Beschreibung

TURBINENSCHAUFEL MIT EINEM PRALLKÜHLEINSATZ

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Turbinenschaufel, welche aufeinanderfolgend einen Schaufelfuß, einen Plattformbereich und ein hohles Schaufelblatt zur Aufnahme eines blechförmigen Prallkühleinsatzes umfasst, welcher zumindest zwei sich in einem Überlappungsbereich überlappende, aneinanderliegende Abschnitte aufweist, die einen Spalt mit einer Spaltöffnung formen. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbine gemäß Anspruch 6.

Aus der JP 2001-14 06 02-A ist eine gekühlte Gasturbinenschaufel mit blechförmigen Prallkühleinsätzen bekannt. Ein im Bereich der Schaufelhinterkante der Turbinenschaufel angeordneter, im Querschnitt dreieckförmiger Prallkühleinsatz ist zur inneren Oberfläche der Außenwand beabstandet und mit Prallkühlöffnungen versehen. Beim Betrieb der Gasturbine wird der vom Prallkühleinsatz umschlossene

Hohlraum mit Kühlluft gespeist, welche anschließend durch die Prallkühlöffnungen austritt und auf die innere Oberfläche der außen heiß umströmten Außenwand trifft, um diese zu kühlen.

Zudem offenbart die US 6,439,847 eine Turbinenschaufel mit einem Einsatz aus einer Form-Gedächtnislegierung, welcher zur Verbesserung der Kühlung der Turbinenschaufel nach Übersteigen einer Schwellentemperatur die Größe eines Kühlsystems durch Kontraktion vergrößert. Der in seiner Querschnittsform sich verändernde Einsatz weist zwei sich überlappende Blechenden auf, die parallel zu

Strömungsrichtung eines Heißgases verschiebbar sind. In einer alternativen Ausgestaltung zeigt die US 6,439,847 außerdem einen wellenförmigen Einsatz aus einer Form- Gedächtnislegierung. Ferner ist bekannt, dass Prallkühleinsätze aus zwei separaten Teilen bestehen, die nacheinander in den Hohlraum einer Turbinenschaufel eingeschoben werden. Das erste Teil ist an der radial inneren Plattform und das zweite Teil an der radial äußeren Plattform gasdicht fixiert, um Verluste im Einspeisebereich zu vermeiden. Die beiden Teile liegen dabei in einem sich überlappenden ebenen Schiebesitz aneinander an, um beim Betrieb der Gasturbine eine Relativbewegung zu ermöglichen.

Beim Kaltstart oder beim transienten Betrieb der Gasturbine treten unterschiedliche thermische Dehnungen in der Gasturbinenschaufel auf, insbesondere bei der heiß umströmten Außenwand und bei dem kühleren noch nicht vollständig bzw. ungleichmäßig erwärmten Prallkühleinsatz. Diese, besonders in Richtung der Schaufelachse auftretenden Dehnungen können den Überlappungsbereich bzw. den Schiebesitz mechanisch entlasten und so einen unerwünschten Spalt zwischen den beiden aneinanderliegenden Abschnitten des Prallkühlelementes ermöglichen, durch den Kühlluft aus dem innern des

Prallkühleinsatzes ungenutzt als Leckage entweichen kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe einer Turbinenschaufel, welche Kühlmedium einspart. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung hierzu eine entsprechend verbesserte Gasturbine anzugeben.

Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die auf die Gasturbine gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Lösung der auf die Turbinenschaufel gerichteten Aufgabe schlägt vor, dass zum Abdichten des Überlappungsbereichs die beiden Abschnitte im Querschnitt wellenförmig und, bezogen auf die Spaltöffnung, parallel zu dieser ausgebildet sind. Die Lösung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass durch die wellenförmige Überlappung der beiden Abschnitte die zwischen ihnen gebildete Überlappungsfläche vergrößert und gezielt ein Kontaktbereich geschaffen wird, an dem die beiden Abschnitte den von ihnen eingeschlossenen Spalt dichtend aneinander anliegen.

Die Wellenform weist dabei zwischen einem Wellental und einem Wellenberg eine ansteigende Flanke und zwischen einem Wellenberg und einem Wellental eine abfallende Flanke auf. Die von den Wellentälern und von den Wellenbergen gebildete Wellenform der beiden sich überlappenden Abschnitte verlaufen annähernd parallel, so dass zwischen benachbarten ansteigenden Flanken und/oder zwischen benachbarten abfallenden Flanken jeweils Kontaktflächen gebildet werden, welche die LeckageStrömung verhindern. Dies führt zu einer Einsparung von Kühlmedium. Darüber hinaus führt die Verwendung einer solchen Turbinenschaufel in einer Gasturbine beim Betrieb zu einer Wirkungsgradsteigerung. Weiter ist eine mechanische Beweglichkeit der beiden dicht aneinanderliegenden Abschnitte gegeben, die zur Kompensation der thermischen Materialdehnung beim Kaltstart bzw. beim transienten Betrieb der Gasturbine erforderlich sind.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weicht die Frequenz und/oder die Amplitude der Wellenform des ersten Elementes von der zweiten Frequenz bzw. Amplitude der Wellenform des zweiten Elementes ab. Hierdurch wird sicher vermieden, dass die Wellenform der beiden Abschnitte im Überlappungsbereich einen parallel dazu verlaufenden, dh in Richtung der

Leckageströmung mäanderförmigen Spalt bilden. Folglich wird zwingend eine zwischen zwei ansteigenden oder abfallenden Flanken liegende Kontaktfläche erzeugt, die trotz der unterschiedlichen thermischen Materialdehnungen oder eines Verschiebens gegeneinander wegen der in der Kontaktfläche wirksamen Dichtkraft einen besonders dichten Überlappungsbereich gewährleistet. Besonders beim Anfahren der Gasturbine, bei bereits heißer Turbinenschaufelaußenwand und noch vergleichsweise kühlem Prallkühleinsatz, können somit die Überlappungsbereiche sicher abgedichtet werden.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der sich die Frequenz (und/oder Amplitude) der Wellenform des ersten Elementes in einer Größenordnung von max. ±6% sich von der Frequenz (und/oder Amplitude) der Wellenform des zweiten Elementes unterscheidet. Die Frequenzen und die Amplituden sind dabei so zu wählen, dass die wärmebedingten

Materialdehnungen der Elemente keine gegenseitige mechanische Behinderung hervorrufen und somit eine sichere Dichtwirkung gewährleisten. Ferner sind die Parameter der Wellenform auf das Material des Prallkühleinsatzes abgestimmt.

Der für den Überlappungsbereich benötigte Bauraum kann besonders platzsparend sein, wenn der Überlappungsbereich im Querschnitt nicht mehr als fünf Schwingungsperioden aufweist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist der

Prallkühleinsatz mehrteilig ausgebildet. Somit können die den Prallkühleinsatz bildenden Teile von einer oben offenen Schaufelspitze ausgehend in das hohle Schaufelblatt nacheinander eingeschoben werden. Danach liegen die Abschnitte der einzelnen Teile jeweils in einem

Überlappungsbereich aneinander, der auch als Schiebesitz bezeichnet wird. Eine besonders einfache Verschiebung ist gewährleistet, da die Verschieberichtung des Prallkühleinsatzes senkrecht zur Ausbreitung der Welle verläuft.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel mit einem Prallkühleinsatz, Fig. 2 die Detailansicht eines Überlappungsbereichs des Prallkühleinsatzes der Turbinenschaufel gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 die Detailansicht eines alternativen Überlappungsbereichs des Prallkühleinsatzes der Turbinenschaufel gemäß Fig. 1.

Gasturbinen und deren Arbeitsweisen sind allgemein bekannt. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäße Turbinenschaufel 1 mit einem

Plattformbereich 2 und mit einem sich entlang einer Schaufelachse 2a erstreckenden Schaufelblatt 2b. Das Schaufelblatt 2b weist zumindest einen Hohlraum 3 auf, in dem ein Prallkühleinsatz 5 vorgesehen ist. Ferner weist das Schaufelblatt 2b eine von einem Heißgas 7 der Gasturbine anströmbare Schaufelvorderkante 9 auf, von der aus sich eine Saugseitenwand 11 und eine Druckseitenwand 13 zu einer Schaufelhinterkante 15 erstreckt. Die Turbinenschaufel 1 kann sowohl eine Leitschaufel als auch eine Laufschaufei sein. Die inneren Oberflächen 19 der Seitenwände 11, 13 umschließen den Hohlraum 3. Unter Bildung eines Zwischenraums 22 ist die Oberfläche 19 vom Prallkühleinsatz 5 mittels mehrerer rippe- oder kreisförmiger Abstandselemente 21 beabstandet. Der im Inneren der Prallkühleinsätze 5 umschlossene Kühlmittelkanal 23 ist von einem Kühlmedium durchströmbar. Die

Prallkühleinsätze 5 weisen ferner Prallkühlöffnungen 25 auf, durch welche das im Kühlmittelkanal 23 strömende Kühlmedium strömen und danach senkrecht auf die Oberflächen 19 der Seitenwände 11, 13 prallen kann, um diese zu kühlen.

Der Prallkühleinsatz 27 ist in Richtung der Schaufelachse 2a gesehen dabei aus zwei separaten Teilen 29, 31 gebildet, welche sich jeweils mit einem Abschnitt 30, 32 in einem Überlappungsbereich 33, 35 aneinanderliegend überlappen. Der Überlappungsbereich 33, 35 liegt dabei außerhalb der mittleren Schaufelblatthöhe. Der in der Fig. 1 dargestellte untere Teil 31 des Prallkühleinsatzes ist an der unteren Plattform und der obere Teil 29 an einer nicht dargestellten oberen Plattform im Anschlussbereich gasdicht zur Vermeidung von Leckagen fixiert.

Da beim Betrieb des Gasturbine sich das heiße Schaufelblatt 2b in Richtung der Schaufelachse 2a mehr dehnt als der kühle Prallkühleinsatz 27, ist eine entlang der Schaufelachse 2a gerichtete Beweglichkeit der beiden fixierten Teile 29, 31 im Überlappungsbereich 33, 35 notwendig.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen jeweils eine alternative Ausgestaltung des Überlappungsbereichs 33, 35 in einer Detailansicht.

Der Prallkühleinsatz 5 ist von der inneren Oberfläche 19 unter Bildung des Zwischenraumes 22 beabstandet. Beim Betrieb der Gasturbine wird die Saugseitenwand 11 von dem Heißgas 7 umströmt. Zur Kühlung der Saugseitenwand 11 strömt aus dem Kühlmittelkanal 23 das Kühlmedium 36 durch die Prallkühlöffnungen 25 hindurch und prallt kühlend auf die innere Oberfläche 19.

In Fig. 2 sind die beiden Abschnitte 30, 32 mit einer identischen Wellenform ausgebildet, dh die Wellenformen der beiden Abschnitte 30, 32 der Teile 29, 31 weisen eine identische Frequenz f und eine identische Amplitude A auf. Durch die Wellenform ist zwischen den beiden Abschnitten 30, 32 ein mäanderförmiger Spalt 37 mit einer geradlinigen und zur Wellenausbreitung parallelen Spaltöffnung 38 geformt, aus dem eine durch Verwirbelungen verminderte Leckage ausströmt, verglichen mit einer Leckage bei einem ebenen Überlappungsbereich nach dem Stand der Technik. Bei einer in Bezug auf Fig. 2 nach links oder rechts zueinander, also entlang der Schaufelachse 2a, verschobenen Position der Abschnitte 30, 32 können die ansteigenden Flanken 39 oder die abfallenden Flanken 40 der benachbarten Abschnitte 30, 32 unter Bildung einer Kontaktfläche aber auch dicht aneinander anliegen. Eine Verschiebung der beiden Teile 29, 31 senkrecht dazu ist aufgrund der vorgegebenen Geometrie des Schaufelblattes 2b und des Prallkühleinsatzes 5 nicht möglich.

Fig. 3 zeigt den Überlappungsbereich 33 mit den beiden gegenüberliegenden Abschnitten 30, 32, welche eine unterschiedliche Frequenz f und eine unterschiedliche

Amplitude A aufweisen. Hierdurch ist zwischen den beiden Abschnitten 30, 32 ein Spiel in Richtung des Pfeils 41, also parallel zur Schaufelachse 2a, möglich, ohne das die Dichtwirkung des Überlappungsbereiches 33 abnimmt. Unabhängig von den thermischen Dehnungen des Prallkühleinsatzes 5 liegen die ansteigenden Flanken 39 bzw. abfallenden Flanken 40 der Wellenform zumindest einer Periode der beiden Abschnitte 30, 32 dichtend aneinander an, so dass jederzeit eine zur Schaufelachse 2a und zur Spaltfläche 38 parallel verlaufende Kontaktfläche 43 vorhanden ist.

Bei auftretenden Materialdehnungen bzw. Verschiebungen der Abschnitte 30, 32 gegeneinander verlagert sich die Kontaktfläche 43 innerhalb des Überlappungsbereichs 33, 35 von einer Periode zu einer benachbarten Periode. Daher ist zweckmäßigerweise eine Mindestanzahl von zwei Perioden im Überlappungsbereich 33, 35 vorgesehen, um eine besonders sichere Abdichtung des Kühlmittelkanals 23 gegenüber dem Zwischenraum 22 zu erzielen.

Je nach Anforderung können zur gleichmäßigeren Kühlung der Seitenwände 11, 13 auch im Überlappungsbereich 33, 35 Prallkühlöffnungen 25 vorgesehen sein, insbesondere im Bereich der Wellentäler oder Wellenberge der Abschnitte 30, 32. Die Wellenform ist nicht zwingend sinusförmig. Eine gleiche Wirkung ist auch mit einer Wellenform bestehend aus aufeinanderfolgenden Halbkreisen oder Halbellipsen erzielbar. Darüber hinaus ist eine Dreiecksform, eine Sägezahnform oder eine Rechteckform ebenfalls denkbar.

Durch die verbesserte Dichtwirkung des Prallkühleinsatzes 5 im Vergleich zu den ebenen Anlageflächen aus dem Stand der Technik kann eine Kühllufteinsparung erzielt werden, die bei einer Verwendung der Turbinenschaufel in einer Gasturbine zu einer Wirkungsgradsteigerung führt. Gleichfalls ist die erfindungsgemäße wellenförmige Überlappung auf jedes prallgekühlte Bauteil einer Gasturbine mit einem Prallkühlblech, z. B. auf einen der Laufschaufei außen gegenüberliegenden Führungsring oder auf ein Brennkammerhitzeschild, übertragbar.

Bezugszeichenliste

1 Turbinenschaufel

2 Plattformbereich 2a Schaufelachse

2b Schaufelblatt

3 Hohlraum

5 Prallkühleinsatz

7 Rauchgas

9 Schaufelvorderkante

11 Saugseitenwand

13 Druckseitenwand

15 Schaufelhinterkante

19 Oberflächen

21 Abstandselemente

23 Kühlmittelkanal

25 Prallkühlöffnungen

27 Prallkühleinsatz

29, 31 Teile

30, 32 Abschnitte

33, 35 Überlappungsbereich

37 Spalt

39 ansteigende Flanke

40 abfallende flanke

41 Pfeil

43 Kontaktfläche