EP0964981A1 - Turbinenschaufel sowie deren verwendung in einer gasturbinenanlage - Google Patents

Turbinenschaufel sowie deren verwendung in einer gasturbinenanlage

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EP0964981A1
EP0964981A1 EP98914796A EP98914796A EP0964981A1 EP 0964981 A1 EP0964981 A1 EP 0964981A1 EP 98914796 A EP98914796 A EP 98914796A EP 98914796 A EP98914796 A EP 98914796A EP 0964981 A1 EP0964981 A1 EP 0964981A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
turbine blade
outlet
cooling
cooling fluid
Prior art date
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Granted
Application number
EP98914796A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0964981B1 (de
Inventor
Michael Scheurlen
Michael HÄNDLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP0964981A1 publication Critical patent/EP0964981A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0964981B1 publication Critical patent/EP0964981B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade which has an inflow region, an outflow region and between them a pressure side and a suction side and a wall structure with a fluid around which a fluid can flow.
  • the wall structure comprises an outer wall which surrounds an interior for guiding cooling fluid and has an outlet for cooling fluid.
  • the invention further relates to the use of such a turbine blade.
  • a guide vane of a gasturoine with a guide of cooling gas for cooling it is described in US Pat. No. 5,419,039.
  • the guide vane is designed as a cast piece or composed of two cast pieces. It has a supply of cooling air from the compressor of the associated gas turbine system in its interior. In its wall structure which is exposed to the hot gas flow of the gas turbine and surrounds the air supply, cast-in cooling pockets which are open on one side are provided.
  • the cooling pockets are arranged on the outside of the wall structure both in the direction of flow of the hot gas and perpendicular to the direction of flow of the hot gas along the main direction of expansion of the guide vane.
  • the cooling bag flows into each cooling bag from the cooling air supply via a plurality of holes in the cooling air wall structure.
  • the object of the invention is to provide a turbine blade with a coolable wall structure. Another object is to indicate the use of such a turbine blade:
  • the object directed to a turbine blade is achieved by such a turbine blade according to the preamble of claim 1, in which the outer wall at the outlet has a thickening directed towards the interior.
  • a thickening which is connected to the outer wall, even with an extremely thin outer wall for the outlet there is a large length to diameter ratio and a small angle of inclination of the outlet with respect to the outer wall can be realized.
  • Cooling fluid in particular cooling air, can therefore flow through the outlet in sufficient quantity to form film cooling of the outer wall.
  • a flat angle of the outlet means that the cooling fluid flow on the outer wall is immediately downstream of the outlet and thus particularly effective cooling can be achieved.
  • Such a turbine blade is preferably suitable for use in a gas turbine, a hot gas flowing around the turbine blade.
  • a hot gas flowing around the turbine blade.
  • failure of the turbine blade is avoided by cooling that can be achieved with the turbine blade.
  • the temperature on the outer wall, the surface temperature is reduced by film cooling and cooling via the interior to a temperature level that is not critical for the turbine blade. Cooling air from the interior leads to a convective transition and to heat conduction through the outer wall, as a result of which the surface of the outer wall can be adequately cooled.
  • the outer wall to be cooled is made as thin as possible.
  • the outer wall is preferably a central one, at least in some areas Wall thickness that is less than 2.5 mm, in particular approximately 1 mm.
  • Cooling air which flows through the interior of the turbine blade, is heated and passes through the outlet, which is designed as a bore, in particular a film cooling bore, into a flow of a fluid flowing around the turbine blade, in particular a hot gas.
  • the outlet, in particular the bore is preferably directed along an axis which is inclined at an acute angle with respect to the main flow direction of the fluid. This ensures that cooling air flowing out of the outlet, which is relatively cool with respect to the fluid, in particular a hot gas, forms a cold film of cooling fluid around the turbine blade. This effectively helps protect the turbine blade.
  • the outlet is preferably inclined at an angle ⁇ between 10 ° and 45 °, in particular between 25 ° and 35 °, with respect to the outer wall. It is preferably designed as a bore with a substantially constant cross section. Alternatively, the outlet can have a throttle region facing the interior with a substantially constant cross-section and a deceleration region that widens towards the hot gas flow. With the throttle area is essentially one
  • a reduction in the flow rate of the cooling fluid can be achieved due to the widening deceleration area, so that the cooling fluid can contact the outer wall immediately downstream of the outlet.
  • the outlet preferably has a minimum diameter between 0.3 mm and 1.5 mm, in particular approximately between 0.6 mm and 0.7 mm. Due to the thickening, such a diameter can be produced without problems in terms of production technology with a ratio of length to diameter of the outlet between 2 and 5. Thus, besides the sufficient supply of Cooling fluid from the interior to the outer surface of the outer wall also ensures a shallow angle of the outlet with respect to the outer wall.
  • the thickening is preferably formed on the outer wall as a local, spherical elevation.
  • the outlet, the bore, is led through the spherical elevation. This enables a corresponding inclination and a large length to diameter ratio of the outlet even with a thin wall of the outer wall.
  • the spherical elevation is preferably rounded off towards the outlet. The increase therefore has a radius of curvature in the region of the outlet in order to achieve a favorable inflow of cooling fluid into the outlet. This makes it possible to equalize the flow of the cooling fluid in the outlet, the bore. This also contributes to an improvement in a cooling fluid film that forms on the outer wall.
  • the thickening can also be designed as a linear increase. This can contain multiple outlets.
  • the wall structure can also have an inner wall facing the interior, a cooling region being provided between the inner wall and the outer wall for the flow of cooling fluid.
  • Each cooling area has an inlet for cooling fluid assigned to the inner wall. This ensures that cooling fluid guided in the interior flows into the cooling area. Cooling fluid passes from the cooling area through the outlet to the outer surface of the outer wall.
  • the cooling area is preferably designed as a cooling chamber which is enclosed by the outer wall and the inner wall. This increases the flexibility in the manufacture of the inlet and outlet and also makes it possible to change the inlet and outlet of cooling fluid retrospectively in accordance with the requirements for the turbine blade.
  • the outlet can have a funnel-shaped opening (slowdown area), which can also be added later can be produced by eroding or working out using a laser beam.
  • the cross section of such a funnel-shaped opening can, for example, circular, rectangular, or another a 'fold geometric shape.
  • the inlet is preferably approximately perpendicular to the outer wall, so that inflowing cooling fluid impinges on the outer wall, whereby additional impingement cooling of the outer wall can be achieved at least in the region of the inlet.
  • the outlet of a cooling area is preferably arranged between the inlet for cooling air and the inflow area of the turbine blade. This ensures so-called counterflow cooling, in which the cooling fluid within the cooling area is directed against the flow direction of the hot gas flow flowing around the turbine blade. This leads to improved film cooling, in particular in the case of a turbine blade used as a guide blade.
  • the turbine blade with a wall structure comprising at least one cooling area, which is arranged between an outer wall and an inner wall, can be produced as a whole by casting in one work step.
  • the turbine blade can also contain two or more cast parts, which are firmly connected to one another after casting by suitable methods (joining processes).
  • the inlet is also made by casting.
  • the turbine blade preferably has a plurality of cooling areas both along its main axis and in a plane perpendicular to the main axis.
  • a guide vane of a stationary gas turbine can have three times three cooling chambers both on the suction side and on the pressure side and, depending on the heat transfer to be achieved, also more or fewer cooling chambers.
  • heat transfer elements around which the cooling fluid can flow are arranged one behind the other in a main flow direction of the cooling fluid and are thermally connected to the outer wall. This is an effective heating of the cooling fluid in the cooling area is ensured over a long distance.
  • the thermal connection of the heat transfer elements with the outer wall ensures effective heat transfer from the outer wall to the cooling fluid.
  • the conceptual division of the wall structure into an outer wall and into an inner wall allows the functional properties of the wall structure to be decoupled, with less demands being placed on the mechanical stability on the outer wall than on the inner wall.
  • the inner wall can therefore, since it is not directly exposed to a hot gas flow, be made with a greater wall thickness than the outer wall. In essence, it can take over the mechanical supporting function for the turbine blade.
  • the outer wall on the other hand, can be designed with a smaller wall thickness, as a result of which it can be cooled particularly effectively via the heat transfer elements.
  • the cross-section of the cooling area between the inner wall and the outer wall is preferably made small to form a high speed of the cooling fluid and is in particular in the region of the wall thickness of the outer wall.
  • the main flow direction in the cooling area preferably corresponds to the flow direction of a fluid flowing around the turbine blade, in particular a hot gas, or is just opposite.
  • the heat transfer elements are preferably column-like or platform-like and extend from the outer wall to the inner wall. They can also be firmly connected to the inner wall.
  • the cross section of the heat transfer elements can be adapted to the heat transfer and flow technology requirements, for example circular, polygonal or in the manner of a flow profile.
  • the object aimed at using the turbine blade is achieved in that the turbine blade is used as a moving blade or guide blade in a gas turbine system, in particular in a gas turbine, in which temperatures of well over 1000 ° C. of the hot gas flowing around the turbines occur.
  • FIG. 2 shows an enlarged illustration of the wall structure according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of a turbine blade in a gas turbine in a cross section
  • FIG. 4 shows an enlarged illustration of a section of the wall structure according to FIG. 3.
  • FIG. 1 shows a turbine blade 1 of a gas turbine which is directed along a main axis 19.
  • This has a wall structure 2 with an inflow region 8, an outflow region 9 and a pressure side 10 and a suction side 11, which are arranged opposite one another.
  • the wall structure 2 has an outer wall 3, which encloses an interior space 21, which is subdivided into subareas not shown.
  • the outer wall 3 has thickenings 14 directed into the interior 21. For the sake of clarity, only two thickenings 14 are shown schematically. poses. Each thickened portion 14 leads to an outlet 16 designed as a bore 17. This enables a cooling fluid 6, cooling air, which is led into the interior 21 to flow from the interior 21 through the thickening 14 to the outer wall 3. Outside of the turbine blade 1, the mixes
  • the bore 17 (see FIG. 2) is inclined relative to the outer wall 3 by an acute angle ⁇ , preferably less than 45 °. It is hereby achieved that the cooling air 6 contacts the outer wall 3 immediately downstream of the outlet 16 and thus effects an effective film cooling of the outer wall 3.
  • the thickening 14 is preferably designed as a singular local spherical elevation and rounded off towards the outlet 16. The thickening 14 thus points where that
  • Cooling fluid flows into the outlet 16, a radius of curvature R through which a largely unimpeded inflow of the cooling fluid 6 into the outlet 16 is ensured. This also contributes to an equalization of the flow of the cooling fluid 6 in the outlet 16, the bore 17.
  • FIGS. 3 and 4 also show a turbine blade 1 of a gas turbine, which is directed along a main axis 19.
  • three hollow cooling regions 5, 5a each designed as cooling chambers 20, are provided on both the suction side 11 and the pressure side 10.
  • These cooling areas 5, 5a are arranged in the wall structure 2 between the outer wall 3 and an inner wall 4.
  • the inner wall 4, like the outer wall 3, encloses the divided interior space 21.
  • the cooling areas 5, 5a have a length that is significantly larger, for example ten times larger than their cross section.
  • the outer wall 3 has a significantly smaller wall thickness than the inner wall 4, for example the wall thickness of the outer wall 3 is 1.0 mm and the wall thickness of the inner wall 4 is 1.5 mm.
  • the cross section of the cooling areas 5, 5a lies in the area of the wall thickness of the outer wall 3 and is, for example, approximately 1.0 mm. Over the long of the cooling area 5, 5a, a plurality, preferably over five, heat transfer elements 7 are arranged.
  • a respective inlet 15 leads from the interior 21 into each cooling area 5, 5a, which is preferably designed as a bore or a plurality of bores, in particular cast. The inlet 15 is directed essentially perpendicular to the outer wall 3. This results in an additional impingement cooling of the outer wall 3 in the area of the inlet 15.
  • a respective outlet 16 leads from each cooling area 5, 5a to the outer surface of the wall structure 2. In the area of the outlet 16, the outer wall 3 has a thickening 14.
  • the cooling chamber 20 is therefore guided further in the direction of the interior 21 in the region of the outlet 16.
  • the outlet 16 is preferably designed as a bore 17.
  • This bore 17 has a throttle region 23 with a constant cross section directly adjoining the cooling chamber 20.
  • This throttle area 23 is followed by an expanding slowdown area 24 in the direction of the outer surface of the outer wall 3.
  • the bore 17 is directed along an axis 22 which, as already explained for FIGS. 1 and 2, is inclined at an acute angle ⁇ with respect to the outer wall 3.
  • the outlet 16 is arranged closer to the inflow region 8 than the inlet 15 assigned to the same cooling chamber. As a result, cooling air 6 is guided in counterflow to the flow of the hot gas 18 in the cooling chamber 20.
  • the heat transfer elements 7 are preferably arranged alternately in the direction of the main axis 19, as a result of which the contact time for heat transfer between the cooling air 6 and the heat transfer element 7 connected to the outer wall 3 is increased.
  • the effectiveness of the cooling is further favored in that the outer wall 3 is designed with a small wall thickness.
  • the supporting inner wall, which is not directly exposed to the hot gas 18, is also cooled.
  • the invention is characterized by a turbine blade with a wall structure in which an outer wall which can be exposed to hot gas has a thickening into an interior, through which thickening an outlet is guided for guiding cooling air.
  • the thickening ensures a favorable length-to-diameter ratio of the outlet and a flat angle of inclination of the outlet relative to the outer wall, even with an extremely thin outer wall with a wall thickness of in particular about 1 mm. As a result, effective film cooling of the outer wall can be achieved.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1), die einen Anströmbereich (8), einen Abströmbereich (9) und dazwischen sich gegenüberliegend eine Druckseite (10) und eine Saugseite (11) sowie eine von einem Fluid (18) umströmbare Wandstruktur (2) aufweist. Die Wandstruktur (2) umfaßt eine Außenwand (3), die einen Innenraum (21) zur Führung von Kühlfluid (6) umgibt und einen Auslaß (16) für Kühlfluid (6) aufweist. An dem Auslaß (16) ist eine zum dem Innenraum (21) gerichtete Verdickung (14) vorgesehen. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Turbinenschaufel (1) in einer Gasturbine.

Description

Beschreibung
TURBINENSCHAUFEL SOWIE DEREN VERWENDUNG IN EINER GASTURBINENANLAGE
Die Erfindung betrifft eine Turbmenschaufel, die einen An- strombereich, einen Abstrombereicn und dazwischen sich gegenüberliegend eine Druckseite und e ne Saugseite sowie eine mit einer von einem Fluid umstrombaren Wandstruktur aufweist. Die Wandstruktur umfaßt eine Außenwand, die einen Innenraum zur Fuhrung von Kühlfluid umgibt und einen Auslaß für Kühlfluid aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer solcnen Turbinenscnaufel .
Eine Leitscnaufel einer Gasturoine mit einer Fuhrung von Kühlgas zu deren Kühlung ist in der US-PS 5,419,039 beschrieben. Die Leitschaufel ist als ein Gußstuck ausgeführt bzw. aus zwei Gußstucken zusammengesetzt. Sie weist in ihrem Inneren eine Zufuhrung von Kühlluft aus dem Verdichter der zugeordneten Gasturbinenanlage auf. In ihrer der Heißgasstromung der Gasturbine ausgesetzten, die Luftzufuhrung umschließenden Wandstruktur sind eingegossene einseitig offene Kuhltaschen vorgesehen. Die Kühltaschen sind an der Außenseite der Wandstruktur sowohl m Stromungsricntung des Heißgases als auch senjrecht zur Stromungsricntung des Heißgases entlang der Hauptausdehnungsrichtung der Leitschaufel angeordnet. In jede Kühltasche strömt von der Kuhlluftzufuhrung über eine Mehrzahl von Lochern in der Wandstruktur Kuhlluft m die Kuhltasche ein. Diese wird in Stromungsrichtung des Heißgases von der Kuhlluft durchströmt und tritt in einem bereits durch das Gießen der Leitschaufeln gebildeten Offnungsbereich in die Strömung oes Heißgases aus. Hierdurch wird in gewissem Maße an der äußeren Oberflache der Wandstruktur eine Filmkuhlung erreicht. In der Kuhltasche kann e n nicht naher spezifizierter Sockel oder können mehrere nicht naher spezifizierte Sok- kel zur Verbesserung der Warmeleitung vorgesehen sein. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel mit einer kühlbaren Wandstruktur anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Verwendung einer solchen Turbinenschaufel anzugeben:
Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe durch eine solche Turbinenschaufel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, bei der die Außenwand an dem Auslaß eine zu dem Innenraum gerichtete Verdickung auf- weist. Durch eine Verdickung, die mit der Außenwand verbunden ist, ist selbst bei einer äußerst dünnen Außenwand für den Auslaß ein großes Längen zu Durchmesser-Verhältnis gegeben sowie ein kleiner Neigungswinkel des Auslasses in Bezug auf die Außenwand realisierbar. Durch den Auslaß kann mithin Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, in ausreichender Menge zur Ausbildung einer Filmkühlung der Außenwand strömen. Durch einen flachen Winkel des Auslasses ist ein unmittelbar stromab des Auslasses Anliegen der Kühlfluidströmung an der Außenwand und somit eine besonders wirksame Kühlung erreichbar.
Vorzugsweise eignet sich eine solche Turbinenschaufel für den Einsatz in einer Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel von einem Heißgas umströmt wird. Bei einer Temperatur des Heißgases, die oberhalb der Schmelztemperatur des Grundmaterials der Turbinenschaufel liegt, wird durch eine mit der Turbinenschaufel erreichbare Kühlung ein Versagen der Turbinenschaufel vermieden. Die Temperatur an der Außenwand, die Oberflächentemperatur, wird durch eine Filmkühlung sowie eine Kühlung über den Innenraum auf ein für die Turbinenschaufel un- kritisches Temperaturniveau abgesenkt. Kühlluft aus dem Innenraum führt zu einem konvektiven Übergang und zu einer Wärmeleitung durch die Außenwand hindurch, wodurch die Oberfläche der Außenwand ausreichend kühlbar ist.
Eine besonders effektive Kühlung wird erzielt, wenn die zu kühlende Außenwand möglichst dünn ausgeführt ist. Vorzugsweise ist die Außenwand zumindest bereichsweise eine mittlere Wandstärke, die geringer als 2,5 mm beträgt, insbesondere etwa bei 1 mm liegt.
Kühlluft, die durch den Innenraum der Turbinenschaufel strömt, wird erwärmt und gelangt durch den Auslaß, welcher als Bohrung, insbesondere Filmkühlbohrung, ausgeführt ist, in eine Strömung eines die Turbinenschaufel umströmenden Flui- des, insbesondere eines Heißgases, hinein. Der Auslaß, insbesondere die Bohrung, ist vorzugsweise entlang entlang einer Achse gerichtet, die gegenüber der Hauptströmungsrichtung des Fluides um einen spitzen Winkel geneigt ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß aus dem Auslaß ausströmende Kühlluft, welche verhältnismäßig kühl gegenüber dem Fluid, insbesondere einem Heißgas, ist, einen kalten Kühlfluidfilm um die Turbi- nenschaufel ausbildet. Dieser trägt wirksam zu einem Schutz der Turbinenschaufel bei.
Der Auslaß ist vorzugsweise um einen Winkel α zwischen 10° und 45°, insbesondere zwischen 25° und 35°, gegenüber der Außenwand geneigt. Er ist vorzugsweise als eine Bohrung mit im wesentlichen konstantem Querschnitt ausgeführt. Alternativ kann der Auslaß einen dem Innenraum zugewandten Drosselbereich mit im wesentlichen konstantem Querschnitt und einen zu der Heißgasströmung sich erweiternden Verlangsamungsbereich aufweisen. Mit dem Drosselbereich ist im wesentlichen eine
Mengenregelung des Kühlfluidstroms ' erreichbar . Durch den sich erweiternden Verlangsamungsbereich ist eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluides erreichbar, so daß sich dieses unmittelbar stromab des Auslasses an die Außen- wand anlegen kann.
Der Auslaß hat vorzugsweise einen minimalen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 1,5 mm, insbesondere etwa zwischen 0,6 mm und 0,7 mm. Durch die Verdickung ist ein solcher Durchmesser bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Auslasses zwischen 2 und 5 fertigungstechnisch unproblematisch herstellbar. Somit ist außer der ausreichenden Zuführung von Kühlfluid aus dem Innenraum an die Außenoberflache der Außenwand auch ein flacher Winkel des Auslasses gegenüber der Außenwand gewahrleistet.
Die Verdickung ist an der Außenwand vorzugsweise als lokale, hugelformige Erhöhung ausgebildet. Durch die hugelformige Erhöhung hindurch ist der Auslaß, die Bohrung, gefuhrt. Dies ermöglicht selbst bei geringer Wandstarke der Außenwand eine entsprechende Neigung und ein großes Langen zu Durchmesser- Verhältnis des Auslasses. Die hugelformige Erhöhung ist vorzugsweise zu dem Auslaß hin abgerundet. Die Erhöhung weist mithin im Bereich des Auslasses einen Krümmungsradius zur Erzielung einer gunstigen Einströmung von Kühlfluid in den Auslaß auf. Hierdurch ist eine Vergleichmaßigung der Strömung des Kuhlfluides in dem Auslaß, der Bohrung, erreichbar. Dies tragt ebenfalls zu einer Verbesserung eines sich an der Außenwand ausbildenden Kuhlfluidfilmes bei.
Die Verdickung kann auch als linienformige Erhöhung ausgebil- det sein. Diese kann mehrere Auslasse enthalten.
Die Wandstruktur kann neben einer Außenwand noch eine dem Innenraum zugewandte Innenwand aufweisen, wobei zwischen Innenwand und Außenwand ein Kuhlbereich zur Durchstromung mit ei- nem Kühlfluid vorgesehen ist. Jeder Kuhlbereich weist einen der Innenwand zugeordneten Einlaß für Kühlfluid auf. Dieser gewahrleistet ein Einstromen von in dem Innenraum geführtem Kühlfluid in den Kuhlbereich hinein. Kühlfluid gelangt aus dem Kuhlbereich durch den Auslaß hinaus an die Außenoberfla- ehe der Außenwand. Der Kuhlbereich ist vorzugsweise als Kuhlkammer ausgebildet, die von der Außenwand und der Innenwand umschlossen ist. Dies erhöht die Flexibilität bei der Herstellung von Einlaß und Auslaß und gibt die Möglichkeit, auch nachtraglich den Einlaß sowie den Auslaß von Kühlfluid ent- sprechend den Anforderungen an die Turbinenschaufel zu verandern. Der Auslaß kann eine trichterförmige Öffnung (Verlangsamungsbereich) aufweisen, welche auch nachtraglich durch Erodieren oder Herausarbeiten mittels Laserstrahl herstellbar ist. Der Querschnitt einer solchen trichterförmigen Öffnung kann beispielsweise kreisrund, rechteckig oder eine andere ein'fach-geometrische Form aufweisen.
Der Einlaß ist vorzugsweise in etwa senkrecht zur Außenwand ausgeführt, so daß einströmendes Kühlfluid auf die Außenwand aufprallt, wodurch eine zusätzliche Prallkühlung der Außenwand zumindest im Bereich des Einlasses erreichbar ist. Der Auslaß eines Kühlbereichs, insbesondere an der Saugseite, ist vorzugsweise zwischen dem Einlaß für Kühlluft und dem Anströmbereich der Turbinenschaufel angeordnet. Dies gewährleistet eine sogenannte Gegenstromkühlung, bei der das Kühlfluid innerhalb des Kühlbereiches entgegen der Strömungsrichtung der die Turbinenschaufel umströmnden Heißgasströmung gerichtet ist. Dies führt insbesondere bei einer als Leitschaufel eingesetzten Turbinenschaufel zu einer verbesserten Filmkühlung. Die Turbinenschaufel mit einer Wandstruktur umfaßend zumindest einen Kühlbereich, der zwischen einer Außenwand und einer Innenwand angeordnet ist, ist als Ganzes durch Gießen in einem Arbeitsschritt herstellbar. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel auch zwei oder mehrere gegossene Teile enthalten, die mit geeigneten Methoden (Fügeverfahren) nach dem Gießen miteinander fest verbunden werden. Vorzugsweise ist auch der Einlaß durch Gießen hergestellt. Die Turbinenschaufel weist vorzugsweise eine Vielzahl von Kühlbereichen sowohl entlang ihrer Hauptachse als auch in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse auf. Eine Leitschaufel einer stationären Gasturbine kann sowohl an der Saugseite als auch an der Druckseite drei mal drei Kühlkammern sowie je nach zu erzielendem Wärmeübertrag auch mehr oder weniger Kühlkammern aufweisen.
In dem Kühlbereich sind in einer Hauptströmungsrichtung des Kuhlfluides von dem Kühlfluid umströmbare Wärmeübertragungselemente hintereinander angeordnet, die wärmetechnisch mit der Außenwand verbunden sind. Hierdurch ist eine wirksame Er- warmung des Kuhlfluides in dem Kuhlbereich über eine lange Wegstrecke gewahrleistet. Durch die warmetechnische Verbindung der Warmeubertragungselemente mit der Außenwand ist eine wirksame Wärmeübertragung von der Außenwand auf das Kühlfluid gegeben.
Weiterhin gestattet die konzeptionelle Aufteilung der Wandstruktur in eine Außenwand und in eine Innenwand eine Entkopplung der funktioneilen Eigenschaften der Wandstruktur, wobei an die Außenwand geringere Anforderungen an die mechanische Stabilität gestellt werden können als an die Innenwand. Die Innenwand kann mithin, da sie nicht unmittelbar einer Heißgasstromung ausgesetzt ist, mit einer größeren Wandstarke als die Außenwand ausgeführt sein. Sie kann im wesent- liehen die mechanische Tragfunktion für die Turbinenschaufel übernehmen. Die Außenwand hingegen kann mit einer geringeren Wandstarke ausgebildet sein, wodurch sie besonders effektiv über die Warmeubertragungselemente kuhlbar ist. Der Querschnitt des Kuhlbereichs zwischen der Innenwand und der Außenwand ist vorzugsweise zur Ausbildung einer hohen Geschwindigkeit des Kuhlfluides gering ausgebildet und liegt insbesondere im Bereich der Wandstarke der Außenwand. Durch einen geringen durchströmten Querschnitt des Kuhlbereichs und eine damit ausgebildete hohe Geschwindigkeit des Kuhlfluides werden sehr hohe Warmeubergangszahlen erreicht. Die Haupt- stromungsrichtung in dem Kuhlbereich entspricht vorzugsweise der Stromungsrichtung eines die Turbinenschaufel umströmenden Fluides, insbesondere eines Heißgases, oder ist dieser gerade entgegengesetzt. Die Warmeubertragungselemente sind vorzugs- weise saulenartig oder podestartig ausgebildet und reichen von der Außenwand bis an die Innenwand heran. Sie können auch mit der Innenwand fest verbunden sein. Der Querschnitt der Warmeubertragungselemente ist jeweils den warmeubertragungs- und stromungstechmschen Anforderungen anpaßbar, beispiels- weise kreisförmig, vieleckig oder nach Art eines Stromungsprofils ausgebildet. Die auf eine Verwendung der Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Turbinenschaufel als Laufschaufel oder Leitschaufel in einer Gasturbinenanlage, insbesondere in' einer Gasturbine, in der Temperaturen von deutlich über 1000 °C des die Turbinen umströmenden Heißgases auftreten, verwendet wird.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Turbinenschaufel näher erläutert. Es zeigen schematisiert unter Darstellung der für die Erläuterung verwendeten konstruktiven und funktionellen Merkmale:
FIG 1 eine Turbinenschaufel einer Gasturbine in einem Querschnitt,
FIG 2 eine vergrößerte Darstellung der Wandstruktur gemäß Figur 1,
FIG 3 eine alternative Ausführungsform einer Turbinen- schaufei einer Gasturbine in einem Querschnitt und
FIG 4 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes der Wandstruktur gemäß Figur 3.
Die Bezugszeichen sämtlicher Figuren haben jeweils die gleiche Bedeutung.
In Figur 1 ist eine entlang einer Hauptachse 19 gerichtete Turbinenschaufel 1 einer Gasturbine dargestellt. Diese weist eine Wandstruktur 2 auf mit einem Anströmbereich 8, einem Abströmbereich 9 sowie einer Druckseite 10 und einer Saugseite 11, die einander gegenüber angeordnet sind. Die Wandstruktur 2 weist eine Außenwand 3 auf, die einen Innenraum 21 umschließt, welcher in nicht näher dargestellte Teilbereiche unterteilt ist. Die Außenwand 3 weist in den Innenraum 21 hinein gerichtete Verdickungen 14 auf. Der Anschaulichkeit halber sind lediglich schematisch zwei Verdickungen 14 darge- stellt. Durch jede Verdickung 14 ist ein als Bohrung 17 ausgebildeter Auslaß 16 gef hrt. Dieser ermöglicht einem in den Innenraum 21 geführten Kühlfluid 6, Kuhlluft, aus dem Innenraum 21 durch die Verdickung 14 an die Außenwand 3 zu stro- men. Außerhalb der Turbinenschaufel 1 vermischt sich die
Kuhlluft 6 mit der Strömung 18 (siehe Figur 2) eines die Tur- binenschaufel 1 umströmenden Fluides, insbesondere eines Heißgases. Die Bohrung 17 ist (siehe Figur 2) gegenüber der Außenwand 3 um einen spitzen Winkel α vorzugsweise kleiner 45° geneigt. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Kuhlluft 6 unmittelbar stromab des Auslasses 16 an die Außenwand 3 anlegt und somit eine wirksame Filmkuhlung der Außenwand 3 bewirkt. Die Verdickung 14 ist vorzugsweise als singulare lokale hugelformige Erhöhung ausgebildet und zu dem Auslaß 16 hin abgerundet. Die Verdickung 14 weist mithin dort, wo das
Kühlfluid in den Auslaß 16 einströmt, einen Krümmungsradius R auf, durch den ein weitgehend ungehindertes Einströmen des Kuhlfluides 6 in den Auslaß 16 gewahrleistet ist. Dies tragt auch zu einer Vergleichmaßigung der Strömung des Kuhlfluides 6 in dem Auslaß 16, der Bohrung 17, bei.
In den Figuren 3 und 4 ist ebenfalls eine Turbinenschaufel 1 einer Gasturbine dargestellt, die entlang einer Hauptachse 19 gerichtet ist. In der Wandstruktur 2 dieser Turbinenschaufel 1 sind sowohl an der Saugseite 11 als auch an der Druckseite 10 jeweils drei als Kuhlkammern 20 ausgebildete hohle Kuhlbereiche 5, 5a vorgesehen. Diese Kuhlbereiche 5, 5a sind in der Wandstruktur 2 zwischen der Außenwand 3 und einer Innenwand 4 angeordnet. Die Innenwand 4 umschließt wie die Außenwand 3 den unterteilten Innenraum 21. Die Kuhlbereiche 5, 5a haben eine Lange, die deutlich großer, beispielsweise zehn mal großer, als ihr Querschnitt ist. Die Außenwand 3 hat eine deutlich geringere Wandstarke als die Innenwand 4, beispielsweise betragt die Wandstarke der Außenwand 3 1,0 mm und die Wandstarke der Innenwand 4 1,5 mm. Der Querschnitt der Kuhlbereiche 5, 5a liegt im Bereich der Wandstarke der Außenwand 3 und betragt beispielsweise etwa 1,0 mm. Über die Lange je- des Kühlbereichs 5, 5a sind eine Mehrzahl, vorzugsweise über fünf, Wärmeübertragungselemente 7 angeordnet. Von dem Innenraum 21 führt in jeden Kühlbereich 5, 5a ein jeweiliger Einlaß 15 hinein, welcher vorzugsweise als eine Bohrung oder eine Mehrzahl von Bohrungen ausgebildet, insbesondere gegossen, ist. Der Einlaß 15 ist im wesentlichen senkrecht zur Außenwand 3 gerichtet. Hierdurch wird eine zusätzliche Prallkühlung der Außenwand 3 im Bereich des Einlasses 15 erreicht. Von jedem Kühlbereich 5, 5a führt ein jeweiliger Auslaß 16 an die Außenoberfläche der Wandstruktur 2. Im Bereich des Auslasses 16 weist die Außenwand 3 eine Verdickung 14 auf. Die Kühlkammer 20 ist mithin im Bereich des Auslasses 16 weiter in Richtung des Innenraumes 21 hineingeführt. Der Auslaß 16 ist vorzugsweise als eine Bohrung 17 ausgeführt. Diese Boh- rung 17 weist einen unmittelbar an die Kühlkammer 20 angrenzenden Drosselbereich 23 mit konstantem Querschnitt auf. An diesen Drosselbereich 23 schließt sich in Richtung zur Außenoberfläche der Außenwand 3 ein sich erweiternder Verlangsamungsbereich 24 an. Die Bohrung 17 ist entlang einer Achse 22 gerichtet, die, wie bereits zu den Figuren 1 und 2 erläutert, gegenüber der Außenwand 3 um einen spitzen Winkel α geneigt ist. Insbesondere an der Saugseite 11 ist der Auslaß 16 näher an dem Anströmbereich 8 angeordnet als der der gleichen Kühlkammer zugeordnete Einlaß 15. Hierdurch wird Kühlluft 6 im Gegenstrom zur Strömung des Heißgases 18 in der Kühlkammer 20 geführt.
Die Wärmeübertragungselemente 7 sind in Richtung der Hauptachse 19 vorzugsweise alternierend angeordnet, wodurch die Kontaktzeit zur Wärmeübertragung zwischen der Kühlluft 6 und dem mit der Außenwand 3 verbundenen Wärmeübertragungselement 7 erhöht wird. Die Wirksamkeit der Kühlung wird noch dadurch begünstigt, daß die Außenwand 3 mit einer geringen Wandstärke ausgeführt ist. Weiterhin erfolgt auch eine Küh- lung der nicht unmittelbar dem Heißgas 18 ausgesetzten tragenden Innenwand . Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenschaufel mit einer Wandstruktur aus, bei der eine einem Heißgas aussetzbare Außenwand eine Verdickung in einen Innenraum hinein aufweist, durch welche Verdickung ein Auslaß zur Führung von Kühlluft geführt ist. Durch die Verdickung ist selbst bei einer äußerst dünnen Außenwand mit einer Wandstärke von insbesondere etwa 1 mm ein günstiges Längen- zu Durchmesser-Verhältnis des Auslasses sowie ein flacher Neigungswinkel des Auslasses gegenüber der Außenwand gewährleistet. Hierdurch ist eine wirksame Filmkühlung der Außenwand erreichbar.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (1), die einen Anströmbereich (8), einen Abströmbereich (9) und dazwischen sich gegenüberliegend eine Druckseite (10) und eine Saugseite (11) sowie eine von einem Fluid (18) umströmbaren Wandstruktur (2) aufweist, wobei die Wandstruktur (2) eine Außenwand (3) umfaßt, die einen Innenraum (21) zur Führung von Kühlfluid (6) umgibt und einen Auslaß (16) für Kühlfluid (6) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Außenwand (3) an dem Auslaß (16) eine zu dem Innenraum (21) gerichtete Verdickung (14) aufweist.
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaß (16) im wesentlichen entlang einer Achse (22) gerichtet ist, die lokal gegnüber der Außenwand (3) um einen Winkel (α) zwischen 10° und 45°, insbesondere zwischen 25° und 35°, geneigt ist.
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaß (16) eine Bohrung (17) mit im wesentlichen konstantem Querschnitt ist.
4. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaß (16) zu dem Innenraum (21) gewandt einen Drosselbereich (23) mit im wesentlichen konstantem Querschnitt aufweist, der in einen Verlangsamungsbereich (24) mit sich erweiterndem Querschnitt übergeht.
5. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verdickung (14) als lokale hugelformige Erhöhung ausgebildet ist .
6. Turbinenschaufel (1) nach 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verdickung (14) zum Auslaß (16) hin abgerundet ist.
7. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verdik- kung (14) als linienförmige Erhöhung ausgebildet ist.
8. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Außenwand (3) zumindest bereichweise eine mittlere Wandstärke kleiner 2,5 mm, insbesondere von etwa 1 mm, aufweist.
9. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaß (16) ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von zwischen 2 und 5, insbesondere 3 bis 4, aufweist.
10. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auslaß (16) einen minimalen Durchmesser von zwischen 0.3 mm und 1.5 mm, insbesondere etwa zwischen 0.6 mm und 0.7 mm, aufweist .
11. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wandstruktur (2) eine Innenwand (4) und einen zwischen Innenwand (4) und Außenwand (3) angeordneten Kühlbereich (5) zur Durchströmung mit einem Kühlfluid (6) aufweist, und jeder Kühlbereich (5) einen der Innenwand (4) zugeordneten Einlaß (15) für Kühlfluid (6) aufweist.
12. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in dem Kühlbereich (5) von dem Kühlfluid (6) in einer Hauptströmungsrichtung (12) umströmbare Wärmeübertragungselemente (7) hintereinander angeordnet sind, die wärmetechnisch mit der Außenwand (3) verbunden sind.
13. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Außenwand (3), Innenwand (4) und Wärmeübertragungselemente (7) durch Gießen in einem Arbeitsschritt hergestellt sind.
14. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, welche eine Laufschaufel (la) oder eine Leitschaufel (lb) für eine Gasturbine ist.
15. Verwendung einer Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Gasturbinenanlage.
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