wärmeübergang steigern. Zunächst wird auf diese Weise der Oberflächeninhalt der Zieloberfläche erhöht und die Wärmestromdichte durch eine lokale Beschleunigung der Strömung aufgrund der entsprechenden Anordnung der Rippen gesteigert. Darüber hinaus wird die Kühlluftströmung von für den Wärmeübergang schädlichen Querströmungen abgeschirmt und eine Strömungsablösung vermieden.

[0011] In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Oberflächenstrukturierung mittels sternförmig und in zumindest jeweils unterschiedlicher Form alternierend angeordneten Rippen ausgebildet ist, die von der Zieloberfläche hervorstehen. In bestimmten Anwendungsfällen können mehrreihig angeordnete Rippen auf der Zieloberfläche die Strömungseigenschaften und somit auch die Kühlleistung weiter verbessern, da die Oberflächenstrukturierung optimal an die Geometrie des zu kühlenden Bauteils angepasst werden kann.

[0012] Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Kühlung des Bauteils derart ausgebildet, dass die Rippen der Oberflächenstrukturierung von einem der Prallkühlungsbohrung gegenüberliegenden Zentralpunkt beabstandet und sternförmig nach außen verlaufen. Dies ist vorteilhaft für die Kühlleistung des Prallkühlungsstrahls, da dieser somit direkt nach Auftreffen auf die Zieloberfläche an der Oberflächenstruktur bzw. den Rippen vorbeigeleitet wird.

[0013] In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rippen eine tropfenförmige Form aufweisen, die sich nach außen hin verjüngt. Aufgrund der speziell ausgebildeten Geometrie werden die Strömungseigenschaften bzw. die Kühlleistung der Kühlluftströmung optimiert.

[0014] Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der die Rippen eine geradlinige, stabförmige Form aufweisen. Gerade bei einer mehrreihig ausgebildeten Oberflächenstrukturierung sind alternierende Geometrien der Rippen günstig für eine optimale Kühlleistung des Kühlluftstroms.

[0015] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils einer Gasturbine/Strömungsmaschine ist in einer Ausführungsvariante ausgebildet, dass die Rippen eine unterschiedliche Länge und/oder Höhe aufweisen mit der diese sich auf der Zieloberfläche erstrecken. Dies hat wiederum eine positive Auswirkung auf die Strömung der Kühlluft, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.

[0016] Weiter vorteilhaft ist es, wenn sternförmige Anordnungen aus den Rippen auf der Zieloberfläche in einer Reihe gegenüber einer korrespondierenden Reihe von Prallkühlungsbohrungen ausgebildet und angeordnet sind. Dadurch ist auf der Zieloberflächen in jedem Bereich, in dem der Kühlluftström durch die Prallkühlungsbohrung tritt und auf die Zieloberfläche trifft, eine spezielle Oberflächenstrukturierung mit entsprechenden Rippen angeordnet. In Folge wird an jedem dieser Bereiche die Kühlleistung des Bauteils der Gasturbine/Strömungsmaschine gesteigert.

[0017] In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Vorrichtung ist ferner vorgesehen, dass der Abstand des radial innen liegenden Anfangs einer jeden Rippe zu dem Zentralpunkt etwa 75 % - 150 % der Länge der Rippe entspricht. Dabei ist günstig, dass die Kühlluftströmung zunächst auf die Kühloberfläche trifft und anschließend zur Optimierung der Kühlleistung an den entsprechenden Rippen vorbeiströmt.

[0018] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Seitenflanken der Rippen zumindest an der Verbindung zur Zieloberfläche orthogonal und sind vorzugsweise erst am Übergang zu einer Deckseite hin schräg oder abgerundet ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Deckseite flach und parallel zur Zieloberfläche ausgebildet ist. Dadurch wird die Oberfläche der Rippen Maximiert und die Oberflächenstrukturierung der Zieloberfläche weist einen optimalen bzw. maximalen Oberflächeninhalt zur Kühlung auf.

[0019] Ferner wird erfindungsgemäß eine Gasturbine/Strömungsmaschine mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils der Gasturbine/Strömungsmaschine vorgeschlagen.

[0020] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

eine Schnittansicht eines Gasturbinenbauteils mit einer Oberflächenstrukturierung an der Zieloberfläche der Prallkühlung,

Fig. 2

eine perspektivische Ansicht einer Zieloberfläche mit einreihig angeordneten Rippen,

Fig. 3

eine perspektivische Ansicht einer Zieloberfläche mit mehrreihig angeordneten Rippen.

[0021] In Figur 1 ist eine Schnittansicht eines Gasturbinenbauteils 1 mit einer Vorrichtung zur Prallkühlung dargestellt, die eine Oberflächenstrukturierung 8 an der Zieloberfläche 6 der Prallkühlungsanordnung aufweist.

[0022] Das Gasturbinenbauteil 1 umfasst eine im Betrieb heißgasbeaufschlagte Außenfläche 2 und einen integrierten Kühlkanal 3 zur Kühlung. Innerhalb des Kühlkanals 3 verläuft ein Prallkühlelement 4, das den Kühlkanal 3 in einen Versorgungsteil 11 zur Kühlmittelzuführung und einen Kühlungsteil 12, in dem die zu kühlende Zieloberfläche 6 angeordnet ist, aufteilt. Das Prallkühlelement 4 ist von der zu kühlenden Zieloberfläche 6 in dem Kühlungsteil 12 des Bauteils 1 beabstandet. Ferner weist das Prallkühlelement 4 in dem dargestellten Bereich vier Prallkühlungsbohrungen 5 auf, über die ein Kühlfluid als Prallkühlstrahl zur Kühlung des Bauteils 1 auf einen der Prallkühlungsbohrung 5 gegenüberliegenden Zentralpunkt Z der Zieloberfläche 6 leitbar ist.

[0023] Eine perspektivische Ansicht einer Zieloberfläche 6 mit mehrreihig angeordneten Rippen 9 ist in Figur 2 dargestellt. Die Oberflächenstrukturierung 8 entspricht dabei der in Figur 1 gezeigten und nachfolgend beschriebenen Darstellung.

[0024] An der Zieloberfläche 6 ist die Oberflächenstrukturierung 8 ausgebildet, auf die der Prallkühlstrahl trifft. Diese Oberflächenstrukturierung 8 ist mittels sternförmig und in jeweils unterschiedlicher Form alternierend angeordneten Rippen 9 ausgebildet, die von der Zieloberfläche 6 hervorstehen. Die Rippen 9 verlaufen von dem der Prallkühlungsbohrung 5 gegenüberliegenden Zentralpunkt Z beabstandet sternförmig nach außen. Die sternförmigen Anordnungen aus den Rippen 9 auf der Zieloberfläche 6 sind in einer Reihe gegenüber einer korrespondierenden Reihe von Prallkühlungsbohrungen 5 ausgebildet und angeordnet. Die Seitenflanken der Rippen 9 verlaufen an der Verbindung zur Zieloberfläche 6 orthogonal und sind erst am Übergang zu einer Deckseite 10 hin schräg und abgerundet ausgebildet. Die jeweiligen alternierenden Rippen 9 weisen außerdem eine unterschiedliche Länge und Höhe auf mit der diese sich auf der Zieloberfläche 6 erstrecken. Eine der beiden sternförmigen Anordnungen umfasst tropfenförmige Rippen 9, die sich nach außen hin verjüngen, und der Abstand des radial innen liegenden Anfangs einer jeden Rippe 9 zu dem Zentralpunkt Z entspricht etwa 75 % der Länge dieser Rippe 9. Dagegen weisen die Rippen 9 der anderen sternförmigen Anordnung eine geradlinige, stabförmige Form auf und der Abstand des radial innen liegenden Anfangs einer jeden Rippe 9 zu dem Zentralpunkt Z entspricht etwa 150 % der Länge dieser Rippe 9. Die Deckseite 10 der Rippen 9 ist flach und parallel zur Zieloberfläche 6 ausgebildet.

[0025] Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Zieloberfläche 6 mit einreihig angeordneten Rippen 9. Die Oberflächenstrukturierung 8 ist mittels den vorstehend beschriebenen tropfenförmigen und sternförmig angeordneten Rippen 9 ausgebildet, die von der Zieloberfläche 6 hervorstehen.

Bezugszeichenliste:

[0026] 

1

Gasturbinenbauteil

2

Außenfläche

3

Kühlkanal

4

Prallkühlelement

5

Prallkühlungsbohrung

6

Zieloberfläche

8

Oberflächenstrukturierung

9

Rippen

10

Deckseite

11

Versorgungsteil

12

Kühlungsteil

Z

Zentralpunkt

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine mit einer heißgasbeaufschlagten Außenfläche (2) und einem integrierten Kühlkanal (3), wobei innerhalb des Kühlkanals (3) ein Prallkühlelement (4) mit wenigstens einer Prallkühlungsbohrung (5) angeordnet ist, wobei das Prallkühlelement (4) von einer zu kühlenden Zieloberfläche (6) des Bauteils (1) beabstandet ist und zur Kühlung des Bauteils (1) ein Kühlfluid als Prallkühlstrahl auf die Zieloberfläche (6) leitbar ist, wobei an der Zieloberfläche (6) eine Oberflächenstrukturierung (8) ausgebildet ist, auf die der Prallkühlstrahl auftrifft.

2. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Oberflächenstrukturierung (8) mittels sternförmig angeordneten Rippen (9) ausgebildet ist, die von der Zieloberfläche (6) hervorstehen.

3. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Oberflächenstrukturierung (8) mittels sternförmig und in zumindest jeweils unterschiedlicher Form alternierend angeordneten Rippen (9) ausgebildet ist, die von der Zieloberfläche (6) hervorstehen.

4. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Rippen (9) der Oberflächenstrukturierung (8) von einem der Prallkühlungsbohrung (5) gegenüberliegenden Zentralpunkt (Z) beabstandet sternförmig nach außen verlaufen.

5. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Rippen (9) eine tropfenförmige Form aufweisen, die sich nach außen hin verjüngt.

6. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Rippen (9) eine geradlinige, stabförmige Form aufweisen.

7. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Rippen (9) eine unterschiedliche Länge und/oder Höhe aufweisen mit der diese sich auf der Zieloberfläche (6) erstrecken.

8. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei sternförmige Anordnungen aus den Rippen (9) auf der Zieloberfläche (6) in einer Reihe gegenüber einer korrespondierenden Reihe von Prallkühlungsbohrungen (5) ausgebildet und angeordnet sind.

9. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Abstand des radial innen liegenden Anfangs einer jeden Rippe (9) zu dem Zentralpunkt (Z) etwa 75 % - 150 % der Länge der Rippe (9) entspricht.

10. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Seitenflanken der Rippen (9) zumindest an der Verbindung zur Zieloberfläche (6) orthogonal verlaufen und vorzugsweise erst am Übergang zu einer Deckseite (10) hin schräg oder abgerundet ausgebildet sind.

11. Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) einer Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Deckseite (10) flach und parallel zur Zieloberfläche (6) ausgebildet ist.

12. Gasturbine/Strömungsmaschine mit einer Vorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) der Gasturbine/Strömungsmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung